教育數字化戰(zhàn)略下機械設計基礎混合式教學研究

梁 醫(yī)，祖 莉，范元勛，宋梅利

（南京理工大學，南京 210094）

教育作為國家發(fā)展的基石，實施教育數字化戰(zhàn)略是新時代數字中國環(huán)境下教育發(fā)展的必然選擇，是加快教育現代化和建設教育強國的戰(zhàn)略需求[1]。高等教育要充分利用新一代信息技術開發(fā)數字教育資源，加強線上一流課程建設，推動優(yōu)質課程資源開放共享，促進慕課等優(yōu)質資源平臺發(fā)展，全面提升高校教學水平[2]。機械設計基礎類課程已經完成了從在線教育的不適應到常態(tài)化的模式轉變，但是如何將在線教學和傳統(tǒng)教學的優(yōu)勢結合起來，深度融合網課與面授課，將學習者的學習由淺到深地引向深度學習？如何讓數字化教育去賦能教師、賦能學校，成為未來教育變革與創(chuàng)新發(fā)展的推動力量？亟待深入討論并提供方案。

機械設計基礎課程包括機械原理和機械設計的內容，是機械類專業(yè)本科生的重要專業(yè)基礎系列課程，旨在培養(yǎng)學生的綜合設計能力、工程實踐能力和創(chuàng)新思維能力。課程的內容多、知識面廣、理論性強、與實際聯系緊密，但課程學分學時少，學生生產實踐少，對機械認識不足，造成學習困難，興趣索然。

很多高校和教師圍繞如何破解上述教學問題開展了混合式教學的研究探索，例如，孫國芹等[3]采用翻轉課堂教學、典型工程案例及在線平臺綜合方式開展混合式教學，孫美娜、張秀花等[4-5]開展的OBE、CDIO 理念為指導的機械設計混合式教學改革探索，江帆等[6]開展的項目驅動式混合教學，按照一定流程制作教學視頻，形成了閉環(huán)教學，張鑫宇等[7]將混合教學模式實踐增加了學習主動性，蘇思超等[8]針對機械設計基礎線上教學的缺陷給出了保障混合教學質量的相關措施。這些課程的教學改革探索為研究和完善機械設計基礎混合式教學方法提供了非常有價值的經驗和實施參考。

機械工程基礎課程混合式教學，從更新理念出發(fā)，重新切割知識點并延主線串講，引導學習者主動參與，線上線下緊密結合大力強化過程管理，幫助學生循序漸進積累經驗，利用信息優(yōu)勢精準針對每個學生進行施教，最終實現學生學習深度的有效提升。

一、實施教育數字化戰(zhàn)略，塑造混合式教學理念

（一）線上線下優(yōu)勢互補，網課面授深度融合

在新的教育戰(zhàn)略要求下，首先需要更新教育理念，明確混合式教學的目的是結合線上線下教學的優(yōu)勢，提升學習效率和增加認知深度[9]。2022 年，教育部高等教育司吳巖司長作了題為《頂天立地 久久為功——深化新教改 打造新形態(tài) 提高新質量》的主題報告，指出“在線教育改變了教師的教、學生的學、學校的管、教育的形態(tài)”。因此，混合式教學并不是簡單地把一部分線下教學搬到線上，不是去學習使用在線教學平臺，也不是去開展五花八門的教學活動，而是通過兩種教學組織形式的有機結合，把學習者的學習由淺層理解引向深度掌握，即“線上線下優(yōu)勢互補、網課面授深度融合”，如圖1 所示。

圖1 混合式教學的理念和模式

線上教學的優(yōu)勢是視頻教學語言精練，時間短效率高；視頻可倍速或反復觀看，方便適應學生不同的學習節(jié)奏；線上教學突破時空限制，學生隨時隨地都可以學習；網絡授課資源豐富。線上教學的師與生分離，促使教學方式從傳統(tǒng)的教師主導型轉向學生主導型，從客觀上推動了學生主體參與知識建構的過程。然而，線上教學的劣勢在于學習過于依賴學生的主動性，老師不能獲得面對面的信息反饋，學生在網上學習難以獲得認同感和激勵。

線下教學的長處為課堂學習氛圍濃厚，周圍同學的認真聽講能夠營造良好的學習氣氛，有效帶動所有學生學習；教學互動性強，老師會面對面關注到學生的上課狀態(tài)，及時調整教學；學習反饋高效快速，學生在學習時出現的問題，可與老師當面清楚高效地溝通解決，學生能夠獲得認同感和激勵。然而，線下教學的缺點為教學需要特定的時間和空間，且老師講授簡單基礎的內容時，學生反而容易喪失注意力。

