線上線下混合式教學(xué)在《材料力學(xué)性能》課程實驗中的實踐研究

劉德寶，李春亮

（天津理工大學(xué) 功能材料國家級實驗教學(xué)示范中心，天津300384）

0 引 言

為落實習近平總書記關(guān)于教育的重要論述精神，結(jié)合《深化新時代教育評價改革總體方案》和教育部2022年工作要點等文件精神，促進優(yōu)質(zhì)數(shù)字化教學(xué)資源有效利用，積極開展線上與線下、課堂與實踐等混合式教學(xué)，正成為未來教育的新常態(tài)[1-3]。線上教學(xué)可以將大量的教學(xué)資料瞬時傳輸給學(xué)生，突破時間和地域的限制，學(xué)生可以隨時隨地查看學(xué)習資料，進行個性化學(xué)習，這是線下教學(xué)所不具備的條件[4]。傳統(tǒng)的線下教學(xué)方式由于學(xué)生注意力集中，師生之間的溝通和交流互動較多，課堂氛圍較好，容易營造良好的師生關(guān)系，有利于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習興趣。線上線下混合式教學(xué)通過有機融合線上教學(xué)和線下教學(xué)的優(yōu)勢，可以有效提高課程的授課效率。線上線下混合式教學(xué)既要有學(xué)生線上的自主學(xué)習，又要有師生面對面的集體學(xué)習。線上學(xué)習是線下學(xué)習的基礎(chǔ)和前提，線下學(xué)習是線上學(xué)習的延續(xù)和提升，這兩部分教學(xué)是有機統(tǒng)一的。線上教學(xué)使教學(xué)時間與空間實現(xiàn)分離，教師教授和學(xué)生學(xué)習可以不在同一時間發(fā)生，也可以不在同一空間發(fā)生，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)活動因此會被重新建構(gòu)[5,6]?；旌鲜浇虒W(xué)更有利于個性化指導(dǎo)，支持個性化作業(yè)的布置，提供互動交流的平臺，提供資料存儲的空間，支持教學(xué)模式的創(chuàng)新。因此，教師由知識的傳授者變成學(xué)習的引導(dǎo)者?；旌鲜浇虒W(xué)改變了教師先教、學(xué)生后學(xué)的傳統(tǒng)模式，變成了學(xué)生自學(xué)、學(xué)生互學(xué)與以學(xué)導(dǎo)教，以教導(dǎo)學(xué)的雙向互動，真正尊重了學(xué)生的主體地位[7]。

在互聯(lián)網(wǎng)+教育的背景下，線上線下混合式教學(xué)已經(jīng)成為教學(xué)的一種新范式和新常態(tài)，然而目前混合式教學(xué)在理論課堂實施較多，在實驗教學(xué)中的實踐較少。提高實踐能力培養(yǎng)質(zhì)量是高校普遍關(guān)注的問題，也是實現(xiàn)培養(yǎng)目標的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)“教-學(xué)-做”的機械式實驗教學(xué)模式已逐漸對學(xué)生失去了吸引力，加之實驗教學(xué)方式單一、實驗儀器設(shè)備及場地匱乏、專職實驗教師師資不足等問題日益凸顯，若不進行相應(yīng)的教學(xué)改革和創(chuàng)新，實驗課程教學(xué)應(yīng)發(fā)揮的作用將趨于弱化[8,9]。

在《材料力學(xué)性能》課程實驗中對線上線下混合式教學(xué)模式的應(yīng)用進行探索與實踐?！恫牧狭W(xué)性能》是從各種零件和工程結(jié)構(gòu)部件的服役條件和失效現(xiàn)象出發(fā)，提出衡量材料失效抗力的正確指標。課程任務(wù)是了解這些指標的物理意義、技術(shù)意義和測試方法，弄清這些指標之間的相互關(guān)系，分析內(nèi)在因素（材料成分、組織狀態(tài)）和外在因素（應(yīng)力狀態(tài)、加載速度、溫度、環(huán)境介質(zhì)）的影響[7]。該課程是材料類、機械類專業(yè)重要課程之一，課程中每一個力學(xué)性能指標都有相應(yīng)的力學(xué)測試實驗。因此，充分利用數(shù)字化實驗教學(xué)資源和信息化理念，賦予“教”與“學(xué)”新的內(nèi)涵，通過線上數(shù)字化信息資源，讓學(xué)生更加直觀地掌握實驗原理、流程和操作等，當回歸線下實驗課堂，學(xué)生將碎片化知識與實驗相融合，集中精力進行實驗操作，可達到更佳的學(xué)習效果。

