新工科背景下翻轉課堂教學模式的改革實踐——以“材料力學”課程為例

陳小紅，劉雪松，包能勝，何 俊

（1.汕頭大學高等教育研究所，廣東 汕頭 515063；2.汕頭大學工學院，廣東 汕頭 515063）

0 新工科教育教學改革

隨著“人工智能”、“大數據”、“云計算”等新興信息技術的發展，將從現有產業和領域中衍生疊加出社會經濟活動的新環節、新鏈條、新活動形態.可以預見的是未來新產業、新業態、新商業模式將成為國際競爭的一條新賽道.新的科技革命已經開始，許多國家已開設布局，美、德率先提出了各自的戰略規劃——“工業互聯網”和“工業4.0”.中國也不甘落后，也于2016 年加入《華盛頓協議》，適時地提出了自己的工程教育戰略.為了適應國際科技革命與產業變革，培養新一代信息技術產業人才，國內新工科建設應運而生.新工科教育的改革方向，旨在加快工程教育改革創新，培養創新型卓越工程科技人才[1].

新工科對人才培養過程中教學模式的要求體現在了政策文件《關于加快建設發展新工科實施卓越工程師教育培養計劃2.0 的意見》（以下簡稱《意見2.0》）中，文件指出工程教育改革的方向應為：運用先進教育理念；創新教學組織模式、教學內容與方法等方面；堅持以學生為中心.全國教育大會的精神和《中國教育現代化2035》也要求全國高校應深化本科教育教學改革，《關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養質量的意見》文件具體指出在教學中應：合理增加學生投入學習的時間、提高自主學習時間比例、積極發展“互聯網+教育”、探索智能教育新形態、線上線下混合、推動課堂教學革命.

在新工科教育教學改革中，如何結合高校自身已有的工程教育理念、人才培養模式和課程體系，將翻轉課堂的教學模式引入到課堂教學過程中，是本研究探索的主題.本研究從理論和實踐入手，從學生學習的角度比較同一門課程不同教學模式所帶來的差異，為持續改進工程教育教與學的方法提供反思性經驗.

1 翻轉課堂教學模式在新工科教育中的應用

翻轉課堂（the flipped classroom）是當前國際國內盛行的新型教學模式，其基本的特征是轉變了傳統課堂的師生角色、重新分配了課堂時間.翻轉課堂的教學理念是學生先自學有關內容，課堂中主要是學生的提問和教師回答問題、教師帶領學生討論及探討知識的應用，所謂“翻轉”，就是與傳統課堂教學的教師講解為主的模式不同.此后，翻轉課堂被推廣至全世界各級各類學校，引起了一股教育變革的熱潮.

國內外已有大量學者將翻轉課堂的教學模式應用于工程相關的課程，也有對翻轉課堂運用于工科教學的實證研究.這類研究大致可以分為兩類：一類是引入翻轉課堂以提升學生某種表現，如國外運用翻轉課堂增加學生的競爭性[2]、參與度和互動[3]；另一類是引入單門專業課程，如國內學者張妤將翻轉課堂引入“數字電子技術”課程[4]、許英姿等人配合省級精品課程建設，結合工科力學課程的特點，提出了基于翻轉課堂理念的幾種教學模式，并在課程教學中進行了實踐[5].

課程教學內容和目標包括知識的傳授和能力的培養.工程教育的課程教學的知識主要有通過長期工程實踐而總結出來的關于工程原理與規律、技能和能力等.相比起其他專業，工程教育具有綜合性強、形式多樣、涉及面廣、在特定的學科內呈現出關聯性和遞進性、情景性（即實踐性）等特點.而以信息化為代表的一系列顛覆性技術發展，更加使工程知識應用情境細化且復雜多變，單一的解決方案無法應對工程項目的復雜情境.工程教育知識應用的情境性正契合了建構主義的知識觀和學習觀，即知識是在具體情境中被建構出來的，學生對知識的掌握依賴于當時的條件和限制.建構主義理論所倡導的教學方法諸如：情境式教學、支架式教學、拋錨式教學、合作學習、交互式教學，都是不同于傳統課堂上以“知識傳遞”為目的講授式教學，教師的角色轉變為引導和促進學生探索和學習知識的角色.而這正與翻轉課堂的特點，教師角色轉變、學生學習的主體性和主動性不謀而合.隨著工程教育的改革，也有一些探討翻轉課堂在工科教育中的實踐的文章[6]，大都是肯定翻轉課堂這種模式的價值，也反思在實踐中存在的問題[7].

