少學時工程力學翻轉課堂教學模式應用實踐

田管鳳 武靜 彭云

[關鍵詞]新工科教育;翻轉課堂;教學理念;教學流程

2017年2月，高等工程教育發展戰略研討會在復旦大學召開，對新工科內涵特征、新工科建設與發展路徑達成共識[1]，標志著新工科建設將成為工程教育改革的前進方向。工程力學作為環境工程專業基礎課程，肩負著新工科改革和課程思政改革的重要任務。目前新時期下，環境工程學科發展所需設計能力和創新思維的培養對工程力學課程教學提出了更高更迫切的要求。力學作為工科基礎學科，同時兼備了科學、數學和技術三方面屬性。對力學科學的深刻理解，是理論創新的源泉;敢于探索， 堅持不懈，是實現技術創新的靈魂[2]。工程力學是工科學科關鍵必修課程之一。然而，在大學課程總學時日益縮減的背景下，工程力學課程的總學時數由48減少到42，其中包括6學時材料力學實驗要求。工程力學基礎理論比較復雜抽象，學生對知識點的理解消化及分析應用，都有一定的難度，需要占用的學習時間較長，從而導致學生的學習興趣和積極性普遍不高。此外，學生選修科目增加，各類課外活動較多，碎片化時間多了，能夠靜下心來長時間專心學習的時間少了。

如何才能夠有效地協調教與學之間存在的這些矛盾呢？翻轉課堂模式的應用提供了合適的解決辦法，可通過網絡信息化平臺，督促學生在線學習，充分利用課堂教學時間進行討論擴展，以學生和教師都易于接受的方式，更好地實現教學目標。分析工程力學教改研究現狀，致力于教學模式改革也有著不同的方向，有基于慕課或SPOC的翻轉課堂教學模式[3-4]，有課程診斷模式[5]，也有混合式教學模式[6]。雖然具體的結構形式不同，但總體框架流程都有相近之處，都有各自的優勢和適合的專業方向。本文主要針對少學時環境工程專業課程目標、新工科學習要求的教學改革探索，提出構建工程力學翻轉課堂模式的教學體系，包括教學理念、資源建設、教學流程等主要方面。教學實踐驗證了該模式對提高教學質量的顯著效果。

一、少學時工程力學翻轉課堂教學模式的教學理念

翻轉課堂模式的基本特征在于：以學生為中心，教師為主導。教師對教學內容精細設計，引導學生自主學習，使學生的能力最大化發展。通過線上線下混合式教學，靈活的學習環境更加有益于激發學生的學習興趣，從而有助于實現高階層的學習任務和多重能力的培養目標[7]。針對少學時工程力學課程性質，基于培養目標和教學要求，翻轉課堂教學模式還需要體現出以下三方面特殊性。

首先，在目前新工科背景下，高校培養人才需要兼具學科專業精深和學科交叉融合兩方面特征，不僅要有應用知識初步解決問題的能力，還要有更深入的新技術學習能力以提高解決未來問題的能力[8]。因此，適應新工科人才培養要求，工程力學課程應以培養學生的力學思維和創新能力為核心目標[9]，以知識理論、應用技術和科學素質的培養為基礎目標，一起綜合為新工科教育目標。翻轉課堂模式教學流程的每個環節都要以實現該目標為基本原則，才能培養出新工科時代需要的科技人才。

其次，根據線上學習和課堂活動的教學假設、學習目的、教學流程的不同結構，翻轉模式教學有知識擴展型、練習導向型、學術對話型、反饋驅動型等四種模式[10]。工程力學課程內容的理論性和實踐性都很強，結合每個知識單元的深廣度、難易程度不同，可以選擇采用靈活的翻轉模式，不局限于單種模式，也可以多種模式復合應用，以保持翻轉課堂教學流程和教學方法的彈性。

最后，課程學時壓縮，學生課后學習時間趨于碎片化，教師還需要引導學生自主學習，提高學習效率。應用網絡信息化平臺，合理安排線上學習和測試、課堂教學講授討論以及課后線下作業復習的內容和時間。關注學生的學習狀態，進行適時調整，從根本上做到以學生為中心。

因此，本文提出的少學時工程力學翻轉課堂教學模式的教學理念可以概括為：以新工科教育目標為基本原則，以學生為本，教師靈活應用翻轉模式，引導學生自主學習，以實現課程教學的知識、能力和素質目標。

