基于“雨課堂”的理論力學混合式教學實踐

鄭澤偉 左宗玉 諸兵

摘? 要：理論力學是一門重要的專業技術基礎課，是自動化專業進行受控對象建模和閉環系統性能分析的基礎，其理論性強、計算繁瑣、趣味性低，傳統的線下教學模式很難激發學生的學習熱情。文章以理論力學課程為例，論述引入線上教學工具“雨課堂”開展混合式教學改革實踐的原則、具體應用和效果總結。研究成果可為其他傳統線下授課為主的課程提供混合式教學實踐參考。

關鍵詞：理論力學;雨課堂;混合式教學實踐

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）09-0094-05

Abstract： Theoretical Mechanics is an important professional technical foundation course. It is the basis for automation majors to conduct modeling and closed-loop system performance analysis. It is theoretically strong， computationally cumbersome， and low in interest. The traditional offline teaching model is difficult to stimulate students' enthusiasm for learning. Taking Theoretical Mechanics an example， this paper discusses the principles， specific applications and results of the introduction of the online teaching tool "Rain Class" to carry out hybrid teaching practices. It can provide a hybrid teaching practice reference for other traditional offline courses.

Keywords： Theoretical Mechanics; Rain Classroom; hybrid teaching practice

理論力學是各門力學課程的基礎，又是一門對工程對象進行靜力學、運動學和動力學分析的專業技術基礎課，在諸多工程技術領域有著廣泛的應用，在自動化專業是受控對象建模和受控閉環系統性能分析的基礎。課程的任務是使學生掌握質點、質點系、剛體和剛體系機械運動（包括平衡）的研究方法和基本規律，為學習后續控制類課程與將來學習和掌握新的科學技術打好必要的基礎;使學生初步學會應用理論力學的基本理論與方法分析和解決一些簡單的工程實際問題;結合本課程的特點，培養學生科學的思維方式和正確的世界觀，以及相關的能力。

理論力學學時長、理論性強、計算繁瑣，比較枯燥且趣味性較低，傳統的被動教學模式下很難激發學生對理論力學的學習熱情，主要面臨以下難以克服的問題：（1）理論力學為大二專業基礎課，授課方式以傳統的線下教學、課堂作業、期中/期末考試為主，缺乏現代化、信息化的授課和評價手段。（2）課堂教學偏重于數學推導，知識灌輸性強，忽視理論的物理意義闡述和工程實例的引入，教學內容較為枯燥，理論與工程實際脫鉤。（3）理論講授方法單一、滿堂灌教學模式，不利于學生對理論力學中的概念和公式的深入理解，學生普遍反映理論聽得懂，但習題不會做，缺乏必要的練習和反饋[1]。

“雨課堂”是由清華大學與學堂在線共同推出的一款教學工具，它集信息化和智慧化為一體，可以無縫植入到師生熟悉的Power Point和微信當中，實現線上與線下教學的充分整合[2]。同時，每個學生的學習情況和反饋數據可以實時準確地反映到教師的微信中，本身它就是一種混合式的教學模式。實際使用時，“雨課堂”具備以下三個重要特征：（1）操作簡便，兼容并包，師生使用不需要增添太多負擔。（2）教學和溝通實時且精準，利于與每個學生互動且掌握其狀態。（3）數據統計和分析清晰，教師隨時掌握課堂全局[3-4]。

基于“雨課堂”的優點和信息化時代的學生特點，我們在借鑒兄弟院校類似課程改革實踐經驗的基礎上[5]，在北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院（以下簡稱北航自動化學院）理論力學課程中采用了基于“雨課堂”的混合式課堂教學探索與實踐，通過確立教學改革時間原則、開展具體實踐應用、總結混合式教改的效果，取得了一些可以推廣的有益經驗。下面我們將詳細介紹理論力學混合式課堂教學實踐的內容。

