基于翻转课堂的机电一体化系统实验教学研究与应用

摘  要：针对传统实验教学模式存在学生学习兴趣不高，主观能动性差，动手能力弱等问题，为满足航空航天领域机电专业学生掌握相关专业知识和技能的需求，构建基于翻转课堂的机电一体化实验教学模式，开展强化课前学生自学预习、重视课中师生互动指导、完善课后教师总结改进等多方位全过程教学，坚持以学习态度转变为导向，以学生培养为中心，以能力提升为目标，将机电一体化典型应用两轴运动平台实验作为实验教学，实践效果表明：该教学模式增强学生的主观能动性，激发学生的学习兴趣， 提高实验教学质量和效果。

关键词：翻转课堂;机电一体化系统;两轴运动平台;实验教学

中图分类号：G642       文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）21-0121-04

Abstract： Aiming at the problems of students' low learning interest， poor subjective initiative， and weak hands-on ability in the traditional experimental teaching mode， in order to meet the needs of mechanical and electrical students in the aerospace field to master relevant professional knowledge and skills， a classroom-based mechatronics experiment was established. We construct teaching mode， carry out intensive pre-class self-study previews， evaluate teacher-student interaction guidance during the lesson， improve multi-faceted whole-process teaching such as teacher summary and improvement after class， adhere to the change of learning attitudes， take students as the center， and improve the ability as the goal. The two-axis motion platform is a typical application of mechatronics in experimental teaching. The practical results show that this teaching mode enhances students subjective initiative， stimulates students' learning interest， and improves the quality and effect of experimental teaching.

Keywords： flip classroom; mechatronics system; two-axis motion platform; experimental teaching

航空航天是目前乃至未来国防建设和国际竞争的重要领域，备受广泛关注。随着航空航天技术的迅猛发展和航空航天研制能力的大幅提高，以及规模和产能的不断扩大，对航空航天类技术人才的需求也将长期保持增加态势。机电类人才是航空航天研究院所和企事业单位人员结构的重要组成部分，能够在该领域从事产品设计制造、科技开发和应用研究等方面担当重要工作的角色，这就要求航空航天机电类人才具备较强的独立思考、主动担当、动手能力强等多方面的能力[1]，从而对高校人才的培养模式提出新的需求。高校工科实验课是学生教学的重要环节，同时也是高校人才培养环节的重要组成部分，保障实验课的质量能够大幅提升学生多方面能力的培养[2]。为满足高校人才培养与航空航天领域单位的需求，以达到“校院所企事”的无缝对接状态，对高校实验教学环节提出了更高的要求。

机电一体化系统实验作为航空航天机电人才培养的一门关键核心实验课程，目前大多采用传统教学模式[3-4]。教师在课堂上按照实验大纲进行讲解，学生根据实验任务书在已经搭建好的硬件环境中进行软件设计来完成相关实验内容。存在学生“照葫芦画瓢”、缺乏独立思考和师生之间互动不多的问题，学生对为什么做这样的实验、实验所应用领域、实验内容等方面理解程度有限[5]。同时能让学生自主设计和动手装配的训练很少，导致学生的学习兴趣不高，大多处于被动学习状态，以及存在实验目标不明确、主观能动性差、动手能力弱、理论与实际结合不好、教学实验与工业现场脱节等诸多方面问题。受到上述传统实验教学模式的影响，实验效果和反馈不理想，在培养学生创新精神和工程实践能力方面效果不佳，严重影响了学生的能力培养和单位对毕业学生的认可度。

翻转课堂作为一种将传统课上教学与课下学习进行转换的教学形式，近年来得到教育界广泛关注[6]。翻转课堂以学生为中心，可以弥补传统实验教学方式的不足，能够使学生改变现有学习状态，在兴趣牵引、主动思考、勤于动手、全面互动、及时反馈和拓展完善中开展实验。本文提出基于翻转课堂的机电一体化实验教学模式，能够满足机电类人才培养的需求，不仅提高实验教学效果，而且为学生后续的就业和升学打下坚实的基础。

一、翻转课堂实验教学

以机电一体化系统设计课程核心关键实验项目——两轴运动平台搭建作为翻转课堂的实验教学案例，进行教学研究和应用。两轴运动平台是机械加工设备和电子加工设备的基本部件，同时也是进行相关科学研究和设备开发的常用设备。通过两轴运动平台实验了解电机控制基本方法和知识，使学生掌握机电一体化系统的机械结构装配和电气控制部分的硬件设计接线、软件开发编程、系统调试及集成的技能，提高动脑思考和相关操作技能、培养分析问题和解决实际问题的能力，达到较好的实验目的和效果。具体如下。

（一）强化课前环节，翻转课堂有效实施

1. 精心选择实验项目

结合航空航天类产品小批量多品种研制的特点，满足设计、制造、装配、调试和交付的产品全生命周期的实际需求，以及对学生毕业去向的统计分析，同时结合部分学生考研后所从事的研究方向大多为机电一体化装备研究、设计和应用，综上研究和分析，选择机电一体化系统核心关键实验项目——两轴运动平台作为该实验教学项目，通过该实验教学的实施可以为学生能力的提升和后续发展起到重要支撑作用。

2. 充分准备教学资料

查阅与实验相关的大量资料，采用录制微视频的方式对实验平台和实验环境进行介绍和讲解，使学生对整个实验有总体直观认识。制作相关实验器材教学PPT，主要包括机械部分和电气控制部分，以实物图片的方式进行展示，使学生深入理解实验所用器件的外形、技术参数以及该器件在整个实验中所起到的作用，便于学生对所用器件深入理解，同时多方位提示学生注意实验安全。