本研究以單門課程為例，探討工程教育的課堂教與學的方式改革.本研究采用比較的方式對傳統課堂教學和翻轉課堂教學進行研究，對比學生學習過程中的學習投入、學習收獲感、課后的滿意度的差異.對比較結果進行討論，分析兩種教學模式下學生學習結果的差異，并探索不同情境下學生學習投入、收獲的相關程度.

2 翻轉課堂教學模式在S 大學的實踐

S 大學在2005 年將國際CDIO 工程教育理念引入中國，從2011 年開始推行“以學生學習結果為導向的一體化教學改革”（OBE）.S 大學多年的CDIO 和OBE 工程教育改革，使其成為中國新工科教育的代表性高校之一.這為當前的課程教學改革提供了充足的前期準備，S 大學在部分課程中采用線上線下結合的翻轉課堂教學模式.S 大學工學院機械電子工程系機械設計制造與自動化專業（以下簡稱機電）的“材料力學”也自2019年開始嘗試采用翻轉課堂進行教學.

2.1 教學改革的外層構建

基于OBE 的理念，從“培養什么人”和“如何培養人”兩個基本問題出發，S 大學電子工程系以社會需求為導向，以實際工程為背景，以工程技術為主線，借鑒先進的工程教育改革方法，參照國家通用標準和行業標準的基本要求，制定了專業培養標準，設計了一體化的課程體系.課程教學總體思路是在以下五個方面展開工作：（1）培養目標；（2）教學大綱；（3）課程計劃；（4）教與學方法；（5）保障體系（圖1）.

圖1 機電專業培養計劃總體方案[8]

2.2 原有的教學情況

在OBE 課程教學改革背景下，原先的教學方法已逐步采用了建構主義的教學方法，而非傳統的以教師講授為主的教學，S 大學在教學中特別倡導的是主動學習和實踐的教學方法，采用了諸如“基于項目的學習”、“基于問題的學習”、“探究式的學習”、“科研教學融合學習”、“案例教學”、“實習與實踐”等教學形式.這部分已經有不少有益的探索和總結[9-11].但在實際教學過程中，大部分課程依舊是教師在課堂上講授理論性知識，課后布置練習的課后作業的傳統教學模式，只有一部分自主學習能力較強的學生會提前預習參考書目、與他人交流學習心得、搜集信息來學習.實踐性的項目學生疲于應付，按照書上已有的內容進行操作，自主思考的能力并沒有得到很好的鍛煉.

2.3 “材料力學”課程的特點

材料力學（Mechanics of Materials）是機電專業基礎課程.基礎理論知識相對成熟、內容較少且容易直接理解，課程中的結論多來源于實證實驗結果，和工程實際結合比較緊密，而且課后習題較多且難度較高，多是應用性題目.這就要求課程要幫助學生建立整體的專業邏輯，更多要求學生發展研究性學習能力.因此，需要將知識點與工程實際相結合，將力學知識具體應用于工程中，注重學生的創新思維和力學建模能力的培養，學生自主學習能力和團隊合作能力.材料力學的課程教學改革就是基于本課程的特點進行.

2.4 “材料力學”翻轉課堂教學改革

2.4.1 課程教學全過程

本課程教學過程包括課前設計、課堂授課、課后應用、課后評價三個部分，如圖2所示，課前設計包括預評估和課前學習，課堂授課包括深度加工和學習反饋兩個部分，課后應用由實驗、研討和項目三個部分構成，課后的教學評價以學生學習為中心，包括學生的學習投入、學習收獲、教學過程中的課堂滿意度和學習成績四個部分.

圖2 課堂教學全過程

預評估在當門課程的第一節課作為整體基線測試，旨在了解學生對材料力學相關的基本概念的認知程度，包括簡單變形構件強度、剛度、穩定性；以及軸向拉伸，剪切，扭轉，彎曲以及組合變形.讓教師大致了解學生的整體水平和個體差異.此外第一節課還需告知學生教學大綱、課程流程安排和教與學的形式等基本要素.

課前學習的流程為教師提出探究性問題——理論性知識的MOOC 學習——MOOC論壇內參與互動——校內課程論壇討論與答疑——完成問題并上傳校內論壇由教師批閱解答.課堂授課環節的90 分鐘包含以下活動：課前習題結果答疑反饋——獨自進行習題練習——教師反饋——快速結對活動/反思性小組研討匯報——同儕反饋——教師反饋與總結——提出探究性問題.