1 線上教學(xué)資源與內(nèi)容設(shè)計

根據(jù)課程的教學(xué)目標，制定線上實驗教學(xué)部分的教學(xué)內(nèi)容，主要包括以下內(nèi)容。

（1）實驗室安全及實驗操作注意事項。實驗室安全的重要性不言而喻，因此要讓學(xué)生認識忽視安全問題的嚴重性和危害性，對實驗操作規(guī)范、安全規(guī)章制度牢記于心。通過線上專門設(shè)置安全教育和力學(xué)實驗室的安全知識測試模塊，根據(jù)實驗項目提前管控安全風險，充分掌握應(yīng)急措施，熟練操作應(yīng)急設(shè)備。

（2）課前學(xué)習資源。這包括實驗基礎(chǔ)知識與實驗指導(dǎo)書，其中基礎(chǔ)知識是實驗所涉及知識點的PPT，實驗指導(dǎo)書包括實驗?zāi)康摹嶒炘?、實驗設(shè)備和材料、實驗步驟、數(shù)據(jù)記錄與處理方法和相應(yīng)的思考題。

（3）實驗視頻資源。材料性能實驗教學(xué)演示視頻資源的建設(shè)如表1所示，《材料力學(xué)性能》課程主要特點是實驗多，針對每種性能測試都會有相對應(yīng)的測試方法。主講教師通過自行拍攝、網(wǎng)上資源搜集等方式建立了實驗操作的視頻演示素材庫，通過相關(guān)測試實驗視頻的演示，講解材料性能概念與指標，加深學(xué)生對概念的理解，掌握性能的測試方法。

表1 《材料力學(xué)性能》主要課程實驗

（4）工程材料失效案例。案例法是課程的主要教學(xué)方式之一，因此針對材料的各種性能，收集了相關(guān)性能方面的失效和分析的典型案例，主要包括斷裂失效、電化學(xué)腐蝕失效、磨損失效及壽命預(yù)測等，提出造成材料性能失效的關(guān)鍵問題，進一步加深學(xué)生對課程講授知識點內(nèi)容的理解。

（5）課程思政案例。收集了課程涉及的培養(yǎng)學(xué)生家國情懷、工程素養(yǎng)和科學(xué)精神方面的案例，如《材料力學(xué)性能》理論發(fā)展過程中的歷史淵源、相關(guān)理論在重大工程中的成功應(yīng)用、選材與用材應(yīng)遵循的標準規(guī)范等。培養(yǎng)學(xué)生的社會責任感，增強遵守倫理規(guī)范的自覺性，提升學(xué)生應(yīng)對工程倫理問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生造福人類、造福社會的意識。

2 教學(xué)過程組織與設(shè)計

2.1 課前線上推送課程資源自主學(xué)習

在學(xué)生開展線下實驗前，依托線上建立的學(xué)習資源，通過布置相應(yīng)的課前任務(wù)，讓學(xué)生進行實驗前的自主學(xué)習，主要包括實驗室安全、實驗操作規(guī)程及注意事項、實驗基礎(chǔ)知識、實驗思考題和實驗操作視頻。學(xué)生經(jīng)過學(xué)習課前資料，觀看實驗操作視頻，然后進行思考題測試。視頻可依據(jù)個人情況多次觀看，思考題測試有2次機會，以最高成績?yōu)樽罱K成績，目的是使學(xué)生充分熟悉實驗知識。學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)完成相關(guān)內(nèi)容學(xué)習和考核，讓學(xué)生有充分時間學(xué)習的同時也持有緊迫感，還可以通過平臺互動或課上提出問題與教師討論。學(xué)生只有達到預(yù)習考核標準后，才能進行線下的實驗實操。

此外，指導(dǎo)教師也能通過在線活動獲得學(xué)生對知識的掌握情況，預(yù)測實驗中學(xué)生遇到的難點，提前進行重點安排?；旌鲜綄嶒灲虒W(xué)把傳統(tǒng)的實驗講授通過線上形式進行前移，給予學(xué)生充分的學(xué)習時間，盡可能讓每個學(xué)生都有較好的實驗預(yù)習質(zhì)量，再走進實驗室，保證了實驗教學(xué)的效果。以單向拉伸及缺口實驗為例，學(xué)生通過線上資源可以學(xué)習單向拉伸實驗的國家標準要求、工程應(yīng)力應(yīng)變曲線的特征階段組成、應(yīng)力應(yīng)變曲線可得到的性能參數(shù)、應(yīng)力應(yīng)變曲線所對應(yīng)的材料微觀結(jié)構(gòu)的變化以及拉伸實驗的操作等內(nèi)容。

