基于“翻轉(zhuǎn)課堂”的機(jī)械工程材料課程教學(xué)綜合改革研究*

伍 堃

(武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430073)

1 機(jī)械工程材料課程的特點(diǎn)及問題

機(jī)械工程材料課程涉及材料的組織、性能及其應(yīng)用、熱成形技術(shù)、熱加工工藝設(shè)計等內(nèi)容。它是機(jī)械類學(xué)生重要的綜合性專業(yè)基礎(chǔ)課，是引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入專業(yè)領(lǐng)域，培養(yǎng)學(xué)生具有應(yīng)用創(chuàng)新能力的綜合訓(xùn)練課程，在機(jī)械類人才的培養(yǎng)中起到非常重要的作用[1]。機(jī)械工程材料課程理論性強(qiáng)，概念多[2]。它既沒有數(shù)學(xué)物理學(xué)科的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬐茖?dǎo)和計算，也不像直觀生動的工程制圖等課程，尤其是材料結(jié)構(gòu)等章節(jié)，如晶體結(jié)構(gòu)、晶體原子數(shù)、配位數(shù)、固溶體、相等這些抽象的理論概念，讓學(xué)生感到枯燥、乏味而失去課程學(xué)習(xí)的興趣和主動性，這些微觀結(jié)構(gòu)無法與金屬材料宏觀性能等后續(xù)幾章內(nèi)容緊密的聯(lián)系起來，從而導(dǎo)致學(xué)習(xí)的脫節(jié)甚至達(dá)不到對整門課程的融會貫通。在我校以往的課堂教學(xué)中調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學(xué)生在學(xué)習(xí)時感覺知識零亂、知識點(diǎn)之間缺乏邏輯性。進(jìn)而形成剛上課還能跟得上，課程進(jìn)行中就有一部分學(xué)生掉隊，期末部分學(xué)生考核不及格的不良教學(xué)效果。分析原因除課程性質(zhì)外，還有部分學(xué)生缺乏自我約束力、沒有自學(xué)能力、實(shí)踐教學(xué)效果不良等。

課堂是學(xué)生學(xué)習(xí)知識的重要場地，教學(xué)效果直接影響著學(xué)生掌握本領(lǐng)的情況。隨著移動網(wǎng)絡(luò)和終端的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和大數(shù)據(jù)使得人類知識的建構(gòu)、控制及獲取的方式正在發(fā)生巨大的變化[3]。高等工程教育越來越關(guān)注學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，它要求大學(xué)教育培養(yǎng)出來的學(xué)生除了掌握傳統(tǒng)的技術(shù)能力外，還應(yīng)具備較好的綜合素質(zhì)、較強(qiáng)的社會責(zé)任感以及良好的職業(yè)品德等其它能力。顯然傳統(tǒng)的教學(xué)方式已無法滿足這一要求，因此提高高等工程教育課堂的教學(xué)質(zhì)量是決定高校學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的主要因素。因此，機(jī)械工程材料課程亟待打破原有的傳統(tǒng)教學(xué)模式，進(jìn)而實(shí)行一次深度的綜合改革，顯得尤為重要。

2 基于翻轉(zhuǎn)課堂的機(jī)械工程材料課程

2.1 翻轉(zhuǎn)課堂(Flipped Classroom)的發(fā)展

翻轉(zhuǎn)課堂起源2007年美國林地公園的一位高中化學(xué)教師，他為學(xué)生錄制了可供在家里觀看的視頻。翻轉(zhuǎn)課堂的本質(zhì)其實(shí)就是指老師事先準(zhǔn)備好包括音頻、視頻、電子書等在內(nèi)的一些教學(xué)資料，在上課前將這些數(shù)字材料分享給學(xué)生，這樣學(xué)生在課前可以完成自主預(yù)習(xí)工作。課堂上的時間留給學(xué)生和老師進(jìn)行互動，老師為學(xué)生答疑解惑探索或拓展新問題，并完成課堂練習(xí)。2011年翻轉(zhuǎn)課堂的熱潮波及國內(nèi)，由廣州市珠海區(qū)第五中學(xué)和重慶市江津區(qū)聚奎中學(xué)率先開展翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)驗(yàn)，此后，便如雨后春筍般在中國大地層出不窮[4]。借助于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，隨著Coursera、Udacity、edX 、“學(xué)堂在線”等慕課平臺迅速興起翻轉(zhuǎn)課堂的建設(shè)和研究已成為國內(nèi)外在線教育的熱點(diǎn)，有了這些平臺方便學(xué)生更廣泛地去學(xué)習(xí)或者比較不同來源的同種課程。傳統(tǒng)的課堂是以教師為中心的課堂模式，學(xué)生處于被動接受的位置，課堂只強(qiáng)調(diào)知識的傳授而忽略了實(shí)踐能力的培養(yǎng)。而翻轉(zhuǎn)課堂的產(chǎn)生真正實(shí)現(xiàn)了讓學(xué)生為主導(dǎo)，老師為輔、重在引領(lǐng)的教學(xué)，正如“授人以魚，不如授之以漁”，使學(xué)生在輕松愉快的氛圍中實(shí)現(xiàn)素質(zhì)的升華。

