新工科背景下的線上線下“四部曲”混合教學(xué)模式探索

楊揚(yáng) 張國(guó)忠 周勇 吳擎 李明震

[摘 要]針對(duì)新工科背景下，學(xué)生、教師、企業(yè)對(duì)工科專業(yè)課程提出的新要求，課題組分析了高階性、創(chuàng)新性、具有挑戰(zhàn)度的工科專業(yè)課程的建設(shè)思路，提出“引出來(lái)—畫(huà)出來(lái)—做出來(lái)—用起來(lái)”四部曲，綜合在線開(kāi)放課程與案例研究式學(xué)習(xí)開(kāi)展線上線下混合教學(xué)模式，切實(shí)提升課程質(zhì)量和教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]新工科;在線開(kāi)放課程;線上線下混合;案例研究式學(xué)習(xí)

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2021）10-0062-04

一、新工科對(duì)教學(xué)提出的新挑戰(zhàn)

面向經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)發(fā)展新需求[1]，新工科建設(shè)對(duì)教學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)。現(xiàn)有機(jī)械類專業(yè)在人才培養(yǎng)知識(shí)體系中主要存在以下教學(xué)困境：課程內(nèi)容陳舊、重復(fù)，工科基礎(chǔ)理論晦澀難懂;在當(dāng)前新經(jīng)濟(jì)建設(shè)要求下對(duì)新興產(chǎn)業(yè)所亟須的新實(shí)踐技能培訓(xùn)不足，實(shí)踐與理論知識(shí)脫節(jié);在人才培養(yǎng)模式中存在主動(dòng)性、針對(duì)性、多樣性不足;教學(xué)過(guò)程以教師為中心，教學(xué)數(shù)據(jù)難以把控，教學(xué)效果難以保證等。學(xué)生提出有些專業(yè)課程內(nèi)容過(guò)于簡(jiǎn)單，他們“吃不飽”，學(xué)習(xí)的內(nèi)生動(dòng)力不足，“不知道為何而學(xué)”;任課教師提出部分專業(yè)課程內(nèi)容過(guò)于陳舊，老教師感覺(jué)“自己幾十年前上學(xué)時(shí)學(xué)的和現(xiàn)在教給學(xué)生的沒(méi)有變化”;公司企業(yè)提出學(xué)校所教的知識(shí)與它們的需求發(fā)生嚴(yán)重脫節(jié)，“剛畢業(yè)的學(xué)生什么也干不了，需要重新培訓(xùn)”。在這種形勢(shì)下，建設(shè)高階性、創(chuàng)新性、具有挑戰(zhàn)度——“兩性一度”的金課課程，成了迫在眉睫的事情。

金屬切削原理及刀具是機(jī)械大類專業(yè)的專業(yè)選修課，為后續(xù)的專業(yè)課程如金屬切削機(jī)床、機(jī)械制造工藝學(xué)和其他專業(yè)課程及選修課提供必要的基礎(chǔ)知識(shí)。本課程主要研究金屬切削變形過(guò)程及規(guī)律，探索刀具在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。通過(guò)這門(mén)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生將掌握金屬切削過(guò)程中切削變形、切削力、切削熱及切削溫度、刀具磨損、刀具切削角度對(duì)切削過(guò)程的影響理論等。

二、課程改革的思路

打造高階性、創(chuàng)新性、具有挑戰(zhàn)度的課程，強(qiáng)調(diào)知識(shí)能力素質(zhì)的有機(jī)融合，要培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力和高級(jí)思維;課程內(nèi)容要反映前沿性和時(shí)代性，教學(xué)形式要呈現(xiàn)先進(jìn)性和互動(dòng)性，學(xué)習(xí)結(jié)果要具有探究性和個(gè)性化;同時(shí)，課程應(yīng)有一定的難度，學(xué)生需要跳一跳才能夠得著，教師備課和學(xué)生課下都有較高要求。

本文以金屬切削原理及刀具課程為例，探討在新工科背景下，如何針對(duì)學(xué)生、教師、企業(yè)的新需求來(lái)進(jìn)行課程改革，思路如下。

（一）理論與實(shí)踐結(jié)合

工科專業(yè)課程強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐的緊密結(jié)合，基礎(chǔ)知識(shí)、動(dòng)手能力、工程素質(zhì)缺一不可。針對(duì)這些課程特點(diǎn)，理論知識(shí)的學(xué)習(xí)要與實(shí)驗(yàn)、金工實(shí)習(xí)、數(shù)控加工技術(shù)等實(shí)踐課程結(jié)合開(kāi)展。

