线上线下混合式和理论实验交互式教学研究
——以“机械动力学”为例

朱 跃，张朝福，路 琴，王永健

（南京农业大学 工学院，江苏 南京 210031）

引言

机械动力学是研究机械在微振动状态下运动、受力规律的学科，“机械动力学”课程主要介绍了现代机械系统动力学的建模、分析、计算的基本方法和软件工具等内容，涉及数学、力学、信号处理等多个学科领域［1-3］。“机械动力学”课程对机械大类的学生十分重要，学生只有掌握机械系统动力学分析和设计的方法，了解机械运动、受力的关系，才能胜任复杂机械产品设计工作，最终提高产品设计效率。目前我国各工科院校主要将“机械动力学”课程作为机械类专业选修课程开设，难以覆盖机械专业的每个学生，其核心原因是课程无统一的教学大纲和教材，且课程涉及内容多，课程难度大，知识点繁杂且分散［4］，传统的课堂教育模式难以吸引学生。针对以上问题，为了提高学生学习兴趣，增强学生就业竞争力，在突发公共卫生事件下提高学生网络课程学习效率，协调线下线上课程学习内容和学习效率，本院教学团队开展“机械动力学”课程教学理论实验交互式与线上线下混合式相融合［5］的教学，并追踪教学结果。论文以线上线下混合式教学为基础，与上机实验融合，阐述了混合式教学的实施过程和具体策略，探讨该教学模式面临的挑战和困难，进一步完善融合式教学工作，提高“机械动力学”课程的教学效果。

一、“机械动力学”课程混合式教学方法设计与实施

“机械动力学”课程是主要面向机械类专业开设的一门专业选修课程，课程总共32学时，其中理论教学课时18学时，上机实验课时14学时，课程计2学分。选修该课程的学生是机械、车辆、农机等机械类专业三年级学生，已经完成了“理论力学”“材料力学”等力学类课程的学习，选修“机械动力学”课程的主要目的是深入学习理论力学中动力学知识，掌握机械动力学分析工具软件ADAMS，为个人考研或工作巩固基础。结合“机械动力学”课程特点和学生需求，依托超星学习通电脑端或移动端网络教学平台，教学团队分配了传统教学和网络教学的理论教学课时，且与上机实验交互进行（见图1）。在理论教学中介绍动力学模型，如两自由度车辆平面模型、双连杆平面摆动模型、曲柄滑块模型、齿轮传动模型。学生普遍感觉理论模型建立枯燥难懂，但是基于ADAMS建立这些理论模型，加深了学生对理论建模方法拉格朗日方程的理解，同时也熟悉了ADAMS建模的方法与步骤。这种交互式和伴随式教学有利于提高学生自主学习能力、实践能力，培养其创新意识。

图1 “机械动力学”课程混合教学模式

（一）理论教学的混合式教学设计与实施

“机械动力学”课程理论课时是18学时，课时少，授课内容包括动力学模型参数获取、动力学模型建模方法、多刚体动力学建模三部分内容。针对该课程慕课资源较少的现状，设计了理论教学部分的混合教学模式（见图2），基于超星学习通建立了“机械动力学”学习资源库，依据教学内容授课难易程度，线上教学分配10学时，其中包括绪论、动力学参数获取、牛顿第二运动定律等容易理解的学习内容。线下教学为8学时，主要介绍拉格朗日方法、刚体定点转动欧拉坐标等难点，细化每次课的教学目标，根据概念理解、概念应用及扩展等确定教学目标。按照课前明确学习任务—课上高效学习—课后集中反馈的教学组织，最后完成教学任务。例如在学习拉格朗日方法时，在超星学习通发布教学目标：（1）理解拉格朗日公式分类及概念；（2）会用拉格朗日方程建立简单的系统动力学模型。根据学习目标规定学习任务为根据拉格朗日方法建立弹簧质量块和两自由度车辆动力学模型，学生了解了学习目标和学习任务，课上学习也比较主动高效。该混合式教学模式能够发挥教师课堂教学过程的主导作用，按照课程难易程度进行教学设计，同时也能充分体现学生作为学习过程主体的主动性、积极性。

图2 “机械动力学”理论教学线上线下混合模式

1.教学资源库的建立。“机械动力学”课程理论教学是“理论力学”课程的延伸和拓展，具有理论性强、难以理解的特点。无论是线上教学还是线下教学，所有理论部分均用录屏软件oCam进行录制，根据线上教学内容难易程度决定录课时间，教学内容较简单则每节课录屏25分钟，布置2个讨论主题，选取学生回答2个问题；若线下教学内容较难则每节课录屏35分钟，布置1个主题讨论，安排1次课堂小测。在作业库建立8次作业，还可上传精美PPT到超星学习通平台，建立了相对完整的教学资源库，并在教学过程中不断完善。

