基于軟件仿真的實驗課線上“翻轉(zhuǎn)課堂”教學實踐及評價

王洪昌 蔣蓮 陳宇 徐明沁

摘? ? 要：以全日制本科“機械設計制造及其自動化”專業(yè)選修課“機械動力學”的實驗教學為例，開展了線上“軟件仿真實驗+翻轉(zhuǎn)課堂”的教學實踐活動。以將學生學習壓力降至較低或中等喚起水平為原則，設計了實驗教學內(nèi)容;以“騰訊會議”為直播教學平臺，設計了由教學準備、線上翻轉(zhuǎn)課堂、課后工作三部分構(gòu)成的教學模式;采用單一整體評估法就學生對授課的滿意度進行了調(diào)查。結(jié)果表明：與傳統(tǒng)的實驗教學相比，該教學模式能大大縮短學生的實驗時間，基本達到了預期教學效果。

關(guān)鍵詞：軟件仿真;線上教學;翻轉(zhuǎn)課堂;實驗教學

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2095-7394（2021）04-0116-06

“翻轉(zhuǎn)課堂”是將傳統(tǒng)課堂師生之間面對面授課，改為課前學生在家或宿舍觀看教學視頻，課堂上師生探索、討論、解決問題的教學形式。它將教學活動的中心由教師轉(zhuǎn)變?yōu)閷W生，真正體現(xiàn)和實踐了“以學生為本”的教育思想。有研究認為，翻轉(zhuǎn)課堂將在如下方面改變學生的學習行為：“顛倒”的學習流程和獨有的“碎片化”學習方式，將有助于學生深度學習;個人學習與集體學習相結(jié)合，學生之間相互幫助，學生被賦予強烈的責任感，能促進其學習進步;學生自主選擇學習策略與進度，推進了學生個性化學習的實踐[1]。

近年來，隨著翻轉(zhuǎn)課堂在國內(nèi)的廣泛實踐，關(guān)于這方面的研究也逐漸豐富。吳仁英[1]、容梅[2]等從宏觀角度對教師實施翻轉(zhuǎn)課堂所面臨的教學理念、知能結(jié)構(gòu)、角色定位，以及工作負荷進行了闡述;郝興偉[3]、鄧笛[4]、吳碩[5]等則基于翻轉(zhuǎn)課堂從課程實施者的視角對所授課程的教學平臺、教學方法，以及對學生的引導和督促等方面進行了研究;于文浩[6]從學生角度以雙因素理論為框架，對翻轉(zhuǎn)課堂的滿意因素和不滿意因素進行了調(diào)研，并以此作為課程持續(xù)改進和優(yōu)化的依據(jù);黃琰等[7]將翻轉(zhuǎn)課堂教學模式引入“多媒體教學平臺的使用與維護”課程的實驗教學中，發(fā)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂能有效提高學生的學習積極性及學習效率;石端銀等[8]針對目前高校數(shù)學實驗課教學過程中存在的問題，提出在CDIO背景下開展翻轉(zhuǎn)課堂的教學嘗試，并進行了相關(guān)教學改革，實現(xiàn)了以學生為本的深度教學目標。

從已有文獻看，針對高校工科專業(yè)實驗課程的“線上翻轉(zhuǎn)課堂”教學實踐與研究較少。筆者以全日制本科“機械設計制造及其自動化”專業(yè)（以下簡稱“機制”專業(yè)）的選修課“機械動力學”的實驗教學為例，以將學生學習壓力降至較低或中等喚起水平為原則，設計了實驗內(nèi)容;以騰訊會議為直播教學平臺，設計了由教學準備、線上翻轉(zhuǎn)課堂、課后工作三部分構(gòu)成的課程教學模式，開展了線上“軟件仿真實驗+翻轉(zhuǎn)課堂”的教學實踐活動。在此基礎上，采用整體評估法對課程實施過程中學生的滿意度進行了調(diào)查與分析。

1? ? 課程簡介

“機械動力學”是江蘇理工學院機制專業(yè)的一門專業(yè)選修課，是2018年起開設的一門新課;課程為12周，每周2節(jié)，共24個課時;其中，實驗課程為2周，共4課時。參加本次課程學習的是大二下學期兩個班級的學生，共85人;其中，男生82人、女生3人。課程涉及的基礎理論知識非常廣，大量理論來源于力學、數(shù)學等基礎課，所包含的知識點與多門專業(yè)課存在交集。龐大復雜的知識體系，使得該課程的理論教學內(nèi)容抽象、深奧晦澀。因此，設計合理的實驗課程方案，使學生對課程有一個整體、系統(tǒng)的認知，對于正確理解和掌握課程的知識要點，并把知識轉(zhuǎn)化為解決實際問題的能力至關(guān)重要。

