基于線上線下混合式教學模式的材料力學實驗教學改革研究

林 鵬,王 晨,李凌云

(福州大學 材料科學與工程學院,福州 350108)

日新月異的科技發展和不斷變革的產業經濟對現代工科人才的綜合能力素質提出了更高的要求[1]。為了應對新時期工科人才的培養要求,進一步提升高等院校的教育質量,教育部提出了新工科建設計劃,致力于培養一批工程理論知識扎實和創新實踐能力突出的創新應用型人才[2]。有效提升工科人才培養質量的一種重要方法是結合產業的發展需求以及學生的興趣愛好,在傳授學生專業理論知識的基礎上,全面鍛煉并提升學生的動手實踐能力[3]。因而,新工科建設高度重視高等院校的實踐教育,而實驗教學作為實踐教育的核心組成部分尤為受到重視[4]。

材料學科作為工科學科的主力軍之一,是一門以實踐為基礎的學科。材料力學實驗作為材料力學性能課程的實踐環節,是材料學科的核心專業基礎實驗,可以幫助學生加深對材料力學特性的直觀理解并鞏固對力學性能知識的掌握,培養學生嚴謹的科學態度和獨立自主的實驗能力[5]。因而,材料力學實驗的教學質量尤其重要,一直以來受到材料學科教師的重點關注。傳統線下的材料力學實驗教學模式存在學生預習效果不佳、實踐動手時間少和實驗成績無法準確反映學生實踐能力等問題。可見,在新工科建設背景下,為了培養材料學科的優秀工程人才,對材料力學實驗進行教學改革已經勢在必行。

一、傳統線下實驗教學模式存在的問題

(一)實驗預習效果不佳

傳統的材料力學實驗教學模式,通常在上實驗課前會向學生發送實驗指導書,要求學生依照實驗指導書,對實驗原理、實驗儀器以及實驗步驟等進行預習,并提交預習報告。由于只有單純的實驗指導書,學生在預習過程中往往覺得枯燥無趣,導致學習積極性不高,敷衍了事,很少主動查閱相關資料以增進知識學習。同時,在缺少多媒體教學手段的情況下,光靠實驗指導書無法形象生動和準確客觀地傳授實驗原理和操作步驟等知識。另外,由于缺乏實驗預習的積極性,多數學生在撰寫預習報告時缺少思考理解,沒有凝練知識點,而是直接抄寫實驗指導書,造成預習報告同質化非常嚴重。因而,教師無法通過預習報告的批改充分有效地了解學生的預習效果,從而無法在上實驗課時有針對性地進行講解。

(二)實驗時間少,實驗教學效果一般

在各高等院校,材料力學實驗作為專業基礎實驗課,與理論課一樣都有固定的學分學時,因而在傳統線下的實際教學過程中會面臨教師教學時間短和學生動手實踐時間不足的問題。首先,由于學生普遍預習效果不佳,教師在線下教學時需要花較多時間全面詳細地講解實驗原理和儀器操作,造成實驗時間更加緊張。其次,材料力學實驗所用到的實驗儀器多數為萬能材料試驗機等大型儀器,受限于經費和實驗室面積不足,很多高校的實驗儀器臺套數會相對不足[6]。面臨有限的學時和儀器臺套數,學生實驗時只能按照分組進行,導致每個學生的實操時間更短,而且容易出現部分學生完全依賴同組學生,自己全程“打醬油”的情況。再者,為了在有限學時內進行更多次實驗,部分實驗參數無法完全按照理論或國標設置,導致實驗結果偏離理論值較多,影響后續的實驗數據處理和分析。例如,在材料靜拉伸實驗的實際教學中,為了節省時間,拉伸速率會設置比國標稍快,導致實驗數據以及應力應變曲線增加了一項誤差項。最后,由于包含教師的詳盡講解,每次實驗課通常需要至少半天的連續課時,這也造成了排課困難。以上這些情況,造成學生上實驗課時,只顧趕著做實驗,無法充分理解教師的講解,無法及時發現、分析和解決實驗中的問題,而且也會因缺乏師生之間的溝通,從而使得整體的實驗教學效果不佳。

