翻轉(zhuǎn)課堂在系統(tǒng)工程課程教學(xué)中的應(yīng)用探索

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109）

○、引言

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)以教師講授為主，學(xué)生大部分以被動角色跟隨教師的思路學(xué)習(xí)知識。這種教學(xué)模式能夠按照擬定計劃高效地傳授知識，其弊端是會不同程度地抑制學(xué)生主動思考學(xué)習(xí)能力的發(fā)展，而且容易引起學(xué)生煩躁情緒，卻不易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)效果。由美國學(xué)者提出的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式改變了傳統(tǒng)教學(xué)的流程，重新調(diào)整了課堂內(nèi)外時間的比例，學(xué)習(xí)的決定權(quán)由教師轉(zhuǎn)向?qū)W生，一定程度上轉(zhuǎn)變了師生角色定位，由學(xué)生提前借助多媒體教學(xué)資源完成知識的自學(xué)，然后在課堂上再通過問題解答、互動討論等形式完成對知識的深入理解和切實掌握［1］。這種新型的教學(xué)模式近幾年來在我國引起了教育工作者的廣泛關(guān)注，許多學(xué)校開展了探索性的實踐［2～5］。翻轉(zhuǎn)課堂并沒有一個固定的模式，喬治梅森大學(xué)的Noora Hamdan博士等研究發(fā)布的《翻轉(zhuǎn)課堂白皮書》指出，“沒有任何一節(jié)翻轉(zhuǎn)課堂是完全相同的”［6］。本文結(jié)合筆者所擔(dān)任的系統(tǒng)工程課程教學(xué)實踐，探討基于提升興趣和促進(jìn)主動學(xué)習(xí)為目的的翻轉(zhuǎn)課堂的實施方案，為深入開展翻轉(zhuǎn)課堂的研究和應(yīng)用提供參考。

一、系統(tǒng)工程課程特點及開展翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的必要性

系統(tǒng)工程課程是面向工程類、管理類等專業(yè)大學(xué)生所開設(shè)的一門理論性和實踐性兼具的專業(yè)基礎(chǔ)課。課程以線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃、系統(tǒng)決策與對策以及系統(tǒng)預(yù)測等為教學(xué)內(nèi)容，開展系統(tǒng)工程方法論、系統(tǒng)建模、分析與評價等知識的理論與應(yīng)用學(xué)習(xí)。作為一門學(xué)科交叉性很強(qiáng)的課程，系統(tǒng)工程課程既強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論的應(yīng)用，又涉及運籌學(xué)、系統(tǒng)學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、管理科學(xué)等具體專業(yè)知識。引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會應(yīng)用數(shù)學(xué)方法，通過理論建模解決工程項目的設(shè)計、開發(fā)、管理、實施等實際問題。

針對系統(tǒng)工程課程特點，國內(nèi)教師在教學(xué)實踐中通過改革創(chuàng)新，提出了一些有特色的教學(xué)方法和教學(xué)模式，旨在進(jìn)一步改善教學(xué)效果［7-8］。本課程理論性強(qiáng)、知識跨度大，傳統(tǒng)教學(xué)方法很容易讓學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)心理，學(xué)習(xí)的積極性不高。我們在教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，該課程教學(xué)在課堂上需要很多時間來補(bǔ)充回顧數(shù)學(xué)專業(yè)課程的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用案例背景解釋等，教學(xué)進(jìn)度緩慢，教師講解和學(xué)生接受知識均存在“累”的感覺。針對該課程的特點，筆者選擇應(yīng)用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，學(xué)生在課堂前借助于教師提前備好的自學(xué)講義、課件等資料進(jìn)行學(xué)習(xí)，并針對所涉及的數(shù)學(xué)理論和專業(yè)知識有目的地進(jìn)行提前補(bǔ)充和了解，然后帶著問題進(jìn)入課堂進(jìn)行案例討論和分析，在師生互動、教師答疑過程中深化知識的理解和掌握，達(dá)到更好的教學(xué)效果?？梢姡到y(tǒng)工程課程適合開展翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，探索該課程的翻轉(zhuǎn)課堂實施方案對于更好地達(dá)到教學(xué)目的具有重要意義。

二、系統(tǒng)工程課程翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方案及內(nèi)容設(shè)計

