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摘 要：教育的“互联网 +”是全球教育发展的必然趋势，而线上线下融合的新型教学模式目前已成为各大高校教学改革的重要任务。突发的新冠肺炎疫情对整个教育工作造成了重大影响，学生无法返校，课程全部通过线上进行，这给以动手实践为主的课程提出了不少挑战。以清华大学面向全校本科生的《制造工程实践》课程为例，介绍了线上与线下融合的实践课程远程教学思路、实施方案和效果反馈，并为相关类型课程提供一定的参考和借鉴。
关键词：实践课程；互联网 +；雨课堂；视频会议；远程教学
本文引用格式： 杜平 , 董宝光 , 初晓 , 等 .《制造工程实践》课程线上线下融合的远程教学探索 [J]. 教育现代化 ,2021,8(39):9-12.
Exploration of Online and Offline Distance Teaching of “Manufacturing EngineeringPractice”
DU Ping, DONG Baoguang, CHU Xiao, CHEN Kai, LUO Yong, LI Shuangshou
（Basic Industry Training Center of Tsinghua University，Beijing）
Abstract: The “Internet+” of education is an inevitable trend in the development of global education. The new teaching mode combining online and offline has become an important task of teaching reform in major universities. The outbreak of COVID-19 has a great impact on education. Students can’t go back to school, and all courses are carried out online, which poses many challenges to practical courses. Taking manufacturing engineering practice, an undergraduate course in Tsinghua University as an example, the idea, implementation scheme and effect feedback of online and offline practical courses are introduced, which can provide certain reference for related types of courses.
Keywords: practical course; Internet+; rain classroom; video conference; distance teaching
一引言
网络技术是当今社会发展最快的技术之一，深入影响了人类生活的各个方面。与此同时，手机、平板、笔记本电脑等可移动互联网终端也已成为高校大学生日常生活中的重要组成部分。借助网络平台开展各项教学工作的线上教学，它打破了时间与空间对教学工作的限制，可以帮助学生利用好碎片化的学习时间，提高自身的学习效率。教育的“互联网+”，不单是我国，也是全球教育发展的必然趋势。近些年很多新型教学模式应运而生，比如在线课程、慕课、反转课堂、微课等 [1]。
而我国高校的教学活动目前仍然以传统的线下师生面对面的课堂教学为主。把传统课堂教学与现代信息技术有机结合在一起的混合教学模式，则可以充分发挥线上线下两种教学模式的优势。这一新颖的教学模式，既保证了教师在课堂上的引导与把控作用，又充分调动了学生学习的积极性和主动性， 更有利于提高教学质量 [2-4]。
