李 诤*，孙昌国，刘 欣
（大连海事大学船舶与海洋工程学院 辽宁 大连 116026）
机械基础实验是令学生掌握机械专业基础知识的重要课程，是训练学生实际动手能力，加深对理论知识的理解以及建立工程思维的必需环节，在机械类专业课程体系中的地位非常重要[1]。大连海事大学机械工程专业将培养学生应用理论知识解决实际问题的能力作为本专业实验类课程的基本教学目标之一，而机械基础实验教学的核心理念就是通过实验使专业基础知识具象化，让学生们在实践的过程中深入理解重要的专业基础知识并训练解决实际问题的能力，有助于更好地达成理论和实验课程的知识、能力和情感目标[2]。为了确保实验教学质量，大连海事大学建立了专门的机械基础教学实验室并配置了多种实体实验设备，基于实验室开展相关教学活动，从而形成了较为成熟的常规实验教学模式（见图1）。但在目前“新工科”建设背景下，现行的常规教学模式在教学方式多样化、实验资源分配和教学内容扩展等方面都存在局限性，因此迫切需要针对机械基础实验开展教学改革和实践，解决常规教学模式中存在的各种问题，以确保机械基础实验的教学效果[3]。
图1 机械基础实验常规教学模式
图1展示了机械基础实验常规教学模式的具体流程，一般包括实验预习—课堂教学—学生实操—课程考核四个环节。学生们首先根据实验大纲提前预习实验内容；
其次在课堂教学中根据实验教师的讲授和指导，理解实验要求以及掌握实验设备的使用方法；
而后分组操作实验设备并按照实验要求采集和记录数据；
最后对数据进行分析和讨论，在课后完成实验报告并作为课程考核的依据；
其中课堂教学和学生实操两个核心环节均需在教学实验室进行。机械基础实验近年来的实际教学效果反馈表明上述常规模式存在以下问题：
1.1 实验课程与理论课程的知识点对应关系不明确
教师在课堂教学中往往将大部分注意力放在对实验过程的讲解上，一般情况下不会特地强调实验的理论基础，而实验大纲等教学资料中也较少明确提及和实验相关的理论课程知识点。学生们虽然能在教师的指导下完成实验操作，但并不能确保其充分理解了实验所对应的理论知识点，实验报告的高错误率就是这个问题的直接反映。
1.2 硬件条件限制了实验教学的能力和效率，设备维护会消耗大量资源且损耗率较高
在实验教学中，如果实验设备硬件资源不足，则无法保证每名学生都能获得合理的实验资源分配，这会打击学生的学习积极性，导致学生出现不重视实验课程，不动手操作，不讨论问题，不采集数据，抄袭实验报告等各种问题；
而实操环节中可能会产生一些难以预料的零件损耗，从而产生较高的维护成本。
1.3 某些教学实验有一定的危险性，学生独立操作的风险较大
在设计教学实验内容时，需要综合考虑实验条件、实验的教学意义以及学生的技能水平。有些实验的理论基础对应机械工程学科领域内比较核心的专业知识点，且在行业内应用广泛，有重要的工程意义，比如齿轮切削加工和金属材料热处理等。这类实验在条件允许的前提下有充分的教学必要性，但是对操作者的要求较高，学生独立操作会存在一定的人身安全风险。而为了确保安全，在教学中一般不会引入此类实验项目，这就导致学生在理论课程中学到的重要知识无法通过实验重现，从而弱化了实验教学的意义。
1.4 实验课程考核方式比较单一，考核标准缺乏客观性
常规教学模式以学生课后完成的实验报告作为考核主体，根据其完成度和准确性进行评分，考核方式单一；
关于学生实验能力的考核标准比较含糊，而仅凭实验报告无法客观考核学生的综合能力水平；
由于实验报告在考核中的比重太大，导致抄袭实验报告的现象时有发生；
由此可见常规模式的考核和评价体系还不够完善，不仅会削弱实验考核的客观性，而且会影响到学生的学习态度，不利于提高实验教学质量。
2.1 在教学资料中明确强调实验原理和相关理论知识点的关联性