（一）課前任務(wù)設(shè)計要點

翻轉(zhuǎn)課堂包括課前任務(wù)和課堂活動兩個環(huán)節(jié)，兩個環(huán)節(jié)同等重要。課前任務(wù)不僅僅是課前預(yù)習(xí)，還承擔(dān)了傳統(tǒng)教學(xué)課堂上的大部分任務(wù)，區(qū)別在于傳統(tǒng)課堂教學(xué)是學(xué)生在教師講解下學(xué)習(xí)，翻轉(zhuǎn)課堂課前任務(wù)是學(xué)生課前進(jìn)行自學(xué)，所需要的時間大大增加。因此，課前任務(wù)的設(shè)計對于學(xué)生能夠完成和達(dá)到預(yù)期學(xué)習(xí)目標(biāo)尤為重要。結(jié)合系統(tǒng)工程課程的特點和教學(xué)任務(wù)，本課程課前任務(wù)的設(shè)計要點如下。

1.了解學(xué)生對知識掌握的現(xiàn)狀，有針對性地設(shè)置任務(wù)內(nèi)容

對學(xué)生已經(jīng)開設(shè)的前期課程和知識結(jié)構(gòu)層次進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計，通過口頭詢問或卷面測驗的方式了解學(xué)生對與本課程相關(guān)知識的掌握程度?；趯W(xué)生的知識掌握狀況，尤其對于專業(yè)基礎(chǔ)知識不夠扎實牢固的部分，要有針對性地安排學(xué)生進(jìn)行知識補(bǔ)充和復(fù)習(xí)回顧，結(jié)合學(xué)生所學(xué)專業(yè)和教學(xué)目標(biāo)有的放矢地設(shè)計每次課前任務(wù)，合理確定課前任務(wù)的廣度和深度。例如，筆者所教課程的教學(xué)對象是農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程專業(yè)的本科生，開設(shè)該課程前學(xué)生已經(jīng)完成了高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計等數(shù)學(xué)課程以及機(jī)械設(shè)計、C語言程序設(shè)計、農(nóng)業(yè)機(jī)械化管理學(xué)等與本課程相關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)。要了解學(xué)生對以上課程相關(guān)知識的掌握程度，需要預(yù)先進(jìn)行測試和查問，根據(jù)需要及時增補(bǔ)課前任務(wù)內(nèi)容，確保學(xué)習(xí)任務(wù)與學(xué)生知識掌握現(xiàn)狀緊密銜接，教學(xué)活動順利有效開展。

2.資料形式豐富多樣，激發(fā)學(xué)生自學(xué)興趣

隨著信息化和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代化的教育手段和教學(xué)資料已變得豐富多樣，在此背景下，學(xué)生課前任務(wù)的資料不再只是枯燥乏味的文本模式，教師要善于利用現(xiàn)代多媒體教育技術(shù)將知識以圖文、音像、動畫等形式傳遞給學(xué)生。從技術(shù)上講，形式多樣的資料不僅能傳播教學(xué)信息，同時給學(xué)生多種感官刺激，使知識傳遞更具有直觀性和感染力，能夠引起學(xué)生自學(xué)的興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，提升學(xué)生學(xué)習(xí)效率，有效促進(jìn)學(xué)生更快、更好地掌握課前任務(wù)。另外，多種資料形式可使學(xué)生依據(jù)自己的接受能力，靈活地掌握學(xué)習(xí)進(jìn)度與完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

3.內(nèi)容結(jié)構(gòu)設(shè)置合理，循序漸進(jìn)，科學(xué)引導(dǎo)

針對系統(tǒng)工程課程知識交叉性強(qiáng)、理論性與實踐性兼具的特點，科學(xué)合理地設(shè)置課前任務(wù)的內(nèi)容結(jié)構(gòu)可以更好地引導(dǎo)學(xué)生高效理解和掌握任務(wù)知識，達(dá)到預(yù)期任務(wù)要求。筆者結(jié)合教學(xué)實踐總結(jié)出該課程課前任務(wù)的內(nèi)容結(jié)構(gòu)模式：選擇一個典型的應(yīng)用案例作為主線，圍繞該案例的解決或解答方案列舉基礎(chǔ)概念、基本原理等知識點，以此案例為核心舉一反三，延伸理解其他應(yīng)用案例。另外，系統(tǒng)工程課程案例的解答幾乎都需要高等數(shù)學(xué)、矩陣論以及概率統(tǒng)計等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論的支持，本著“即用即補(bǔ)”的原則，每次設(shè)計學(xué)習(xí)任務(wù)都適當(dāng)選擇案例應(yīng)用到的少量數(shù)學(xué)知識進(jìn)行回顧復(fù)習(xí)。這種以應(yīng)用案例為中心設(shè)置學(xué)習(xí)任務(wù)的結(jié)構(gòu)模式具有鮮明的目的性，理論知識與實際應(yīng)用緊密結(jié)合，可激發(fā)學(xué)生的探索欲望，加強(qiáng)學(xué)生對知識的理解深刻性。

