翻轉(zhuǎn)課堂在“大學(xué)力學(xué)實驗”教學(xué)中的實踐與研究

杜 超 趙亞麗 程 鵬 陳園園

(1. 晉中學(xué)院 材料科學(xué)與工程系,山西 晉中 030600; 2. 山西省輕質(zhì)材料改性應(yīng)用協(xié)同創(chuàng)新中心,山西 晉中 030600)

“大學(xué)力學(xué)實驗”是高等工科院校一門重要的涵蓋力學(xué)測試、分析等的科學(xué)實驗課程,是訓(xùn)練學(xué)生動手能力和科學(xué)思維的重要手段,同時也是培養(yǎng)工程技術(shù)人才科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新能力的有效途徑[1]。學(xué)生在力學(xué)實驗課的學(xué)習(xí)過程中涉及的知識面廣,接觸的儀器設(shè)備多,上好力學(xué)實驗課在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)和實驗?zāi)芰ι?特別是發(fā)展與科學(xué)技術(shù)相適應(yīng)的綜合能力上有著無可替代的重要作用。在國家政策導(dǎo)向及深化高等院校教學(xué)工作改革,提高教學(xué)質(zhì)量等指導(dǎo)思想下,工科院校對培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的創(chuàng)新和改革刻不容緩[2]。

翻轉(zhuǎn)課堂理論在2000年由學(xué)者Lage等提出[3]。該教學(xué)模式改變了傳統(tǒng)授課過程中教師的角色,即教師在課堂中由主導(dǎo)作用變?yōu)橐龑?dǎo)作用。同時也對課堂時間進(jìn)行了重新規(guī)劃,即讓學(xué)生先借助微課視頻等進(jìn)行自學(xué),自學(xué)過程中伴隨著與教師的互動,而教師在課堂中主要負(fù)責(zé)答疑和引導(dǎo),在“翻轉(zhuǎn)”的過程中除了引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)知識,更要培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力,為課堂增添競爭性、趣味性及互動性?！胺D(zhuǎn)課堂”的教學(xué)模式已在國內(nèi)取得了較好的效果[4,5]。

作者結(jié)合新冠疫情防控背景下我?！按髮W(xué)力學(xué)實驗”課程教學(xué)中存在的痛點(diǎn),在教學(xué)中開展翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)改革實踐,并將其中涉及的一些問題進(jìn)行分析研究,為持續(xù)改進(jìn)提供反思性經(jīng)驗。

1 “大學(xué)力學(xué)實驗”教學(xué)中存在的主要問題

1.1 實踐過程不足

“大學(xué)力學(xué)實驗”教學(xué)中涉及很多實驗原理及設(shè)備操作的講解,這些講解過程多為教師重復(fù),因此侵占了學(xué)生很多動手操作的時間。工程力學(xué)的實驗有材料的拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲實驗,均要在力學(xué)實驗機(jī)上完成,操作流程大多為教師親自上陣演示,每次只能保證少數(shù)前排同學(xué)的聽課效果。力學(xué)實驗大多存在一定危險性,所以每次教師都要花大量時間反復(fù)講解關(guān)鍵步驟,當(dāng)實驗原理較為復(fù)雜時還需結(jié)合實驗現(xiàn)象加以額外說明以保證學(xué)生理解掌握。因此在有限的課時內(nèi),學(xué)生動手操作的時間就會大打折扣,很多時候都是學(xué)生機(jī)械性地重復(fù)實驗步驟,缺少了對實驗本身的思考,這對學(xué)生動手能力及理論結(jié)合工程實例能力的培養(yǎng)極為不利。

1.2 學(xué)生積極性不高

實踐類課程的教學(xué)重點(diǎn)是實踐能力的培養(yǎng),也是教師和學(xué)生在課堂中關(guān)注的重點(diǎn),而力學(xué)實驗教學(xué)過程中要花大量時間講解實驗原理才能保證實驗課程內(nèi)容體系完整,但這部分恰恰是學(xué)生們感覺最枯燥的。很多實驗原理比較深奧,課堂上以教師為主導(dǎo),老師和同學(xué)都希望盡快講完理論然后上手實驗,而這樣往往會忽略了學(xué)生的思考和反應(yīng)時間,導(dǎo)致很多同學(xué)似懂非懂地上手實驗。

這樣“流水賬”式的教學(xué)過程沒有充分給予同學(xué)們表達(dá)自己想法和思考的機(jī)會,沒有很好地激發(fā)學(xué)生主動思考并培養(yǎng)創(chuàng)新能力,使大多數(shù)學(xué)生喪失興趣。一些學(xué)生由于自身動手能力弱,站到實驗設(shè)備面前還需拿起書本從頭參考實驗相關(guān)原理及教程,或請他人代做實驗,學(xué)生積極性不高。