二、翻轉課堂的資源建設

工程力學翻轉課堂教學模式采用學校教務管理系統優學院教學云平臺進行線上教學。建設資源包括微視頻、測試題庫、導學任務單、教學課件、課外資料等。

（一）微視頻

課程微視頻是翻轉課堂線上資源建設的基礎。微視頻通常時長為10～15分鐘，錄制教師講授的某一核心知識單元，具有主題突出、短小精悍、使用效率高等優點[11]。學生可以隨時在線觀看。對于理論性比較復雜的知識點視頻，可以引導學生多次重復學習研究，幫助學生加深理解，提高他們的學習興趣。材料力學實驗目前采用虛擬仿真教學平臺實驗方法，可以不需要單獨制作微視頻。

微視頻制作，采用片首引例、主題和目錄、內容解析、小結復習四段式的結構形式。片首設計為相關主題的科學短片或生活圖片作為引例，分析并提出微視頻主題，讓學生感覺工程力學學科并不遙遠，它來源于日常生活，為科學技術進步做出貢獻，從而激發學生自主學習的積極性。

微視頻內容基于課程核心知識單元，以拓展單元、案例單元等為輔助組合構成。結合工程力學課程的知識體系、人才培養要求，教師分析課程內容，劃分微課知識單元，針對不同層次學生的教學目標，分階段設計學習任務。微課知識單元制作遵循少而精原則，針對特定主題，確保微課單元知識體系的完整，幫助學生有效進行課外自主學習。同時，根據課堂師生溝通情況，適當調整補充微課內容，以提高學生的課堂學習效率。微視頻除了與課程知識點單元體系相一致的內容單元，還可以包含有創新思維點的拓展微課單元、新型工程實踐微課單元等多方面來源。綜合構成的微課程資源包，共計20個微視頻，時長總計228分30秒。例如，微視頻《力學和力學思維》為拓展單元，講解力學思維、力學模型以及工程力學分析的核心條件等內容，現有教材通常較少介紹這些內容，但對于培養創新思維卻非常重要。微視頻《梁的強度計算》為應用單元，講解梁強度設計實踐應用的典型例題，讓學生體會到力學計算可以實實在在地解決工程問題的實踐性。

（二）導學任務單

學生通過教學云平臺的線上微課進行課前自主學習，教師需要引導學生了解學習目標和激發學生學習興趣，督促提高在線學習的有效性。根據每個微視頻的課程單元主題制作導學任務單，內容包括：課程主題、學習目標、學前思考題、學習要求、初擬討論主題、學習小結、知識檢測等。其中初擬討論主題是為課堂討論提出建議，有解惑和拓展兩個層次。解惑主要針對微課中的復雜內容進一步詳細講解，強調關鍵點、易錯點。拓展則是補充微課中未能提及的內容，進一步啟發學生，引導其深入思考。學習小結要求學生完成導學測試題后進行總結體會，促進知識內化吸收。知識檢測主要由教師完成，對課前線上學習、課堂討論和課后作業三個階段進行總結分析，考核學生掌握知識的情況，提出教學改進建議。

（三）測試題庫

為了督促學生按時在線學習微課，結合微課內容和導學任務單，設置了導學測試題，要求學生在觀看微視頻后即時完成。為了提高學習積極性，題目難易程度應適中，不僅考核學生是否真正有效學習了微課內容，也要啟發學生進一步深度思考。對應每個微課內容，每份測試題僅設5個小題，可以是選擇題、判斷題、填空題、簡答題，依據難易度、考核點、題型進行分類設置。

可特別地安排一項“學習記錄”主觀題，建議學生把對微課學習的體會、看法、疑問，或對測試題的難點、問題點、興趣點記錄下來，作為教師進行課堂教學設計的重要參考材料。

（四）教學課件

工程力學課程翻轉課堂教學模式課件分為兩部分，微視頻配套課件和課堂討論課件。前者為核心知識內容，后者為強調、拓展知識點。微視頻配套PPT課件，基于課程教學大綱要求知識框架體系和人才培養目標，劃分核心知識單元，用于線上微視頻制作和復習參考。課堂討論PPT課件，用于課堂討論教學過程，補充擴展微課知識點以外的課程內容，或增加練習應用專題。還可以通過學生線上導學測試得出情況分析，收集學生的疑難點，增加課程重要知識點、易混淆點，甚至有趣的課外資料，讓課堂氣氛更加生動有趣，提高教學質量和學習效果。

