以翻轉(zhuǎn)課堂教學促進工程知識建構

陶平 侯宇 孫瑛 熊禾根

[摘 要]工程知識屬于非良性領域的復雜知識，其建構屬于漸進式的知識內(nèi)化，即需要多次的、逐步的實現(xiàn)。翻轉(zhuǎn)課堂通過教學流程的變革，促使知識的內(nèi)化優(yōu)化。在翻轉(zhuǎn)課堂教學中，學生課前以工程問題為導向，開展自主學習；課堂上以工程案例分析為主線，深入工程問題進行探究，參與討論教學；課后強化工程項目訓練，促使知識實現(xiàn)向能力的遷移。這一教學流程有利于增加知識內(nèi)化的次數(shù)，降低知識內(nèi)化的難度，促使學生多次內(nèi)化知識，從而實現(xiàn)對工程知識的有效建構。

[關鍵詞]翻轉(zhuǎn)課堂；工程知識；建構主義；教學研究

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）11-0079-03

○、前言

工程教育的主要目標就是培養(yǎng)學生能夠深入運用各種工程知識分析和解決復雜工程問題的能力。這些工程知識包括工程原理、工程技能、工程設計及工程實踐能力方面的知識[1]。工科學生對工程知識的學習建構即將現(xiàn)有的工程知識內(nèi)化為自身的知識體系是一個非常重要的過程。如何幫助學生有效地實現(xiàn)工程知識建構，建立個體化的工程知識體系，是我們教育工作者需要認真思考的問題。

建構主義學習理論認為學習過程是在已有的經(jīng)驗、知識基礎上，通過實踐活動來建構個體知識的過程，即知識是通過學習者自己建構的[2]。傳統(tǒng)的課堂教學是以教師為中心，知識單向、單一傳遞為主的“灌輸式”教學模式，這種方式缺乏師生互動、討論交流，影響了學生自我思維的形成，學生對學習缺乏主動性和積極性，從而限制了學生對知識的主動建構。

現(xiàn)代網(wǎng)絡技術的發(fā)展，使工程教育進入了一個新時代，翻轉(zhuǎn)課堂、微課、慕課等各種新的教學模式紛紛涌現(xiàn)，促進了課堂教學的改革。在翻轉(zhuǎn)課堂中，學生在參與活動中通過完成真實的任務來建構知識，有效地實現(xiàn)了以學生為中心的轉(zhuǎn)變。

一、翻轉(zhuǎn)課堂與知識內(nèi)化

翻轉(zhuǎn)課堂是學生在課外觀看教學視頻來代替教師的課內(nèi)講授，自我完成知識學習，然后在課堂上與教師、同學進行討論、交流、合作、答疑，完成作業(yè)和知識內(nèi)化的一種教學形態(tài)[3]。翻轉(zhuǎn)課堂將知識傳授由課堂講課提前到課前自學，徹底顛覆了傳統(tǒng)教學中學生“課內(nèi)接受知識、課后內(nèi)化知識”的教學模式，改變了單一的傳遞式教學方式及傳統(tǒng)教學中的師生角色，實現(xiàn)了對傳統(tǒng)教學模式的革新。

翻轉(zhuǎn)課堂中，學生課前觀看教師預先錄制好的教學視頻，開展自主學習，實現(xiàn)對知識的初步建構，課堂上在教師的指導講解下，通過課堂討論實現(xiàn)對知識的內(nèi)化。這符合建構主義所倡導的“學習是學習者在一定的情境下，借助他人的幫助和必要的學習資料，通過意義建構的方式而獲得……（是）通過人之間的協(xié)作活動而實現(xiàn)的意義建構過程”[4]。

知識內(nèi)化方式有同化式的知識內(nèi)化、順應式的知識內(nèi)化和漸進式的知識內(nèi)化[5]。工程知識屬于非良性領域的復雜知識[6]，其建構屬于漸進式的知識內(nèi)化，即需要多次地、逐步地實現(xiàn)。