2.2 機(jī)械工程材料翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)施方法

2.2.1 實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂的必要性

目前在我校的培養(yǎng)方案中機(jī)械工程材料課程占28學(xué)時，但涵蓋內(nèi)容較多包括材料結(jié)構(gòu)、金屬學(xué)原理、熱處理改性、金屬材料以及機(jī)械零部件選材及工藝路線設(shè)計等多門學(xué)科的專業(yè)知識，通過翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式教師在課堂上利用現(xiàn)代化的教學(xué)手段合理安排課堂授課內(nèi)容，突出學(xué)習(xí)重點(diǎn)，拓寬學(xué)生的知識面，從而解決課時不足和學(xué)生知識學(xué)習(xí)內(nèi)容增多的矛盾，同時使學(xué)生了解到機(jī)械工程材料領(lǐng)域的前沿發(fā)展動向。另外通過課下學(xué)生之間交流與課堂上師生的互動交流，既鍛煉了學(xué)生的表達(dá)能力，又對其學(xué)習(xí)起到督促作用，有助于大多數(shù)學(xué)生學(xué)習(xí)成績的提高；鼓勵學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式與理論課程的有機(jī)結(jié)合有利于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)：多媒體、計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的支持讓信息的傳遞越來越迅速和便捷，更加有助于學(xué)生對課程知識的提前了解和獲得，課堂上則側(cè)重于學(xué)生對知識點(diǎn)的消化和吸收。

2.2.2 具體實(shí)施方法

以機(jī)械與電氣工程系2020級機(jī)制2班本課程教學(xué)為例，將全班27個同學(xué)分為4個小組，課堂上學(xué)生以小組為單位參加討論、實(shí)驗(yàn)、項(xiàng)目訓(xùn)練等，通過自己動手增加參與感，學(xué)生由聆聽的觀眾變?yōu)樯砼R其境的實(shí)踐者。教師利用智慧教室共享資源，采用翻轉(zhuǎn)課堂的PBL反問式教學(xué)法吸引學(xué)生注意力，活躍課堂氣氛，鼓勵學(xué)生動腦，激發(fā)學(xué)生的求知欲，使學(xué)生加深對知識點(diǎn)的印象并提高記憶力。老師由以往的演講者變成了統(tǒng)領(lǐng)全局的“旁觀者”。

總結(jié)說來就是：“一條自學(xué)線、一條指導(dǎo)線、一個指揮手段，和一把解難鑰匙”。這樣充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械工程材料這門課程的積極性與創(chuàng)造性，讓學(xué)生的工程實(shí)踐能力和交流、協(xié)作能力都得到了很好的鍛煉[5]。

3 綜合教學(xué)改革模式的實(shí)施

3.1 “課內(nèi)+課外”一體化教學(xué)模式

改革形式：在課程融合、精簡課內(nèi)講授學(xué)時的基礎(chǔ)上(在現(xiàn)有基礎(chǔ)上減少20%～50%)，合理設(shè)置課外學(xué)時(按課內(nèi)學(xué)時的0.5～2倍)。

具體做法：該課程2017年在我校首次進(jìn)行了教學(xué)研究改革——實(shí)施了《基于翻轉(zhuǎn)課堂的機(jī)械工程材料課程教學(xué)改革與研究》。以學(xué)院機(jī)械制造及其自動化專業(yè)為例，本課程在2020年綜合教學(xué)改革中進(jìn)一步提出了修訂其專業(yè)培養(yǎng)方案，將其課內(nèi)學(xué)時減少20%，由以往的28個學(xué)時縮減至22學(xué)時，同時增加14個課外學(xué)時：由教師在開課前將數(shù)字材料(音視頻、電子教材等)分發(fā)給學(xué)生，學(xué)生按照老師給定的教學(xué)計劃預(yù)先自主學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容，完成對課程的了解；而課堂時間留給學(xué)生與老師溝通，包括教師為學(xué)生答疑解惑布置課堂作業(yè)等。通過這種課內(nèi)+課外相結(jié)合的形式將教學(xué)中心由老師逐漸變成了學(xué)生，打破了傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式中存在的課時少、理論性強(qiáng)、學(xué)生難消化等問題，并取得了初步的成效和良好的效果。

