SPOC+翻轉(zhuǎn)課堂混融教學(xué)在《材料力學(xué)》課程中的探索

朱晨琳，錢麗娟，于明州，張繼成

（中國計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州）

一 教學(xué)現(xiàn)狀

《材料力學(xué)》是典型的工科專業(yè)基礎(chǔ)課，是土木、力學(xué)、機(jī)械等專業(yè)的專業(yè)核心課程之一。對(duì)于機(jī)械類專業(yè)，如圖1所示，《材料力學(xué)》以高等數(shù)學(xué)和理論力學(xué)為基礎(chǔ)，是機(jī)械設(shè)計(jì)等課程的前置課程，側(cè)重于從實(shí)驗(yàn)中提煉基本規(guī)律，建立簡單變形力學(xué)規(guī)律，邏輯推演并數(shù)學(xué)分析桿件相關(guān)的強(qiáng)度問題?！恫牧狭W(xué)》與機(jī)械設(shè)計(jì)直接相關(guān)，螺栓、齒輪、蝸輪蝸桿、軸等機(jī)械零件的設(shè)計(jì)問題，都需考慮其材料強(qiáng)度相關(guān)的問題。

圖1 《材料力學(xué)》課程關(guān)系圖

（一） 《 材料力學(xué)》教學(xué)現(xiàn)狀

目前《材料力學(xué)》主流教學(xué)模式為傳統(tǒng)的線下教學(xué)，即教師傳統(tǒng)授課方式：教師在課堂授課，學(xué)生聽課學(xué)習(xí)后，看書并進(jìn)行作業(yè)練習(xí)，學(xué)習(xí)相關(guān)的知識(shí)。老師和學(xué)生面對(duì)面地傳授知識(shí)、分析解題，直接培養(yǎng)學(xué)生規(guī)范性和邏輯性十分有效，可以照顧到大部分學(xué)生。然而，《材料力學(xué)》作為一門力學(xué)類課程，具有理論性強(qiáng)、數(shù)學(xué)邏輯性強(qiáng)和技巧要求性高的特點(diǎn)，是一門相對(duì)困難的課程。在各大高校中，一致存在部分學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，會(huì)存在跟不上的局面?！恫牧狭W(xué)》是大二上學(xué)期學(xué)習(xí)的最重要的課程之一，掌握材料力學(xué)相關(guān)的基本知識(shí)，對(duì)本科后續(xù)課程學(xué)習(xí)至關(guān)重要。問題日積月累，最終將造成相關(guān)課程學(xué)習(xí)及其困難。學(xué)生容易自暴自棄，難以完成大學(xué)的學(xué)習(xí)任務(wù)。

基于網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)智能等信息媒體技術(shù)，在線慕課為高校學(xué)生提供了一種嶄新的學(xué)習(xí)模式[1]，參與學(xué)習(xí)的學(xué)生可以是在校學(xué)生也可以是社會(huì)人士。在課堂時(shí)間外，學(xué)生可以根據(jù)自己的情況，自行安排在線學(xué)習(xí)的時(shí)間，沒有時(shí)空限制。在近兩年的新冠病毒肺炎疫情中，教育部專門發(fā)出了《關(guān)于疫情防控期間以信息化支持教育教學(xué)工作的通知》，在線教學(xué)得到了大力發(fā)展，在線教學(xué)和在線慕課極大幫助了疫情期間的學(xué)生進(jìn)行正常的學(xué)習(xí)，學(xué)生也可以得到對(duì)應(yīng)的學(xué)分認(rèn)證。在線教學(xué)和慕課的到來為我們大學(xué)的課程教學(xué)提供了巨大的幫助。

