基于BOPPPS教學(xué)模式的《機械原理》課程教學(xué)設(shè)計
——以《平面機構(gòu)自由度計算》為例

盧秀泉

（吉林大學(xué)機械與航空航天工程學(xué)院 吉林·長春 130022）

0 引言

《機械原理》這門課是面向機械類專業(yè)本科生開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。它是在高等數(shù)學(xué)和理論力學(xué)前導(dǎo)課程基礎(chǔ)上，研究有關(guān)機械的結(jié)構(gòu)學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)問題的一門學(xué)科。課程學(xué)習(xí)的專業(yè)成果是使學(xué)生具備機械系統(tǒng)運動方案設(shè)計的能力，此項內(nèi)容對應(yīng)著機械產(chǎn)品設(shè)計全過程的第一個環(huán)節(jié)，方案的創(chuàng)新性孕育著產(chǎn)品的先進性。后續(xù)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、精度設(shè)計、機械工藝制造等專業(yè)課程內(nèi)容均是依附于合理的運動方案基礎(chǔ)上展開的。因此機械原理是機械類課程體系的核心和基礎(chǔ)，起到承上啟下的橋梁作用。機械原理這門課程在機械類專業(yè)人才培養(yǎng)體系中具有重要的作用。機械原理課程研究對象是機構(gòu)，而機構(gòu)是從具象機器結(jié)構(gòu)的運動中抽象出來的骨架。課程學(xué)習(xí)內(nèi)容比較抽象，有著很深的工程背景，同時具有理論性和實踐性較強的特點，因此教學(xué)內(nèi)容中對基本概念、基本原理和基本方法的講授顯得尤為重要。這門課程在本科二年級下半學(xué)年開設(shè)，由于學(xué)生對專業(yè)的理解尚未深入且工程經(jīng)驗有限，在以課堂講授為主的傳統(tǒng)課堂教學(xué)中，普遍存在學(xué)生興趣度差、知識點理解困難、課堂參與感和融入度不強，造成教學(xué)效果欠佳的問題。針對上述情況，基于一定的機械原理課堂教學(xué)內(nèi)容，如何制定合理的教學(xué)設(shè)計策略和方法，積極調(diào)動、激發(fā)不同類型學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和參與度，引領(lǐng)學(xué)生自主、自覺學(xué)習(xí)和深入思考是提升課堂教學(xué)效果、效率的有效途徑和改革方向。

因此，本文選取《機械原理》課程中“平面機構(gòu)自由度計算”作為案例教學(xué)設(shè)計內(nèi)容，從內(nèi)容難度和學(xué)生特點兩方面對學(xué)情做充分分析的基礎(chǔ)上，遵循建構(gòu)主義教學(xué)理念，基于BOPPPS教學(xué)模式建立整體教學(xué)設(shè)計框架，圍繞核心知識點，以工程問題為導(dǎo)向進行層層遞進式的探究和引導(dǎo)，教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計中體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的理念。

1 基于BOPPPS教學(xué)模式的教學(xué)設(shè)計框架

1.1 導(dǎo)言（bridge-in）

導(dǎo)言環(huán)節(jié)的作用是充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和好奇心，賦予學(xué)習(xí)內(nèi)容以意義，讓學(xué)生充分感受到教學(xué)知識內(nèi)容的重要性，引發(fā)學(xué)生自發(fā)思考，為課程內(nèi)容的講授做鋪墊、埋伏和自然引入。本文基于課程知識內(nèi)容的具體特點，采用工程案例導(dǎo)入的方法。案例選取的原則是與學(xué)生在生活中接觸過的案例和前期經(jīng)驗相連接，以興趣為導(dǎo)向，案例學(xué)科背景以吉林大學(xué)特色學(xué)科工程機械、車輛傳動、人工智能機器人及航天航空經(jīng)典工程案例為依托和載體。課程導(dǎo)入時，在介紹案例的工程背景時，融入思政元素，從正反兩方面介紹我國在具體科研領(lǐng)域取得的成就和不足，春風(fēng)化雨，厚植愛國主義情懷，自覺建構(gòu)學(xué)習(xí)意義，充分激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、緊迫感和使命感。案例分析時，緊緊抓住“運動”二字，引領(lǐng)學(xué)生仔細(xì)觀察機構(gòu)的運動特點和運動方式的轉(zhuǎn)化規(guī)律，啟發(fā)學(xué)生對“機構(gòu)滿足什么條件可動，滿足什么條件具有確定的相對運動”這一核心知識點做初步的觀察和思考。

1.2 學(xué)習(xí)目標(biāo)（Objectives）

在學(xué)習(xí)目標(biāo)環(huán)節(jié)中明確向?qū)W生交代清楚本堂課的學(xué)習(xí)目標(biāo)和能力培養(yǎng)要求，從認(rèn)知、技能、情感三個層次進行表述。依據(jù)本文的核心知識點確定的學(xué)習(xí)目標(biāo)如下：