機械結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析是動力學分析的基礎，是機械動力學課程的經(jīng)典實驗項目。常用的分析方法有兩種：有限元軟件計算法和實驗測量法。實驗法是通過實驗測量得到結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)矩陣，并運用參數(shù)預估法，從實驗數(shù)據(jù)中擬合得出機械結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。以往實驗教學的效果一直不太理想，原因是：一方面，學校實驗設備少（只有1臺），學生人數(shù)多;另一方面，實驗對操作技能要求較高，學生如果不經(jīng)過訓練，很難在規(guī)定的時間內(nèi)獲得有效實驗數(shù)據(jù)。因此，實驗課程一直停留在演示性實驗階段。有限元軟件計算法是利用軟件（如ANSYS）通過結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度矩陣來計算結(jié)構(gòu)的模態(tài)。該方法的優(yōu)點是可以通過修改結(jié)構(gòu)參數(shù)重復計算系統(tǒng)模態(tài)，通過分析模態(tài)結(jié)果的變化規(guī)律，更加科學、深入地理解結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的模態(tài)特性。

基于此，結(jié)合疫情期間無法開展線下實驗教學的情況，筆者以該校機械工程類本科專業(yè)課程“機械動力學”的實驗教學為例，進行了線上翻轉(zhuǎn)課堂的教學探索。

2? ? 教學設計

2.1? 內(nèi)容設計

實驗內(nèi)容的設計至關(guān)重要，它是提高學生學習興趣、激發(fā)學生學習熱情的基礎。考慮課程的性質(zhì)，并參考已有的研究[9]，確定了實驗內(nèi)容的總體設計原則：將學生學習壓力降至較低喚起水平，使其大腦能夠順利被激活，能夠整合較大范圍的材料，理解更廣泛的關(guān)系和理論，并進行認知思考，最終獲得良好的學習效果。依據(jù)此原則，結(jié)合學生所在專業(yè)，設計了“各種結(jié)構(gòu)參數(shù)對圓盤-軸承系統(tǒng)模態(tài)性能的影響及原因”的分析實驗。

問題的描述：如圖1所示，有一圓盤-軸承系統(tǒng)，支撐軸的直徑為[d]，長度為[L]，其中部有一圓盤，圓盤的直徑為[D]，寬度為[H]，兩端采用滾動軸承支承，設軸承的支承剛度為[k]。

將班級學生分成5組，分別計算指定結(jié)構(gòu)參數(shù)值的改變對該系統(tǒng)前5階模態(tài)特性的影響;對數(shù)據(jù)處理后，再對現(xiàn)象進行解釋。為了保證教學效果，給每個小組設計了一定深度的問題，對學生的自學過程加以引導和督促。比如，請解釋當軸直徑較小時，隨著d的增大，軸系固有頻率會隨之增大;但當[d]大到某一臨界值后，隨著[d]的增大，軸系固有頻率會隨之減小。一般來講，增大支承軸承剛度，系統(tǒng)的固有頻率會隨之增加，請解釋為什么隨著剛度值變大到某一臨界值時，軸系的固有頻率將不再發(fā)生變化。

以輪盤直徑[D]的變化對系統(tǒng)模態(tài)特性的影響為例進行說明。課程理論教學告訴學生任何系統(tǒng)的固有頻率計算公式為：[ω=k/m0.5]。從該公式看，隨著輪盤質(zhì)量的增大，系統(tǒng)的固有頻率值會降低;而實際計算卻發(fā)現(xiàn)，只有奇數(shù)固有頻率值降低，偶數(shù)固有頻率值基本不變。這其中的原因可以通過實驗得到的振型圖（圖2）來解釋。如圖2所示，1階振型中圓盤參與了振動，而2階振型中圓盤并未參與振動;所以，改變圓盤直徑所引起的質(zhì)量增加只會影響系統(tǒng)奇數(shù)固有頻率，而對偶數(shù)固有頻率的影響可以忽略不計。可見，這些引導問題能夠?qū)W生的學習起到提綱挈領(lǐng)的作用，有助于其掌握核心知識點。此外，帶著問題學習，有利于學生獨立思考能力的培養(yǎng)，以及對理論知識的深度理解[5]。

2.2? ?教學模式

實驗課程教學以“騰訊會議”作為直播平臺，翻轉(zhuǎn)課堂教學模式如圖3所示：由教學準備、線上翻轉(zhuǎn)課堂、課后工作三個部分構(gòu)成。

2.2.1? 教學準備

大二學生尚未學習ANSYS軟件，因此教師要事先利用軟件參數(shù)化建模分析，制作出精簡的命令流（一個文本文件）;借助線上教學平臺“騰訊會議”中的屏幕共享，對打開命令流文件、更改分析對象的結(jié)構(gòu)參數(shù)、運行命令流、通過ANSYS軟件讀取計算結(jié)果等一一演示。另外，為了達到良好的教學效果，教師可以再次串講實驗涉及的知識點，輔以在線答疑，鼓勵學生自主開展學習活動。演示教學過程大約需要30 min。

