李 諍*，孫昌國，劉 欣

（大連海事大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院 遼寧 大連 116026）

機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗是令學(xué)生掌握機(jī)械專業(yè)基礎(chǔ)知識的重要課程，是訓(xùn)練學(xué)生實(shí)際動手能力，加深對理論知識的理解以及建立工程思維的必需環(huán)節(jié)，在機(jī)械類專業(yè)課程體系中的地位非常重要[1]。大連海事大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)將培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用理論知識解決實(shí)際問題的能力作為本專業(yè)實(shí)驗類課程的基本教學(xué)目標(biāo)之一，而機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗教學(xué)的核心理念就是通過實(shí)驗使專業(yè)基礎(chǔ)知識具象化，讓學(xué)生們在實(shí)踐的過程中深入理解重要的專業(yè)基礎(chǔ)知識并訓(xùn)練解決實(shí)際問題的能力，有助于更好地達(dá)成理論和實(shí)驗課程的知識、能力和情感目標(biāo)[2]。為了確保實(shí)驗教學(xué)質(zhì)量，大連海事大學(xué)建立了專門的機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗室并配置了多種實(shí)體實(shí)驗設(shè)備，基于實(shí)驗室開展相關(guān)教學(xué)活動，從而形成了較為成熟的常規(guī)實(shí)驗教學(xué)模式（見圖1）。但在目前“新工科”建設(shè)背景下，現(xiàn)行的常規(guī)教學(xué)模式在教學(xué)方式多樣化、實(shí)驗資源分配和教學(xué)內(nèi)容擴(kuò)展等方面都存在局限性，因此迫切需要針對機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗開展教學(xué)改革和實(shí)踐，解決常規(guī)教學(xué)模式中存在的各種問題，以確保機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗的教學(xué)效果[3]。

圖1 機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗常規(guī)教學(xué)模式

1 機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗常規(guī)教學(xué)模式存在的問題

圖1展示了機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗常規(guī)教學(xué)模式的具體流程，一般包括實(shí)驗預(yù)習(xí)—課堂教學(xué)—學(xué)生實(shí)操—課程考核四個環(huán)節(jié)。學(xué)生們首先根據(jù)實(shí)驗大綱提前預(yù)習(xí)實(shí)驗內(nèi)容；其次在課堂教學(xué)中根據(jù)實(shí)驗教師的講授和指導(dǎo)，理解實(shí)驗要求以及掌握實(shí)驗設(shè)備的使用方法；而后分組操作實(shí)驗設(shè)備并按照實(shí)驗要求采集和記錄數(shù)據(jù)；最后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和討論，在課后完成實(shí)驗報告并作為課程考核的依據(jù)；其中課堂教學(xué)和學(xué)生實(shí)操兩個核心環(huán)節(jié)均需在教學(xué)實(shí)驗室進(jìn)行。機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗近年來的實(shí)際教學(xué)效果反饋表明上述常規(guī)模式存在以下問題：

1.1 實(shí)驗課程與理論課程的知識點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系不明確

教師在課堂教學(xué)中往往將大部分注意力放在對實(shí)驗過程的講解上，一般情況下不會特地強(qiáng)調(diào)實(shí)驗的理論基礎(chǔ)，而實(shí)驗大綱等教學(xué)資料中也較少明確提及和實(shí)驗相關(guān)的理論課程知識點(diǎn)。學(xué)生們雖然能在教師的指導(dǎo)下完成實(shí)驗操作，但并不能確保其充分理解了實(shí)驗所對應(yīng)的理論知識點(diǎn)，實(shí)驗報告的高錯誤率就是這個問題的直接反映。

1.2 硬件條件限制了實(shí)驗教學(xué)的能力和效率，設(shè)備維護(hù)會消耗大量資源且損耗率較高

在實(shí)驗教學(xué)中，如果實(shí)驗設(shè)備硬件資源不足，則無法保證每名學(xué)生都能獲得合理的實(shí)驗資源分配，這會打擊學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，導(dǎo)致學(xué)生出現(xiàn)不重視實(shí)驗課程，不動手操作，不討論問題，不采集數(shù)據(jù)，抄襲實(shí)驗報告等各種問題；而實(shí)操環(huán)節(jié)中可能會產(chǎn)生一些難以預(yù)料的零件損耗，從而產(chǎn)生較高的維護(hù)成本。

