基于雨課堂的工程熱力學翻轉教學研究與實踐

盧志民　黃泳如　姚順春　司廣樹　陸繼東

［摘 要］隨著“30·60”雙碳目標及能源轉型戰略的落實推進，能源動力類專業人才培養模式改革成為部分高校的重要研究課題。從2020年起，華南理工大學AB兩個專業進行了雨課堂線上教學實踐，依托雨課堂的技術特性，秉承以“以學生為中心”“數據改變教學”的理念，設計了課前、課中和課后三段式教學方案，以2018級和2019級本科生為研究對象實施了混合式教學實踐。結合學生期末考試成績，利用因素分析法評價教學效果，并對相關數據進行卡方檢驗和回歸分析，分析了課前預習和課堂測試對期末總成績的影響。結果表明，雨課堂教學方式顯著提升了學生的學習成績，在教師和學生的教學評價中也有良好的反饋。

［關鍵詞］雨課堂；工程熱力學；因素分析法；回歸分析；教學評價

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）11-0032-05

能源是人類文明進步的基礎和動力，關乎國家安全和民生。實現碳達峰、碳中和（即“30·60”雙碳目標）是中國做出的重大戰略決策，應對氣候問題，推進能源轉型和節能降耗勢在必行[1]。面向世界科技前沿、面向經濟主戰場、面向國家重大需求的新工科建設目標，是能源領域人才培養工作的目標和方向。

工程熱力學作為能源與動力工程專業的三大專業基礎課程之一，是從工程應用的角度研究能源利用及不同形式的能量相互轉換規律的一門重要基礎學科，是低碳節能環境下新工科學生提高科學素質的公共基礎課[2]。但是長期的教學觀察與分析發現，對概念抽象、知識容量大的工程熱力學課程來講，傳統的講授式教學僅僅完成了“教”的任務，在幫助學生建立批判性思維、應用專業知識發現問題及解決問題等方面存在不足，在課堂的大部分時間里，學生處于被動接受知識的狀態，其學習積極性和學習效率不高。針對這個情況，需要教師改革教學方式方法，以提高學生的學習興趣。

筆者在2020年和2021年春季學期的工程熱力學課程教學中，實施了基于雨課堂的翻轉教學研究與實踐，按照“以學生為中心”“數據改變教學”的思想設計和實施了課前、課中、課后三段式的數據驅動“翻轉”。課前，讓學生開展自主預習；課中，教師輔以重點難點的講授以及課堂練習、思考題、例題的講解等。在此過程中，學生可以通過雨課堂與教師建立更加高效的溝通渠道，課堂內外多渠道的有效交流互動使學生獲得了更好的學習體驗，課堂教學效率和教學效果得到了提升。

一、基于雨課堂的工程熱力學翻轉課堂教學改革

（一）目前教學現狀分析以及改革建議

盡管以視頻為主的精品課程和網絡公開課已推出多年，以“學生為中心”的教育理念也普遍得到高校和教師認同，但部分高校的執行力度還不夠，導致學生的自主學習能力未見明顯提高，教學質量有待提升。究其原因主要有：部分課堂教學以及視頻教學著重知識灌輸，缺乏師生間的交流、對話和思維碰撞；部分教師的教學與科研相互獨立，科研成果沒能及時轉化為教學資源或課堂交流的素材，也沒能實現教研與科研的相互促進；工程熱力學邏輯性強，涉及的內容包括了純理論的基礎概念和知識以及各種工程實踐應用，環環相扣，導致學生在學習過程中逐漸形成兩極分化，部分跟不上學習進度的學生容易產生畏難情緒、逃避心理。

針對工程熱力學課程的特點和“00后”本科生的特點，以及目前教學效果的評估情況，筆者設計了基于雨課堂的工程熱力學翻轉教學改革路線，如圖1所示。

（二）翻轉課堂改革和雨課堂

薩爾曼·可汗在YouTube網站上分享了私人制作的教學影片，并于2009年創建可汗學院，成為翻轉教學實踐的重要節點。可汗學院的教學視頻突出“學習者為中心”的視角。隨后，翻轉課堂的影響力迅速擴展至全球許多國家，成為當下教學改革的熱點話題。