机械基础实验的教学资料以教学大纲为主，其内容包括课程教学目标、教学要求、教学手段、课程信息、考核方式和标准等，在实验教学中，常见的实验大纲是其核心内容之一，用于具体指导学生学习实验原理、了解实验目的，熟悉实验操作等。实验大纲除了包括常规内容（如实验目的、实验内容、实验步骤、数据记录和分析等）之外，还应增加“实验理论”部分，基于实验目的和内容总结归纳实验中所涉及的相关知识点，使学生了解此项实验是基于何种原理设计的，并能够通过实验进一步加深对理论知识的理解和掌握。例如在“螺栓连接综合测试实验”中，螺栓受工作载荷后的变形规律是实验的理论基础，因此在“实验理论”内容中增加了完整的螺栓连接变形协调图，以及根据协调图判断螺栓在工作载荷下变形的方法和过程，同时给出了相关的计算公式。在实验过程中，学生需要通过调整螺栓刚度来改变螺栓受工作载荷下的变形，实验大纲中会明确指出螺栓刚度、工作载荷和变形之间的关系应符合协调图，并引导学生通过分析实验数据验证该结论，通过这种方式具象化协调图的作用，以此强调实验原理和理论知识之间的关联性。
2.2 根据“虚实结合”方针开发“虚拟+实体”综合实验并搭建混合式实验教学平台
基于现有的实体实验设备开发相应的虚拟仿真实验软件，在软件环境中重现实体实验的全过程，以形成完整的虚拟仿真实验，并在实体实验教学计划的基础上增设对应的虚拟仿真实验教学计划，尽可能全面地实现实体实验的虚拟化，并在此基础上进一步增加其他多种虚拟仿真实验项目；
当虚拟仿真实验资源积累到一定程度后，再将所有具备教学能力的实验项目组合在一起，搭建以“虚拟+实体”综合实验为主体，其他虚拟仿真实验为补充，同时具备线上线下教学能力的混合式实验教学平台[4-6]，即所谓的“虚实结合”实验教学改革方针。该教学平台中的每个虚拟仿真实验项目都应具备教学演示、教学资料、实验模型、数据采集分析、课程考核、帮助和答疑等多个功能模块，全面涵盖常规教学模式中的所有环节。此外为了令实验教学方式更加灵活，可将“虚拟+实体”综合实验定义为“必修实验”，以此作为实验教学的主要内容；
其他不具备实体实验条件的虚拟仿真实验项目则可定义为“选修实验”，作为辅助实验项目列入教学计划。
混合式实验教学平台在机械基础实验教学过程中发挥了重要的作用。例如在进行“机构创新设计拼装综合实验”（“虚拟+实体”综合实验）时，教师首先通过混合式实验教学平台向学生推送此项实验的网址链接、使用说明以及实验大纲等资料，方便学生调试仿真实验软件和提前进行预习；
进入课堂教学环节后，学生首先观看“教学演示”中的实验教学视频，了解实验目的和实验内容，学习实验原理、实验步骤、软件操作、实验数据的采集方法以及数据分析流程等具体内容，之后再由实验教师结合相关教学资料进行课堂讲授，特别强调实验的理论基础，包括运动副的类型和特点、机构运动简图的绘制以及平面机构自由度计算等，增强学生对实验原理以及相关知识点的理解；
在实操环节中，学生们在软件环境下完成构件选择、机构分析、模型组装、运动仿真以及自由度计算等具体实验步骤，并根据实验要求记录和采集必要的数据进行分析，结合实验原理验证实验结论的准确性。完成虚拟仿真实验后，教师可根据实际情况组织学生在实体实验台上重现虚拟仿真实验的操作流程，完成“虚拟+实体”实验项目的全部内容（如图2 所示），再次验证虚拟仿真实验的结论，最终形成理论和实践的知识闭环。
图2 “虚拟+实体”综合实验项目
教育部办公厅“关于开展2015 年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知”明确要求，“虚拟仿真实验教学中心建设应充分体现虚实结合、相互补充、能实不虚的原则，实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。在涉及高危或极端的环境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时，提供可靠、安全和经济的实验项目”[7]。