1.3 某些教學(xué)實(shí)驗有一定的危險性，學(xué)生獨(dú)立操作的風(fēng)險較大

在設(shè)計教學(xué)實(shí)驗內(nèi)容時，需要綜合考慮實(shí)驗條件、實(shí)驗的教學(xué)意義以及學(xué)生的技能水平。有些實(shí)驗的理論基礎(chǔ)對應(yīng)機(jī)械工程學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)比較核心的專業(yè)知識點(diǎn)，且在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用廣泛，有重要的工程意義，比如齒輪切削加工和金屬材料熱處理等。這類實(shí)驗在條件允許的前提下有充分的教學(xué)必要性，但是對操作者的要求較高，學(xué)生獨(dú)立操作會存在一定的人身安全風(fēng)險。而為了確保安全，在教學(xué)中一般不會引入此類實(shí)驗項目，這就導(dǎo)致學(xué)生在理論課程中學(xué)到的重要知識無法通過實(shí)驗重現(xiàn)，從而弱化了實(shí)驗教學(xué)的意義。

1.4 實(shí)驗課程考核方式比較單一，考核標(biāo)準(zhǔn)缺乏客觀性

常規(guī)教學(xué)模式以學(xué)生課后完成的實(shí)驗報告作為考核主體，根據(jù)其完成度和準(zhǔn)確性進(jìn)行評分，考核方式單一；關(guān)于學(xué)生實(shí)驗?zāi)芰Φ目己藰?biāo)準(zhǔn)比較含糊，而僅憑實(shí)驗報告無法客觀考核學(xué)生的綜合能力水平；由于實(shí)驗報告在考核中的比重太大，導(dǎo)致抄襲實(shí)驗報告的現(xiàn)象時有發(fā)生；由此可見常規(guī)模式的考核和評價體系還不夠完善，不僅會削弱實(shí)驗考核的客觀性，而且會影響到學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度，不利于提高實(shí)驗教學(xué)質(zhì)量。

2 機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗教學(xué)改革與實(shí)踐

2.1 在教學(xué)資料中明確強(qiáng)調(diào)實(shí)驗原理和相關(guān)理論知識點(diǎn)的關(guān)聯(lián)性

機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗的教學(xué)資料以教學(xué)大綱為主，其內(nèi)容包括課程教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)要求、教學(xué)手段、課程信息、考核方式和標(biāo)準(zhǔn)等，在實(shí)驗教學(xué)中，常見的實(shí)驗大綱是其核心內(nèi)容之一，用于具體指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)驗原理、了解實(shí)驗?zāi)康模煜?shí)驗操作等。實(shí)驗大綱除了包括常規(guī)內(nèi)容（如實(shí)驗?zāi)康摹?shí)驗內(nèi)容、實(shí)驗步驟、數(shù)據(jù)記錄和分析等）之外，還應(yīng)增加“實(shí)驗理論”部分，基于實(shí)驗?zāi)康暮蛢?nèi)容總結(jié)歸納實(shí)驗中所涉及的相關(guān)知識點(diǎn)，使學(xué)生了解此項實(shí)驗是基于何種原理設(shè)計的，并能夠通過實(shí)驗進(jìn)一步加深對理論知識的理解和掌握。例如在“螺栓連接綜合測試實(shí)驗”中，螺栓受工作載荷后的變形規(guī)律是實(shí)驗的理論基礎(chǔ)，因此在“實(shí)驗理論”內(nèi)容中增加了完整的螺栓連接變形協(xié)調(diào)圖，以及根據(jù)協(xié)調(diào)圖判斷螺栓在工作載荷下變形的方法和過程，同時給出了相關(guān)的計算公式。在實(shí)驗過程中，學(xué)生需要通過調(diào)整螺栓剛度來改變螺栓受工作載荷下的變形，實(shí)驗大綱中會明確指出螺栓剛度、工作載荷和變形之間的關(guān)系應(yīng)符合協(xié)調(diào)圖，并引導(dǎo)學(xué)生通過分析實(shí)驗數(shù)據(jù)驗證該結(jié)論，通過這種方式具象化協(xié)調(diào)圖的作用，以此強(qiáng)調(diào)實(shí)驗原理和理論知識之間的關(guān)聯(lián)性。