一、理論力學混合式教學改革原則

傳統的理論力學教學模式雖然形式單一、缺乏互動，但是應用時間長，對學生的知識傳授、人才培養做出了巨大貢獻，具有覆蓋全、效率高、傳承好的優勢，在信息化的時代背景下并非一無是處。因此我們引入混合式教學改革實踐時遵循循序漸進的基本原則，通過下面“兩個堅持+兩個強化”的改革原則來設計混合式教學課程，不尋求大幅改動傳統教學過程中以教師、課堂、教材為中心的授課模式，不大量增加學生的學習負擔，而是努力強化課堂狀態反饋和學生的自主學習，防止教學改革用力過猛、過猶不及。

（一）堅持授課模式不大改

理論力學理論性強，需要學生具有扎實的高等數學和大學物理基礎，其概念多、公式推理嚴密且題目靈活多樣。近年隨著本科生教學培養方案的修訂，北航自動化學院的理論力學課程已從原來的96學時削減為64學時，課時量被大大壓縮。但是作為一門大二的專業技術基礎課，“基礎不牢，地動山搖”，學生依然需要在有限的學時內掌握教改之前的全部重要課程內容，否則長遠來看會影響學生的工程研究與實踐水平。在此背景下，依靠教室課堂的傳統理論力學課程教學仍然體現出了它的優勢，授課教師可以在短時間內對全部知識點進行詳細講解，學生依靠課前預習、課上聆聽、課后復習來掌握知識點。因此針對現在智能手機造成課上低頭族對課堂教學效果的沖擊現狀，如何積極將新技術恰當地應用到理論力學課堂教學中，同時又不大改傳統的授課模式，就成為本次混合式教學改革的第一個出發點和原則。

（二）堅持學生負擔不大增

通過多年的教學實踐可以發現，理論力學的部分知識點粗聽起來與大學物理類似，尤其是有動量、動能等學生多年前就開始接觸的概念。這導致部分學生輕視它，平時不好好上課而將精力只放在期末考試上，從而忽略了理論力學是一門系統性很強的課程，隨著課程的深入到后期就完全跟不上進度。另外大部分同學能夠聽懂知識點，但是如果課下不花時間鞏固課堂知識則不能熟練掌握所學的原理方法，遇到問題時無從下手，必須保證一定數量的課后練習才能夠掌握理論力學知識。這是學好這門理論課的不二法門，不會因智能時代的到來而變輕松。我們在32次課的授課過程中總計安排了28次作業，每次作業有2～5道有難度的計算題，學生必須吃透當堂知識點并靈活掌握運用才能夠計算正確，需要花費較多的時間。學生學習理論力學課程本來已經不輕松，所以我們在混合式教學改革設計與實踐時將堅持不再大量增加學生課后負擔的原則。

（三）強化課堂狀態反饋

我校理論力學課程目前仍然采用大班授課模式，每年選課人數在200人左右。因課程內容、講授方法、學生基礎和注意力等因素作用，部分同學并不能始終緊跟老師的步調，從而造成教學效果的下降，授課教師也無法實時從所有學生中得到必要的反饋，從而掌握教學重點和難點。要提高課堂教學效果，一個突出的問題擺在了我們的面前——采用何種方式使學生在課堂時間內能夠始終圍繞教學內容主動思考，并且教師能夠及時得到本次課的教學效果的反饋。部分教師以豐富、幽默的語言抓牢大部分同學的思路，但沒有解決如何得到課題效果反饋的問題;部分教師通過問答、交互促使學生參與思考，但班級的規模不能保證所有的學生積極參與。所以混合式教學實踐就是要建立能夠促使學生積極主動參與的模式，增強所有學生課堂互動，強化課堂狀態反饋，從根本上解決參與性低的問題。

（四）強化學生自主學習

理論力學課程知識點繁多，理解較容易但應用做題時靈活多變，同一道平面運動剛體動力學計算題，可以采用動力學普遍定理、動靜法和平面運動微分方程等多種解法。這僅靠課上的集中短時間學習是遠遠不夠的，學生必須要課后結合作業來自主學習，歸納總結，融會貫通。學習通常包括信息傳遞和消化吸收兩個過程，教師在課上通過講授已完成大部分的信息傳遞，消化吸收就需要由學生自己來完成，具體怎么做常讓學生感到手足無措。而且學生性格各異，并不是每一位學生都喜歡通過與老師和同學當面交流來解決問題。因此混合式教學實踐需要強化學生的自主學習通道，教師可以通過借助工具發放自主學習資料，收集數據了解每個學生的學習困難，學生也可以實時查看課程資料，隨時與老師和其他同學在線交流，滿足所有學生的自主學習需求。