課后應用環節包括實驗及實踐、項目三個部分，其中實驗在課內占8 學時，課外約16 學時；項目在課內占2 學時，課外約占8 學時. 如表1 所示，實驗部分分為四個必選，一個自選實驗.實驗報告為考核的唯一依據，必須包括實驗方法及過程、數據的整理和曲線繪制、結果討論、得出合理解釋.實踐環節項目名稱為“你身邊的材料力學”，考核依據為報告和現場演示，包括問題的提出、分析過程、結果解釋、分工與個人心得.

表1 實驗與實踐匯總表

2.4.2 “材料力學”課程翻轉課堂教學

與改革前的課堂教學模式（傳統課堂）對比，從學生的角度，二者不同之處如表2所示.

表2 從學生的角度，對翻轉課堂與傳統課堂對比

增加學生的學習投入度、鍛煉自主學習能力、對知識的深度加工是翻轉課堂教學改革的目的.（1）課前的理論知識剝離和解決探究性問題相較于之前所要求的課前預習，將原先的課后習題翻轉到課堂上完成，有效監督和集體環境能讓學生投入更多精力，減少在完成作業時的應付和抄襲的情況，旨在增加學生行為與認知層面的投入.（2）MOOC 視頻材料由教師挑選，學生可以在任何時間通過計算機或聯網設備訪問該課程.學生可以暫停、倒帶和快進視頻，這使學生能夠按照自己的節奏學習和熟悉內容，鍛煉學生的自主學習能力.在整個教學過程中，學生需要自主思考教師提出的問題，自主答題、自主提問，課上課下自主尋找伙伴，自主溝通.（3）深度加工包括基于問題的學習（課前），教師與同伴反饋（課堂），課后項目式實踐課程（課后）.

3 從學生學習的角度討論翻轉課堂的教學改革——基于準實驗調查

本研究采用準實驗調查的形式，對改革后的翻轉課堂教學模式和未進行改革的模式進行了同一套標準的比較，比較的指標包括學生的投入度、學生對課堂的滿意度、學習收獲、課堂氛圍、學習成績結果討論教學改革的效果.

準實驗的被試學生修讀同一門課程，學生來自同一專業同一年級，學生在修此課程之前學習了同樣的前置課程（大學物理、高等數學、理論力學），在學習“材料力學”課程時學生可以自由選擇不同的授課教師，兩個教學班由兩位水平相當的教師進行授課，同一套教學大綱和評分準則，期末考試采用了統一試卷和匿名評卷.在完全自然的情況下進行，通過期末問卷調查方式收集信息.

課程后發放問卷進行調查，本研究采用的問卷是“中國大學生學習性投入調查（NSSE-China）”，引入學習收獲、學習滿意度、課堂氛圍、自主學習時間等分量表[12].其中，學習投入分量表、學習收獲、課堂氛圍分量表采用李克特四點計分法，學習滿意度分量表采用七點計分法.數據分析工具為SPSS18.0，本次調查信效度檢驗克隆巴赫a 系數為0.943，具有良好的信度.學習投入量表KMO 取樣適切性量數為0.738，課堂氛圍KMO 為0.721，課堂滿意度為0.927，學習收獲量表為0.929，各分量表均具有良好的結構效度.在課程結束時，分別在翻轉課堂和傳統課堂二個授課班當場發放問卷，學生填寫后收回，剔除無效問卷，實驗班回收有效問卷42 份，對照組回收有效問卷56 份，問卷有效率約為80%.

3.1 學習投入

翻轉課堂與傳統教學兩個班級學生在學習投入各個維度得分差異分析如（表3）所示，包括行為投入、認知投入和情感投入3 個方面.其理論平均值為2.5.各個維度統計中，無論是傳統授課方式還是翻轉課堂授課方式，其理論均值均高于2.5，表明兩種授課方式都較好地促進了學生的學習投入.從數據可以看出，翻轉課堂班的學習投入總得分略高于傳統教學班（Mean＝2.659＞2.648）.傳統教學班的學習投入除了行為投入維度均值得分高于翻轉課堂（Mean＝2.582＞2.526）外，其他學習投入維度均低于翻轉課堂.但學習投入維度的均值差異均未到達顯著差異水平.