雨課堂作為新型智慧教學工具，在新冠疫情期間發揮了巨大的作用，也被廣大師生所熟知[3-7]，其顯著的特點有易用性、互動性和數據化。基于雨課堂平臺，教師可在PPT中錄制語音或插入慕課視頻和網絡視頻，向學生推送課件和課輔材料，發送更新和提醒消息。師生還可以開展實時互動，學生可以發送彈幕、投稿，教師可以組織課堂測試或者進行作業批改，還可以隨機點名或者發送紅包。雨課堂的全程動態數據采集功能更是便于教師深入掌握學情，可根據具體情況以及每個學生的特點做出相應的教學調整。

（三）基于雨課堂的工程熱力學翻轉教學改革設計

筆者根據布魯姆的認知層次開展了翻轉課堂教學，將簡單的記憶、知識的理解和運用能力的培養放在課后實施，而高層次的綜合運用和創新能力培養則是課堂教學重點。課前，教師根據課程內容的重難點，制作對應的雨課堂線上語音PPT或慕課視頻，每周2學時，供學生進行預習使用，達到使學生掌握基礎知識的目的。課中，教師用3學時的翻轉教學時間進行重難點總結、課堂測試、專題討論和習題講解。同時，針對課前的反饋對共性問題進行集中講解，學生則在課堂上與教師互動，并就教師提出的問題展開獨立思考或小組合作討論。課后，教師根據多年的教學經驗，設計章節知識總結圖，推送總結PPT給學生進行章節知識的復習、鞏固。同時，利用雨課堂豐富的統計數據，對學生開展針對性輔導，對教學進行反思，不斷提升教學水平。基于雨課堂的 “三段式”翻轉教學設計如圖2所示。

（四）實施情況

本次教學改革實施時間為2020年和2021年春季學期，對象分別為2018級A專業1班學生（18人）、B專業1班學生（28人）和2019級A專業1班學生（20人）、B專業2班學生（35人）。為更好地體現教學改革成效，2020年以2018級B專業2班（34人）作為參考班，2021年以2019級B專業1班（35人）作為參考班，基于此，筆者對教改班與參考班的期末考試成績進行了對比。

同時，筆者根據教改班學生的期末考試總成績以及各題成績對教學效果進行了評價，同時對各章節知識點進行了數據回歸分析。選取雨課堂分數、PPT觀看總頁數、各章PPT觀看頁數與學生期末考試成績、各題成績進行相關性分析。為了更好地了解學生期末考試成績與PPT總頁數、雨課堂分數之間的線性關系，筆者使用origin軟件繪制散點圖并進行線性擬合，得到Pearson相關系數并比較各變量與期末考試成績的相關程度。2020年春季學期，除了雨課堂外，筆者還使用SPOC開展教學工作，因此還計算了SPOC視頻時間、測試成績以及課堂分數與期末考試成績的相關系數。

為了更直觀地對比兩個年級成績數據之間的相關性系數，筆者對期末考試成績與雨課堂分數、PPT觀看頁數進行相關性分析，通過顏色深淺、圓圈大小直接地描述了各數據之間的相關性，實現數據的可視化。

二、實施效果以及統計分析

（一）教改班與參考班期末考試成績對比

教改班與參考班的工程熱力學期末考試平均分如圖3所示。從中可以看出A專業的成績均比同年級B專業低，這與該專業高考招生分數較低，即與學生基礎有關。但同一年級的B專業是隨機分班的，通過比較可以看出，2018級B專業1班（教改班）期末考試的平均分比2018級B專業2班（參考班）高了3.7分；2019級B專業2班（教改班）期末考試的平均分比2019級B專業1班（參考班）高了7.1分，由此可以看出，教學改革取得了一定的成效。

（二）平臺記錄學習數據與學生期末考試成績的關系

4個教改班期末考試成績、PPT頁數、雨課堂分數等數據之間的相關性矩陣如表1所示。期末考試成績與PPT觀看頁數、雨課堂分數之間均有一定的相關性。通過對比各班相關性矩陣的第一行發現，相對于雨課堂分數，期末考試成績與PPT頁數有更強的相關性；對比2018級兩個班的相關性矩陣發現，PPT觀看頁數與SPOC測試及分數之間也有較強的相關性。