二、理論力學混合式教學具體應用

將“雨課堂”引入傳統理論力學教學課堂，使教師可以全程“參與”學生的學習，實現混合式教學。具體實施過程如下。

（一）課前準備

授課教師在授課電腦上安裝“雨課堂”插件，此后再打開PPT則會多一個“雨課堂”工具欄，借助它就可以制作和修改“雨課堂”的教學課件。教師手機端微信關注“雨課堂”公眾號，在“我的課程”界面填寫必要的信息后，就可以創建新的課程和班級。創建班級成功后，后續授課時就可以通過二維碼和邀請碼引導學生進去課程班級學習。

“雨課堂”提供單選題、多選題、投票和主觀題等多種課題互動形式，需要結合理論力學課程特點來選擇具體方式。基于前述確定的“兩個堅持+兩個強化”的混合式教學改革原則，我們主要采用單選題和多選題兩種客觀題形式，這樣方便學生集中精力并在短時間內做出回復。選定隨堂測驗的具體形式后，教師需要根據本節課的授課內容和節奏來確定題目的數量和內容。我們建議每節課預留5～8分鐘左右的時間來開展隨堂測驗，出2～4道測試題，每道題占用1～2分鐘。題目盡量集中在本節課的最后，以免課堂上讓同學們頻繁拿起并使用手機導致分心，而且意志力差的學生可能由此瀏覽與課程無關的信息而降低了課堂效率。

我們以第八章第一節動靜法為例，這一節課的重點是讓學生熟練掌握并應用達朗貝爾原理和慣性力系的簡化，而達朗貝爾原理的基礎是新引入的慣性力，如果學生對慣性力的概念聽課比較認真且清晰則掌握這節課內容并不難。所以我們將隨堂測驗的重點放在了慣性力概念的理解以及慣性力系簡化結果的掌握上，針對性地設計了3道隨堂測驗題，如圖1所示。上課時將其按順序推送到學生手機上限時1分鐘答復，然后利用2分鐘左右對同學們的答復結果進行講解，預計共用5分鐘的課堂時間。

（二）課堂教學

教師授課前在電腦端點擊“開啟雨課堂授課”，展示課程二維碼。學生手機端用微信掃描二維碼進入課堂，同步完成考勤簽到。正式上課表面上跟之前線下教學一致，實際上授課的課件會逐頁通過網絡發動到學生手機。學生如果對哪一頁有疑問，他可以暫停消化也可以隨時進行“收藏”或點擊“不懂”按鈕反饋，將課程中沒有聽懂的知識點進行標記。授課結束后，教師可以收集匿名“不懂”數據的反饋（如圖2（a）所示），將學生反饋的知識點整理出來，并從中挑選疑問較多的內容開展有針對性的講解或答疑。這樣可以完成一個閉環學習過程并促進學生理解，也為后續教師調整授課節奏提供了重要依據。

正常授課內容講完之后，最后幾分鐘是隨堂測驗環節。教師選擇答題時間并點擊發布課前準備好的測驗題目，該題目將實時推送到學生手機端并讓其限時作答。學生作答結束或答題時間用完后，教師可以實時查看到學生答題的總體情況，基于數據可以很清楚地了解學生對各測試知識點的掌握情況，并根據測試結果做進一步的講解。

仍然以第八章第一節動靜法為例，本節課的測試結果如圖2（b）所示。我們課前準備的前兩道題目主要考察學生對“慣性力”概念的理解，學生回答正確率比較高，尤其是第2道單選題基本上所有同學都回答正確，所以上課時這個知識點就不再強調。第3道題考察學生對慣性力系簡化結果的理解，正確率只有37.3%，相對來說比較低，說明同學們對這個概念掌握不好，答題結束時教師將對該題目進行講解，并在后續的授課和復習課上對這個知識點重點講授。