（二） 在線慕課和翻轉(zhuǎn)課堂

主流慕課目前可以分為兩種，一種是大規(guī)模在線開放的MOOC慕課，另一種是建立自己的班級(jí) 的SPOC（small private open class）。2021年 美 國Udacity、Coursera、edX相繼成立，很快成為最有影響力的慕課平臺(tái)供應(yīng)商。MOOC課程一般由名校老師制作，2013年國內(nèi)北大、清華加入edX，隨后上交、復(fù)旦、同濟(jì)等“985”高校也陸續(xù)加入慕課的三大平臺(tái)。MOOC課程為學(xué)生提供了優(yōu)質(zhì)的課余學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，同時(shí)也給老師提供了良好的同行交流平臺(tái)。然而，MOOC公共課程存在一定的缺點(diǎn)，即缺乏課程對(duì)學(xué)生的監(jiān)管弱且缺乏師生互動(dòng)，學(xué)生的學(xué)習(xí)沒有相關(guān)老師提醒督促，學(xué)生的學(xué)習(xí)情況評(píng)估機(jī)制并不完善。這導(dǎo)致MOOC課程雖然學(xué)生注冊(cè)率高，但是存在大量學(xué)生沒有進(jìn)行有效的學(xué)習(xí)[2]。國內(nèi)在疫情期間，各高校進(jìn)行了在線的教學(xué)，其模式就類似于MOOC課程教學(xué)，學(xué)習(xí)過程主要是被動(dòng)型“觀看”占主導(dǎo)，容易產(chǎn)生注意疲勞和注意渙散。返校課堂教學(xué)后，教師發(fā)現(xiàn)相當(dāng)一部分學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)上課時(shí)期對(duì)知識(shí)的掌握程度并不好，大學(xué)生在家自主在線學(xué)習(xí)的效果相對(duì)較差，課堂質(zhì)量并不能得到很好的保證。鄧宏鐘等人[1]提出慕課存在幾個(gè)重要的挑戰(zhàn)：誠信問題、課堂質(zhì)量保證問題和評(píng)估機(jī)制和標(biāo)準(zhǔn)問題等，需要進(jìn)行相應(yīng)的教學(xué)模式改革。

SPOC是小規(guī)模（幾十人到數(shù)百人）限制性的在線課程，只有目標(biāo)申請(qǐng)者才納入SPOC課程中，一般由學(xué)校教師負(fù)責(zé)監(jiān)督在線課程的學(xué)習(xí)進(jìn)度。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，近幾年國內(nèi)部分高校的SPOC在線課程逐漸由學(xué)校自發(fā)組織錄制，主要服務(wù)于本校師生，針對(duì)性更好。羅爾夫·羅夫曼稱SPOC課程是教室教學(xué)和MOOC課程的結(jié)合，SPOC課程針對(duì)所在班級(jí)的課程教材，采用MOOC的講座視頻形式進(jìn)行在線教學(xué)，學(xué)生可以觀看講座視頻、完成指定的課程作業(yè)、參加在線討論等[3]。翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)改革實(shí)踐，是信息化建設(shè)與課堂教學(xué)結(jié)合的有益嘗試。翻轉(zhuǎn)課堂起源于美國，2000年邁阿密大學(xué)首先將翻轉(zhuǎn)課堂模式應(yīng)用于《經(jīng)濟(jì)學(xué)導(dǎo)論》課程中[4]。國內(nèi)已有部分高校開展了《理論力學(xué)》[5]和《材料力學(xué)》[6]等力學(xué)課程的SPOC課程，取得了不錯(cuò)的成果。實(shí)踐者們[7-8]對(duì)比了傳統(tǒng)教學(xué)與SPOC兩個(gè)班級(jí)的學(xué)生成績，傳統(tǒng)教學(xué)班級(jí)的學(xué)生成績呈正態(tài)分布，SPOC班級(jí)的學(xué)生成績呈偏態(tài)分布，SPOC班級(jí)的學(xué)生成績更好。翻轉(zhuǎn)課堂針對(duì)知識(shí)傳授和知識(shí)內(nèi)化的顛倒安排[9]，讓學(xué)生在課堂前對(duì)開放的預(yù)習(xí)知識(shí)點(diǎn)視頻進(jìn)行預(yù)習(xí)，教師則在課堂上復(fù)習(xí)知識(shí)的同時(shí)，拋出設(shè)計(jì)好的問題，然后讓學(xué)生進(jìn)行求解和討論，并引導(dǎo)學(xué)生上臺(tái)解答問題，給學(xué)生機(jī)會(huì)，老師也能在課堂上更好地了解學(xué)生，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和成績。

本文依托浙江省高等在線開放課程共享平臺(tái)，針對(duì)本校教材搭建《材料力學(xué)》SPOC網(wǎng)絡(luò)課堂，具備互聯(lián)網(wǎng)開放的特點(diǎn)。作者結(jié)合網(wǎng)絡(luò)課堂和學(xué)校課堂，探索了一種將傳統(tǒng)課堂、在線課堂和翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合的混合式《材料力學(xué)》教學(xué)方法，并進(jìn)行了為期兩屆的教學(xué)改進(jìn)，取得了良好的教學(xué)成效。