表3 翻轉課堂班與傳統教學班在學習投入

3.2 課堂氛圍、學習收獲和學習滿意度

引入課堂氛圍量表旨在了解課堂上整體氛圍是活躍、和諧的還是單調、乏味的，是包容、鼓勵性的還是沉悶、壓抑的.調查數據分析結果（表4）顯示翻轉課堂的課堂氛圍均值高于傳統課堂（Mean＝3.256＞3.112）.學生自我陳述的學習收獲是衡量學生學習成效和教學質量的主要依據，滿意度反映了學生對課堂授課方式的主觀評價，在這兩個維度上，調查分析的結果表明，翻轉課堂的學生感覺自己收獲了更多的知識和能力成長（Mean＝2.718＞2.663）. 但是，傳統課堂的學生對整個學習過程顯得更滿意一點（Mean＝5.096＞4.963）.兩種授課方式在3 個維度上的差異未達到顯著性水平.

表4 翻轉課堂班與傳統教學班在課堂氛圍、學習收獲和課堂滿意度等指標的比較

3.3 學習動力、同學關系、課外學習時間

教學改革的目的之一在于鍛煉學生的自主學習能力，在教學設計中將互動作為整個教學過程的主線，旨在促進同學關系和諧發展，鍛煉團隊合作能力.本研究在調查量表中加入課外學習時間、自陳學習動力、課程教學在多大程度上激發努力、同學關系等問題，用以衡量教學改革在這些方面的影響.運用獨立樣本T 檢驗得結果如（表5）所示，翻轉課堂的學生在學習動力（Mean＝4.92＞4.83）和同學關系（Mean＝5.80＞5.74）兩個指標略微高于傳統授課的學生.傳統授課方式增加了學生的課外學習時間（Mean＝2.93＞2.89）且更加激發了學生的努力（Mean＝4.90＞4.67）.

由表1可知，大壩上游壩坡在各種運行工況下穩定性較差，均小于規范允許值；特別是在工況5，上游壩坡安全系數僅有0.98。說明上游壩坡存在失穩可能，而下游壩坡穩定性較好，因此需重點加固上游壩坡。

表5 翻轉課堂班與傳統教學班在學習動力、激發努力、同學關系和課外學習時間等指標的比較

3.4 學習成績

課程期末考試以開卷形式進行，學生可以自帶教材和其他參考資料，試卷由專家命題，主要測評學生對所學知識的理解水平，運用知識分析和解決問題的能力.翻轉課堂班（42 人）和傳統教學班（71 人）學生考試成績各分數段人數分布如表6.

表6 翻轉課堂與傳統課堂期末考試成績等級分布，平均值大小

兩個班級期末成績各等級人數所占比例如圖3：翻轉課堂優秀率為5%，傳統課堂優秀率為8%，翻轉課堂的良好和一般率高于傳統課堂，進一步兩個班級成績進行獨立樣本T 檢驗，結果顯示翻轉課堂平均成績高于傳統課堂（mean＝73.2857＞65.9577），二者之間存在顯著性差異，t＝2.210，0.05＞P＝0.029，效應大小為d＝7.328.相關分析結果顯示，教學方式與學習成績成0.202 的微弱相關.

圖3 翻轉課堂與傳統課堂期末成績等級分布

4 研究結果及討論

4.1 新工科背景下翻轉課堂的教學模式與工程教育具有一定的適配性

從理論上來看，工業4.0 的發展滋生了政策性的新工科的戰略計劃，新工科教育要求高等院校的課堂教學更加重視學生自主探究，培養自主學習能力.在不增加正式課堂授課時間的基礎上，提升學生的學習投入度，需要與時俱進，積極推進“互聯網+”和智能教育新方法.

工程知識的復雜建構性要求授課過程中需要理論與實踐結合，學生要具有主動求變和積極團結參與的特質以適應不斷快速革新的科學技術，這實質上是對學生的“增負”，他們需要學習的不僅是教科書上陳舊的理論知識和計算方法，更需要鍛煉自主學習能力、團隊合作能力和遷移能力.翻轉課堂正是授課教師應對這一新背景下的優質選擇，將理論知識用網絡視頻的形式，課前即讓學生自學.這并不是對教師的“減負”，而是要求教師轉變角色，做好一個引導者的角色.

從S 大學實踐結果調查來看，翻轉課堂教學模式在工程教育中有一定的適應性，表現在翻轉課堂學生學習投入更高（2.659＞2.648）、課堂氛圍（3.256＞3.112）和學習收獲更好（2.718＞2.663）、學習動力更大（4.92＞4.83）、學習成績良好和一般也即合格率高（73.2857＞65.9577）. 這反映出翻轉課堂的應用有利于培養學生的自主學習、自主管理、合作學習等方面的能力.