(三)成績評價機制不夠完善

以往材料力學實驗的成績評價主要由預習、過程操作和實驗報告三個部分的成績構成。由于多數學生的預習效果不佳且預習報告同質化嚴重,僅通過預習報告成績無法準確反映學生的預習效果。材料力學實驗作為專業基礎實驗,注重學生的實際操作能力,其過程操作成績尤其重要。但是,傳統實驗教學模式的過程操作成績往往只能體現小組的整體操作情況,無法精確客觀地反映每個學生的實驗操作能力。實驗報告成績通常在整個成績構成中占比最高,足見其重要性。分組實驗造成實驗結果數據偏少,同組學生對同一數據分析容易同質化,甚至出現抄襲報告的情況。因而,傳統實驗教學模式的實驗報告成績無法準確客觀地反映每個學生的數據處理和分析能力。

二、運行線上線下混合式教學模式的必要性

近年來,由于傳統材料力學實驗教學模式已經無法滿足新工科人才培養的需求,教育工作者利用先進的信息化技術開發出翻轉課堂、幕課、虛擬仿真和線上線下混合式等新型的教學模式。其中,線上線下混合式教學模式實現線上學習和線下實踐的有機互補和深度融合,在實驗教學方面具有得天獨厚的優勢,有效地提高了實驗教學質量[7]。混合式實驗教學模式注重學生為主體,能夠充分調動學生的主觀積極性,有效提升學習效率,強化鍛煉學生的創新思維以及主動解決問題的能力[8]。混合式實驗教學模式下,教師充分利用多媒體技術進行教學,主要發揮啟發引導學生學習以及對學生學習過程進行監控的職能[9]。學生可以根據自己的學習進度,充分利用好碎片化時間合理安排學習,有效保證實驗課程的學習時長。另外,學生可以根據理論知識和實驗操作的掌握程度,在線上反復進行視頻課件學習和虛擬仿真操作練習,提升實驗理論學習質量和實驗操作能力。此外,由于學生可以錯峰選擇線下實驗時間,因而可以有效解決實驗室面積和儀器臺套數不足的問題。

鑒于混合式教學模式可以有效解決傳統實驗教學模式的不足,我院對材料力學實驗進行線上線下混合式教學模式的探索和實踐。其中,線上教學主要包括實驗理論的幕課教學和實驗操作的虛擬仿真教學。線下教學則主要為實驗室里的實踐操作教學。

三、線上線下混合式教學模式的開展

(一)實驗理論的幕課教學

幕課是大規模開放在線課程的音譯,它基于開放共享的互聯網平臺,利用信息化技術,將線上教學資源和師生互動有機結合起來,充分實現教育資源的效益最大化[10]。我院材料力學實驗的幕課教學以在線視頻教學為主,師生互動溝通交流為輔。幕課教學內容主要分為三個部分,分別為實驗理論、實驗操作以及實驗數據處理及分析。

1.實驗理論部分主要包括實驗目的、實驗原理和實驗儀器介紹,以教師講解PPT的視頻向學生展示。實驗目的和實驗原理除了對實驗項目的設置目的及工作原理進行詳細講解,同時也會對該實驗項目涉及的專業理論知識進行關聯教學。從而使學生更清晰地了解實驗項目的設置內涵,同時更深入地理解和掌握實驗的工作原理。實驗儀器介紹涵蓋整個實驗項目的相關儀器。同時,不局限于實驗室里現有的實驗儀器,同類型的其他型號也會介紹,并對比優缺點。另外,隨著電氣自動化的高速發展,許多實驗儀器都具有自動化功能。這些儀器在給予實驗便利的同時,也給學生了解其工作原理造成困擾。因而,在介紹現有自動化儀器時,會對原先基礎型進行對比講解,方便學生深入掌握此類儀器的工作原理。

2.實驗操作部分主要講解試樣制備、儀器操作步驟和注意事項等,以教師完整的實驗操作視頻向學生展示。其中,試樣制備注重國家標準和行業標準的講解,儀器操作步驟注重實驗參數設置和操作規范性的講解,注意事項注重儀器閾值保護和實驗人員人身安全保護的講解。

3.實驗數據處理及分析部分主要講解實驗數據的獲取、處理和分析方法,以教師講解PPT的視頻向學生展示。這部分內容在講解實驗數據的獲取和處理方法的基礎上,更重要的是傳授學生如何進行數據分析,尤其誤差分析,引導學生發揮主觀能動性,發現和解決實驗過程中的各種問題。

