翻轉(zhuǎn)課堂機電一體化系統(tǒng)實驗教學(xué)淺析

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摘要：針對傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式存在學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，主觀能動性差，動手能力弱等問題，為滿足航空航天領(lǐng)域機電專業(yè)學(xué)生掌握相關(guān)專業(yè)知識和技能的需求，構(gòu)建基于翻轉(zhuǎn)課堂的機電一體化實驗教學(xué)模式，開展強化課前學(xué)生自學(xué)預(yù)習(xí)、重視課中師生互動指導(dǎo)、完善課后教師總結(jié)改進等多方位全過程教學(xué)，堅持以學(xué)習(xí)態(tài)度轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)向，以學(xué)生培養(yǎng)為中心，以能力提升為目標，將機電一體化典型應(yīng)用兩軸運動平臺實驗作為實驗教學(xué)，實踐效果表明：該教學(xué)模式增強學(xué)生的主觀能動性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高實驗教學(xué)質(zhì)量和效果。

關(guān)鍵詞：翻轉(zhuǎn)課堂；機電一體化系統(tǒng)；兩軸運動平臺；實驗教學(xué)

航空航天是目前乃至未來國防建設(shè)和國際競爭的重要領(lǐng)域，備受廣泛關(guān)注。隨著航空航天技術(shù)的迅猛發(fā)展和航空航天研制能力的大幅提高，以及規(guī)模和產(chǎn)能的不斷擴大，對航空航天類技術(shù)人才的需求也將長期保持增加態(tài)勢。機電類人才是航空航天研究院所和企事業(yè)單位人員結(jié)構(gòu)的重要組成部分，能夠在該領(lǐng)域從事產(chǎn)品設(shè)計制造、科技開發(fā)和應(yīng)用研究等方面擔當重要工作的角色，這就要求航空航天機電類人才具備較強的獨立思考、主動擔當、動手能力強等多方面的能力[1]，從而對高校人才的培養(yǎng)模式提出新的需求。高校工科實驗課是學(xué)生教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，同時也是高校人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)的重要組成部分，保障實驗課的質(zhì)量能夠大幅提升學(xué)生多方面能力的培養(yǎng)[2]。為滿足高校人才培養(yǎng)與航空航天領(lǐng)域單位的需求，以達到“校院所企事”的無縫對接狀態(tài)，對高校實驗教學(xué)環(huán)節(jié)提出了更高的要求。機電一體化系統(tǒng)實驗作為航空航天機電人才培養(yǎng)的一門關(guān)鍵核心實驗課程，目前大多采用傳統(tǒng)教學(xué)模式[3-4]。教師在課堂上按照實驗大綱進行講解，學(xué)生根據(jù)實驗任務(wù)書在已經(jīng)搭建好的硬件環(huán)境中進行軟件設(shè)計來完成相關(guān)實驗內(nèi)容。存在學(xué)生“照葫蘆畫瓢”、缺乏獨立思考和師生之間互動不多的問題，學(xué)生對為什么做這樣的實驗、實驗所應(yīng)用領(lǐng)域、實驗內(nèi)容等方面理解程度有限[5]。同時能讓學(xué)生自主設(shè)計和動手裝配的訓(xùn)練很少，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不高，大多處于被動學(xué)習(xí)狀態(tài)，以及存在實驗?zāi)繕瞬幻鞔_、主觀能動性差、動手能力弱、理論與實際結(jié)合不好、教學(xué)實驗與工業(yè)現(xiàn)場脫節(jié)等諸多方面問題。受到上述傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的影響，實驗效果和反饋不理想，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和工程實踐能力方面效果不佳，嚴重影響了學(xué)生的能力培養(yǎng)和單位對畢業(yè)學(xué)生的認可度。翻轉(zhuǎn)課堂作為一種將傳統(tǒng)課上教學(xué)與課下學(xué)習(xí)進行轉(zhuǎn)換的教學(xué)形式，近年來得到教育界廣泛關(guān)注[6]。翻轉(zhuǎn)課堂以學(xué)生為中心，可以彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)方式的不足，能夠使學(xué)生改變現(xiàn)有學(xué)習(xí)狀態(tài)，在興趣牽引、主動思考、勤于動手、全面互動、及時反饋和拓展完善中開展實驗。本文提出基于翻轉(zhuǎn)課堂的機電一體化實驗教學(xué)模式，能夠滿足機電類人才培養(yǎng)的需求，不僅提高實驗教學(xué)效果，而且為學(xué)生后續(xù)的就業(yè)和升學(xué)打下堅實的基礎(chǔ)。