（五）課外資料

為了豐富線上學習材料，通過網絡收集課外材料，為每個微視頻知識點補充工程實例、科技前沿案例，或日常生活應用實例。

三、翻轉課堂教學模式的教學流程

（一）課前線上教學活動

翻轉課堂教學模式開啟于課前的線上教學環節，需要教師和學生交互進行完成，依次進行以下三項工作。

1.教師布置線上學習任務。教師根據教學計劃，分析教學目標，準備線上資源，安排主題微課以及相應內容的導學任務單、導學測試題。最重要且最容易忽略的一條是：設置恰當的截止時間。每周2個主題微課，可給定3至4天學習期。過短或過長的學習時間，都可能使少數學生來不及認真完成或完全遺忘。

2.學生線上學習活動。學生按照教師布置要求，仔細了解導學任務單，清楚學習內容的邏輯思路，認真觀看學習微視頻，獨立完成導學測試題。學生對于微課內容和測試題的疑問、建議、看法都可以記錄下來，在線上與教師溝通討論。

3.教師檢查線上學習情況。教師通過網絡教學云平臺，查看學生在線學習微課的時間記錄、測試題得分情況。教師根據題目難度、范圍、題型、成績分布的數據分析，詳細了解學生掌握知識的程度，核查學習效果是否達到導學任務單目標要求。教師要關注失分嚴重的個別學生，可以在課堂討論時再加強督促。

需要特別提出，教師在批閱線上作業時，通過“學習記錄”主觀題，可以與學生在線上一對一互動，或解決疑惑，或發現閃光點，或找到繼續拓展討論的主題，為后續將要進行的課堂討論活動增添學生有興趣的新內容。

（二）課堂教學活動

課堂教學活動是翻轉課堂教學模式的關鍵環節，課堂教學活動進行的效果和質量根本上決定了翻轉模式的教學效果。課堂教學活動需要依次進行以下各項工作。

1.課堂教案設計。依據教學目標，結合線上學習情況，選擇采用合適的翻轉模式。例如，由于微課時間短，只能覆蓋核心知識點，對于教學目標要求的非核心相關知識點還需要在課堂做補充講授，因此翻轉模式可采用知識擴展型。對于材料強度計算應用型知識點，需要反復練習試錯，翻轉模式可以采用練習導向型。根據學生線上反饋信息，需要釋疑，可采用反饋驅動型。教學活動設計要求知識點框架體系邏輯性強，對知識點、討論方式以及時間的安排要合理，并要注意到拓展內容的可控性、討論氣氛的協調性。

2.微課內容回顧討論。教師在課堂上引導學生回顧微課核心內容，詳細解析導學測試題，對學生線上提出的問題、看法進行解釋和評價。采用反饋驅動型翻轉模式，強調重要知識點，選擇學生非常感興趣的主題，以直接提問、大家討論或者黑板現場測試評論的方式，積極鼓勵學生參與其中，啟發學生對學科進行深入思考。

需要注意的是，討論主題需要根據教學目標預先確定，可以適當拓展，難度適中，保證討論有效進行。課堂討論節奏要控制得當，可以適當停頓，但要避免冷場浪費時間。在師生互動中，采用教具演示是非常直接有效的方式，其輕松有趣的氣氛可以很好地吸引學生的注意力。例如，用生活中常用的衣架掛礦泉水瓶，來演示受彎構件作用荷載的分布形式不同而產生的撓度不同，表現直觀，簡單易行。

3.新知識補充討論。采用知識擴展型翻轉模式，講授微課中未曾包含的課程目標要求內容。從核心知識點回顧，引入相關案例分析或經過理論邏輯推理，自然過渡到擴展新內容講解。鼓勵學生課堂提出問題，現場討論解決，注重與核心知識點的銜接，加強學生理解和掌握的深度。

4.課堂練習討論。工程力學課程的深入學習，離不開多練習多應用。例如，材料力學關于構件的設計，在平衡方程建立、約束力求解、內力圖繪制、應力計算、強度設計、剛度設計，以及穩定性驗算等一系列計算過程中，只要其中任何一個步驟的計算數據甚至內力符號出現錯誤，都有可能導致最后設計構件出現問題。因此，要養成認真、仔細、嚴謹計算的科學素質，需要學生多加練習。通過練習導向型翻轉模式，學生可以相互了解，取長補短，共同進步。教師應鼓勵學生不怕出錯，注意在不經意中提醒測試題中失分嚴重的少數同學。