二 SPOC/課堂混融教學(xué)模式在《材料力學(xué)》中的教學(xué)實(shí)踐

（一） 二維知識(shí)表與知識(shí)點(diǎn)碎片化

《材料力學(xué)》是工科類基礎(chǔ)核心課程，技巧性相對(duì)理論力學(xué)略顯薄弱?！恫牧狭W(xué)》本身的內(nèi)容比較繁雜，記憶性的知識(shí)點(diǎn)相對(duì)較多，但其知識(shí)點(diǎn)的系統(tǒng)性和連貫性非常好，如圖2所示。在生活實(shí)際力學(xué)問題中，通過觀察四種基本變形，提煉出材料強(qiáng)度問題的準(zhǔn)則，并拓展到組合變形內(nèi)容，讓學(xué)生可以循序漸進(jìn)地了解材料力學(xué)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。材料力學(xué)可以認(rèn)為有兩條主線，為變形形式主線和研究的問題主線[10]，通過這兩個(gè)主線去分解材料力學(xué)的知識(shí)點(diǎn)，可以組成一張二維的知識(shí)表。橫向表頭為四個(gè)基本變形和主要的組合變形，縱向表頭則由材料力學(xué)主要研究的主要問題分為強(qiáng)度問題、剛度問題、穩(wěn)定性問題和專題問題。讓學(xué)生清楚課程內(nèi)容的安排及整個(gè)課程的共性問題是什么，有助于學(xué)生加強(qiáng)對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的自主總結(jié)及記憶。

圖2 《材料力學(xué)》知識(shí)點(diǎn)總結(jié)

深入學(xué)習(xí)《材料力學(xué)》的知識(shí)體系，《材料力學(xué)》知識(shí)表的每個(gè)表格內(nèi)容還需進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)碎片化，如強(qiáng)度問題按外力、內(nèi)力、應(yīng)力及強(qiáng)度準(zhǔn)則細(xì)化，剛度問題按變形計(jì)算和剛度條件細(xì)化，穩(wěn)定性問題主要涉及壓桿穩(wěn)定問題。學(xué)生可以學(xué)習(xí)各大研究問題中的每個(gè)具體知識(shí)點(diǎn)，便于做到對(duì)所學(xué)內(nèi)容的熟練掌握。

（二） SPOC+翻轉(zhuǎn)課堂——混合式教學(xué)模式

針對(duì)當(dāng)前傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式對(duì)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)課程的主動(dòng)學(xué)習(xí)和舉一反三能力有限，我們結(jié)合教育信息化進(jìn)行SPOC微課和課堂教學(xué)結(jié)合的教學(xué)改革，研究并實(shí)施基于SPOC的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式。本次教學(xué)模式改革的SPOC課程放置于浙江省高等在線開放課程共享平臺(tái)上，可以使用“在浙學(xué)”App實(shí)現(xiàn)手機(jī)上的學(xué)習(xí)，有知識(shí)點(diǎn)視頻、課件習(xí)題、在線測試簽到、討論區(qū)等功能。SPOC/課堂混融教學(xué)模式結(jié)構(gòu)如圖3所示，SPOC/課堂混融教學(xué)模式具體的步驟如下：

圖3 SPOC/課堂混融教學(xué)模式結(jié)構(gòu)

1.SPOC平臺(tái)開放預(yù)習(xí)慕課視頻，學(xué)生針對(duì)知識(shí)點(diǎn)視頻進(jìn)行預(yù)習(xí)，進(jìn)行淺層學(xué)習(xí)。

2.教學(xué)課堂上，老師強(qiáng)化知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)，結(jié)合SPOC課程平臺(tái)開放測試題作為學(xué)生的簽到和在線測試，主要是選擇和填空題。

3.學(xué)生在App上進(jìn)行自行測試，并互動(dòng)討論涉及的知識(shí)點(diǎn)。

4.老師拋出設(shè)計(jì)好的課堂計(jì)算題，讓學(xué)生自主計(jì)算，并邀請(qǐng)學(xué)生進(jìn)行講解。

5.老師復(fù)習(xí)課程知識(shí)點(diǎn)，就知識(shí)點(diǎn)中的重難點(diǎn)進(jìn)行講解，進(jìn)行深層學(xué)習(xí)。