2.2 線下實驗課設(shè)計與實施

通過線上學(xué)習，學(xué)生對實驗所涉及的原理知識、實驗步驟和方法有了一定的了解和掌握。線下教學(xué)過程中，教師針對學(xué)生在線學(xué)習反饋的共性問題進行查缺補漏和針對性指導(dǎo)，通過實驗教學(xué)活動，組織學(xué)生把在線所學(xué)到的基礎(chǔ)知識和實驗方法進行運用和鞏固，可以實現(xiàn)更加高級的教學(xué)目標。具體實施過程可借助雨課堂等工具進行輔助教學(xué)，進行分組實驗，強調(diào)合作和互動。每個互動都要有明確的目標，互動的所有方式為實現(xiàn)實驗?zāi)繕硕O(shè)計，綜合采用提問、辯論、討論、調(diào)查、測試等互動形式，增加互動的趣味性和實用性。例如在單向靜拉伸實驗中，實驗參數(shù)的設(shè)置涉及材料機理、引伸計的作用原理、拉伸曲線的特性討論、斷口宏微觀形貌的分析等，需要學(xué)生分組討論和合作研討。因此，線下實驗包括預(yù)習成果的反饋、分組合作實驗、總結(jié)實驗結(jié)果、核心要點凝練和隨堂測試等環(huán)節(jié)，指導(dǎo)教師可以節(jié)省實驗前大量的講授和解說時間，把時間用在分組教學(xué)指導(dǎo)、引導(dǎo)和點評等方面。

2.3 實驗課后鞏固與評估

實驗后學(xué)生通過回答思考題，對實驗涉及的知識點進一步加深理解。教師結(jié)合學(xué)生的實驗表現(xiàn)、實驗報告、思考題解答等內(nèi)容對學(xué)生實驗進行評價和教學(xué)反思。由于采用了信息化方式，可以基于全過程數(shù)據(jù)鏈的采集，對學(xué)生學(xué)習效果及能力進行評價，包括課前線上的測試成績與實驗過程操作表現(xiàn)、團隊合作表現(xiàn)、數(shù)據(jù)記錄與分析、實驗報告成績等線下成績。最終學(xué)生實驗成績的構(gòu)成為線上（30%）+實驗表現(xiàn)（20%）+實驗報告（50%），形成了基于全過程數(shù)據(jù)鏈的學(xué)生成績評價。

3 教學(xué)效果分析

3.1 線上學(xué)習效果分析

通過對學(xué)生學(xué)習效果的分析，實驗前的線上學(xué)習可以讓學(xué)生了解實驗的理論知識、安全知識、操作流程和操作規(guī)范，尊重學(xué)生的主體地位。學(xué)生通過多次觀看視頻和回答思考題，了解實驗的具體要求，更符合學(xué)生的認知規(guī)律，也能將課外科學(xué)知識帶進課堂，拓展學(xué)生視野，增加學(xué)習的深度，并且培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習、信息化學(xué)習的能力，同時消除了學(xué)生在傳統(tǒng)課堂上不敢發(fā)言表達自己觀點的不自信的心理。線上學(xué)習還能讓學(xué)生能夠進行虛擬仿真實驗操作、對仿真實驗的數(shù)據(jù)和結(jié)果進行初步分析。但也存在部分學(xué)生不認真自學(xué)，沒有達到實驗前應(yīng)具備的條件，這部分學(xué)生將不允許進入實驗階段，只有真正達到預(yù)習要求后才能進行實驗操作。

3.2 線下實操課堂效果

通過線上的前置學(xué)習，學(xué)生在實操前已經(jīng)掌握了實驗的理論基礎(chǔ)和操作步驟，因此課上教師只需簡要說明實驗內(nèi)容和重點，便可指導(dǎo)學(xué)生開展實驗。由于學(xué)生實驗前的充足準備，提高了實驗效率和實驗成功率，且在實驗期間學(xué)生能主動思考問題，分析總結(jié)失敗原因。雖然學(xué)生要花費一定的時間和精力進行線上學(xué)習，但節(jié)省實操的時間，解決了傳統(tǒng)實驗教學(xué)課時緊張、師資緊張和臺套數(shù)緊張的問題。教師有更充足時間多角度、多維度組織學(xué)生分組探究、翻轉(zhuǎn)課堂，同時還可以讓學(xué)生在實驗課堂上積極研討和頭腦風暴。例如材料靜拉伸實驗中，比較不同組學(xué)生的數(shù)據(jù)，分析不同材料應(yīng)力應(yīng)變曲線的特點，找出拉伸斷口的形貌特征與材料特性之間的關(guān)系以及材料彈性、屈服、塑性、應(yīng)變強化指數(shù)、斷裂韌性指標的工程意義等相關(guān)聯(lián)的知識點。