混合式实验教学平台中同样包含了多项具有上述特点的虚拟仿真实验作为选修实验，例如“液体动压滑动轴承性能测试虚拟仿真实验”和“渐开线齿轮加工虚拟仿真实验”等，鼓励学生根据个人实际情况和兴趣自行选择和学习，并将选修实验的学习成果作为加分项纳入考核范围。这类实验能够拓宽学生的知识面，提升学生的学习兴趣，培养学生自主学习的能力和积极性，有助于更好地达成实验教学的目标。
2.3 基于客观标准，采用多种考核方式考查学生的综合能力
机械基础实验教学考核方式改革的核心思路是：力求打破“唯实验报告”考核模式，以明确客观的考核标准为基础，采取多种考核方式以全面考察学生的综合能力。例如“机构创新设计拼装综合实验”的课程考核模块中包括四种考核方式，具体内容和要求如下：①理论基础：系统根据题库中的习题自动生成试卷，考查学生对实验理论基础的理解和掌握程度；
②步骤勘误：播放一段搭建实验机构流程的视频，要求学生指出其中的错误并改正；
③故障判断：要求学生对照已知机构简图分析给定的仿真实验模型（或根据已知仿真模型分析给定机构简图）以及自由度计算过程，指出其中的错误并改正；
④数据分析：要求学生提交完成组装的实验模型以及自由度计算的详细过程。
学生完成考核后，软件会将所有的作答数据自动提交至平台的实验评分系统；
教师根据教学大纲中明确规定的各考核环节的评价标准进行客观且全面的评分。
综上所述，基于“虚实结合”方针构建了包含必修实验（“虚拟+实体”综合实验）和选修实验（虚拟仿真实验）以及整合了考核功能的混合式实验教学平台体系。如图3（p71）所示，该平台也是大连海事大学机械工程专业进行机械基础实验教学改革和实践的成果。
图3 “虚实结合”的混合式实验教学平台
大连海事大学机械工程专业应用混合式实验教学平台进行机械基础实验教学已有两年左右的时间，期间始终基于“虚实结合”方针持续进行机械基础实验教学改革和课程建设，不断开发“虚拟+实体”教学资源和完善教学内容，获得了非常好的效果。目前，混合式实验教学平台主要涵盖“机械基础实验（机械设计）”和“机械基础实验（机械原理）”两门机械基础实验课程的教学环节，总共包括8项实体实验和6 项虚拟仿真实验，其中4 项具备“虚拟+实体”综合实验教学条件。在日常教学中，学生首先按照教学大纲要求完成3 项必修实验项目（包括2 项“虚拟+实体”综合实验以及其他1 项实体实验），之后可在其余虚拟仿真实验项目中任意选择1 项作为选修实验项目，最后综合学生每个实验项目的分项成绩，按照教学大纲中规定的评分标准和比例确定课程的总成绩。线上教学期间，实验教学主要基于虚拟仿真实验展开，将“虚拟+实体”综合实验中的虚拟仿真实验部分作为必修实验；
线下教学中可视情况补做实体实验或直接将实体实验部分作为实验考核的方式之一。从教学效果反馈来看，学生们对这种独特的实验教学模式表现出了极大的兴趣，特别是在进行虚拟仿真实验时，学生们从中获得了深度的沉浸感，对理论知识的实践应用形式有了更加深入的理解。调查显示，有相当数量的学生不止一次地完成虚拟仿真实验，甚至还有学生团队自发地尝试基于虚拟实验模型进行实体实验项目的自主创新研究，这说明学生们对“虚实结合”实验教学模式的认可度很高。此外改革后的实验考核机制更加先进，学生获得的成绩能够客观评价其在实验中表现出来的综合能力，实验教学目标的整体达成度也有大幅提升。经过实验训练的学生在应用理论知识解决工程问题方面表现突出，在全国大学生机械创新设计大赛中取得了优异的成绩。
实践证明，应用混合式实验教学平台进行机械基础实验教学能够极大地激发学生的学习热情，多样的考核方式能够客观全面地考察学生的学习成果，使学生更容易达成课程的教学目标；
多种因素相辅相成，形成了独特的教学模式，确保了机械基础实验的教学效果。目前混合式实验教学平台仍在不断建设中，未来将持续进行以“虚实结合”为方针的实验教学改革和实践，进一步增补更多类型的“虚拟+实体”综合实验项目，从软件和硬件两方面综合提升混合式实验教学平台的教学能力和涵盖面，为其他实验类课程建设以及教学改革提供参考。