6.布置線下（或線上）作業(yè)，學(xué)生進(jìn)行鞏固學(xué)習(xí)。

SPOC/課堂混融教學(xué)模式充分利用了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以啟發(fā)式、互動(dòng)式教學(xué)為主，使學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)情況主動(dòng)汲取知識(shí)。知識(shí)點(diǎn)視頻采取微課形式，小于15分鐘，提供學(xué)生適合的預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)資料。較短的時(shí)長讓學(xué)生不至于枯燥乏味。作者參考南航范欽珊教授的MOOC精品課程，結(jié)合本校學(xué)生，調(diào)整難度錄制相關(guān)知識(shí)點(diǎn)教學(xué)視頻。課程學(xué)習(xí)過程中，存在課堂知識(shí)測試。教師通過線上批改的成績，充分利用“第二課堂”以了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，把握課程講解進(jìn)度。知識(shí)點(diǎn)視頻同時(shí)配有pdf課件和在線測試題，供學(xué)生下載和做筆記。老師則可以在測試題目批改中了解學(xué)生的答題情況，可以在課堂上直接對(duì)錯(cuò)誤率較高的題目進(jìn)行講解。

課后的視頻根據(jù)上課時(shí)間逐次開放，預(yù)習(xí)及復(fù)習(xí)由學(xué)生自主安排時(shí)間。擴(kuò)展習(xí)題主要提供學(xué)生部分課外習(xí)題，解答完畢后附帶答案，供學(xué)生自主練習(xí)，學(xué)生可以在課余時(shí)間向老師進(jìn)行提問。

在課程教學(xué)模式改革的基礎(chǔ)上，作者對(duì)考核模式也進(jìn)行考核模式的改革?！恫牧狭W(xué)》課程以期末考試為主，占70%，平時(shí)成績占20%，實(shí)驗(yàn)成績占10%。平時(shí)成績的組成如圖3所示，老師將學(xué)生的慕課成績、課堂表現(xiàn)和線下作業(yè)作為學(xué)生的部分平時(shí)成績，在開學(xué)初直接和學(xué)生在課堂上公開，分別占比50%，25%和25%。學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)有視頻學(xué)習(xí)時(shí)長、擴(kuò)展習(xí)題完成率、線上測試兼點(diǎn)名和討論區(qū)活躍程度。

線上測試以選擇題測試為主，以填空題為輔。對(duì)于選擇題練習(xí)，“在浙學(xué)”App可以自動(dòng)批改，對(duì)于填空題，教師手動(dòng)批改，而后“在浙學(xué)”App可以統(tǒng)計(jì)成績，這些學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)折合為一定的平時(shí)分。在平時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每位學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)有詳細(xì)記錄，結(jié)合線下作業(yè)的批改和課堂的抽點(diǎn)答題，教師一定程度上可以了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。對(duì)于積極學(xué)習(xí)的學(xué)生，還將2分到3分的額外加分作為平時(shí)成績的補(bǔ)充分。

三 SPOC/課堂混融教學(xué)模式改革實(shí)踐結(jié)果

在2020年秋季學(xué)期和2021年春季學(xué)期試行了基于《材料力學(xué)》SPOC慕課的課程考核模式改革，選取中國計(jì)量大學(xué)學(xué)生為研究對(duì)象。對(duì)學(xué)生都開放了SPOC慕課資源，2020年秋季學(xué)期班級(jí)為機(jī)械專業(yè)學(xué)生班級(jí)，實(shí)驗(yàn)班級(jí)進(jìn)行SPOC模式翻轉(zhuǎn)教學(xué)，對(duì)照班級(jí)主要是傳統(tǒng)教學(xué)模式，SPOC為學(xué)生課外資源，讓學(xué)生自主選擇是否學(xué)習(xí)，相當(dāng)于MOOC資源。實(shí)驗(yàn)班級(jí)31人，對(duì)照班級(jí)73人。

對(duì)比兩班成績時(shí)，平時(shí)成績帶有一些主觀因素，而期末卷面成績反映學(xué)生最終掌握程度。因此，本文以卷面成績做最終數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，且剔除了以考代修的重修學(xué)生名單，教學(xué)數(shù)據(jù)相對(duì)更直觀和真實(shí)。