以刀具角度的相關(guān)知識(shí)為例，正交平面參考系、刀具標(biāo)注角度和刀具工作角度是這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的重要內(nèi)容，因其需要學(xué)生具有空間想象力并進(jìn)行實(shí)際操作，可以通過(guò)數(shù)控加工技術(shù)中的對(duì)刀過(guò)程加強(qiáng)學(xué)生對(duì)參考系的空間立體認(rèn)識(shí);通過(guò)機(jī)械制造基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中的刀具角度測(cè)量實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于刀具三維空間的感性認(rèn)識(shí);通過(guò)金工實(shí)習(xí)中的車外圓加深學(xué)生對(duì)刀具工作角度的理解。

（二）虛擬與現(xiàn)實(shí)聯(lián)合

工科專業(yè)課程晦澀難懂，很多工程實(shí)際學(xué)生根本沒(méi)有接觸過(guò)，因?yàn)闆](méi)有客觀條件把教室搬到工廠一線。因此可以充分運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬仿真、人工智能等信息技術(shù)，通過(guò)增強(qiáng)信息、動(dòng)態(tài)感知、沉浸交互、身臨其境、模擬操作等提高教學(xué)效率，增強(qiáng)教學(xué)效果。

以金屬切削過(guò)程的學(xué)習(xí)為例，其中涉及復(fù)雜的物理過(guò)程，尤其是肉眼很難見(jiàn)到的力、熱等物理現(xiàn)象，即使是實(shí)際的加工過(guò)程也難以直接觀察到。可以采用AdvantEdge仿真軟件，讓學(xué)生通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真模擬，得到加工過(guò)程中的溫度云圖、受力分布圖、形變過(guò)程圖等，對(duì)金屬切削過(guò)程中的力、熱、速度、形變等有一個(gè)動(dòng)態(tài)的、感性的認(rèn)識(shí)。

（三）教學(xué)與科研融合

工程實(shí)際的項(xiàng)目要求學(xué)生具備解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力和高級(jí)思維。在教學(xué)中融入范圍廣、難度大、耗時(shí)長(zhǎng)的科研項(xiàng)目，是進(jìn)一步培養(yǎng)和提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力的有效手段。學(xué)生在參與項(xiàng)目的學(xué)習(xí)過(guò)程中，不僅要綜合運(yùn)用所掌握的知識(shí)、方法、技術(shù)，而且要從系統(tǒng)的角度處理好局部與整體、個(gè)人與集體的關(guān)系，完成項(xiàng)目還要注重對(duì)已掌握知識(shí)的集成和對(duì)知識(shí)的創(chuàng)新。

以切削參數(shù)的合理選擇為例，結(jié)合在研項(xiàng)目，讓學(xué)生綜合建模、仿真、實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化等不同理論知識(shí)，從切削參數(shù)的大致范圍—單目標(biāo)選擇—多目標(biāo)選擇，開(kāi)展遞進(jìn)式研究，進(jìn)行探究性與個(gè)性化學(xué)習(xí)。通過(guò)科研案例的引入，學(xué)生不僅對(duì)知識(shí)理論有了更深刻的理解，認(rèn)知能力和完成實(shí)際項(xiàng)目的能力得到提高，而且能夠表現(xiàn)出更好的交流溝通能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。

（四）線上與線下混合

信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，為創(chuàng)新工程教育教學(xué)方法創(chuàng)造了極佳的條件，需要在新工科專業(yè)人才培養(yǎng)中予以充分利用。可以以“融通兩個(gè)空間”為手段，創(chuàng)新教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，最大限度地發(fā)揮線上線下、課內(nèi)課外以及教師、學(xué)生在教與學(xué)上的作用[2]。

在金屬切削原理及刀具這門(mén)課中，課題組的教師對(duì)整門(mén)課的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了梳理和重構(gòu)，錄制課程的微視頻，并已在中國(guó)大學(xué)MOOC網(wǎng)上線。有了這些線上資源，學(xué)生可以不限場(chǎng)地、不限時(shí)間地進(jìn)行學(xué)習(xí)，拓展了原有的單一的學(xué)習(xí)環(huán)境。