教師在慕課教學視頻中設置了若干問答題,學生只有回答正確方可繼續觀看視頻。這樣一方面能夠加強學生對該部分知識點的掌握,另一方面也可以有效監督學生的學習。同時,教師在教學視頻后面布置課堂作業,可以進一步加強學生的學習。另外,教師對整個實驗項目設置考核環節,學生只有考核通過方可進行后續學習。此外,慕課系統擁有互動討論交流區,方便學生與教師進行溝通交流,從而及時排除學習困擾,提升學習積極性和效率。

(二)實驗操作的虛擬仿真教學

隨著計算機信息技術的飛速發展,虛擬現實技術日益成熟,它是一種融合多媒體、人機交互、立體顯示和仿真等多種信息技術的綜合計算機技術[11]。基于虛擬現實技術和專業工程技術知識,人們開發了一系列專業的虛擬仿真實驗。虛擬仿真實驗可以打破時間和空間的限制,讓學生可以充分利用碎片化時間進行實驗操作訓練,從而使實驗技能水平得到充分鍛煉和提升。另外,虛擬仿真實驗還能夠解決儀器臺套數不足、昂貴高端儀器較難開展實驗教學和實驗室面積不足等傳統線下實驗教學面臨的困難。我院基于材料力學實驗的專業知識,利用虛擬現實技術,開發了一套材料力學虛擬仿真實驗系統。該系統包括材料力學實驗的三個主要實驗,分別為材料的靜拉伸、材料的彎曲和材料的硬度虛擬仿真實驗。該系統具有考核功能,每個實驗項目只有通過完整的虛擬仿真操作考核,才可以申請線下的實驗實踐。該系統用于材料力學實驗的虛擬仿真教學具有以下獨特的優勢。

1.材料力學實驗虛擬仿真系統可以實現實驗過程的實時仿真,使學生可以直觀了解各實驗的關鍵曲線和操作節點。在材料的靜拉伸虛擬仿真實驗中,可以實時觀察應力—應變曲線各拉伸階段的變化,依次為彈性階段、屈服階段、塑性變形階段和斷裂階段。在材料的彎曲虛擬仿真實驗中,同樣可以實時觀察彎曲力—撓度曲線,掌握彎曲力隨彎曲撓度的變化情況。在材料的硬度虛擬仿真實驗中,可以實時看到布氏、洛氏和維氏硬度各自加載、保載和卸載的實時情況,熟悉各種硬度計施加載荷的關鍵操作節點。

2.在材料力學實驗虛擬仿真系統上,學生可以練習實驗項目的全部操作環節,包括試樣準備、儀器參數設置、儀器運行操作和實驗數據獲取等,從而有效地鍛煉了實驗操作技能。例如,在材料的靜拉伸和材料的彎曲虛擬仿真實驗中,學生可以依次操作試樣原始尺寸測量、試樣夾持或放置、萬能試驗機軟件參數設置、試驗機程控運行、實驗結果數據保存及獲取、實驗后取樣及尺寸測量等整個實驗環節。在材料的硬度虛擬仿真實驗中,學生同樣可以依次操作硬度計參數選擇、標準塊硬度較準、預載荷施加、主載荷施加、保荷、卸荷以及硬度讀取記錄等整個實驗環節。

3.材料力學實驗虛擬仿真系統具有自動糾錯功能,輔助學生進行正確的實驗操作學習。學生在進行仿真實驗操作時,若某個參數設置或儀器操作明顯偏差出錯,仿真系統會通過交互模塊自動提示錯誤,引導學生進行正確的設置和操作,從而實現準確有效的實驗操作教學。例如,在材料的靜拉伸虛擬仿真實驗中,裝夾拉伸試樣的旋轉方向錯誤時,系統會提醒出錯并給出正確旋轉方向的引導提示。在材料的硬度虛擬仿真實驗中,當硬度載荷設置與試樣不匹配時,系統會提示載荷設置不合理并引導選擇適合的載荷。

(三)線下實踐教學的實施

有別于傳統線下集中式實驗教學,材料力學實驗混合式教學模式的線下實驗教學采用分批式實驗教學,可以有效地增加學生實踐動手的時間。實驗教師根據實驗室的排課情況,制定出一系列可以進行線下實驗的時間批次。學生經過線上實驗理論的幕課學習和虛擬仿真的實驗操作鍛煉并考核通過后,可以結合自身空閑時間和實驗室的排課時間表,選定相應批次進行線下實驗實踐。