（二）課前任務(wù)設(shè)計實例

現(xiàn)以該課程“動態(tài)規(guī)劃——多階段決策問題”這個內(nèi)容為例來展示翻轉(zhuǎn)課堂課前任務(wù)設(shè)置情況。這個內(nèi)容的教學(xué)要求是理解動態(tài)規(guī)劃的基本原理和基本概念，掌握解決多階段決策過程最優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)方法。根據(jù)以上設(shè)計要點，我們將這個內(nèi)容的課前任務(wù)設(shè)計如下。

1.應(yīng)用案例選擇

多階段決策問題的動態(tài)規(guī)劃辦法在實際生產(chǎn)和生活中有許多應(yīng)用案例，如“最短路徑問題”“資源分配問題”“設(shè)備更新問題”等，其中“最短路徑問題”能夠比較全面地反映動態(tài)規(guī)劃的原理內(nèi)涵，而且與實際生活關(guān)聯(lián)密切，易引起學(xué)生興趣。因此，本任務(wù)選擇學(xué)生比較關(guān)心的“旅游城市最短路徑問題”作為典型應(yīng)用案例，以該案例的數(shù)學(xué)建模和求解過程為線索，逐步引出各相關(guān)知識點。

2.任務(wù)知識點設(shè)置

最短路徑問題通常以網(wǎng)絡(luò)圖的形式來表示，結(jié)合本案例所繪制的一個四階段城市路線網(wǎng)絡(luò)圖提出并解釋“階段、狀態(tài)、決策、策略、狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程、指標(biāo)函數(shù)與最優(yōu)指標(biāo)函數(shù)”等基本概念，學(xué)生更容易理解和掌握。分別利用逆序算法、順序算法和標(biāo)號法來求解最短路徑問題案例，根據(jù)求解過程和計算式子總結(jié)歸納出動態(tài)規(guī)劃基本方程以及建模步驟和基本算法；利用所求解的最短路徑來解釋“一最優(yōu)策略的子策略總是最優(yōu)的”最優(yōu)化原理。至此，本次學(xué)習(xí)任務(wù)所要求的諸多基本概念、理論方程和基本原理均在求解案例的過程中被逐步引出和做出解釋，可見，案例化學(xué)習(xí)有利于將抽象的理論具體化，將復(fù)雜的問題簡單化。為鞏固所學(xué)理論，達(dá)到舉一反三的目的，筆者在任務(wù)作業(yè)中通過引入另一相似案例，由學(xué)生應(yīng)用動態(tài)規(guī)劃基本方程和基本算法分別以手工、計算機(jī)編程這兩種方法來求解最優(yōu)化問題，以此加深對知識的理解和掌握。

3.任務(wù)資料形式多樣化

本著資料形式多樣化的原則，本次任務(wù)資料主要包括主講電子教案和輔助參考資料兩部分。主講電子教案是筆者錄制的對該章節(jié)主要知識點進(jìn)行詳細(xì)講解的視頻；輔助參考資料包括介紹動態(tài)規(guī)劃基本概念、基本原理、基本方程的文字資料1份，關(guān)于“最短路徑問題”應(yīng)用實例的論文3篇，最短路徑智力游戲介紹1份，并提供參考教材、國內(nèi)精品課程、參考網(wǎng)絡(luò)資源鏈接等。

作業(yè)任務(wù)：通過自學(xué)動態(tài)規(guī)劃基本算法，利用C語言編寫典型案例程序代碼，并通過計算機(jī)程序運行求解最佳路徑。

（三）課堂活動設(shè)計

翻轉(zhuǎn)教學(xué)的課堂活動設(shè)計要體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的理念?；诖耍n堂活動的開展主要包括討論互動、學(xué)生講課、教師總結(jié)點評等環(huán)節(jié)。教師是課堂活動的導(dǎo)演和策劃者，主導(dǎo)著活動的進(jìn)行，但課堂活動的主角是學(xué)生，教師要準(zhǔn)確把握自己的角色定位，作為輔助者引導(dǎo)和掌握課堂活動各環(huán)節(jié)開展的時間和方向。

1.討論互動

討論互動包括生生互動和師生互動。生生互動的開展形式是小組討論，小組人數(shù)不宜過多，為便于兩兩組隊討論，每組人數(shù)一般為偶數(shù)，考慮到現(xiàn)在每個教學(xué)班通常為30～40人，因此每小組以6人或8人為宜，每個教學(xué)班一般有5個小組。小組討論是在完成課前任務(wù)的前提下展開的討論互動，討論內(nèi)容是圍繞本次學(xué)習(xí)任務(wù)中的重點、難點所列舉的問題，為學(xué)生課堂討論提供充分的思考時間，具體主題由教師在課前任務(wù)中提出。為了增加每位學(xué)生的發(fā)言時間，在小組集體討論前，先開展小組內(nèi)兩兩組隊討論，然后再進(jìn)行集體討論。學(xué)生在傾聽、發(fā)言、相互質(zhì)疑甚至爭論的過程中實際上就是對知識的思考和探索，通過學(xué)生間的思維碰撞和信息交流，會有利于學(xué)生加深對問題的認(rèn)識和理解，同時還有利于培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和創(chuàng)造性思維。