圖4顯示的為傳統(tǒng)教學(xué)和混融教學(xué)班級(jí)的成績對(duì)比圖，為兩個(gè)班級(jí)的期末成績圖。傳統(tǒng)教學(xué)對(duì)照班級(jí)的卷面平均分為55.5分，總體來說其班級(jí)成績?cè)诓缓细穸危ǎ?0分）較多，超過60%。這主要是因?yàn)椤恫牧狭W(xué)》是一門有難度的課程，且我校卷面考核難度不低，學(xué)生通過傳統(tǒng)教學(xué)加課后自主學(xué)習(xí)，掌握程度并不理想。SPOC/課堂混融教學(xué)實(shí)驗(yàn)班級(jí)卷面平均分為62.7分，明顯高于傳統(tǒng)授課班級(jí)。從卷面成績比例可以看出，卷面低分段（＜50分）比例明顯減少很多，且高分段（＞80分）比例明顯增多。由此可見，SPOC/課堂混融教學(xué)模式促進(jìn)了學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的理解和掌握，明顯提高了學(xué)生的課程考試成績。

圖4 2020年秋季學(xué)期傳統(tǒng)教學(xué)和混融教學(xué)期末成績卷面分統(tǒng)計(jì)圖

2021年春季學(xué)期，兩個(gè)不同老師都采用SPOC翻轉(zhuǎn)課堂模式教學(xué)，班級(jí)為兩個(gè)材料專業(yè)學(xué)生班級(jí)，其中班級(jí)A有學(xué)生33人，班級(jí)B有學(xué)生26人。2021年春季SPOC課程資源和學(xué)生情況統(tǒng)計(jì)如表1所示，平均每個(gè)知識(shí)點(diǎn)視頻為13.4分鐘。學(xué)生平均觀看時(shí)長為225分鐘，大概占了總知識(shí)點(diǎn)時(shí)長的62.2%，其主要原因是視頻觀看是教師提倡預(yù)習(xí)復(fù)習(xí)使用，有部分學(xué)生并沒有落實(shí)觀看SPOC視頻。這在以后將添加監(jiān)管機(jī)制，進(jìn)行相對(duì)嚴(yán)格的監(jiān)督。

表1 2021年春季SPOC翻轉(zhuǎn)課堂統(tǒng)計(jì)

班級(jí)A和班級(jí)B的卷面平均分分別為66.1和63.8，圖5顯示為兩個(gè)專業(yè)班級(jí)的期末卷面成績比例圖，從圖中可以看出，卷面不合格的學(xué)生比例分別為39.4%和46.1%，且高分段學(xué)生比例均超過了20%。對(duì)比往年傳統(tǒng)教學(xué)班級(jí)成績，兩個(gè)班級(jí)的大部分學(xué)生對(duì)《材料力學(xué)》基本知識(shí)掌握情況更好。對(duì)比2020年秋學(xué)期機(jī)械專業(yè)混融班級(jí)來說，2021年春學(xué)期的學(xué)生超低分段（＜50分）比例增加，這可能和部分外學(xué)院學(xué)生視頻學(xué)習(xí)觀看不重視有關(guān)。2021年春學(xué)期的學(xué)生高分段（＞80分）比例也增加了，說明了SPOC/課堂混融教學(xué)模式在改進(jìn)優(yōu)化。相對(duì)而言，混融教學(xué)班級(jí)A效果更好一些，兩個(gè)班級(jí)的成績分布有一定的差別，這和老師的教學(xué)習(xí)慣差異有關(guān)。

圖5 2021年春季學(xué)期材料專業(yè)班級(jí)期末成績卷面分統(tǒng)計(jì)圖

四 結(jié)語

與傳統(tǒng)教學(xué)相比，SPOC/課堂混融教學(xué)模式可以極大地促進(jìn)學(xué)生對(duì)《材料力學(xué)》課程知識(shí)的掌握，明顯提高了學(xué)生的課程考試成績。不同教師使用SPOC/課堂混融教學(xué)模式效果有一定的差異，值得后期共同探索和實(shí)踐改進(jìn)，以期提高教學(xué)質(zhì)量水平的同時(shí)，加強(qiáng)學(xué)生的課程學(xué)習(xí)效果。