2.2 根據(jù)“虛實(shí)結(jié)合”方針開發(fā)“虛擬+實(shí)體”綜合實(shí)驗并搭建混合式實(shí)驗教學(xué)平臺

基于現(xiàn)有的實(shí)體實(shí)驗設(shè)備開發(fā)相應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗軟件，在軟件環(huán)境中重現(xiàn)實(shí)體實(shí)驗的全過程，以形成完整的虛擬仿真實(shí)驗，并在實(shí)體實(shí)驗教學(xué)計劃的基礎(chǔ)上增設(shè)對應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)計劃，盡可能全面地實(shí)現(xiàn)實(shí)體實(shí)驗的虛擬化，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加其他多種虛擬仿真實(shí)驗項目；當(dāng)虛擬仿真實(shí)驗資源積累到一定程度后，再將所有具備教學(xué)能力的實(shí)驗項目組合在一起，搭建以“虛擬+實(shí)體”綜合實(shí)驗為主體，其他虛擬仿真實(shí)驗為補(bǔ)充，同時具備線上線下教學(xué)能力的混合式實(shí)驗教學(xué)平臺[4-6]，即所謂的“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗教學(xué)改革方針。該教學(xué)平臺中的每個虛擬仿真實(shí)驗項目都應(yīng)具備教學(xué)演示、教學(xué)資料、實(shí)驗?zāi)Ｐ?、?shù)據(jù)采集分析、課程考核、幫助和答疑等多個功能模塊，全面涵蓋常規(guī)教學(xué)模式中的所有環(huán)節(jié)。此外為了令實(shí)驗教學(xué)方式更加靈活，可將“虛擬+實(shí)體”綜合實(shí)驗定義為“必修實(shí)驗”，以此作為實(shí)驗教學(xué)的主要內(nèi)容；其他不具備實(shí)體實(shí)驗條件的虛擬仿真實(shí)驗項目則可定義為“選修實(shí)驗”，作為輔助實(shí)驗項目列入教學(xué)計劃。

混合式實(shí)驗教學(xué)平臺在機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗教學(xué)過程中發(fā)揮了重要的作用。例如在進(jìn)行“機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計拼裝綜合實(shí)驗”（“虛擬+實(shí)體”綜合實(shí)驗）時，教師首先通過混合式實(shí)驗教學(xué)平臺向?qū)W生推送此項實(shí)驗的網(wǎng)址鏈接、使用說明以及實(shí)驗大綱等資料，方便學(xué)生調(diào)試仿真實(shí)驗軟件和提前進(jìn)行預(yù)習(xí)；進(jìn)入課堂教學(xué)環(huán)節(jié)后，學(xué)生首先觀看“教學(xué)演示”中的實(shí)驗教學(xué)視頻，了解實(shí)驗?zāi)康暮蛯?shí)驗內(nèi)容，學(xué)習(xí)實(shí)驗原理、實(shí)驗步驟、軟件操作、實(shí)驗數(shù)據(jù)的采集方法以及數(shù)據(jù)分析流程等具體內(nèi)容，之后再由實(shí)驗教師結(jié)合相關(guān)教學(xué)資料進(jìn)行課堂講授，特別強(qiáng)調(diào)實(shí)驗的理論基礎(chǔ)，包括運(yùn)動副的類型和特點(diǎn)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的繪制以及平面機(jī)構(gòu)自由度計算等，增強(qiáng)學(xué)生對實(shí)驗原理以及相關(guān)知識點(diǎn)的理解；在實(shí)操環(huán)節(jié)中，學(xué)生們在軟件環(huán)境下完成構(gòu)件選擇、機(jī)構(gòu)分析、模型組裝、運(yùn)動仿真以及自由度計算等具體實(shí)驗步驟，并根據(jù)實(shí)驗要求記錄和采集必要的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)驗原理驗證實(shí)驗結(jié)論的準(zhǔn)確性。完成虛擬仿真實(shí)驗后，教師可根據(jù)實(shí)際情況組織學(xué)生在實(shí)體實(shí)驗臺上重現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗的操作流程，完成“虛擬+實(shí)體”實(shí)驗項目的全部內(nèi)容（如圖2 所示），再次驗證虛擬仿真實(shí)驗的結(jié)論，最終形成理論和實(shí)踐的知識閉環(huán)。