教師在教學過程中通過課件觀看情況與課后練習完成情況調整各班教學內容和方式，根據數據對學生學習狀態和效果進行跟蹤，及時了解學生情況并做出調整。

（三）期末考試各章考查重點與PPT對應章節課件觀看頁數的關系

除了從整體角度分析總分與各因素的相關關系，筆者還對各題得分與各章PPT觀看頁數進行了相關性分析，如表2所示。從總分與PPT總頁數相關性系數更高的A專業的兩個班級的相關性距陣來看，不管是判斷題（2018級前5列）、簡答題（2018級6～8列、2019級前4列），還是計算題（均為倒數5列），對應章節PPT觀看頁數與對應內容的得分均有一定的正相關。但是其中關于第六章內容的得分情況與該章PPT觀看頁數沒有正相關關系，主要原因是教師僅對該章的前4節內容進行了講授和考查。而在總分與PPT觀看頁數相關性比較弱的B專業班級，其各題得分與PPT頁數沒有必然的相關性。原因在于B專業班級可能有更多的學生有考前復習的習慣，因此該數據沒有反映在PPT頁數里。

總的來說，通過相關性矩陣可以看出，通過PPT頁數、雨課堂分數，能很好地預測期末考試成績，兩者與期末考試成績的相關性最高達到0.72和0.53，教學效果得到了提高。但不同年份以及不同班級的效果有所不同，還需要進一步研究。

三、討論

（一）工程熱力學多元化混合式教學

混合式教學是一種新穎的教學模式，將傳統課堂、網絡課堂、翻轉課堂、個性化指導等的優勢融為一體，能極大地提升學生的上課效率。傳統課堂以教師的教為中心，難以根據學生的不同學習速度、注意力集中程度以及對重難點的理解情況進行教學調整。而雨課堂以及SPOC則是以學生的學為中心，一方面，學生可以根據自身情況選擇播放速度或重看；另一方面，教師可以根據學生參與學習的時長以及課堂的提問和測試情況，有針對性地對重難點進行講解，及時掌握學情，根據學生的反饋進行教學調整等。雖然傳統教學也可以增加設問和課堂提問的環節，但在數據記錄方面不及雨課堂等新型的教學工具高效。

在雨課堂和SPOC相結合的混合式教學模式中，教師指導目的性明確，學生學習針對性強，教學效率得到了提高。由于減少了教師的課堂授課時間，其可以將精力和時間更多地用在學情的總結、回顧以及學生的個性化指導教學上。學生在自學過程中遇到疑問，可以通過雨課堂重看課件或者向教師提問。

（二）基于雨課堂的翻轉課堂教學改革的繼續改進方向

目前，筆者任教的班級人數較多（ 70人左右），課堂上的討論教學較少，課堂測試以客觀題為主。在后續的教學改革中，將開展小班教學，以討論式、啟發式的教學為主，增加學生課堂展示的時間，或開展小組討論的探究式學習，發揮教師的啟發和引導作用，真正達到以學生為主體的教學目的。另外，在課堂測試中，還可以設置開放式的主觀題，學生在雨課堂平臺上傳答案，教師對其中答得好的題目或者存在的典型錯誤進行分析。雨課堂的實時數據便于教師隨時關注教學過程中的特殊情況，有針對性地進行差異化輔導和教學方案的微調。

部分教師現代化教學技術的應用能力有待提高。教師不僅要熟練使用課件、專業視頻等教學工具，而且要利用網絡技術創建適合學生的網絡課堂。可以借鑒上海交通大學、清華大學、浙江大學等一流大學的MOOC視頻和課件，制訂適合的教學方案。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 辛保安， 單葆國， 李瓊慧，等. “雙碳”目標下“能源三要素”再思考[J]. 中國電機工程學報， 2022，42（9）：3117-3126.

[2] 李言，李淑娟，楊明順，等.新工科背景下機械類專業升級途徑研究與實踐[J].大學教育，2022（10）：6-9.

[3] 孟慶成，齊欣，李翠娟，等. 基于雨課堂的混合式教學在結構力學中的應用與探索[J]. 大學教育， 2020（11）：67-71.

[4] 寧桂英. 基于雨課堂的概率統計課程混合式教學模式改革：以廣西科技大學鹿山學院為例[J]. 大學教育， 2020（3）：89-91.

[5] 遲靜，吳杰. 基于微課的“雨課堂”+“翻轉課堂”混合式教學研究[J]. 大學教育， 2021（4）：62-64.

[6] 張迪. 基于雨課堂的翻轉課堂+案例教學實踐探索：以土壤污染與防治課程為例[J]. 大學教育， 2021（4）：68-70.

[7] 胡亞楠，何立，王來運. 基于雨課堂的混合式教學模式改革研究：以汽車電子控制技術課程為例[J]. 大學教育，2022（10）：67-69.

［責任編輯：吳雪強］