3. 采用案例式教学方法

结合多年来在航空制造企业的设计、研发和工程实践经验，以飞机制造过程中蒙皮类铣削工装姿态调整需求为牵引，导入在X和Y两个方向的运动典型实例来进行案例式教学。从需求分析、方案制定、系统设计、安装调试和运行交付等多个方面对两轴运动平台的典型工程应用进行讲解，使学生对理论知识和工程实践能够有效结合，不断引导学生进入工程应用实景，激发学生的学习兴趣。

4. 及时发布教学任务

教学资料制作完成后，通过雨课堂教学平台建课，并发布课前预习任务，包括学生需了解实验环境、掌握实验的基本工作原理及其器材使用、能够对电气原理图的读图和识图、机械组装和电气连接、编写实验程序、通过程序控制实现X轴和Y轴点动控制、速度控制和位置控制等相关功能。同时将实验大纲和实验指导书等相关资料发送至教学平台上，布置学生按要求完成课前的学习报告，便于学生进行有效完成预习实验的基本知识。

5. 建立有效沟通渠道

通过微信或雨课堂教学平台与学生沟通，学生针对教师提供的教学资料进行实验内容学习，学生系统研究整个实验过程。通过沟通渠道学生与老师确定学生的兴趣小组，确定按照实验的要求以3人为实验小组开展集中学习，一名同学侧重于机械部分;一名学生侧重电气硬件部分;一名同学侧重于PLC软件编程部分。教师不提供软件程序，改变传统以往教师提供程序，学生在课上直接模仿的方式。同时小组内部建立良好的内部沟通机制，制定详细学习计划，做到实验小组内部有效沟通和交流。

6. 线上线下混合答疑辅导

学生针对学习过程中遇到的问题和收获，应及时进行记录和总结。对发现的问题学生应通过讨论和自我分析问题，逐步解决问题，或遇到难以解决的问题时请教师指导。教师根据学生提出的问题，制定相应的互动时间，采用线上微信、雨课堂教学平台、邮件辅导等方式结合加以辅导答疑。且教师应安排1至2小时学生面对面的线下答疑和辅导，发挥线上和线下优势，使学生遇到的问题得到有效解决。

（二）重视课中环节，实验效果显著

1. 重点难点及时讲解

教师根据学生课前预习情况统计分析，针对出现的个性问题、共性问题、难点问题进行有针对性讲解和指导，同时对实验的重点进行详细讲解，以达到良好的教学效果。实验以安全第一为原则，在课堂上对实验安全问题再次集中强调，避免在实验过程发生危险，保障学生人身安全和防止对实验器件的不必要损坏。

2. 抽查预习状态及混合分组

为了使翻转课堂的教学模式真正起到实际作用，抽查部分学生课前学习完成情况，检查学生是否达到了预定的学习目标。同时采取与课前学习小组不同的再次混合分组方式进行实验，三名学生为一组，且每名同学在每个小组均不固定，减少学生依赖其他同学的心理，使学生高度认识实验的重要性，达到课前良好预习效果。

3. 独立自主实验及协同配合

学生需独立自主完成相关实验任务，在实验分组完成后，明确自己所在小组的任务，发挥每位同学的特长和优势，避免出现由任务分配不合理而导致实验任务分配不均的情况，有序开展实验。在实验过程中遇到问题，学生应独立思考或与组内其他组员讨论解决。学生实验过程图如图1所示，组内成员需通过协作来共同完成整个实验，在实验中应具有批判性和创新性思维，提高团队沟通配合能力。

图1 学生实验图

4. 全面指导互动交流

在学生实验期间，教师及时检查每一小组的实验情况，对于学生遇到的新问题要及时帮助和指导。同时对于部分学生实验动手能力不强、理论和实际结合不高的问题应加以重点指导。针对学生出现的错误装配和电气连接、系统调试问题及时纠正。实验过程中学生若遇到问题应及时与教师沟通和交流，教师应详细指导，与学生交流，突出重点。

5. 成果展示交流心得

学生在完成实验之后在课堂上展示自己小组实验成果，每名同学分别介绍自己所做的工作，以及在实验中所起到的作用，培养学生团队协作能力。交流课前和课上学习体验和心得，总结实验出现的问题和如何排查，及下一次实验在哪个方面应进一步加强和完善，逐步提高自主学习的主动性和学习兴趣。同时学生与教师之间可针对实验报告的发散性题目进行交流，采取提问和互动等方式，激发学生深层次地思考问题。

6. 有效评价实验过程

在实验完成后，学生需自行完成实验报告并提交。教师安排每个小组内的同学依据整个实验过程中的表现、所起到的作用多少和团队协作能力方面互相打分，作为实验评分的一项标准。同时教师针对每个小组的实验目标达成情况、实验时间、实验操作规程等进行个体和总体的综合性评价，保障实验过程监督和有效综合评价。

7. 布置开放拓展实验项目

教师应筛选出有进一步研究兴趣的学生，布置具有拓展思维、进阶开放的实验项目或设计方面的选题，供同学们研究。培养这部分学生的科研和工程实践能力。教师可根据自身的工程实践和科研方面所涉及的运动控制方面问题与学生进行探讨，以航空航天领域实际的工程应用为案例，进一步巩固实验教学的应用范围和现实意义。