此外，教師在課后還可以查看具體學生的答題情況，如圖3所示。我們可以通過點擊參看詳情，清楚地掌握每位同學對知識點的掌握情況，這可為后續備課提供重要信息，也可以作為學生平時成績給定的依據。授課時“雨課堂”還支持彈幕這種新型的互動形式，以字幕形式實時顯示學生的評論、疑問等信息。教師可以借助這個功能來提高學生的互動積極性，但需要注意控制該功能分散學生注意力的負面作用，目前理論力學課堂授課尚未開啟該功能，后續授課時視情啟用。

（三）課后復習

授課結束后，教師將作業推送給學生，學生基于手機端已同步保存的授課PPT完成自主復習和作業。學生還可以隨時查看每次上課的授課課件，重點復習上課時“不懂”和收藏的內容，實現個性化的自主學習。另外，“雨課堂”還開發了疑難點反饋功能，學生可以在復習過程中反饋遇到的疑問或難點，教師端可查看學生的疑難點反饋并據此調整教學活動或開展強化訓練。教師依據學生課堂測試及課后反饋的情況，對教學整個過程進行總結與回顧，優化教學策略、改進教學方案。

三、理論力學混合式教學實踐總結

教學改革的目的是激活學習熱情、提高教學質量，檢驗混合式教學改革的標準是教學效果。理論力學課程采用過程化考核的辦法，最終成績由平時、期中和期末三部分組成，各占20%、30%和50%的權重。平時成績以作業的完成情況為主，輔助以“雨課堂”中的考勤、測驗和互動等成績。采用本次教學改革實踐的北航自動化學院2019級本科生的最終成績分布與2018級的成績分布如圖4所示。通過兩年的成績分布比較可以發現，混合式教學改革實踐非常明顯地提高了優秀學生的數量，促進了大部分同學的學習成績提高，優良率從41%提高到了60%。但是對學習本來就有困難的同學促進作用不大，不及格率保持在5%左右。

為了清楚掌握混合式教學實踐的教學效果，在給2019級學生授課結束后，我們面向所有學生發放了調查問卷并邀請學生對混合式教學改革的整體情況綜合評分，具體調查問題和結果如表1和圖5所示。

由表1可知，對于基于“雨課堂”的混合式教學，100%的同學都認為對他們的學習具有正面促進作用，而且絕大部分同學都對所調查的問題持正面態度。當然，可以正面促進同學學習并不代表他們就都喜歡這種方式，第2-6個問題中有20%至30%左右的同學持負面或不確定的態度。這說明雖然我們堅持不增加學生負擔，但是引入隨堂測驗仍給他們原本平靜的聽課帶來了不少壓力，導致部分同學需要適應的周期。

另外，有35%左右的同學不認為混合式教學改革可以提高師生間的溝通，也就是目前的教學方式在這方面的考慮還不周到，這也是我們后續需要繼續改進的一個重要方向。

由圖5可知，有91.4%的同學對混合式教學改革給出了8分及以上的綜合評分，平均分達到8.52分。說明本次改革實踐獲得了絕大部分同學的正面評價，較為圓滿地完成了促進學習、增強學生主動性、提高成績的改革目標。

四、結束語

雖然理論力學的課程體系經過多年發展已基本定型，但是其授課模式和教學方法是一個不斷探索、創新的過程，教師需要緊跟時代步伐、根據學生特點做出必要的調整。本文以理論力學課程為例，將傳統的線下教學模式融入“雨課堂”的智能化課堂手段，對混合式教學模式開展了探索與實踐。主要通過課堂測驗以及借助“雨課堂”的工具來實時得到學生學習情況反饋，由此達到強化課堂狀態反饋和學生自主學習的目的，并且對原有的教學模式改變不大，沒有明顯增加學生學習負擔。混合式教學改革實踐取得了顯著效果，也得到了大部分同學的正面反饋，后續將根據同學的反饋情況開展進一步的改進與實踐。此外，我們還將在繼續提升課程智能化、增加學生的參與度、增強師生互動與溝通和強化學生綜合解決實際問題的能力等方面做出必要的探索。

參考文獻：

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