2.混合式教学实施。学生普遍对手机、电脑等电子产品兴趣较高，混合式教学实施过程强调以学生为主体，充分发挥学生的主观能动性，学生可突破学习时间和学习地点的限制进行课程学习，在聊天区和教师进行课内或课外互动。作为教学的设计者和组织者，教师要把握好每节课的节奏，一般视频在30分钟左右，建议学生对重点内容反复学习，留出10分钟进行讨论或做练习题，最后5分钟总结课程内容，保证教学任务的完成。（1）课前明确任务。课程授课对象是大三学生，课前预习旨在了解每节课的重点和难点，明确每节课的学习任务和学习目标，初步浏览教师上传的PPT和视频，做到心中有数，并为主题讨论准备素材。如果遇到较难的学习内容，可以多次浏览学习视频，为完成课堂小测做准备。而教师可在教师端根据学习任务点数据记录，调整教学节奏，完成教学任务。（2）课上高效学习。线上学习过程中，学生带着疑问和充足准备进行学习，在主题讨论过程中，部分比较积极的学生会和授课教师在评论区频繁互动，营造了良好的学习氛围，带动其他学生积极学习。针对较难的学习内容可安排线下学习或者教学直播，由教师讲解习题，并配合上机实验，力求学生听懂并会独立建立动力学模型。（3）课后学习反馈。根据课后发布的作业和课堂小测，学生总结所学内容，完成作业，实现知识的融会贯通。学生通过拍照将作业上传至超星学习通平台，教师可根据学生作业完成情况和超星学习通课堂表现数据（例如讨论、提问），调整教学内容与进度，与表现不佳的学生进行沟通，实现教学目标全覆盖。

（二）上机实验的交互式教学设计与实施

“机械动力学”课程不仅使学生了解动力学理论知识，还要求学生熟练运用ADAMS建立简单的动力学模型。对此，教学团队将模型数据保存至超星学习通，并不断完善资源库（见图3）。根据动力学建模方法建立常见的单自由度连杆模型、弹簧-质量块模型、曲柄滑块模型、凸轮模型四种理论模型，并基于ADAMS建立了四种理论模型的仿真模型。根据学生比较喜欢动手操作这一特点，介绍理论建模时可以调用仿真模型，让学生在ADAMS中建立虚拟仿真模型。例如建立单连杆刚体ADAMS模型并测量质量参数（包括质心坐标、惯性张量），完成上述上机操作后，学生在复习理论知识《惯性张量》这一节时，会对惯性张量的物理意义有新的认识。学生在学习上机操作过程中也能兼顾理论学习，调动学生兴趣，使枯燥的动力学理论知识变得生动，容易理解，促进学生知识的内化与迁移。

图3 “机械动力学”上机实验交换式教学模式

（三）混合式教学过程考核

“机械动力学”课程教学过程既有理论教学，又有上机教学，教学环节较为复杂。为了全面考查教学效果，了解学生线上线下学习情况，在加强过程管理的同时体现成绩公平性，对学生学习效果进行全方位评价，课程考核采取过程考核和终结考核相结合、理论考核和项目考核相联系机制，其中最终考核成绩=理论考核成绩（60%）+上机实验考核成绩（40%），其中理论考核成绩=40%×平时成绩（视频学习、在线讨论、平时作业、签到访问、课堂小测）+60%×期末闭卷考试成绩；上机实验考核成绩=40%×平时成绩（ADAMS模型实验）+60%×期末上机考试成绩。

二、“机械动力学”课程混合式教学目标评价与问题反馈

教学团队采用线上线下混合和理论上机交互式学习模式后，选课人数明显增加，从160多人增加到220人，学生期末成绩平均分为80.6±2.5分，混合式教学模式下学生的期末成绩较传统课堂教学期末成绩73.6±2.5提高了7分，结果表明，混合式教学能够有效提高学生的成绩，改善学生的学习效果。

2021年秋季课程结束后，本团队采用问卷星对参与课程学习的学生进行不记名教学意见调查。发放220份问卷，回收有效问卷218份，其中关于教学模式的选择调查，93%的学生选择混合式教学模式，说明绝大部分学生对混合式教学持肯定和积极态度，混合式教学符合大多数学生对教学改革的期望。同时，问卷调查中学生最关心机械上机实验与教师的沟通问题（76.4%），上机实验因人而异，问题繁杂，这也是未来亟须重点关注的一项教学环节。“机械动力学”的动力学建模理论课教学比较复杂，65%的学生认为接受建模理论教学时与教师存在沟通问题。所以，目前难度较大的教学内容和上机实验操作最有效的授课形式为线下授课。

结语

“机械动力学”课程是理论和实验紧密结合的机械类专业选修课，具有教学环节多、教学内容复杂的特点。论文开展“机械动力学”课程的线上线下混合式和理论实验交互式教学探索，按照教学内容难易程度，按比例分配线上线下教学内容，将信息技术应用于传统课堂，在课程考核环节引入多维考核机制，开展高质量的同步交互式教学，提高了学生的学习主动性和创新性。未来亟须不断完善关于学生上机实验教学和引导学生自主学习的教学设计和教学组织。