5.落實思政教育。在課堂師生面對面討論中，可以基于單個知識點融入立德樹人的思想火花，讓學生不僅了解到力學學科的應用發展促進了科技創新，還能夠感受到科技創新過程中的崇高思想、愛國情懷和工程素質，體會到工程力學作為工科基礎課的柔情。

6.課堂教學小結。無論是課堂講授，或師生討論，都要在課堂每小節結束時適時小結，保證教學進程的結構邏輯性。

（三）課后練習小結

為了進一步鞏固知識內容，教師布置課后線下作業，主要包括紙質習題作業、思政作業。此外，鼓勵學生制作知識點思維導圖進行章節內容小結，有助于加深理解知識，理清邏輯思路。

四、翻轉課堂教學模式的教學效果

（一）顯著提高教學質量和學習效果

適用于環境工程專業的少學時工程力學課程，目前課題組應用翻轉課堂模式進行教學實踐已有兩輪，參與實踐的2017級、2018級的學生分別為63人、78人。兩屆學生的期末考試成績及格率分別為63.49%、64.79%，2018級提高了1.1%;平均成績分別為65.08、65.05，幾乎一致。然而，此前的2016級學生采用講授為主的傳統教學模式，4個班學生人數總計169，期末考試成績及格率47.85%，平均分56.04?？梢?，在工程力學教學中應用翻轉課堂模式之后，學生期末考試成績有了大幅度顯著提升，及格率提高了16%，平均成績提高了9分。教學改革后試卷內容涵蓋知識范圍較廣，程度較深，學生必須通過平時循序漸進的學習積累，才能夠熟練掌握應用知識，考得好成績。在教學過程中應用了翻轉課堂模式，增加了師生溝通的機會，教師可以在課前線上學習環節比較充分地了解學生的疑問并在課堂討論中加以解決。學生在教師的指導下花費更多的時間、精力去學習、討論、發現問題，然后分析、解決問題，這樣的反復溝通交流的過程促使學生更加深入地掌握課程內容，養成良好的力學分析思維和提高實踐應用能力。課程結束后的課程滿意度調查中，2018級環境工程學生對于翻轉課堂教學模式的滿意率達到86.54%。這說明了翻轉課堂教學模式得到了學生們的一致認可。最終，通過應用翻轉課堂教學模式，促進了工程力學課程教學目標的實現。

（二）目前存在的不足之處

課堂討論是翻轉課堂實施的關鍵環節，教師通過討論進一步發現學生的學習需求、思維方式，然后再調整教學內容和方法。然而，在課堂上學生的討論還不夠積極主動，原因主要有兩方面：首先，班級人數多，都是大班上課，比較難以調動全體學生的學習熱情和積極情緒。其次，討論主題的難易程度會影響討論質量。主題偏簡單，學生認為難度太低;主題偏復雜，學生可能需要占用課堂上寶貴的時間來理解，不利于提高教學效率。因此，討論主題的設置，既要考慮課程內容體系，也要基于學生能夠消化知識的理解程度。

五、結論

課題組將翻轉課堂教學模式引入環境工程專業的工程力學課程改革中。基于新工科教育理念，結合思政改革要求，通過理順課程的知識體系劃分知識單元，設計開發基于知識單元的微課視頻，構成微課鏈資源。通過設計構建教學流程，注重因材施教，讓學生的學習更加靈活、高效，而不再僅依賴較少學時的課堂教學時間。分析探索工程力學翻轉課堂教學模式的教學體系，具有以下特點：

1.適應少學時翻轉課堂教學模式的具體流程?；诹W課程性質，微課設計制作與課堂討論環節深度融合，將翻轉課堂教學模式各環節具體化、特色化，為少學時課程教學模式研究增添新內容。

2.建設豐富的課程資源，契合課程教學要求和知識發展需求。制作課程核心知識和輔助性教學資源，資源內容和形式的設計思想、制作原則、理論基礎和應用方式不僅要體現環境工程學科的專業特點，而且應能夠體現力學思維培養的新工科要求，以更好地實現工程力學課程的教學要求和培養目標。

3.適應互聯網新時代要求，通過翻轉課堂教學模式的實踐應用，培養學生的力學思維、自主學習創新思考的能力，以及分析解決工程問題的能力。