師生互動分為參與性互動和指導(dǎo)性互動。參與性互動是教師直接以小組成員身份參與到小組討論中，與學(xué)生平等地發(fā)表個人見解。指導(dǎo)性互動則是教師在生生互動的基礎(chǔ)上，針對每個小組存在的問題進(jìn)行個性化答疑，是小組互動的有益補(bǔ)充和指導(dǎo)，有利于提高學(xué)生的整體學(xué)習(xí)效果。

2.學(xué)生講課

學(xué)生走上講臺講課是師生角色轉(zhuǎn)換的一種重要體現(xiàn)形式。每次任務(wù)案例選擇一個小組代表講課，小組則推選一名學(xué)生代表來完成。講課內(nèi)容是圍繞本次學(xué)習(xí)任務(wù)的重點選題，例如“最短路徑問題”任務(wù)，可選擇“最短旅游路線”案例的解決方案的建模和解答過程，或者以該案例的計算機(jī)編程算法設(shè)計和代碼實現(xiàn)為教學(xué)內(nèi)容。教案則由小組共同設(shè)計，教師和其他組學(xué)生則作為聽課者，他們可在聽完后提出問題，與講課小組互動。學(xué)生參與講課的方式可極大激發(fā)學(xué)生的積極性，“教是最好的學(xué)”，學(xué)生在備課過程中會去主動查閱資料，做精心準(zhǔn)備，能夠真正理解和掌握知識點，而且這種體驗式的講課方式必將會增強(qiáng)學(xué)生的自信心，并使學(xué)生印象深刻。聽課的學(xué)生也會在這種帶有新鮮感的學(xué)習(xí)模式下更加集中精力，獲得更好的聽課效果。此外，通過這樣的師生角色互換，可讓學(xué)生換位思考，理解并尊重老師的工作。

3.教師點評

教師點評環(huán)節(jié)是課堂結(jié)束前教師對本次教學(xué)任務(wù)的系統(tǒng)疏導(dǎo)和歸納總結(jié)，該環(huán)節(jié)對于保障翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)質(zhì)量非常重要，不可或缺。盡管翻轉(zhuǎn)課堂模式學(xué)習(xí)決定權(quán)由教師轉(zhuǎn)向?qū)W生，但教師是整個學(xué)習(xí)過程的策劃組織者，設(shè)計和制定了課前任務(wù)，并參與引導(dǎo)了課堂活動的討論，因此，教師對學(xué)生學(xué)習(xí)效果和存在的問題最為了解。學(xué)生經(jīng)過自主式課前任務(wù)學(xué)習(xí)、課堂討論、學(xué)生講課等環(huán)節(jié)后，能夠較好地完成課程教學(xué)任務(wù)和目標(biāo)，但學(xué)生畢竟受到知識量和經(jīng)驗不足所限，難免出現(xiàn)一些錯誤和不足，教師針對學(xué)生教課中和小組討論中存在的問題進(jìn)行集中點撥、糾正和補(bǔ)充說明，對整堂課的知識進(jìn)行系統(tǒng)梳理，強(qiáng)化本節(jié)課的重點、難點，引導(dǎo)學(xué)生完成知識的內(nèi)化和升華。

三、結(jié)語

翻轉(zhuǎn)課堂的成功與否取決于諸多因素的協(xié)調(diào)組合情況，它基于傳統(tǒng)被動學(xué)習(xí)向主動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變，需要針對具體的課程特點，精心制定與課程相適應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，借助合理有效的教學(xué)環(huán)境，系統(tǒng)開展教學(xué)過程。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式可以充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，讓學(xué)生帶著問題、有的放矢地進(jìn)行課程學(xué)習(xí)，獲得更佳的學(xué)習(xí)效果。當(dāng)然，盡管翻轉(zhuǎn)課堂具有種種優(yōu)勢，但由于它還處于發(fā)展的初期，實施過程中也存在一些問題，比如它要求教師具備較高的教育技術(shù)運用能力和信息技術(shù)素養(yǎng)，還要求學(xué)生自覺完成課前任務(wù)。翻轉(zhuǎn)課堂模式還需要教育工作者在長期的教學(xué)改革實踐中不斷探索，針對存在問題尋求解決方案，不斷完善。