線下教學時,教師在學生實踐操作前,會再次強調實驗室和實驗儀器的安全注意事項,然后根據線上考核情況,對學生掌握較薄弱部分進行有針對性地加強講解和指導。另外,實驗操作時以學生操作為主體,鍛煉學生的自主實驗能力,教師主要起問題引導、安全監控和過程記錄的作用。其中,問題引導主要啟發學生結合專業理論知識對實驗中各個關鍵操作勤加思考,鍛煉學生主動發現問題、解決問題以及理論結合實踐的能力。安全監控主要關注學生的個人防護措施、儀器閾值設置和儀器操作等是否安全規范,碰到可能存在的操作安全隱患要及時處理,保障學生的人身安全以及儀器安全。過程記錄需要詳實記錄學生的實驗操作表現,以便作出全面的過程考核評價。

(四)完善實驗考核機制

學生實驗成績的合理性評價是線上線下混合式實驗教學模式順利開展的重要組成部分。為了避免實驗成績評價的片面性和主觀性,合理的實驗成績考核機制需要綜合考慮評價數量和評價效果[12]。混合式教學模式下,材料力學實驗的實驗成績構成包括預習成績、虛擬仿真操作成績、線下實驗操作成績和實驗報告成績。其中,預習成績包括線上幕課考核成績和預習報告成績,通過增加慕課學習效果的考核,更加全面地反映學生的預習效果。實驗操作技能考核通過虛擬仿真操作成績和線下實驗操作成績來綜合呈現。由于實行分批式線下實驗,學生的個人實踐動手時間得到保障,其線下實驗操作成績能夠代表學生本人的真實情況,并且通過增加虛擬仿真操作考核,因而能夠更詳細地反映學生對實驗儀器操作的掌握情況。同樣基于更多的實踐動手時間,學生可以獲取更多的實驗數據,在撰寫實驗報告時可以避免同質化現象,更真實地反映學生獨立處理和分析實驗數據的能力。另外,合理全面的實驗考核機制可以有效提高學生的學習積極性,鍛煉學生發現和解決問題的能力,提升學生獨立自主的實驗實踐能力。

四、線上線下混合式教學模式的成效

材料力學實驗采用線上線下混合式教學模式,相比傳統線下集中式的實驗教學模式,在學生的學習積極性、實驗技能、分析解決問題的能力以及實驗成績等方面取得了顯著的提升。線上幕課以及虛擬仿真的有趣性和直觀性使得學生自主學習的動力更足,更愿意主動利用好空閑時間去學習和探索。依次通過幕課理論學習、虛擬仿真訓練以及線下實踐操作鍛煉,理論結合實踐,學生的實驗技能得到層層遞進式訓練,獲得了顯著提升。

慕課和虛擬仿真中所設計的題目以及線下實驗中教師所引導的問題思考,有效地鍛煉了學生在實踐過程中發現和解決問題的能力。由于學生自主學習的成效較好,相應的預習報告和實驗報告的同質化現象大為減少,對實驗數據的處理和分析水平明顯提升,整體的報告質量同步提升。基于各個環節的全面提升,造就了整個實驗成績相比傳統集中式線下實驗教學有了明顯的提高。另外,從線上的互動討論交流區、線下實驗時的溝通以及課程結束后的交流發現,學生對材料力學實驗線上線下混合式教學模式的認可度較高,普遍認為該模式下主動學習的意愿更強,實驗知識的掌握更扎實,實踐動手的時間更充足以及實驗技能掌握的更牢固。

五、結語

本文基于線上線下混合式教學模式對材料力學實驗進行教學改革實踐和探索。線上教學依托于幕課和虛擬仿真學習,線下采用分批式實驗教學。慕課豐富全面的在線視頻改變了枯燥的學習方式,提升了學生學習實驗理論知識的積極性。線上虛擬仿真系統的直觀性、實時仿真性、實驗操作全面覆蓋性和自動糾錯功能,使學生可以直觀全面并正確地理解和熟悉實驗操作過程。線下分批式實驗教學可以有效增加學生的實驗操作時間,實現學生自主操作為主體,教師引導和監控為輔的良好教學氛圍。另外,混合式教學模式引入合理的實驗考核機制,全面客觀地反映出學生的實驗實踐能力,為后續實驗教學的持續改革提供數據保障。總體上,通過混合式教學模式改革,有效地解決了傳統教學模式預習效果不佳、實驗時間不足和實驗報告同質化等問題,促進學生自主學習的積極性,鍛煉學生發現和解決問題的能力,提升學生的實驗創新能力,從而為培養具有豐富工程實踐能力的新工科人才作出貢獻。