3.3 形成性評價分析

為了對線上線下混合式實驗教學(xué)的效果進行評價和分析，選擇2個教學(xué)班分別采用傳統(tǒng)實驗教學(xué)方法（對照組）和線上線下混合式教學(xué)方法（實驗組）進行實驗教學(xué)，通過實驗成績法和調(diào)查問卷2種方式進行對比，實驗成績法對照結(jié)果如表2所示。

表2 實驗成績法對照結(jié)果

從表2可以看出，實驗組和對照組的實驗前預(yù)習成績相差不大，而實驗組的預(yù)習內(nèi)容要多于對照組，不僅需觀看虛擬仿真實驗視頻，還有思考題的回答和測試，對照組預(yù)習內(nèi)容較少，僅包含實驗基礎(chǔ)知識和實驗指導(dǎo)書的預(yù)習。因此，實驗組在預(yù)習環(huán)節(jié)所花費的時間一般是對照組的2～3倍。從實驗操作和實驗報告成績來看，實驗組高于對照組，說明線上的預(yù)習環(huán)節(jié)通過多種資源的傳遞和測試，讓學(xué)生實驗前有壓力、帶任務(wù)去學(xué)習，有利于學(xué)生對實驗知識點的理解、提高實驗操作的成功率和實驗報告的撰寫質(zhì)量。而且經(jīng)過線上預(yù)習環(huán)節(jié)，實驗的課前講授、實驗示范、實驗操作時間大幅減少，學(xué)生有充足的時間進行研討、交流，有利于培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作能力和增加課堂的活躍度。

表3所示為實驗組和對照組調(diào)查問卷結(jié)果，大部分學(xué)生認為線上線下混合式教學(xué)在《材料力學(xué)性能》實驗的應(yīng)用可以提高其各項能力，特別是自主學(xué)習能力、團隊協(xié)作能力和實驗操作能力。相對而言，創(chuàng)新能力、分析問題和解決問題能力提高并不明顯。由于課程實驗主要是驗證性實驗，并不屬于前沿創(chuàng)新型實驗，對創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有限。加上學(xué)生實驗課時有限，沒有形成綜合化、系列化實驗，參與實驗結(jié)果分析僅限于課堂實驗，因此對分析問題和解決問題能力培養(yǎng)不充分。今后應(yīng)結(jié)合專業(yè)特點，加強科研成果轉(zhuǎn)化系統(tǒng)性思維的課外實驗訓(xùn)練，并鼓勵學(xué)生參與教師科研課題。

表3 問卷調(diào)查法對照結(jié)果

4 結(jié)束語

線上線下混合式實驗?zāi)Ｊ接蓚鹘y(tǒng)的教師先演示、學(xué)生后學(xué)模式，變成了學(xué)生自學(xué)、學(xué)生互學(xué)與以學(xué)導(dǎo)教、以教導(dǎo)學(xué)的雙向互動模式。通過課前的線上資源和信息化方式的結(jié)合使用，可實現(xiàn)大規(guī)模教學(xué)、碎片化學(xué)習，不受時間和空間限制，可重復(fù)性地學(xué)習，因此學(xué)生學(xué)習的自主性得到加強。線上教學(xué)還可以在課后鞏固實驗學(xué)習成果，引導(dǎo)學(xué)生進行討論改進，更加有利于核心素養(yǎng)培育，彰顯育人價值。基于全過程數(shù)據(jù)鏈對學(xué)生進行及時地學(xué)習反饋，讓教學(xué)活動更加具有針對性，不但讓學(xué)生學(xué)得清楚，而且讓教師教得明白。以上這些優(yōu)勢對建設(shè)具有高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)性的線上線下混合式實驗課有強大的支撐作用，但對線上教學(xué)中存在學(xué)生匿名學(xué)習、關(guān)注學(xué)生學(xué)習不充分、對學(xué)生的約束性不強以及學(xué)習效果差異大等問題需要進一步完善和改進。