突如其来的新冠肺炎疫情，不仅严重威胁人类的生命健康和经济建设，也对社会生活，尤其是教育行业造成了重大影响 [5]。因疫情防控要求，各地相继限制出行 , 人们纷纷隔离在家，学生无法返校。在教育部“停课不停学”的号召下，清华大学对春季教学提出了“云上开学，如期开课”的要求，传统的课堂教学方式全部转变为线上进行。不同于理论课程可以由老师一人讲授完成，实践类课程线上教学的挑战在于：它需要有实验环境、设备操作和交流演示等环节的层层配合。此外，涉及到动手制作、设备加工等限制因素，全部通过线上教学无法完成。如何设计线上课程，与线下有机结合，实现资源、模式等方面的优势互补，从而提高教学效果， 成为急需解决的关键问题。
二 课程概况
《制造工程实践》是清华大学面向全校本科生的一门通识选修课。课程基于 STEAM 的跨学科交叉理念，采取理论与实践结合，大班上课 + 小班研讨 + 分组设计与制作的教学形式。以全国大学生工程训练综合能力竞赛的“智能小车”项目为载体，由学生亲自动手完成机械设计、制造加工、电子硬件设计和编程控制等模块的制作。通过本课程的理论学习与实践，让学生们了解工程系统概念，体验工程文化，掌握基本的制造技术与手段，培养设计思维、计算思维和工程思维，提升工程实践能力、创新意识和团队合作能力。
在春季学期里，教学团队结合疫情中医护人力不足、人员交叉感染风险大等问题，将项目主题定位到基于小车底盘的医疗服务机器人，实现“少人化、无人化、智能化”。通过这样的教学设计帮助学生对先进科学技术如何改善人类生活做深度思考。学生也充分发挥了想象和创意，设计出具有消毒、送药、巡逻等各种功能的机器人小车。
三 线上线下融合的教学方案
教学团队通过前期的详细调研和精心准备，综合利用了各种新型软硬件工具，力求保证学生的学习体验，实现课程的“实质等效”。具体方案分为线上与线下两部分。其中线上部分通过雨课堂和视频会议进行，主要完成理论知识讲授、设备操作的直播演示和学生问题的在线答疑。线下部分则通过零件远程异地加工、机械电子元器件和工具打包邮寄给学生，指导学生在家里完成小车的组装调试运行。
（一） 线上部分
1.雨课堂
雨课堂是在移动互联网与大数据背景下由清华大学推出的智慧教学工具，其软件界面全部基于 PPT 和微信，实现了“同步教学”和“异步教学”的“双通道教学”，很好地契合了教师和学生的使用需求 [6-7]。本课程使用的是清华专用的荷塘雨课堂版，已与学校教务系统对接，所有选课学生的信息直接导入。老师可以通过雨课堂进行出勤统计，ppt 授课，发送试卷等基本教学任务。如果开启了语音 / 视频直播，则会自动录制上传到服务器，非常方便学生课后复习回放（如图 1 所示）。此外，雨课堂还提供多种线上互动环节以提高学生参与度，例如弹幕、随机点名、发红包等。
2.视频会议
视频会议是一种通过视频采集设备与网络，远程传输不同场景的音频、视频、演示数据等各种信息，最终实现两地乃至多地之间面对面交流的技术手段 [8-9]。近些年视频会议在远程教学领域的应用逐渐增多，其强大的互动性为教育教学带来的便利其他方式无法比拟。本课程中选用的视频会议是专业的 Zoom 软件。首先它拥有完善的双向语音视频交互功能，可以实现教师共享屏幕进行 ppt 授课和其他软件操作，通过摄像头直播设备操作和加工演示，以及学生共享其屏幕做项目汇报。Zoom 的录制功能， 可以选择录制到本地或云端，方便后期分享。此外Zoom 所特有的分组讨论和远程协助功能，在线上教学中也发挥了非常重要的作用（如图 2 所示）。
本课程共 5 个班，每个班平均 35 个学生。为了保证项目顺利完成，同时培养学生团队沟通协作的能力，5 个不同专业背景的学生组队。在老师讲授完理论知识部分后，利用 zoom 会议的分组功能，为每个小组建立一个分会议室，实现组内讨论。老师可以进入任意一个小组，参与讨论或回答学生的问题。小组讨论结束后，通过发布群消息，提醒学生 1 分钟后分会议室关闭，回到主会议室继续整班授课。
课程中还涉及到使用 Solidworks 进行机械结构的设计。老师演示完 Solidworks 的操作后，由学生在自己电脑上练习建模。如果其中个别学生有问题， 学生可以在 zoom 里打开远程控制功能，老师操控学生电脑的同时配合详细讲解，学生可以清晰地看到老师的操作步骤，快速帮助学生解决问题。
3.微信