由于命令流是由教師提供，學生可通過記事本打開該文件，修改具體結(jié)構(gòu)參數(shù)后，拷貝到ANSYS軟件中運行就可以，從而保證了計算數(shù)據(jù)的正確性。相較于傳統(tǒng)實驗室做實驗，學生所需的時間大大減少，僅需原來的1/4甚至更少。此時，學生的重點任務是將結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的變化對系統(tǒng)動力學特性的影響記錄下來，并做成圖表，再根據(jù)課本所學知識對現(xiàn)象進行分析與解釋。

2.2.2? ?線上翻轉(zhuǎn)課堂

課下導學。通過網(wǎng)絡平臺“騰訊會議”或QQ群，學生以小組為單位進行ANSYS軟件計算與數(shù)據(jù)共享。其間，學生遇到問題可以通過獨立思考、相互交流、查閱文獻、共同研討等方式解決，也可以與教師一對一或一對多交流。教師的參與不僅可以及時了解學生課前學習情況，還可以對學生提出的疑難問題歸類、整理，并針對學生遇到的問題進行點撥或精講。

翻轉(zhuǎn)課堂。翻轉(zhuǎn)課堂的實施分為三個步驟：（1）學生講解。通過“騰訊會議”平臺，學生以小組為單位，選出一名學生作為主要發(fā)言人，講述小組所分析的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對系統(tǒng)模態(tài)特性的影響及其原因。（2）提問與回答。講述結(jié)束后，接受老師和全班其他同學的提問，小組成員獨立或集體討論后做出回答。（3）教師總結(jié)。所有小組講述結(jié)束后，教師針對各種結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)模態(tài)特性的影響進行歸納與總結(jié)，對學生講解錯誤的地方或提出的疑難問題進行歸類、分析、講解。

以“圓盤-軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)值的變化對系統(tǒng)模態(tài)特性的影響”的教學為例。教師在學生講述完畢后，可提出有一定深度的問題讓學生回答。比如：如果軸承支承剛度為0，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？系統(tǒng)自由振動時，會以哪種振型振動？請問此時還是不是簡諧振動？如果圓盤不是位于軸的中部，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？這些問題需要學生融會貫通“機械動力學”課程的多個知識點來解答。這種方式可以極大地調(diào)動學生學習的興趣，并有效鍛煉學生解決實際問題的能力;教師的點評又可以加深學生對知識點的認知，達到較好的教學效果。

2.2.3? ?課后工作

班級各小組之間共享實驗數(shù)據(jù)，每位學生都要撰寫分析報告。通過這種自主又合作訓練，使學生感受、領(lǐng)悟并重構(gòu)知識，將知識轉(zhuǎn)化為技能，實現(xiàn)對知識的深度理解與內(nèi)化[1]。

學生的成績評定主要由翻轉(zhuǎn)課堂上的表現(xiàn)以及實驗報告決定，所占比例分別為30%與70%。課堂表現(xiàn)包括學生對實驗結(jié)果的陳述、解釋，以及對老師、同學提問的回答情況。教師根據(jù)課程實驗大綱確定的評分標準對每位學生上交的實驗報告進行批改，比如：分析數(shù)據(jù)是否詳實、全面;圖表是否清晰明了;對實驗得到的數(shù)據(jù)解釋與描述是否正確;提出的機構(gòu)改進方案是否正確可行、是否有理有據(jù)。

3? ? 評價與反思

及時了解與掌握學生對課程的意見，有助于教師對教學設計的評價與反思[6]。本研究采用單一整體評估法對線上實驗“翻轉(zhuǎn)課堂”的學生滿意度進行了調(diào)查。調(diào)查在課程結(jié)束后進行，通過學生匿名填寫調(diào)查問卷的形式，收集他們對課程實施的意見與建議。調(diào)查共發(fā)放問卷85份，回收有效問卷84份，問卷有效率為98.8%，調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計見表1。

問卷統(tǒng)計調(diào)查共分9個類別。從表1看，學生最滿意的是“實驗任務量”，滿意度高達90.5%（非常滿意+滿意）;原因是教師提供了正確的參數(shù)化命令流，學生只需更改具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，并反復使用ANSYS軟件進行計算就可以，學生花費在實驗上的平均時間僅20 min左右，這樣學生可以把更多的時間與精力用在后期數(shù)據(jù)處理與分析上。相比傳統(tǒng)的實驗教學，軟件仿真實驗教學在相同的時間內(nèi)，每位同學都能夠參與分析、計算;通過班級或小組內(nèi)共享數(shù)據(jù)，以類比的方式觀察實驗現(xiàn)象的變化得以實現(xiàn);加深了學生對理論知識的理解，更好地實現(xiàn)了課程的預期目標。