翻轉(zhuǎn)課堂通過教學流程翻轉(zhuǎn)，將知識內(nèi)化提前，增加知識內(nèi)化的次數(shù)，降低知識內(nèi)化的難度，促進學習者對知識的多次、逐步建構。翻轉(zhuǎn)課堂中的知識內(nèi)化過程主要經(jīng)歷以下幾個環(huán)節(jié) [5]：問題引導環(huán)節(jié)，即教師首先提出一些與新知識有關的“熱身”問題，將相對應的教學視頻發(fā)給學生。視頻觀看環(huán)節(jié)，這個環(huán)節(jié)是關鍵環(huán)節(jié)，也是第一次知識內(nèi)化。問題解決環(huán)節(jié)，教師針對學生難以掌握的問題，通過與學生在課堂上討論、互動，使這些問題得到解決，這個過程屬于第二次知識內(nèi)化。課后應用環(huán)節(jié)，即學生課后通過工程實踐訓練實現(xiàn)第三次知識內(nèi)化。

二、在翻轉(zhuǎn)課堂中建構工程知識

工程知識來源于工程實踐，是關于工程原理與規(guī)律、技能和能力等方面的知識[6]。工程知識貫穿于工科的專業(yè)課程學習中，它具有如下特點：綜合性強、形式多樣、涉及學科面廣、實踐性強，屬于非良性領域的復雜知識，需要多次反復、逐步建構。

根據(jù)翻轉(zhuǎn)課堂的內(nèi)涵[7-8]及建構主義學習理論，為實現(xiàn)工程知識的建構，采用以問題驅(qū)動的翻轉(zhuǎn)課堂教學，如圖1所示。該教學模型主要由三部分組成：一是以工程問題引導的課前自學，二是強化工程案例分析的課堂討論，三是以工程項目訓練為主的課后應用。

學生在課前通過教學視頻并借助網(wǎng)絡上的同類精品視頻課、慕課、公開課等進行自主學習，通過自學指南把握知識脈絡、重點與難點，從不同角度建構知識。課堂上教師與學生互動，開展答疑解惑、課堂討論、成果展示、評價反饋等一系列協(xié)作交流，不斷擴展和創(chuàng)造深度的知識，促使學生加深對知識的理解。課后積極開展項目訓練、工程設計等實踐活動，通過知識的熟練應用促進知識內(nèi)化。

由以上流程可見，翻轉(zhuǎn)課堂通過“反轉(zhuǎn)”教學，變革了傳統(tǒng)的教學流程，通過“問題引導—課前自學—協(xié)作交流—實踐應用”的流程幫助學生多次內(nèi)化知識，實現(xiàn)了知識的內(nèi)化優(yōu)化。尤其對于那些比較抽象的、復雜的、非良性領域的、無法自發(fā)建立的工程知識，經(jīng)過課前自學、課中交流、課后實踐多次內(nèi)化，不斷得到修正、完善、提升，最終被學生掌握。下面我們結合機械工程專業(yè)方面的工程知識教學，談談如何利用翻轉(zhuǎn)課堂促進工程知識的有效建構。

（一）以工程問題引導，促進第一次內(nèi)化

工程知識屬于非良性領域的復雜知識，學生剛學習時覺得難度較大，因此課前視頻應采用相關的工程問題引導學生進行學習，促使學生認識到工程知識在分析解決工程問題中的重要性和巨大作用，從而激發(fā)學習興趣，促進工程知識的首次內(nèi)化。

在機械設計教學中，既要學習機械的工作原理又要學習機械的各種通用零部件的設計理論和設計方法，涉及大量機械工程專業(yè)的工程知識，如各類機械零部件的設計準則、設計規(guī)范、設計方法等[9]。學生如果僅僅按照這些知識點的字面意思來學習，會有一種陌生、枯燥、抽象的感覺，難以理解。工程知識來源于工程實踐，具有強烈的工程背景[6]，因此學生課前在網(wǎng)上課堂自主學習時，應以工程問題為導引，基于工程問題的需求來學習相關的知識，實現(xiàn)知識的初步內(nèi)化。