一、翻轉(zhuǎn)課堂實驗教學(xué)

以機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程核心關(guān)鍵實驗項目———兩軸運動平臺搭建作為翻轉(zhuǎn)課堂的實驗教學(xué)案例，進行教學(xué)研究和應(yīng)用。兩軸運動平臺是機械加工設(shè)備和電子加工設(shè)備的基本部件，同時也是進行相關(guān)科學(xué)研究和設(shè)備開發(fā)的常用設(shè)備。通過兩軸運動平臺實驗了解電機控制基本方法和知識，使學(xué)生掌握機電一體化系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)裝配和電氣控制部分的硬件設(shè)計接線、軟件開發(fā)編程、系統(tǒng)調(diào)試及集成的技能，提高動腦思考和相關(guān)操作技能、培養(yǎng)分析問題和解決實際問題的能力，達到較好的實驗?zāi)康暮托Ч＞唧w如下。

（一）強化課前環(huán)節(jié)，翻轉(zhuǎn)課堂有效實施

1.精心選擇實驗項目

結(jié)合航空航天類產(chǎn)品小批量多品種研制的特點，滿足設(shè)計、制造、裝配、調(diào)試和交付的產(chǎn)品全生命周期的實際需求，以及對學(xué)生畢業(yè)去向的統(tǒng)計分析，同時結(jié)合部分學(xué)生考研后所從事的研究方向大多為機電一體化裝備研究、設(shè)計和應(yīng)用，綜上研究和分析，選擇機電一體化系統(tǒng)核心關(guān)鍵實驗項目———兩軸運動平臺作為該實驗教學(xué)項目，通過該實驗教學(xué)的實施可以為學(xué)生能力的提升和后續(xù)發(fā)展起到重要支撐作用。

2.充分準備教學(xué)資料

查閱與實驗相關(guān)的大量資料，采用錄制微視頻的方式對實驗平臺和實驗環(huán)境進行介紹和講解，使學(xué)生對整個實驗有總體直觀認識。制作相關(guān)實驗器材教學(xué)PPT，主要包括機械部分和電氣控制部分，以實物圖片的方式進行展示，使學(xué)生深入理解實驗所用器件的外形、技術(shù)參數(shù)以及該器件在整個實驗中所起到的作用，便于學(xué)生對所用器件深入理解，同時多方位提示學(xué)生注意實驗安全。

3.采用案例式教學(xué)方法

結(jié)合多年來在航空制造企業(yè)的設(shè)計、研發(fā)和工程實踐經(jīng)驗，以飛機制造過程中蒙皮類銑削工裝姿態(tài)調(diào)整需求為牽引，導(dǎo)入在X和Y兩個方向的運動典型實例來進行案例式教學(xué)。從需求分析、方案制定、系統(tǒng)設(shè)計、安裝調(diào)試和運行交付等多個方面對兩軸運動平臺的典型工程應(yīng)用進行講解，使學(xué)生對理論知識和工程實踐能夠有效結(jié)合，不斷引導(dǎo)學(xué)生進入工程應(yīng)用實景，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

4.及時發(fā)布教學(xué)任務(wù)