學生滿意度最低的是“提高自學及分析問題能力”，雖然有66.7%學生表示滿意，但仍然有高達33.3%的同學認為效果一般。通過與學生座談，發(fā)現(xiàn)原因主要有：其一，實驗是分組完成的，部分同學有偷懶、依賴其他同學的思想，并未真正付出時間和精力參與實驗任務;其二，線上“翻轉(zhuǎn)課堂”是在“騰訊會議”上完成的，學生再以小組為單位進行實驗數(shù)據(jù)的解釋與分析，或回答老師與同學提出的問題時，性格內(nèi)向的同學很少發(fā)言或根本沒有發(fā)言，老師卻未能觀察到這種現(xiàn)象。類似的情況也出現(xiàn)在“軟件仿真實驗”與“師生互動”的調(diào)查項中：有4.8%的同學認為“軟件仿真實驗”效果差，19.0%的認為效果一般;有26.2%的同學認為“師生互動”效果一般。翻轉(zhuǎn)課堂，尤其是線上翻轉(zhuǎn)課堂確實在互動方面有一定的局限[10]。對自主學習能力、自我約束能力及學習主動性強的學生來說，對自己的學習更加負責，學習效果也更好;相反，對于意志力薄弱、自我約束能力差，或是性格內(nèi)向的同學而言，學習效果可能會比較差。

調(diào)查結(jié)果還顯示，學生對“實驗所選案例”與“實驗難度”這兩個項目的滿意度較高，分別為88.1%與83.3%。究其原因，是因為實驗方案難度的選擇不僅考慮了將學生學習壓力降至較低喚起水平，還與學生所學專業(yè)知識直接相關(guān)。同時，精心設計結(jié)構(gòu)參數(shù)及引導問題，使學生在實驗過程中經(jīng)歷從實踐到理論再用理論來指導實踐的一個認知過程，加深了對書本知識的理解，培養(yǎng)了學生解決工程問題的能力。

任何教學改革，教師始終是改革成敗的核心與關(guān)鍵[11]。在傳統(tǒng)的課堂教學中，理解力水平高或低的學生都易發(fā)生“游離”情況。翻轉(zhuǎn)課堂由學生掌握學習節(jié)奏，教師則通過引導學生參與知識分享、深入思考、個案研究等活動，促成學生高層次的思考與有意義的學習[12]。如此，便對教師的專業(yè)能力提出更高的要求。從調(diào)查結(jié)果看，學生對“教師專業(yè)能力”的滿意度為83.3%，不是很高，教師還需要不斷學習，提高自身能力。

高校設置專業(yè)課程實驗的目的在于，學生在教師的指導下，通過一定的條件和手段將知識以可見、可感、可測的形式呈現(xiàn)出來，從而加深對理論知識的理解與掌握。從“加深對理論知識理解”的調(diào)查項來看，有81.0%的同學認為線上翻轉(zhuǎn)實驗教學這種形式對消化、吸收、鞏固理論教學知識效果較好。就本次教學實驗來看，其原因是：一方面，實際生活中遇到的機械裝置振動通常是微幅振動，傳統(tǒng)實驗很難觀察到它們的振型，而軟件則可以放大物體的振動，方便學生觀察其振型;另一方面，學生可以有意識地改變結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過類比的方法觀察實驗現(xiàn)象，并通過對現(xiàn)象的解釋，加深對理論知識的理解。

學生對課程“評價方式”的滿意度不是太高，僅為76.2%。通過與學生座談發(fā)現(xiàn)，這種評價方式忽略了部分性格內(nèi)向的同學。他們在ANSYS分析計算、數(shù)據(jù)處理、現(xiàn)象分析方面表現(xiàn)的很好，卻因在翻轉(zhuǎn)課堂上的發(fā)言不甚積極，導致最后得分不理想。今后，教師應該把更多的精力與時間放在課前線上對學生的輔導與答疑上，因為師生互動是最有效的教學手段，而且教師可以基于學生課前學習情況，豐富課程評價方式，最大限度做到評價的公平與公正。

4? ? ?結(jié)論

基于軟件仿真的高校實驗課在線翻轉(zhuǎn)課堂教學，相比傳統(tǒng)的實驗教學，學生實驗時間大大縮短;通過小組或班級討論，更有助于對專業(yè)理論知識的理解與掌握。但是，對于意志力薄弱、學習主動性差，或是性格內(nèi)向、不善言辭的同學而言，學習效果不甚理想。結(jié)合調(diào)查，筆者認為“軟件仿真實驗+線下翻轉(zhuǎn)課堂”的教學效果可能會更好一些。

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責任編輯? ? 王繼國