根據線上線下的特點，把簡單易懂的課堂講授通過微視頻上線的形式進行前移，給予學生自由的學習時間。線下把在線所學到的基礎知識進行應用與深入，解決在線做題中出現的共性問題，讓師生之間的見面交流用來實現更高級的教學目標，讓學生有更多的機會在認知層面參與學習。通過線上線下融合的教學來啟發(fā)、喚醒和鼓舞每位學生，最終完成教學知識的傳授、能力的培養(yǎng)和素質的養(yǎng)成。

（二）線上有資源、線下多互動、過程要評價

在更新教學理念的基礎上，需要確定教學模式。采取“線上有資源、線下多互動、過程要評價”的教學模式，保證學習由淺入深，完成從被動到主動學習的轉換，產生一加一大于二的效果。

線上的資源是開展混合式教學的前提，將機械設計基礎傳統(tǒng)教學中的基礎概念、簡單易懂和結論性內容布置在網上，老師通過在線的測評來督促和評價學生的學習。在線下課堂中，則進行重難點剖析、課堂練習、分組討論和面對面答疑等互動活動，深入理解、鞏固掌握線上學習的內容。確保學習的全過程有管理和評價，無論是線上還是線下都需要給予學生及時的學習反饋，利用網絡信息化的優(yōu)勢，詳細掌握每一個學生的動態(tài)和每一個知識點的學習，讓教學的活動更加具有針對性，實現精準施教。過程統(tǒng)計數據不僅可以作為過程管理評價的重要依據，還具備學習激勵的功能，使教師對學習過程給予更多的關注，扎扎實實的學習過程和線下互動教學主動學習提升學習的深度和效率。

二、明確線上線下內容，設計混合教學流程

（一）一致性原則切割線上線下內容

機械設計基礎課程混合式教學的學時保持兩個“一致”：總學時與各專業(yè)培養(yǎng)方案中課程學時相一致，即與原來的傳統(tǒng)線下課程保持不變；課程的線上學時切割原實體課堂教學的學時，線上學時占總學時的31.25%，與《教育部關于一流本科課程建設的實施意見》（教高〔2019〕8 號）文件規(guī)定的20%～50%保持一致。這兩個“一致”既保證了不額外加重學生的負擔，又保證了既定培養(yǎng)目標的達成。

機械設計基礎總學時為96 學時，分配線上自主學習時間為30 學時，線下課堂教學為66 學時。線上內容為課程中的簡單易理解內容和非重點內容，比如平面四桿機構的基本類型及應用、凸輪的類型與應用、漸開線齒輪的基本參數和加工，圓錐齒輪的基本參數，機械的平衡，摩擦磨損與潤滑、鍵連接、滑動軸承、滾動軸承的類型與代號等。在每次課程結束前布置線上學習任務，下次的線下課程開始之前，結合線上學習情況展開提問互動，再在線上內容的基礎上進行延伸，引出其他線下內容，并深入講解和學習討論。

（二）四步法混合式教學流程

混合式的教學流程按照“自學—考核—深入—鞏固”的四步法來設計，如圖2 所示。以滾動軸承的概述、類型和受力為例。該部分內容學時為兩節(jié)課，線上分別完成項目發(fā)布和自主學習，線下完成翻轉課堂和面授深化。

圖2 機械設計基礎混合式教學流程案例

教授滾動軸承結構與受力的內容時，第一步自學，學生自行開展線上學習，觀看學習關于滾動軸承的結構、特點、類型和代號的兩個短視頻，完成相應的客觀測試題，共用時一節(jié)課，初步了解滾動軸承的基本知識；第二步考核，在線下課堂中考核學生的自學情況，進行雨課堂提問和討論，并讓學生上講臺，介紹幾個軸承常用類型的特點。教師在傾聽的同時，關注每位學生的學習情況，及時進行反饋，明確學生對該問題把握的情況，大約用時10～15 分鐘；第三步深入，從軸承的類型和結構特點，引入受力的分析，再深入到派生軸向力機軸向力對載荷分布的影響等重難點內容，大約用時30～35 分鐘；第四步鞏固，學生在線上與老師討論交流并完成課后作業(yè)，老師負責、提供拓展閱讀資料，并預告下一次線上學習任務。

混合教學的四步法給出了機械設計基礎教學全過程各個階段的設計規(guī)范和教學流程，銜接各個教學流程的混合教學的四步法具有以下三個顯著特點。

首先，“自學—考核—深化—鞏固”四步法的混合教學模式流程范式化、分工明確，使線下和線上教學方法標準化為四個步驟，便于老師們理解、推廣和應用。學生從線上學習開始，培養(yǎng)自學能力，老師線下提問起到檢查和督促的作用，課堂的精講與討論使內容深化，線上課后作業(yè)可統(tǒng)計數據，便于老師加強過程化管理和及時發(fā)現學生的知識漏洞?；旌辖虒W四步法為機械設計課程的教學改革提供了一種易于推廣實施的參考模式。

