基于TASP的“機械原理”課程教學研究

武紅霞 陳江義 秦東晨

[摘 要] 在新工程教育與新工科建設的環境下，挖掘CDIO工程教育理念思路與主旨，分析BOPPPS教學模式核心要素，結合新工科教育目標，提出了適合鄭州大學機械與動力工程學院自身學情的TASP教學模式。該教學模式將理論學習、知識檢測、軟件應用、項目實踐作為必要環節，并緊密融合。采用此教學模式對機械原理教學目標進行重新定位，教學過程進行重新構建，建立了具體的、可衡量的學習目標和知識體系與創新能力融合的教學過程。教學實踐表明，該教學模式使學生獲得了系統的理論知識體系、工程實踐能力和創新設計能力，培養了學生勇于探索和實踐的科學精神，很好地提高了教學質量。

[關鍵詞] 工程教育;教學模式;教學目標;機械原理;SLOs

[基金項目] 2017年度河南省高等教育教學改革研究與實踐重點項目“在‘中國制造2025’和新工科指導下機械工程專業人才培養模式探索與實踐”（2017SJGLX010）;2019年度鄭州大學線下精品課程建設項目“鄭州大學線下精品課程建設”（2019ZZUXXKC013）;2020年度河南省線上教學推動課堂改革項目“河南省本科教育線上教學優秀課程”（豫教〔2020〕13455號）

[作者簡介] 武紅霞（1974—），女，河南尉氏人，碩士，鄭州大學機械與動力工程學院講師，主要從事機械原理與機械設計理論研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）51-0146-04? ? [收稿日期] 2021-05-21

一、引言

為應對新一輪科技革命與產業變革，支撐和服務創新驅動發展、“中國制造2025”等一系列國家戰略，2017年教育部積極推進新工科建設。同年，麻省理工學院啟動了新一輪工程教育改革——“新工程教育轉型”（Emerging Engineering Education Transformation，以下簡稱EEET）計劃。相對傳統工科教育，新工科教育更偏重系統思維（微觀到宏觀）、問題導向、大工程觀（從單純技術擴展到社會人文）、解決復雜工程問題的能力。從培養偏技術型、應用型人才向培養工程實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型人才轉變[1]。

目前，圍繞新工程教育改革，出現了很多以“學生發展為中心”、以“成果為導向”的教育模式，被高校引入進行教學實踐的有：以成果為導向的OBE教學模式[2]、以問題為導向的PBL教學模式[3]、能力驅動的CDIO教學模式，以及以學習目標達成為核心的BOPPPS教學模式[4]。

CDIO的全稱為conceive（構思）、design（設計）、implement（實現）、operate（運作），是一種系統、全面的工程教育模式?；贑DIO理念的人才培養模式是“以產業需求為導向、以項目實踐為主線、以創新意識培養為目標”的改革措施[5]。

BOPPPS教學模式以師生互動、學生參與為核心，對課堂教學過程進行模塊化分解，包含導入（bridge-in）、目標（objective）、前測（pre-assesment）、參與式教學活動（participatory）、后測（post-assessment）、總結（summary）六個教學環節。該教學模式要求教師必須針對每次課堂教學開展學習目標設計[4]。

在一些教學經費充足、師資力量雄厚的高校，具備小班化授課和項目實踐的條件，抽選部分班實行CDIO教育模式，但一部分高校處于專業教師少、大班授課、教學經費不足的情況，需要在此基礎上探索適合自身學情的教學模式。

“機械原理”是機械類專業中研究機械共性問題的一門主干技術基礎課。原教學模式存在教學目標不明確、授課形式單一、考核方式單一等問題，造成學生對課程不感興趣，考前靠刷題、識記完成學習，完全無法體現學生的能力目標。本文結合鄭州大學機械與動力工程學院機械原理教學的實際情況，挖掘和利用CDIO工程教育理念所蘊含的思路與主旨，分析BOPPPS教學模式核心要素，結合新工科的教育目標，將二者進行相互融合，提出了適合本校本院學情的TASP教學模式。在該教學模式中將理論學習（theory）、知識檢測（assessment）、軟件應用（software）、項目實踐（projects）作為必要環節，并緊密融合。

二、建立指導學生的教學目標

原課程的教學目標以教師為中心，與學生的關聯度并不高，課程目標中大多用了解、熟悉、掌握、理解和具有等目標不明確、不具體的詞語說明對學生的要求，學生在課程學習中大多處于記住、理解這兩個低階學習層次[6]。新的教學目標契合“以學生發展為中心”的理念，強調高階能力及情感價值的課程目標，把學生學習成果SLOs（student learning outcomes）作為一種預期的培養目標[7]。在新的TASP教學模式中，SLOs比傳統目標更明確，更具有可操作性。SLOs采用反向設計，先確定課程體系的最終成果，依次倒推課程、單元、課堂的SLOs，將整個教學目標體系化（如表1所示）。新的教學目標遵循SMART原則，規定通過課程學習后應該取得的具體的、可衡量的成果。把教學目標“翻譯”成學生的學習目標是重新定位的關鍵。

三、構建知識體系與創新能力融合的教學過程

在TASP教學模式中，理論學習是教學設計的主體，項目實踐是教學設計的核心，知識檢測和軟件應用是輔助工具，四個教學環節圍繞學習目標進行設置，促成學習目標的達成。項目實踐是真正讓學生對所學知識進行具體運用和創新的關鍵，貫穿整個教學環節，但并不等同于項目式教學，而是把建立系統的專業知識體系作為教學主體，項目實踐與理論知識體系相融合，并相互支撐，如圖1所示。