如何以工程問題為導引呢？首先建立工程問題庫，如機械工程問題庫，通過數(shù)據(jù)庫技術和互聯(lián)網(wǎng)技術綜合應用，將這些工程問題融入網(wǎng)上課堂教學中，由工程問題引導學生去學習有關的工程知識。例如：如何將散裝的鹽包裝成家用的一袋袋鹽，這類包裝機械如何運動和工作？洗衣機如何運動來洗滌衣物？從運動角度來看洗衣機由哪些機構組成？各機構由哪些構件組成？各構件之間如何連接？有哪些運動副？從工作能力方面來看洗衣機由哪些機械零部件組成？各零部件的主要失效形式是怎樣的？各零部件有什么作用？這樣就通過問題引出了相關的工程知識點（機構、構件、零件、運動副、失效形式、工作能力等），學生帶著問題在網(wǎng)上課堂學習，并且充分利用網(wǎng)上資源觀看包裝機械的工作視頻，加強對知識點的理解和內(nèi)化。

（二）強化工程案例分析，促進工程知識的二次內(nèi)化

工程知識與工程背景密切相關，它是從現(xiàn)實工程物和現(xiàn)實工程活動提煉、抽象出來；工程知識的學習必須要不斷關聯(lián)工程背景，這種關聯(lián)可以通過工程案例教學來實現(xiàn)。教師可以從工程實際中尋找一些與工程知識點相關的工程實例作為案例引入課堂教學，組織學生分小組對具體工程案例進行分析探討，消化抽象的理論知識，促進工程知識的二次內(nèi)化。

在課堂教學中，教師以工程案例分析討論為主線，發(fā)現(xiàn)學生自學中存在的問題，講解知識的重點和難點，并解答學生在自學中發(fā)現(xiàn)的問題。比如在機械設計課程教學中要學習軸類零件的設計，由于學生在課前已對軸的相關知識點進行了學習，因此在課堂討論時就可以圍繞包裝機這個工程案例展開分析討論：包裝機有哪些軸？哪些是心軸、傳動軸、轉(zhuǎn)軸？失效形式有哪些？如何確定軸的結構尺寸？軸設計的思路是怎樣的？在教師指導下，學生以學習小組形式完成案例分析工作，并寫出一定量的工程案例分析報告，教師對工程案例分析報告進行批閱，從而發(fā)現(xiàn)學生對工程知識掌握的不足，下次課再重點點評。

（三）加強課后的工程項目訓練，促使知識實現(xiàn)向能力的遷移

工程知識的建構過程是一個逐步升華的過程[6]，通過工程知識的逐步建構最終實現(xiàn)工程能力的培養(yǎng)。因此必須加強課外項目訓練，在實踐中促使學生主動地去感悟和建構工程知識，逐步培養(yǎng)自身的工程設計能力和工程素養(yǎng)。

1.根據(jù)某類課程工程知識的學習要求來開展項目設計訓練

學生在專業(yè)基礎課或?qū)I(yè)課學習過程中，通過一個綜合性的設計項目，將與此門課程有關的技能點、知識點串聯(lián)起來，在邊做邊學的過程中完成綜合項目訓練[10]。比如機械設計教學可以工程案例為設計項目，推動學生課程單元工程知識學習和建構的實現(xiàn)。

2.針對某專業(yè)工程知識的學習來開展項目訓練

結合具體專業(yè)的培養(yǎng)目標和培養(yǎng)要求，選擇知識綜合性強或者具有學科交叉特點的項目，可以是實際應用型課題，比如從企業(yè)搜集來的真實研發(fā)項目，也可以是研究型課題，如教師在研的項目。這類項目由于訓練內(nèi)容多、難度較大，對學生學習能力要求高，可以先組織優(yōu)秀學生如卓越工程師班的學生來實施。

3.開展各類專業(yè)能力系列競賽

組織開展主要以專業(yè)大賽設計以及綜合性強的學科交叉類項目來進行的機械裝置測繪競賽、工程制圖（手工及電子繪圖）競賽、機械產(chǎn)品數(shù)字化設計大賽、工程訓練綜合能力競賽、三維數(shù)字化創(chuàng)新設計大賽、機構學競賽、工業(yè)設計大賽、大學生課外學術科技作品競賽、機械創(chuàng)新設計大賽等，目的是培養(yǎng)學生的專業(yè)綜合素質(zhì)和工程創(chuàng)新能力。