微信已经成为人们日常生活中不可缺少的一部分，无论是其社交功能、通讯功能，亦或支付功能， 都已经被人们广泛接受。微信与教育的结合，将会更加符合目前“互联网 +”的发展需要，同时也将教育网络化、实时化，让教育更好地融入生活。本课程中就利用了微信快捷、高效沟通的特点，在学期初就将所有授课老师和同学加入班级微信群，随时随地可以进行交流。例如老师发布每次课程通告， 学生遇到不懂的问题线上咨询，老师线上解答。微信沟通打破了老师高高在上的距离感，有利于形成一种新型和谐的师生关系。
4.虚拟仿真工具
此外，课程里还运用了多种计算机虚拟仿真工具，使学生在没有硬件实物的前提下，还能体验教学内容。例如在乐高机器人环节，使用了 Lego Digital Designer 软件实现在电脑上拼装积木， 然后使用微软 makecode 平台实现乐高机器人的在线编程和仿真。在 Arduino 编程环节， 使用了 tinkercad 平台来实现在线的电路搭建、功能编程和器件仿真。
（二） 线下部分
3D 建模软件生成的模型文件有数字化的特点， 可以很便捷地通过网络传输。学生在家做好的设计原型直接发送给校内的指导教师，由教师操作 3D 打印机和激光切割机等专用设备进行小车零部件的远程加工制作，同时通过摄像头向线上的学生进行直播。
为了保证学生的动手体验，教学团队把加工完毕的机械零部件，以及提前采购的电子元器件和工具分别邮寄给组内的 2 位学生单独完成组装。负责机械部分的学生再将底盘组装完毕的小车邮寄给负责电子的学生，完成最后的整体组装和机电联调（如图 3 所示）。小车的组装首先由教师直播演示，然后学生开启摄像头操作，教师全程实时指导。
四 实施效果
经过一个学期的努力，教学团队归纳整理了丰富的教学成果，并通过在线文档、云盘等形式便捷地分享给了身处各地的学生。例如 16 周的线上 / 线下教学方案、各单元课程讲义、线上虚拟仿真教学软件及案例库、手机蓝牙控制软件、标准机械零件库， 以及机械电子软件操作视频库等。
学生们通过一个学期的学习，在出色地完成了各自项目的基础上，还很好地锻炼了动手能力和团队协作能力，并培养了创新意识。例如周二班的一组同学将标准的四轮驱动小车底盘改为了类似坦克的履带式底盘，提高了小车的爬坡越障能力；周三班的一组同学设计了形象可爱新颖的“小狗头”号医疗导诊机器人；另一组的同学充分利用家中道具，搭建了复杂的小车运行场景，包括险滩飞渡、隧道历险、翻山越岭、勇闯S弯、牢记使命等七个环节，充分展示了小车的“卓越”性能；周四班的一组同学将老师提供的 android 版蓝牙遥控 app 扩展到了 windows 和 mac 电脑上。
学期结束后，本课程的整体教学评估结果也非常优异，13 个指标的综合评分 92，在全校 520 门同规模的实践类课程中名列前茅（如图 4 所示）。其中“老师教学注重师生互动”指标获得“基本赞同和完全赞同” 的比例达 88%，而“课程学习过程中碰到问题能得到老师的反馈”指标 100% 获得“基本赞同和完全赞同”。
五 结语
在《制造工程实践》课程中，教学团队综合利用了雨课堂 + 视频会议 + 微信、加工直播，邮寄材料等线上线下教学手段，使身处各地的学生团队协作，通过理论学习结合实践动手，顺利完成了一个既有创意又有挑战度的作品。通过本课程的探索和实践，教学团队对新式线上工具的使用取得了很大的提升，其中总结的一些宝贵经验 , 可为包含大量动手环节、设备操作和交流演示的实践类课程提供参考和借鉴。此外，在课程讲授过程中积累的丰富数字化资源，可以作为后续建设慕课等在线课程的重要素材。
线上线下融合的新型教学模式是互联网时代的必然产物，目前已成为各大高校教学改革的重要任务。这同时对教师也提出了更高的要求，除了转变过去秉持的教学理念和方法，还必须不断加强自我学习，提高自己的专业高度和信息化素养，以确保更加高效的完成教学任务，适应全新的教学形式。
参考文献
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[7]王晶晶 , 丁华霖 , 赵廷玉 . 浅析雨课堂在大班教学中的应用 [J]. 教育现代化 , 2020, 7(53): 15-18.
[8]刘硕 . 视频会议技术在远程教学系统中的应用与发展 [J]. 信息与电脑 ( 理论版 ), 2019(12): 250-251+254.
[9]赵永岐 . 视频会议及其对远程教育的影响 [J]. 现代教育技术 , 2007(02): 77-80.
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