系統的知識體系能使學生從宏觀上掌握專業理論知識，有助于學生進一步深造。項目實踐把理論知識與實際工程緊密聯系起來，既鍛煉了學生解決實際問題的工程實踐能力，又啟發了學生對理論知識進行更為深入的探究與思考，培養和提升了學生的科研思維能力。

檢測包括前測和后測。前測主要是了解學生的興趣與先備知識，采用開放問題和提問應答的方式，以此確定哪些知識進行精講，哪些知識進行粗講。后測是為了驗收學生的學習成果，檢測本課堂設置是否達到了學習目標。后測采用課堂測試和課后作業兩種形式：一是使學生對知識體系的掌握程度進行具體量化的自我評價;二是教師及時獲取學生的反饋信息，以調整后續教學活動，以更好地達到學習目標。

隨著工程軟件工具的功能越來越強大，虛擬設計與仿真成為產品設計中必不可少的環節。在機械工程專業，幾乎每門專業基礎課都有相對應的專業軟件。Adams虛擬樣機可以更加方便地對機構進行仿真模擬和性能分析，使教學內容更為形象化和具體化。同時，學生結合具體的實踐項目進行虛擬樣機的建立和仿真分析，也使學生具有了使用先進設計與分析工具的能力。該教學環節既解決了經費和師資匱乏的問題，又培養了學生的工程實踐能力。

四、教學案例

機械原理課程的主要內容是對常用機構進行深入的研究和探討，下面以平面連桿機構為例進行教學設計。

（一）理論學習和知識測試

課前在學習通發布學習目標和課前測試，課前測試以問題的形式呈現，學生可以帶著解決問題的想法去聽課和自主學習。課前測試題：哪些機械中用到了連桿機構、連桿機構有哪些特點、連桿機構有哪些類型、如何分析連桿機構的運動特性、如何分析連桿機構的傳力特性。

理論學習采用課堂講授和課下自主學習兩種形式，課堂講授參考課前測的反饋信息，以問題的形式進入連桿機構運動特性和傳力特性的課堂教學，以曲柄搖桿機構為例進行課堂講授;以任務驅動啟發學生深度思維探索，引導學生運用所學理論對曲柄滑塊機構和導桿機構進行探究分析;以互動討論激發學生的興趣，幫助學生建立系統的知識體系。在課堂中設置隨堂測試，及時獲取學生的學習成果信息，對出錯人數比較多的知識點進行重點講解。

（二）軟件應用和項目實踐

考慮到學生之間的差異，將牛頭刨床機構作為課堂知識體系實踐的主項目，學生進行機構方案設計，用Adams對所設計方案建立虛擬樣機模型進行運動分析和傳力性能分析，對不同方案進行對比評價，確定最佳方案。能力比較好的學生可以根據自己的興趣進行市場調研，自立題目，例如：仿生機構設計、服務機器人、康復機器人、智慧家居等。學生需要完成機構的概念設計，建立Adams虛擬樣機模型并進行仿真分析，研制實物樣機模型并進行功能驗證。

軟件應用和項目實踐將機械原理的基本理論知識和現代機械產品的機構設計有機融合，以學生為中心，既滿足了學生的共性學習目標，又可兼顧學生的個體差異，培養學生的創新思維、實踐能力和團隊合作能力。學完課程后學生應具備把實際問題抽象成理論問題，然后應用課程理論知識解決實際問題的能力。

五、結語

經過近兩年的實踐，以“學生發展為中心”的TASP教學模式既能很好地幫助學生建立系統的專業知識體系，又能更好地培養學生的科研思維能力、軟件應用能力、工程實踐能力和創新設計能力;既滿足了學生的共性學習目標，又兼顧了學生的個體差異。教學過程也更能啟發學生進行思維探索，激發學生的學習興趣，并取得了比較好的效果。該屆學生在國家級創新大賽和機器人大賽中獲獎13項，在省級創新大賽中獲獎5項。

一流課程建設是一個艱巨的任務，還需要進一步的探索和實踐，持續改進，以達到更好的學習效果。

參考文獻

[1]賈衛平.工程教育認證背景下的應用型機械類人才工程能力培養體系的構建[J].實驗技術與管理，2015，32（1）：38-40+47.

[2]劉小勇，李榮麗，楊慧香，等.新工科背景下基于OBE理念的機械原理改革研究[J].機械設計，2020，37（S2）：23-26.

[3]董康興，尹義方，宋微.“CDIO+PBL”教學模式在機電一體化課程教學的應用[J].機械設計，2018，35（S2）：253-254.

[4]曹丹平，印興耀.加拿大BOPPPS教學模式及其對高等教育改革的啟示[J].實驗室研究與探索，2016，35（2）：196-200+249.

[5]趙志瑛，韓素青，穆曉芳.CDIO工程教育理念下的大學生創新訓練項目選擇與運行研究[J].教育理論與實踐，2018，38（12）：20-22.

[6]鞏建閩，蕭蓓.課程大綱制訂給誰看——論學生中心理念的落實[J].高等工程教育研究，2020（3）：143-150.

[7]鞏建閩，蕭蓓.誰來制訂課程大綱——兼論OBE人才培養方案設計[J].高等工程教育研究，2020（4）：180-187.

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