三、“引出來(lái)—畫(huà)出來(lái)—做出來(lái)—用起來(lái)”四部曲

在課程改革思路的指導(dǎo)下，為了實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐結(jié)合、虛擬與現(xiàn)實(shí)聯(lián)合和教學(xué)與科研融合，本文設(shè)計(jì)了“引出來(lái)—畫(huà)出來(lái)—做出來(lái)—用起來(lái)”四部曲的教學(xué)模式。以切削參數(shù)的合理選用為例，四部曲教學(xué)模式脈絡(luò)設(shè)計(jì)如圖1所示。

為了調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)生動(dòng)力，從大一學(xué)生剛?cè)雽W(xué)開(kāi)始，我們就通過(guò)新生項(xiàng)目課為他們打下基礎(chǔ)，以大國(guó)重器為切入口，“引出來(lái)”學(xué)生的學(xué)術(shù)夢(mèng)想，讓他們意識(shí)到制造的重要性、制造中占比最大的加工方式——切削的重要性，以及硬件條件確定的情況下，軟件條件——切削參數(shù)的重要性。圖學(xué)類課程的設(shè)置，目的是培養(yǎng)和增強(qiáng)學(xué)生的空間想象與構(gòu)圖能力，可以把切削過(guò)程示意圖、切削三要素關(guān)系圖以及空間的切削刀具角度圖“畫(huà)出來(lái)”。通過(guò)軟件課和各類實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以自己動(dòng)手，把刀具角度、切削過(guò)程仿出來(lái)、“做出來(lái)”，如通過(guò)金工實(shí)習(xí)車削加工外圓，通過(guò)數(shù)控加工技術(shù)銑削加工平面。最后，在課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中，綜合運(yùn)用前面所學(xué)的知識(shí)、方法、技術(shù)，增加課程挑戰(zhàn)度，以項(xiàng)目貫穿，讓學(xué)生通過(guò)集成和創(chuàng)新各類知識(shí)，初步得到優(yōu)化的切削參數(shù)組合，或獲得多目標(biāo)pareto解集，進(jìn)而“用起來(lái)”，最終指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

四、線上線下混合教學(xué)模式

在線開(kāi)放課程作為一流本科課程建設(shè)的重要組成部分，其發(fā)展和應(yīng)用對(duì)高等教育教學(xué)改革產(chǎn)生了深刻的影響，促進(jìn)了優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的大范圍共享，是教育部貫徹落實(shí)十九大精神、努力寫(xiě)好高等教育奮進(jìn)之筆的一項(xiàng)重要舉措。混合式教學(xué)模式是一種將在線開(kāi)放課程與傳統(tǒng)課堂教學(xué)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)的“線上”+“線下”新型教學(xué)模式。通過(guò)融通線下與線上兩個(gè)空間，推進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，充分實(shí)現(xiàn)“以教為主”向“以學(xué)為主”轉(zhuǎn)變、“以課堂為主”向“課內(nèi)外結(jié)合”轉(zhuǎn)變。

（一）基于在線開(kāi)放課程的教學(xué)模式總體設(shè)計(jì)

結(jié)合工科專業(yè)課程的教學(xué)特點(diǎn)，借鑒其他院校的 SPOC 教學(xué)模式[2]，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱“我院”）充分利用教學(xué)平臺(tái)資源，將基于在線開(kāi)放課程的金屬切削原理及刀具線上線下混合教學(xué)模式設(shè)計(jì)為如圖2所示。

在線課前教學(xué)主要是基于中國(guó)大學(xué)MOOC網(wǎng)的SPOC平臺(tái)開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，教師根據(jù)課程教學(xué)的既定目標(biāo)及內(nèi)容，組織課程教學(xué)的相關(guān)工作，包括教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、微視頻制作、課前測(cè)試設(shè)置、課前學(xué)生自學(xué)任務(wù)和小組團(tuán)隊(duì)任務(wù)設(shè)計(jì)以及在網(wǎng)上開(kāi)展討論與評(píng)價(jià)、回答學(xué)生問(wèn)題等。課程團(tuán)隊(duì)將整門(mén)課程內(nèi)容進(jìn)行梳理和重構(gòu)，重新設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，制作對(duì)應(yīng)課程簡(jiǎn)介、課程大綱、學(xué)時(shí)、微課視頻、網(wǎng)絡(luò)作業(yè)、在線答疑、參考文獻(xiàn)等，使用文檔、網(wǎng)頁(yè)、圖片、視頻等形式，將與課程相關(guān)的內(nèi)容、知識(shí)的邏輯結(jié)構(gòu)層次分明地表現(xiàn)出來(lái)。課程團(tuán)隊(duì)將知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行濃縮和凝練，制作了30節(jié)微視頻，每個(gè)視頻10分鐘左右，同時(shí)劃分單元，設(shè)計(jì)每節(jié)測(cè)試題和單元測(cè)試題，供學(xué)生自主學(xué)習(xí)、在線學(xué)習(xí)、移動(dòng)學(xué)習(xí)。為方便學(xué)習(xí)者自測(cè)對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，我們精心設(shè)計(jì)了多道測(cè)試題目，以金屬切削原理及刀具線上課程為例，編寫(xiě)與提供包括隨堂討論36題、隨堂測(cè)驗(yàn)45題、單元測(cè)驗(yàn)1264題、單元作業(yè)124題、考試181題，共1650道經(jīng)典題目。學(xué)生觀看視頻、自主學(xué)習(xí)、完成個(gè)人測(cè)試并反饋問(wèn)題，充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性。