圖2 “虛擬+實(shí)體”綜合實(shí)驗項目

教育部辦公廳“關(guān)于開展2015 年國家級虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知”明確要求，“虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心建設(shè)應(yīng)充分體現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛的原則，實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗不具備或難以完成的教學(xué)功能。在涉及高危或極端的環(huán)境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情況時，提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗項目”[7]。

混合式實(shí)驗教學(xué)平臺中同樣包含了多項具有上述特點(diǎn)的虛擬仿真實(shí)驗作為選修實(shí)驗，例如“液體動壓滑動軸承性能測試虛擬仿真實(shí)驗”和“漸開線齒輪加工虛擬仿真實(shí)驗”等，鼓勵學(xué)生根據(jù)個人實(shí)際情況和興趣自行選擇和學(xué)習(xí)，并將選修實(shí)驗的學(xué)習(xí)成果作為加分項納入考核范圍。這類實(shí)驗?zāi)軌蛲貙拰W(xué)生的知識面，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力和積極性，有助于更好地達(dá)成實(shí)驗教學(xué)的目標(biāo)。

2.3 基于客觀標(biāo)準(zhǔn)，采用多種考核方式考查學(xué)生的綜合能力

機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗教學(xué)考核方式改革的核心思路是：力求打破“唯實(shí)驗報告”考核模式，以明確客觀的考核標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，采取多種考核方式以全面考察學(xué)生的綜合能力。例如“機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計拼裝綜合實(shí)驗”的課程考核模塊中包括四種考核方式，具體內(nèi)容和要求如下：①理論基礎(chǔ)：系統(tǒng)根據(jù)題庫中的習(xí)題自動生成試卷，考查學(xué)生對實(shí)驗理論基礎(chǔ)的理解和掌握程度；②步驟勘誤：播放一段搭建實(shí)驗機(jī)構(gòu)流程的視頻，要求學(xué)生指出其中的錯誤并改正；③故障判斷：要求學(xué)生對照已知機(jī)構(gòu)簡圖分析給定的仿真實(shí)驗?zāi)Ｐ停ɑ蚋鶕?jù)已知仿真模型分析給定機(jī)構(gòu)簡圖）以及自由度計算過程，指出其中的錯誤并改正；④數(shù)據(jù)分析：要求學(xué)生提交完成組裝的實(shí)驗?zāi)Ｐ鸵约白杂啥扔嬎愕脑敿?xì)過程。

學(xué)生完成考核后，軟件會將所有的作答數(shù)據(jù)自動提交至平臺的實(shí)驗評分系統(tǒng)；教師根據(jù)教學(xué)大綱中明確規(guī)定的各考核環(huán)節(jié)的評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行客觀且全面的評分。

綜上所述，基于“虛實(shí)結(jié)合”方針構(gòu)建了包含必修實(shí)驗（“虛擬+實(shí)體”綜合實(shí)驗）和選修實(shí)驗（虛擬仿真實(shí)驗）以及整合了考核功能的混合式實(shí)驗教學(xué)平臺體系。如圖3（p71）所示，該平臺也是大連海事大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)進(jìn)行機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗教學(xué)改革和實(shí)踐的成果。