（1）能夠復(fù)述機構(gòu)組成相關(guān)概念，推導(dǎo)并默寫出平面機構(gòu)自由度計算公式，并可解釋公式中對應(yīng)符號的含義；

（2）熟練應(yīng)用平面機構(gòu)自由度公式正確計算平面機構(gòu)的自由度；

（3）總結(jié)機構(gòu)的運動條件，能夠從運動的角度判斷工程機構(gòu)設(shè)計方案的合理性；

（4）激發(fā)學(xué)生對機械原理的學(xué)習(xí)興趣，體會到“應(yīng)用理論”對工程設(shè)計實踐的直接指導(dǎo)作用，對工程師職業(yè)產(chǎn)生認(rèn)同感，自覺樹立職業(yè)理想，培養(yǎng)學(xué)生客觀、嚴(yán)謹(jǐn)、求實的科學(xué)態(tài)度和素養(yǎng)。

1.3 先測（Pre-Test）

在正式進入本堂課內(nèi)容講解之前，通過先測環(huán)節(jié)可以了解學(xué)生對相關(guān)知識與經(jīng)驗的掌握程度，幫助教師調(diào)整課堂教學(xué)內(nèi)容的深度、安排和進度，通過回顧和梳理上堂課所學(xué)的知識點，實現(xiàn)聚焦本堂課的目的。因此，本文在先測環(huán)節(jié)的設(shè)計中緊緊圍繞機構(gòu)組成的相關(guān)知識點，為平面機構(gòu)自由度計算公式的推導(dǎo)做充分的鋪墊和準(zhǔn)備。

方法上采用客觀題測試的形式，根據(jù)回收的測試結(jié)果針對知識掌握薄弱環(huán)節(jié)進行重點補充和加強。具體先測知識點如圖1所示。

圖1

1.4 參與式學(xué)習(xí)（Participatory Learning）

在參與式學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中，教師作為核心知識的傳遞者和學(xué)生自主學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者，結(jié)合授課學(xué)生的具體學(xué)情特點，以具體的工程案例為載體，以工程問題為導(dǎo)向和情景，連接學(xué)生先驗經(jīng)驗和知識，消除學(xué)生畏難情緒、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，緊緊圍繞“平面機構(gòu)自由度計算”這一核心知識點進行層層遞進式的探究和引導(dǎo)，在討論環(huán)節(jié)中采用“4F（Facts-feeling-findings-future）”理論進行設(shè)計，教學(xué)設(shè)計環(huán)節(jié)全面覆蓋不同學(xué)習(xí)風(fēng)格學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和習(xí)慣，貫徹以“學(xué)為中心”的教學(xué)理念和方法。整個教學(xué)設(shè)計注重師生和生生之間的參與和互動，突出強調(diào)真實任務(wù)和情境化教學(xué)。具體參與式教學(xué)設(shè)計流程如下圖2所示。

圖2

1.5 后測（Post-assessment）

教師在講解完計算機構(gòu)自由度注意事項——復(fù)合鉸鏈的概念和處理方法后，布置學(xué)生重新計算圓盤鋸機構(gòu)的自由度，提示學(xué)生重點分析機構(gòu)中存在復(fù)合鉸鏈的位置和形成對應(yīng)轉(zhuǎn)動副的個數(shù)。在教師的限時督促、指導(dǎo)下，通過組內(nèi)獨立計算、同組交流和組間分享三個環(huán)節(jié)，促使每位學(xué)生都參與到同伴教學(xué)中，最后通過演示機構(gòu)運動動畫，教師引導(dǎo)學(xué)生從機構(gòu)運動的角度自主驗證計算結(jié)果的正確性。后測環(huán)節(jié)全面覆蓋和檢測了本堂課學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成效果。

1.6 總結(jié)（Post-assessment）

對本堂課的重點和難點進行系統(tǒng)梳理、總結(jié)和強調(diào)，從工程實際應(yīng)用的角度重申核心知識點——“平面機構(gòu)自由度計算”是從運動的角度判斷機構(gòu)設(shè)計方案合理性的依據(jù)和基礎(chǔ)，布置課后作業(yè)并發(fā)布下堂課的預(yù)習(xí)任務(wù)，督促學(xué)生在課下要多加練習(xí)。最后，布置思考題“如何計算空間機構(gòu)的自由度”，提供必要的相關(guān)文獻資料和檢索渠道，培養(yǎng)學(xué)生檢索和整理資料的能力、既有知識的聯(lián)想和遷移能力及高階思維方式。

2 結(jié)語

基于建構(gòu)主義的BOPPPS教學(xué)模式自然蘊含“以學(xué)生為中心”的教育理念，與傳統(tǒng)教學(xué)方法相比，BOPPPS教學(xué)法在《機械原理》課程中的應(yīng)用實踐，可以在課堂中充分創(chuàng)造學(xué)習(xí)情境，積極調(diào)動和激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)熱情，教師作為核心知識的傳遞者和深度學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者，引領(lǐng)學(xué)生進行深度思考與團隊協(xié)作經(jīng)驗共享，教學(xué)過程經(jīng)過“理論推導(dǎo)—實踐驗證—理論修正—實踐驗證”的閉環(huán)設(shè)計，滿足不同學(xué)習(xí)風(fēng)格學(xué)生的需求，可以顯著提升課堂效率和教學(xué)效果。