課堂中2個(gè)學(xué)時(shí)的線下教學(xué)主要是教師反饋線上問(wèn)題、組織和指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課堂討論、開(kāi)展隨堂測(cè)試、案例研究式學(xué)習(xí)、最后進(jìn)行總結(jié)和評(píng)估4個(gè)模塊。其中案例研究式學(xué)習(xí)是線下教學(xué)的核心組成部分，將在下一小節(jié)重點(diǎn)闡述。根據(jù)課程要求，學(xué)生可以掌握學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)，自主選擇在線學(xué)習(xí)的時(shí)間和地點(diǎn)，控制學(xué)習(xí)內(nèi)容與進(jìn)度，這更加強(qiáng)調(diào)賦予學(xué)生個(gè)性化、完整、深度的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行更加嚴(yán)格的認(rèn)證和評(píng)估，提高了課程完成率和學(xué)習(xí)質(zhì)量，同時(shí)也提高了學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作和獨(dú)立完成科研的能力。學(xué)生作為教學(xué)主體，將在課堂上主動(dòng)交流線上學(xué)習(xí)的問(wèn)題，基于教師給出的案例展開(kāi)討論與研究，以小組為單位，團(tuán)隊(duì)協(xié)作，給出實(shí)際問(wèn)題的解決方案，并在組間進(jìn)行成果匯報(bào)與交流，最后完成自評(píng)與學(xué)伴互評(píng)。

（二）基于案例的研究式學(xué)習(xí)

基于案例的研究式學(xué)習(xí)是學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中以案例為分析研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)案例的分析和討論，提出學(xué)生自己解決問(wèn)題的思路和方案，并進(jìn)行方案比較、交流和評(píng)價(jià)的學(xué)習(xí)方式[3]。

基于案例的研究式學(xué)習(xí)過(guò)程大致如圖3所示。

在切削參數(shù)的合理選擇這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)過(guò)程中，課程團(tuán)隊(duì)引入國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目——基于變復(fù)雜度近似模型的數(shù)控銑削加工工藝參數(shù)優(yōu)化方法研究，將數(shù)控銑削加工中的工藝參數(shù)優(yōu)化作為案例，提煉總結(jié)，供學(xué)生討論與學(xué)習(xí)。

先通過(guò)線上的案例介紹，讓學(xué)生了解數(shù)控銑削加工的基本過(guò)程與原理，為了加強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，我們加入仿真與物理實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，明確優(yōu)化目標(biāo)為溫度、成本，優(yōu)化參數(shù)為切削三要素——切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量，約束條件為切削力和表面粗糙度等。鼓勵(lì)學(xué)生課前進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，讓學(xué)生了解案例的背景、性質(zhì)、結(jié)果和相關(guān)理論、方法、技術(shù)，查找相似案例并做對(duì)比分析。最后學(xué)生再結(jié)合自制的微視頻以及AE仿真軟件教程視頻與編程軟件視頻等開(kāi)展自主學(xué)習(xí)。

線下教學(xué)主要包括自由小組討論、不同優(yōu)化方案間的課堂交流以及最后教師對(duì)各組案例的分析、建議進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和總結(jié)。啟發(fā)學(xué)生由淺入深開(kāi)展遞進(jìn)式研究，例如從參考切削參數(shù)選擇原則確定切削參數(shù)的大致范圍，到采用傳統(tǒng)方法的單目標(biāo)切削參數(shù)選擇，再到采用智能優(yōu)化算法的多目標(biāo)切削參數(shù)選擇，進(jìn)行探究性與個(gè)性化學(xué)習(xí)。