工程知識來源于工程實踐活動，是人們在不斷解決工程問題的過程中逐步獲得的，因此無論采用何種教學形式，工程知識建構都應該圍繞工程問題來開展。比如在機械設計教學中，主要學習機械產(chǎn)品設計方面的知識，目的是培養(yǎng)學生機械產(chǎn)品的設計能力。因此總目標是機械產(chǎn)品的設計問題，進一步分解就包括機械的運動問題，機械零部件的強度、剛度、精度、耐磨性等問題，圍繞這些問題的解決就涉及數(shù)學、物理、力學、材料科學等多學科的知識綜合，學習新的工程知識過程是對前期所學知識的綜合應用過程。學生采用多學科知識對新的工程問題進行分析和解決，實現(xiàn)對新的工程知識的內(nèi)化，從而建構新的工程知識認知圖式。

信息化技術的快速發(fā)展，網(wǎng)絡開放課程的興起，為翻轉(zhuǎn)課堂的教學提供了技術環(huán)境和豐富的教學資源，我們要充分利用網(wǎng)上的教學資源。學生在課前自學過程中不光要看老師給的教學視頻，還要借助網(wǎng)上的同類精品視頻課、慕課、公開課等課程學習資源，加深對知識點的理解；建立課程學習討論群來開展學習問題討論，實現(xiàn)課堂集體討論與課下個體交流相結合；在討論過程中，結合工程案例對課程里的碎片化知識進行前后貫穿和歸納總結，讓學生形成系統(tǒng)化的認知，建立個性化的知識體系，完成知識的內(nèi)化。

三、結語

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，網(wǎng)上豐富的教學資源和全方位的網(wǎng)絡交互平臺為翻轉(zhuǎn)課堂提供了良好的教學環(huán)境?！盎ヂ?lián)網(wǎng) +”教學時代已經(jīng)來臨，翻轉(zhuǎn)課堂將進一步發(fā)展成為 “在線開放課程”與“課堂教學”相結合的混合式教學模式。在新的教學模式下，如何幫助學生根據(jù)個人需要和興趣來選擇學習的內(nèi)容，有效地整合信息與知識碎片，實現(xiàn)知識內(nèi)化，構建個性化的知識結構，還有許多值得我們探討的問題。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 林健.如何理解和解決復雜工程問題：基于《華盛頓協(xié)議》的界定和要求[J].高等工程教育研究，2016（5）：17-26+38.

[2] 謝逢春.建構主義與工科基礎理論課教學研究[J].高等工程教育研究，2010（4）：151-155.

[3] 郭紹青，楊濱.高校微課“趨同進化”教學設計促進翻轉(zhuǎn)課堂教學策略研究[J].中國電化教育，2014（4）：98-103.

[4] 何克抗.從“翻轉(zhuǎn)課堂”的本質(zhì)，看“翻轉(zhuǎn)課堂”在我國的未來發(fā)展[J].電化教育研究，2014（7）：5-16.

[5] 趙興龍.翻轉(zhuǎn)課堂中知識內(nèi)化過程及教學模式設計[J].現(xiàn)代遠程教育研究，2014（2）：55-61.

[6] 陶平，侯守.工程知識的建構及其教學研究[J].高等工程教育研究，2016（6）：122-125+143.

[7] 蘇小紅，王甜甜，張羽，等.基于大班翻轉(zhuǎn)課堂的混合教學模式探索與實踐[J].中國大學教學，2017（7）：54-62.

[8] 鐘曉流，宋述強，焦麗珍.信息化環(huán)境中基于翻轉(zhuǎn)課堂理念的教學設計研究[J].開放教育研究，2013（1）：58-64.

[9] 陶平，孫瑛，熊禾根.機械設計教學中的工程知識學習[J].中國冶金教育，2015（2）：35-37.

[10] 陶平，湯渤，孫瑛，等.以項目教學促進工程知識的建構 [C]//《機械設計》雜志社.2016年第十五屆全國機械設計教學研討會論文集，2016：50-54.

[責任編輯：龐丹丹]