教學(xué)資料制作完成后，通過雨課堂教學(xué)平臺建課，并發(fā)布課前預(yù)習(xí)任務(wù)，包括學(xué)生需了解實驗環(huán)境、掌握實驗的基本工作原理及其器材使用、能夠?qū)﹄姎庠韴D的讀圖和識圖、機械組裝和電氣連接、編寫實驗程序、通過程序控制實現(xiàn)X軸和Y軸點動控制、速度控制和位置控制等相關(guān)功能。同時將實驗大綱和實驗指導(dǎo)書等相關(guān)資料發(fā)送至教學(xué)平臺上，布置學(xué)生按要求完成課前的學(xué)習(xí)報告，便于學(xué)生進行有效完成預(yù)習(xí)實驗的基本知識。

5.建立有效溝通渠道

通過微信或雨課堂教學(xué)平臺與學(xué)生溝通，學(xué)生針對教師提供的教學(xué)資料進行實驗內(nèi)容學(xué)習(xí)，學(xué)生系統(tǒng)研究整個實驗過程。通過溝通渠道學(xué)生與老師確定學(xué)生的興趣小組，確定按照實驗的要求以3人為實驗小組開展集中學(xué)習(xí)，一名同學(xué)側(cè)重于機械部分；一名學(xué)生側(cè)重電氣硬件部分；一名同學(xué)側(cè)重于PLC軟件編程部分。教師不提供軟件程序，改變傳統(tǒng)以往教師提供程序，學(xué)生在課上直接模仿的方式。同時小組內(nèi)部建立良好的內(nèi)部溝通機制，制定詳細學(xué)習(xí)計劃，做到實驗小組內(nèi)部有效溝通和交流。

6.線上線下混合答疑輔導(dǎo)

學(xué)生針對學(xué)習(xí)過程中遇到的問題和收獲，應(yīng)及時進行記錄和總結(jié)。對發(fā)現(xiàn)的問題學(xué)生應(yīng)通過討論和自我分析問題，逐步解決問題，或遇到難以解決的問題時請教師指導(dǎo)。教師根據(jù)學(xué)生提出的問題，制定相應(yīng)的互動時間，采用線上微信、雨課堂教學(xué)平臺、郵件輔導(dǎo)等方式結(jié)合加以輔導(dǎo)答疑。且教師應(yīng)安排1至2小時學(xué)生面對面的線下答疑和輔導(dǎo)，發(fā)揮線上和線下優(yōu)勢，使學(xué)生遇到的問題得到有效解決。

（二）重視課中環(huán)節(jié)，實驗效果顯著

1.重點難點及時講解

教師根據(jù)學(xué)生課前預(yù)習(xí)情況統(tǒng)計分析，針對出現(xiàn)的個性問題、共性問題、難點問題進行有針對性講解和指導(dǎo)，同時對實驗的重點進行詳細講解，以達到良好的教學(xué)效果。實驗以安全第一為原則，在課堂上對實驗安全問題再次集中強調(diào)，避免在實驗過程發(fā)生危險，保障學(xué)生人身安全和防止對實驗器件的不必要損壞。

2.抽查預(yù)習(xí)狀態(tài)及混合分組

為了使翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式真正起到實際作用，抽查部分學(xué)生課前學(xué)習(xí)完成情況，檢查學(xué)生是否達到了預(yù)定的學(xué)習(xí)目標。同時采取與課前學(xué)習(xí)小組不同的再次混合分組方式進行實驗，三名學(xué)生為一組，且每名同學(xué)在每個小組均不固定，減少學(xué)生依賴其他同學(xué)的心理，使學(xué)生高度認識實驗的重要性，達到課前良好預(yù)習(xí)效果。