4.2 翻轉課堂在新工科教育中部分提高了課程教學的質量

每一次工程教育理念的轉變意味著一套新的培養體系的重新構建，從“大工程教育理念”到CDIO 和OBE，再到最新的創客運動，大到宏觀層面的國家政策，小到每一門具體課程的教學方法都可能面臨相應的調整.從高校層面來看，在微觀層面的課程教學改革需要加強對新教育理念的認識、重視對教師和學生以及教學管理層的培訓.

S 大學的翻轉課堂教學的實踐研究在已有的CDIO 和OBE 改革的成果上，考慮了現有教學情況存在的問題和特定課程的特點，設計了課堂教學全過程流程圖.在教學設計中著重增加原授課方式中所欠缺的以問題為中心、師生互動和同儕互動的內容.教學改革的目的是增加學生的學習投入度、鍛煉自主學習能力、對知識的深度加工.

在對S 大學工學院教師的訪談中，我們發現，進行翻轉課堂教學需要學習翻轉課堂課程大綱的編寫、設定可測量的學習結果指標.因此，在翻轉課堂的實踐中需要配合進行高度統一的學生評教問卷來保證課程教學的質量.在實際操作過程中，教師的知識背景和授課經驗也對教學結果有影響.并非所有的老師都愿意采用翻轉課堂的形式、也并非所有的學生都喜歡翻轉課堂的形式，這從S 大學的調查中也可以看出（學生對傳統課堂的滿意度更高Mean＝5.096＞4.963；傳統教學班的學生行為投入高于翻轉課堂的Mean＝2.582＞2.526）.雖然翻轉課堂學生成績比傳統課堂的高，但是成績與評價方式有關.所以，對翻轉課堂這股熱潮應理性看待，并非所有的課程都適合采用翻轉課堂的形式，應充分考慮其引入課堂是否有現實的必要性和可行性.

4.3 新工科教育中翻轉課堂模式適用于有優勢的科目

前面提到，并非所有的課程都適合采用翻轉課堂的模式.在工科教育中，S 大學在材料力學該門課程的教學已經有長期的積累，也有一定的優勢.而且該課任課教師有較為先進的教學理念和進行教學改革的熱情，主動進行教學改革探索.

S 大學的調查從學生學習投入度和收獲感、滿意度等自陳量表和考試成績兩個指標檢驗翻轉課堂教學方法實施的實證效果.數據表明，翻轉課堂的學生在認知和情感兩個維度有更高的投入，整體上翻轉課堂需要學生更多的學習投入；翻轉課堂的課堂氛圍高于傳統課堂，課堂氣氛更加的活躍與和諧、包容且鼓勵，學生擁有良好的心理狀態.但翻轉課堂和傳統課堂在上述各個維度上的差異均未達到顯著性水平，說明翻轉課堂有相當的可適應性但并非絕對優于傳統課堂.

兩種不同的授課方式影響下，翻轉課堂的學生期末平均成績顯著高于傳統課堂，顯著性為0.05.相關性分析顯示授課方式與學習成績呈r＝0.202 的弱相關.教學方法的改變在一定程度上影響著學生的學習成績.這在一方面說明了新工科教育中優勢科目翻轉課堂實踐的成功.

4.4 新工科的教學改革仍需加強理論研究和實踐的新嘗試

新工科教育的改革肩負著我國面向世界的新工業革命、面向中國高等教育改革邁向高質量的發展的重要使命.所以，新工科建設是要領跑中國高等教育變革的，繼新工科教育提出后，中國陸續提出了新農科、新醫科、新文科.新工科必須主動擁抱現代信息技術，加快發展“互聯網+高等教育”和“智能+高等教育”新形態，加快打造適應學生自主學習、自主管理、自主服務的課堂教學模式.

“再深化、再拓展、再突破、再出發”是教育部對新工科教育的最新的指導思想[13]，打造新工科的“金課”也是近期新工科教育課程教學改革的迫切任務[14].新工科教育的教學仍然有非常多的理論問題需要解決，包括課程體系的改革、教師的培訓、課程大綱及評價標準等的設定等等，以及不同教學模式的比較反思和進一步提升等.像S 大學工程教育這樣的實踐和探索，非常有必要.

本研究時限較短、而且是個案研究，S 大學的新工科教學改革是在已有的CDIO 和OBE 模式下做局部調整，其教學流程框架并非適用所有工程類專業課與基礎課，在推廣過程中需要根據具體情況再調整.未來的研究應將在更長的時間下，將研究結論作為持續改進的依據，擴大樣本量.此外，除了專業課、還有通識課、實驗課等等，均是工程教育課程建設中亟需關注和研究的領域，新工科教學改革的理論研究和實踐必將大有可為.