其次，四步法的混合教學模式充分發(fā)揮了線上自學和線下教學各自的優(yōu)點、克服缺點，降低了學生的認知負荷，提高了學習的效率，實現從扶到放的學習[10-11]。從線下課堂提問來督促學生的線上學習，幫助學生克服線上學習自覺性不足的缺點。簡單內容看視頻，重難點內容由老師帶領在線下學習，學生的學習既節(jié)省了時間，又突出了重難點，實現快速高效學習并深化了知識的掌握程度。

最后，四步法混合教學模式不占用多余的教學時間，學生無額外學習負擔?；旌辖虒W的總學時與各專業(yè)培養(yǎng)方案中課程學時一致，保持原來傳統(tǒng)線下課程的學時不變。課程的線上學時只是將原面授教學的學時切割一部分出來，將學生的精力從課堂上釋放一部分出來，給予了學生一定的認知自由，能夠激發(fā)主動學習的內生動力，借助混合式學習實現學深悟透的目的。

混合教學模式四步法規(guī)定了教學各階段的設計規(guī)范，將線上線下教學取長補短，發(fā)揮了學生的主動性，鍛煉了學生的自覺性，使老師授課重點突出，實現高效深度學習的教學目的。

三、切割串講課程知識，精準管理學習過程

（一）知識碎片化與系統(tǒng)整合

由于線上學習更適于碎片化的網絡信息，因此，將機械設計基礎線上教學內容重新整合，將所有內容切割成多個5～10 分鐘的小知識點進行制作，形成知識圖譜，學生可以順序播放學習，也可根據自己的進度在網上學習和查閱。無論線上學習還是線下講授的內容，學生隨時都可以在網上進行查閱復習。老師在選擇混合式教學內容時，可從已錄制好的知識點中靈活選取。

為彌補知識碎片化帶來的課程割裂和章節(jié)前后不連貫的短板，教師對于每一章和整個課程進行系統(tǒng)化的串講，在每章的開始和結束時、在課程開始和結束時，在線下采用面授的形式，介紹并連接起各個知識點，了解課程各章節(jié)前后的邏輯關系，使學生掌握課程的全貌及課程在專業(yè)學習中的地位和作用，如圖3 所示。

圖3 課程內容的知識點切割與主線示例

（二）全過程學習管理

除了對機械設計基礎的教學內容重新整合以外，混合式教學也對教學過程的管理提出了更高的要求。由于課程的一部分內容要求學生線上自行學習，為保證線上教學保質保量，課程要以“三分教、七分管”的教學原則，利用網絡信息化獲得學生線上學習統(tǒng)計數據，密切關注和掌握每一位學生的學習進度，并利用線下課堂提問和翻轉考核學生的知識掌握情況。

機械設計基礎課程強化過程管理，精準因材施教。課程一方面加強學習中的過程管理，從線上課、線下課和課后對學生的學習進行管理，開展階段性的檢查、考核和督促；另一方面，利用網絡信息化的優(yōu)勢，詳細掌握每一名學生的動態(tài)和每一個知識點的學習，實現精準地因材施教。如圖4 所示。

圖4 機械設計基礎的學習過程管理

線上課要求學生觀看自學視頻并完成相應的自測題，老師通過統(tǒng)計視頻觀看率及題目完成度，來關注和督促學生，完成學習管理和評價。

線下課，完成對線上學習的總結和考核，并深化線上的學習內容。老師首先將上一次作業(yè)正確率最低的題目進行點評，及時糾正學生的錯誤概念并補齊知識漏洞。線下課的學習管理不僅是針對線上學習部分的知識進行課堂翻轉和提問，也包括了對線下重點講授的內容開展實時考察。學習軟件平臺例如雨課堂、慕課堂和超星學習通均可以進行隨堂測驗，老師提前準備好10 道左右關于課程內容的客觀題目（填空、多選、單選和判斷題目）及1～2 道主觀題，不僅可以實現教師對每個學生學習情況的精準、實時掌握，更重要的是提高了學生在課堂的注意力，并實時調整教學節(jié)奏和內容詳略分布。

課后的學習管理。通過作業(yè)和討論帖實現對知識的鞏固和延伸。由于學生的線上學習自覺性不高，因此線上作業(yè)的次數和類型布置要多于線下以保證學習的質量。增加單選、多選、判斷和填空的概念題，也可把自由度、齒輪參數和平面連桿機構等簡單計算改為填空，利用線上作業(yè)的客觀題自動批閱功能降低老師的作業(yè)批閱工作量，并利用統(tǒng)計數據關注每個學生每一次的作業(yè)完成情況。