3.2 “線上+線下”教學(xué)改革

改革形式：將教學(xué)內(nèi)容和過程“網(wǎng)絡(luò)化”，開發(fā)具有校本特色的線上課程[6]。引進(jìn)或使用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源輔助課程教學(xué)，督導(dǎo)學(xué)生在線上觀看學(xué)習(xí)，教師在課堂內(nèi)組織輔導(dǎo)、討論、答疑及專題講座等。

具體做法：從2019年開始，為了抗擊疫情保證“停課不停學(xué)”，我們利用優(yōu)學(xué)院平臺組織教學(xué)，引進(jìn)該課程具有一定影響力的國家級精品課程教學(xué)視頻以及現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源輔助課程教學(xué)，指導(dǎo)和管理學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。疫情過后結(jié)合線下教學(xué)，實(shí)施課程“線上+線下”教學(xué)模式改革。

3.3 “課堂+現(xiàn)場”教學(xué)改革

改革形式：將實(shí)踐類專業(yè)課程在課堂講授相關(guān)理論部分的同時或之后，在實(shí)際生產(chǎn)、工作現(xiàn)場或院內(nèi)外實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地進(jìn)行現(xiàn)場教學(xué)?，F(xiàn)場教學(xué)學(xué)時不少于課程總學(xué)時的15%。

具體做法：實(shí)踐課程以課堂2學(xué)時+現(xiàn)場4學(xué)時相結(jié)合。突出學(xué)習(xí)重點(diǎn)，拓寬學(xué)生的知識面，使學(xué)生在學(xué)好課本理論知識的同時，結(jié)合實(shí)際，了解到機(jī)械工程材料領(lǐng)域的應(yīng)用以及前沿發(fā)展動向，為更好的選擇材料合理應(yīng)用打基礎(chǔ)。

3.4 “平時+期末”教學(xué)改革

改革形式：增加平時考核比重和次數(shù)，采取形式多樣的考核方式。

具體做法：將平時考核所占的分?jǐn)?shù)比重由原有的30%提高至50%，注重學(xué)生平時表現(xiàn)包括教學(xué)互動，小組合作，實(shí)踐操作，作業(yè)完成情況以及考勤記錄等，適當(dāng)減少期末考試成績所占比例，實(shí)現(xiàn)全程跟進(jìn)考查學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

4 綜合改革達(dá)到的效果

圖1 2016-2020年機(jī)械工程材料課程教學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計Fig.1 Teaching index of Mechanical Engineering Materials from 2016 to 2020

圖1考查了本課程近5年來反映教學(xué)效果的三項(xiàng)指標(biāo)：學(xué)生到課率、期末卷面平均成績與期望分差值以及綜合成績及格率。對比發(fā)現(xiàn)，2017年相比2016年增幅不明顯，2018年開始

有了質(zhì)的飛躍，特別是期末卷面平均成績與期望分值不再為負(fù)數(shù)，教師實(shí)現(xiàn)了教學(xué)的統(tǒng)籌和可控；經(jīng)過2018年翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)施以及2020年綜合課程改革的加入，至2020年底經(jīng)統(tǒng)計學(xué)生的到課率達(dá)到了95.6%，綜合及格率達(dá)到了96%，相比改革前的2017年分別增長了7.3%和7.6%；而相比最初的2016年則分別增長了8.1%和8.9%。從學(xué)生平時表現(xiàn)來看，課堂教學(xué)過程中大部分學(xué)生與老師積極互動，體現(xiàn)出較好的學(xué)習(xí)熱情和主動性，課后作業(yè)批改的情況來看，完成率和正確率比較好，反映了學(xué)生能及時掌握課程的重難點(diǎn)內(nèi)容并合理應(yīng)用，學(xué)生接收知識的能力得到了較好的體現(xiàn)。從學(xué)生評價體系來看，期末評教反映良好，教師評教排名近三年呈現(xiàn)遞增趨勢。

5 結(jié) 語

以上四種模式綜合改革的有效結(jié)合優(yōu)化了課堂教學(xué)模式、減輕了學(xué)生過重的課業(yè)負(fù)擔(dān)，進(jìn)一步強(qiáng)化了教學(xué)管理水平，提升了教學(xué)質(zhì)量。對學(xué)生獲益形式：能充分發(fā)揮出每個學(xué)生的主觀能動性，有利于學(xué)生實(shí)踐技能的提升；有利于培養(yǎng)學(xué)生勇于探索的精神，有利于培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作能力；有利于課程教學(xué)改革的成效的展示?？偟膩碚f它為培養(yǎng)多方面應(yīng)用型人才提供了基礎(chǔ)，為推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與高等院校工科類課程的深度融合提供了參考，改革縮小了高等工程教育的教學(xué)現(xiàn)狀與社會需求之間存在的差距。