圖3 “虛實(shí)結(jié)合”的混合式實(shí)驗教學(xué)平臺

3 教學(xué)改革成果

大連海事大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)應(yīng)用混合式實(shí)驗教學(xué)平臺進(jìn)行機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗教學(xué)已有兩年左右的時間，期間始終基于“虛實(shí)結(jié)合”方針持續(xù)進(jìn)行機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗教學(xué)改革和課程建設(shè)，不斷開發(fā)“虛擬+實(shí)體”教學(xué)資源和完善教學(xué)內(nèi)容，獲得了非常好的效果。目前，混合式實(shí)驗教學(xué)平臺主要涵蓋“機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗（機(jī)械設(shè)計）”和“機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗（機(jī)械原理）”兩門機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗課程的教學(xué)環(huán)節(jié)，總共包括8項實(shí)體實(shí)驗和6 項虛擬仿真實(shí)驗，其中4 項具備“虛擬+實(shí)體”綜合實(shí)驗教學(xué)條件。在日常教學(xué)中，學(xué)生首先按照教學(xué)大綱要求完成3 項必修實(shí)驗項目（包括2 項“虛擬+實(shí)體”綜合實(shí)驗以及其他1 項實(shí)體實(shí)驗），之后可在其余虛擬仿真實(shí)驗項目中任意選擇1 項作為選修實(shí)驗項目，最后綜合學(xué)生每個實(shí)驗項目的分項成績，按照教學(xué)大綱中規(guī)定的評分標(biāo)準(zhǔn)和比例確定課程的總成績。線上教學(xué)期間，實(shí)驗教學(xué)主要基于虛擬仿真實(shí)驗展開，將“虛擬+實(shí)體”綜合實(shí)驗中的虛擬仿真實(shí)驗部分作為必修實(shí)驗；線下教學(xué)中可視情況補(bǔ)做實(shí)體實(shí)驗或直接將實(shí)體實(shí)驗部分作為實(shí)驗考核的方式之一。從教學(xué)效果反饋來看，學(xué)生們對這種獨(dú)特的實(shí)驗教學(xué)模式表現(xiàn)出了極大的興趣，特別是在進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗時，學(xué)生們從中獲得了深度的沉浸感，對理論知識的實(shí)踐應(yīng)用形式有了更加深入的理解。調(diào)查顯示，有相當(dāng)數(shù)量的學(xué)生不止一次地完成虛擬仿真實(shí)驗，甚至還有學(xué)生團(tuán)隊自發(fā)地嘗試基于虛擬實(shí)驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行實(shí)體實(shí)驗項目的自主創(chuàng)新研究，這說明學(xué)生們對“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗教學(xué)模式的認(rèn)可度很高。此外改革后的實(shí)驗考核機(jī)制更加先進(jìn)，學(xué)生獲得的成績能夠客觀評價其在實(shí)驗中表現(xiàn)出來的綜合能力，實(shí)驗教學(xué)目標(biāo)的整體達(dá)成度也有大幅提升。經(jīng)過實(shí)驗訓(xùn)練的學(xué)生在應(yīng)用理論知識解決工程問題方面表現(xiàn)突出，在全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽中取得了優(yōu)異的成績。

4 結(jié)語

實(shí)踐證明，應(yīng)用混合式實(shí)驗教學(xué)平臺進(jìn)行機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗教學(xué)能夠極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，多樣的考核方式能夠客觀全面地考察學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，使學(xué)生更容易達(dá)成課程的教學(xué)目標(biāo)；多種因素相輔相成，形成了獨(dú)特的教學(xué)模式，確保了機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗的教學(xué)效果。目前混合式實(shí)驗教學(xué)平臺仍在不斷建設(shè)中，未來將持續(xù)進(jìn)行以“虛實(shí)結(jié)合”為方針的實(shí)驗教學(xué)改革和實(shí)踐，進(jìn)一步增補(bǔ)更多類型的“虛擬+實(shí)體”綜合實(shí)驗項目，從軟件和硬件兩方面綜合提升混合式實(shí)驗教學(xué)平臺的教學(xué)能力和涵蓋面，為其他實(shí)驗類課程建設(shè)以及教學(xué)改革提供參考。