課后的學習布置。學生發(fā)起和回復討論帖，增加學生和老師的互動。老師也主動發(fā)布與課程相關的課外知識、動畫和鏈接帖，增加學生的興趣和熱情。

四、發(fā)揮信息技術優(yōu)勢，多角度全過程評價

信息技術的迅猛發(fā)展和強力滲透正顯著影響著教育學的發(fā)展，同時有力改變了機械設計基礎傳統(tǒng)的教學模式和教學方法，在理論及實踐上都對教育產生了重大影響。課程充分運用統(tǒng)計信息技術的優(yōu)勢，從系統(tǒng)化及整體化的角度來研究和創(chuàng)建教學評價信息體系，實現學生的全過程多角度考核評價。

如圖5 所示，課程教學考評從多角度進行全過程考評，綜合授課過程的線上和線下的學習情況進行綜合評價。其中，在線上完成的學習過程包括自學視頻與自測題10%、課后作業(yè)10%和期中測驗10%，線下包括課堂表現10%、實驗實踐10%和期末考試50%。對這些學習片段，基于雨課堂或慕課堂進行即時測試和過程考評。多個教學片段呈現多項能力，對分析、設計、實踐及綜合能力設置不同的考評權重。在全過程多角度學業(yè)考評中，不僅能夠定位學生的整體薄弱項，而且能夠精準關注個體學生的不足。

圖5 機械設計基礎的混合式教學評價方法

評價的角度變多，雖然造成老師的工作量增加，但利用信息技術的優(yōu)勢，還可以降低老師的工作量。例如，超星學習通將機械設計基礎題庫組合生成20 份試卷，隨機發(fā)放給學生完成期中考試，實現3～4 人共用一卷，最大限度杜絕抄襲。使用平臺自動閱卷和統(tǒng)計功能進行客觀題批閱和加分，減少老師的閱卷工作量，如圖6 所示。

圖6 在超星學習通上組織線上期中考試

五、完善混合教學生態(tài)，提升教學育人水平

疫情期間，全面開展的在線教育經歷了從不適應到認可投入并常態(tài)化的發(fā)展過程。如何發(fā)揮在線教學優(yōu)勢，深度融合線上與線下教育，將在線教育作為育人方式變革動力，提升育人服務水平，是國家、學校和每一位教師在教育教學中面臨的關鍵問題。

首先，混合式教學要想實現教育革命，就必須擁有大家共同遵守的理論體系和規(guī)范范型。該理論體系則應該由國家制定相關標準，建設和推廣混合式教學。2018年，教育部高等教育司司長吳巖指出，要“建好一流課程標準。制定慕課國家標準，力推成為國際標準”。在我國，以大學慕課、超星學習通等線上線下混合式教學為突破點的課堂革命是自下而上推動的改革，一線教師的教學行為和高校的教學管理必須從國家層面進行混合式教學指導和規(guī)范，才能成為新常規(guī)教育科學[12]。

其次，高校需要出臺關于混合式教學的管理制度和政策。推動混合教學改革最有力的措施是從學校組織管理保障入手，通過多種措施重點引導教師參與混合教改。因為混合式教學是兼具傳統(tǒng)教學和互聯網技術特色的教學模式，對授課教師的信息技術素養(yǎng)要求高，需要投入的時間經費成本也高，因此，需要高校制定混合式教學的教師激勵、課程助教、配備錄播軟硬件和信息化能力提升等政策，來推動混合式教學改革，打造新的教學形態(tài)和文化。各高校也可構建聯盟課程體系，建立跨校共享的大教務平臺，給學生提供高質量的線上共享資源，凸顯聯盟高校的課程互補性，引領課程的價值取向[13]。

最后，教師需要改變觀念，重新思考教學設計，并將信息技術工具服務于教學。在線教育已經從權宜之計演化到了未來發(fā)展，成為新工科現代教育不可或缺的重要組成部分。教師應盡快適應信息技術帶來的教學理念轉變，擺脫傳統(tǒng)從早到晚的灌輸、被動接受知識的模式，將一部分時間留給學生來支配，實現混合式教育。在教學實施上，混合式教學必須摒棄將線下部分單純復制到線上的思路，學會如何利用互聯網的技術優(yōu)勢開展教學，積極探索線上線下取長補短的教學方法，在高等教育新形態(tài)和數字化教育的學習革命中為我國新工科人才的培養(yǎng)貢獻力量。