在這種基于案例的研究式學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生將了解到作為真正的工程師所將面臨的復(fù)雜境地和艱難抉擇，這不僅能加深他們對(duì)知識(shí)的理解，而且能讓他們掌握知識(shí)的應(yīng)用。通過(guò)學(xué)習(xí)，有助于訓(xùn)練和提高學(xué)生在復(fù)雜環(huán)境下解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力和進(jìn)行決策的能力。

（三）教學(xué)過(guò)程數(shù)據(jù)獲取與控制

根據(jù)教學(xué)大綱重新規(guī)劃和安排線上SPOC的授課進(jìn)度計(jì)劃，每次課前發(fā)布教學(xué)公告，布置對(duì)應(yīng)小節(jié)的視頻、測(cè)驗(yàn)題與討論題等預(yù)習(xí)內(nèi)容，讓學(xué)生于課前在SPOC上討論區(qū)回帖貼出課前預(yù)習(xí)總結(jié)與問(wèn)題。每次備課期間，教師都要總結(jié)與整理學(xué)生的預(yù)習(xí)回帖，掌握與監(jiān)督預(yù)習(xí)進(jìn)度。同時(shí)，針對(duì)學(xué)生的回帖情況，教師也要重新梳理出重難點(diǎn)，制作前測(cè)習(xí)題，在課堂直播時(shí)，通過(guò)慕課堂或雨課堂發(fā)布，讓學(xué)生限時(shí)完成。教師要統(tǒng)計(jì)分析課堂前測(cè)習(xí)題完成情況，根據(jù)錯(cuò)題率進(jìn)行難點(diǎn)問(wèn)題的重點(diǎn)講解。對(duì)于課前預(yù)習(xí)時(shí)反映較多的難點(diǎn)，教師應(yīng)發(fā)布進(jìn)階類客觀習(xí)題、難點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)的拓展應(yīng)用主觀討論題或隨機(jī)抽簽選擇學(xué)生進(jìn)行難點(diǎn)問(wèn)題應(yīng)用分析，以考查學(xué)生的掌握情況。教師還要定期梳理學(xué)生在SPOC上的視頻觀看、隨堂測(cè)驗(yàn)、單元測(cè)驗(yàn)的完成情況，課前預(yù)習(xí)回帖情況與課堂前測(cè)習(xí)題和討論題回復(fù)情況，以數(shù)據(jù)為導(dǎo)向，跟蹤監(jiān)督所有學(xué)生的整個(gè)學(xué)習(xí)進(jìn)程，保障學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

五、結(jié)束語(yǔ)

以理論與實(shí)踐結(jié)合、虛擬與現(xiàn)實(shí)聯(lián)合、教學(xué)與科研融合和線上與線下混合為建設(shè)思路，本文提出了“引出來(lái)—畫(huà)出來(lái)—做出來(lái)—用起來(lái)”四部曲的教學(xué)模式。通過(guò)建設(shè)中國(guó)大學(xué)MOOC網(wǎng)的在線開(kāi)放課程金屬切削原理及刀具，結(jié)合案例研究式學(xué)習(xí)，探索開(kāi)展線上線下混合教學(xué)模式，并給出了具體的應(yīng)用案例。之后，我們將會(huì)更深入地整理該模式的反饋與評(píng)價(jià)，不斷持續(xù)改進(jìn)。同時(shí)，針對(duì)企業(yè)在新工科背景下提出的難題，我們還將繼續(xù)探索如何與企業(yè)需求進(jìn)行對(duì)接，尋求高科技、高精度、高質(zhì)量、高效率的教學(xué)模式。

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[責(zé)任編輯：陳 明]

[收稿時(shí)間]2020-06-08

[基金項(xiàng)目]教育部首批“新工科”研究與實(shí)踐項(xiàng)目“基于多學(xué)科交叉融合的農(nóng)林院校農(nóng)業(yè)工程人才培養(yǎng)模式探索與實(shí)踐”（GK-117）。

[作者簡(jiǎn)介]楊揚(yáng)（1987-），女，湖南人，博士，副教授，研究方向：數(shù)控銑削工藝、工藝參數(shù)優(yōu)化方法。張國(guó)忠（1971-），男，湖北人，博士，教授，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械化與自動(dòng)化。周勇（1976-），男，湖南人，博士，副教授，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械性能設(shè)計(jì)及測(cè)控。吳擎（1988-），女，湖北人，博士，副教授，研究方向：智能優(yōu)化算法及工程應(yīng)用。李明震（1980-），男，湖北人，博士，講師，研究方向：農(nóng)業(yè)智能裝備。