3.獨立自主實驗及協(xié)同配合

學(xué)生需獨立自主完成相關(guān)實驗任務(wù)，在實驗分組完成后，明確自己所在小組的任務(wù)，發(fā)揮每位同學(xué)的特長和優(yōu)勢，避免出現(xiàn)由任務(wù)分配不合理而導(dǎo)致實驗任務(wù)分配不均的情況，有序開展實驗。在實驗過程中遇到問題，學(xué)生應(yīng)獨立思考或與組內(nèi)其他組員討論解決。學(xué)生實驗過程圖如圖1所示，組內(nèi)成員需通過協(xié)作來共同完成整個實驗，在實驗中應(yīng)具有批判性和創(chuàng)新性思維，提高團隊溝通配合能力。

4.全面指導(dǎo)互動交流

在學(xué)生實驗期間，教師及時檢查每一小組的實驗情況，對于學(xué)生遇到的新問題要及時幫助和指導(dǎo)。同時對于部分學(xué)生實驗動手能力不強、理論和實際結(jié)合不高的問題應(yīng)加以重點指導(dǎo)。針對學(xué)生出現(xiàn)的錯誤裝配和電氣連接、系統(tǒng)調(diào)試問題及時糾正。實驗過程中學(xué)生若遇到問題應(yīng)及時與教師溝通和交流，教師應(yīng)詳細指導(dǎo)，與學(xué)生交流，突出重點。

5.成果展示交流心得

學(xué)生在完成實驗之后在課堂上展示自己小組實驗成果，每名同學(xué)分別介紹自己所做的工作，以及在實驗中所起到的作用，培養(yǎng)學(xué)生團隊協(xié)作能力。交流課前和課上學(xué)習(xí)體驗和心得，總結(jié)實驗出現(xiàn)的問題和如何排查，及下一次實驗在哪個方面應(yīng)進一步加強和完善，逐步提高自主學(xué)習(xí)的主動性和學(xué)習(xí)興趣。同時學(xué)生與教師之間可針對實驗報告的發(fā)散性題目進行交流，采取提問和互動等方式，激發(fā)學(xué)生深層次地思考問題。

6.有效評價實驗過程

在實驗完成后，學(xué)生需自行完成實驗報告并提交。教師安排每個小組內(nèi)的同學(xué)依據(jù)整個實驗過程中的表現(xiàn)、所起到的作用多少和團隊協(xié)作能力方面互相打分，作為實驗評分的一項標準。同時教師針對每個小組的實驗?zāi)繕诉_成情況、實驗時間、實驗操作規(guī)程等進行個體和總體的綜合性評價，保障實驗過程監(jiān)督和有效綜合評價。

7.布置開放拓展實驗項目

教師應(yīng)篩選出有進一步研究興趣的學(xué)生，布置具有拓展思維、進階開放的實驗項目或設(shè)計方面的選題，供同學(xué)們研究。培養(yǎng)這部分學(xué)生的科研和工程實踐能力。教師可根據(jù)自身的工程實踐和科研方面所涉及的運動控制方面問題與學(xué)生進行探討，以航空航天領(lǐng)域?qū)嶋H的工程應(yīng)用為案例，進一步鞏固實驗教學(xué)的應(yīng)用范圍和現(xiàn)實意義。

（三）完善課后環(huán)節(jié)，鞏固優(yōu)化提高

1.綜合評價實驗結(jié)果

教師批改以小組為單位的實驗報告，對實驗報告出現(xiàn)的問題集中分析和總結(jié)，為后續(xù)改進提供基礎(chǔ)。針對學(xué)生課前預(yù)習(xí)成績，實驗過程成績、小組各自評分成績、實驗報告成績的綜合加權(quán)系數(shù)平均給出最終的實驗成績，著重將學(xué)生對實驗方案、多角度思考和創(chuàng)新性見解作為重要的評價標準。

2.反饋評估持續(xù)改進

教師應(yīng)總結(jié)課前資料的充分性、學(xué)生的學(xué)習(xí)情況、理論與實踐結(jié)合能力、掌握知識的程度、學(xué)生遇到的問題、分析問題和解決問題的能力、對實驗是否滿意程度和存在的差距等諸多方面問題進行研究，并以此為基礎(chǔ)優(yōu)化和完善。學(xué)生應(yīng)總結(jié)預(yù)習(xí)方法是否正確，實驗重點是否能夠掌握，及其總結(jié)歸納實驗的全過程，逐步提高學(xué)習(xí)效率。同時學(xué)生還要培養(yǎng)自己全方位多層次的創(chuàng)新思維能力，不斷地強化自我、培養(yǎng)自我和完善自我。

3.提升拓展實驗質(zhì)量

學(xué)生結(jié)合自己的興趣開展拓展實驗，根據(jù)教師布置的題目思考和分析，制訂方案并加以論證，詳細研究實驗的過程和如何進行實現(xiàn)，與老師討論和交流，教師應(yīng)不斷啟發(fā)和指導(dǎo)學(xué)生。例如學(xué)生基于昆侖通態(tài)觸摸屏自行開發(fā)的運動平臺控制演示界面，如圖2所示，將此實驗結(jié)果進行演示，提升自主學(xué)習(xí)能力。

4.調(diào)查問卷和座談

教師根據(jù)學(xué)生反饋設(shè)計出相關(guān)調(diào)查問卷，發(fā)放給學(xué)生，預(yù)留充足的時間，保證每位學(xué)生都參與并認真作答。及時回收調(diào)查問卷，整理數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，得出結(jié)論。以及教師通過選取部分學(xué)生進行座談，開展實驗課程意見的交流和互動，為后續(xù)實驗教學(xué)改進提供基礎(chǔ)。

二、實施效果分析

實施基于翻轉(zhuǎn)課堂的機電一體化系統(tǒng)實驗教學(xué)后，通過調(diào)查問卷方式檢驗，用于了解該種教學(xué)模式的被認可度，發(fā)放110份學(xué)生調(diào)查問卷，收回110份。調(diào)查項目分為五類問題，問卷調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計如圖3所示。通過調(diào)查問卷分析得出，認為實驗項目合理的人數(shù)為100人，占到總?cè)藬?shù)的90.9%；喜歡翻轉(zhuǎn)課堂實驗教學(xué)方式的人數(shù)為93人，占到總?cè)藬?shù)的84.5%，說明翻轉(zhuǎn)課堂很有必要，學(xué)生對翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的認可度較高；認為教師教學(xué)方法實用占到總?cè)藬?shù)的92.7%；認為實驗安排合理的占到總?cè)藬?shù)的80%；認為教學(xué)資料充分的占到總?cè)藬?shù)的83.6%。選取實驗中快速完成并結(jié)果演示較好、動手能力較強、課堂表現(xiàn)不積極的三種學(xué)生共20人進行座談，絕大部分學(xué)生認為這種教學(xué)方式鞏固了理論知識、培養(yǎng)了主動思考能力和動手操作能力，有效提高實驗教學(xué)效果，同時部分同學(xué)也提出相應(yīng)的實驗教學(xué)改進建議，總體來說該實驗教學(xué)模式效果良好。

三、結(jié)束語

基于翻轉(zhuǎn)課堂的機電一體化系統(tǒng)實驗教學(xué)模式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，進一步提高學(xué)生的動腦動手能力、勇于思考和創(chuàng)新能力，達到讓知識、能力和態(tài)度情感融為一體的教育，有效提高了學(xué)生課堂學(xué)習(xí)效率。然而教學(xué)改革和教學(xué)效果的提高不是一蹴而就的，而是需要不斷完善和持續(xù)改進的過程，在實際的實驗教學(xué)過程中，需不斷探索教學(xué)方式的變革，激發(fā)教與學(xué)的活力，引領(lǐng)教學(xué)革命，努力達到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

作者:劉穎 李文強 程志輝 單位:沈陽工業(yè)大學(xué)教務(wù)處 沈陽航空航天大學(xué) 機電工程學(xué)院遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院