1.3 教學(xué)內(nèi)容單一、實驗設(shè)備陳舊

力學(xué)實驗課程大多是按照傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容而設(shè)定,這些內(nèi)容都是“經(jīng)典”,教師備課授課也主要參照前人經(jīng)驗,因此多為機(jī)械性的重復(fù),而學(xué)生也只是按部就班地完成老師給定的任務(wù),不利于發(fā)揮學(xué)生主動性。教師對于新知識的講授不積極,實驗內(nèi)容未能引入最新的學(xué)科發(fā)展成果,學(xué)生也不能很好地從教師身上學(xué)到新東西,更不能做到實驗理論與當(dāng)下工程實際相結(jié)合。

力學(xué)是一門古老的學(xué)科,很多工科院校的力學(xué)實驗設(shè)備都存在年久老化現(xiàn)象,不易翻新維修,導(dǎo)致實驗精度不足,實驗教學(xué)效果不理想。而實驗內(nèi)容的單一又使學(xué)校升級設(shè)備的意愿不強(qiáng),一些教師也總抱著讓學(xué)生“大概了解”的想法得過且過。

2 翻轉(zhuǎn)課堂在力學(xué)實驗教學(xué)中的實施

2.1 制作微課視頻

微課視頻具有目的性強(qiáng)、針對性強(qiáng)的特點(diǎn),并且時長較短(10 min左右),因此內(nèi)容要盡可能保持精簡,明確學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo),提高學(xué)習(xí)過程的專注度。視頻中要詳細(xì)介紹實驗步驟,具有危險性的部分要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào),同時要結(jié)合相應(yīng)的力學(xué)原理分析實驗現(xiàn)象,拋出一些工程或生活中的衍生問題,引導(dǎo)學(xué)生們主動思考。視頻要充分考慮學(xué)生的接受能力,明晰教材的邏輯關(guān)系,從而構(gòu)建系統(tǒng)、科學(xué)的力學(xué)實驗微課體系。

在傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上構(gòu)建試點(diǎn)實驗,并通過反饋結(jié)果及時對實驗內(nèi)容和形式進(jìn)行修正和改進(jìn),確保教學(xué)視頻在盡可能短的時間內(nèi),合理分配各知識點(diǎn),讓學(xué)生更好地進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。

2.2 課前學(xué)習(xí)交流

在實驗課前應(yīng)將相應(yīng)的理論內(nèi)容在課堂講授,對于一些關(guān)鍵的力學(xué)特征要提醒同學(xué)們注意,在隨后的實驗課中要重點(diǎn)觀察。例如在材料的拉伸實驗中,課堂上要講解材料的種類、規(guī)格、受力特征、每個階段的變形特征、斷裂時的斷口形貌以及不同材料之間的對比,提出問題,引起思考,這些內(nèi)容都要在后續(xù)的實驗中得以驗證,讓大家?guī)еd趣準(zhǔn)備實驗課程。

教師利用在線平臺下發(fā)微課視頻,并強(qiáng)調(diào)視頻中的重難點(diǎn),對于實驗中的關(guān)鍵步驟要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)。學(xué)生通過線上視頻可反復(fù)觀看實驗原理及步驟,有助于順利完成后續(xù)的實驗操作,降低因操作不當(dāng)導(dǎo)致事故及設(shè)備損壞的概率。在線平臺可以多樣化(微信、QQ、學(xué)院線上教學(xué)平臺等),其目的主要是幫助學(xué)生在教學(xué)過程中快速了解實驗內(nèi)容、原理及步驟,并隨時保持教師與學(xué)生的溝通、互動,及時解決教學(xué)內(nèi)容中的難點(diǎn)、疑點(diǎn)。通過課堂的翻轉(zhuǎn),使實驗教學(xué)能夠有效降低教師的重復(fù)講解時長,給學(xué)生動手實踐留出更多時間和空間,增加教學(xué)趣味性,提高學(xué)生積極性。

通過線上線下結(jié)合的交流互動,教師可根據(jù)同學(xué)們的實時反饋,快速掌握學(xué)生學(xué)情,或據(jù)此相應(yīng)調(diào)整教學(xué)方式和實驗內(nèi)容,提高教學(xué)效率。

2.3 課后延伸討論

實驗課程結(jié)束后需要填寫完整的實驗報告,教師與學(xué)生可以進(jìn)行在線輔導(dǎo)和討論,將一些共性的問題一次性解答。同學(xué)們反饋較多的問題可以在之后的微課視頻中多加闡述,提高視頻質(zhì)量。教師也可線上布置相關(guān)習(xí)題作業(yè),引導(dǎo)學(xué)生思考工程中的一些實例并結(jié)合實驗課內(nèi)容加以分析。

翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式可以有效提高教學(xué)效率,教師可以在完成基礎(chǔ)實驗內(nèi)容的教學(xué)后,結(jié)合現(xiàn)有的實驗設(shè)備和材料,設(shè)計一些創(chuàng)新性實驗,作為對現(xiàn)有傳統(tǒng)實驗內(nèi)容的補(bǔ)充。教師也可鼓勵同學(xué)們自己設(shè)計實驗,比如更換實驗材料進(jìn)行實驗等,看能否對所學(xué)理論加以驗證。也可以設(shè)計一些小型實驗裝置進(jìn)行簡單的實驗驗證等。這些實驗內(nèi)容都能夠利用翻轉(zhuǎn)課堂實施,教師和學(xué)生均可自己設(shè)計實驗、制作視頻,只要有好的想法并易于實施,均可在全系進(jìn)行推廣。這樣可以有效調(diào)動同學(xué)們的積極性,讓實驗課程更加有趣,也可更好地激發(fā)同學(xué)們的創(chuàng)造性。

2.4 評價體系

翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式是以學(xué)生為中心和主體,教師主要起引導(dǎo)作用,因此我們在實驗課程的評價中不能只以實驗報告作為評價依據(jù),還需針對實驗教學(xué)過程和課前教學(xué)準(zhǔn)備建立評價標(biāo)準(zhǔn),樹立起全新的教學(xué)質(zhì)量觀和科學(xué)的翻轉(zhuǎn)課堂評價體系。

“大學(xué)力學(xué)實驗”教學(xué)翻轉(zhuǎn)課堂的評價體系應(yīng)包括課前學(xué)習(xí)評價、實驗操作評價、實驗報告評價、實驗反思評價四個部分。課前學(xué)習(xí)評價主要通過評價微課視頻的學(xué)習(xí)情況來實現(xiàn),下發(fā)視頻后教師要與同學(xué)進(jìn)行實時互動,提出問題讓學(xué)生回答。實驗操作評價則要觀察學(xué)生在動手實踐過程中的表現(xiàn),例如原始數(shù)據(jù)的測量、關(guān)鍵數(shù)據(jù)的采集、整個實驗過程的流暢程度、實驗出現(xiàn)問題后的反應(yīng)對策、實驗結(jié)束后對設(shè)備及相關(guān)工具的整理等。實驗報告是整個教學(xué)過程中主要形成的結(jié)果性文件,包括對實驗原理的理解、實驗設(shè)備的掌握、實驗數(shù)據(jù)的處理結(jié)果等。實驗反思部分需要考查學(xué)生在實驗后的感想以及相應(yīng)的思考,教師可以設(shè)置一些相關(guān)的工程案例讓學(xué)生分析,學(xué)生也可自己舉例說明相應(yīng)的實驗原理在實際問題中的應(yīng)用,以及設(shè)計創(chuàng)新性實驗等。

3 實施效果分析

實施效果分析中主要采用各類結(jié)果對比、問卷調(diào)查、現(xiàn)場座談等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。參與對比的4個班級為復(fù)合材料專業(yè)2019、2020級各兩班,其中19級采用傳統(tǒng)方式教學(xué),20級采用翻轉(zhuǎn)課堂模式進(jìn)行教學(xué)。

在各類結(jié)果對比中我們發(fā)現(xiàn),采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式后,學(xué)生交回的實驗報告質(zhì)量得到明顯提升,實驗報告中同學(xué)們對實驗原理的理解更為透徹,對實驗數(shù)據(jù)的采集更為準(zhǔn)確真實,以往一些抄襲實驗數(shù)據(jù)的現(xiàn)象得到有效控制。20級同學(xué)實驗報告均分相較于19級提高了16.3%。

實驗操作過程對比中我們發(fā)現(xiàn),通過微課視頻的學(xué)習(xí),同學(xué)們對實驗操作流程較以往更加熟悉流暢,實驗進(jìn)度明顯加快。由操作不當(dāng)引發(fā)的實驗失敗、試件浪費(fèi)、儀器損壞等現(xiàn)象也明顯減少,教學(xué)效率得以顯著提高。

通過問卷調(diào)查及現(xiàn)場座談的方式調(diào)查同學(xué)們對采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的看法、在學(xué)習(xí)中遇到的一些問題以及對該教學(xué)模式提出的建議等。本次調(diào)查針對參與對比的2020級兩個班級,共計79人,回收有效問卷74份。調(diào)查結(jié)果顯示,有92%的同學(xué)對翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的實施表示接受,97%的同學(xué)認(rèn)為實驗操作流程非常實用,大大降低了實驗的上手難度,并且應(yīng)在以后所有實驗課中進(jìn)行推廣。這對翻轉(zhuǎn)課堂在“大學(xué)力學(xué)實驗”教學(xué)中的實施給予充分肯定。8%的同學(xué)認(rèn)為自己觀看微課視頻效果較差,經(jīng)過座談了解后發(fā)現(xiàn),這部分同學(xué)已經(jīng)習(xí)慣了教師言傳身教的授課模式,對于自己觀看視頻這種新模式感到不適,自我學(xué)習(xí)中遇到的問題較多,而多數(shù)情況又不便與教師和其他同學(xué)溝通討論,只能自己反復(fù)觀看,學(xué)習(xí)效率較低。

從調(diào)查結(jié)果上看,翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式相較于傳統(tǒng)模式有諸多優(yōu)勢,多數(shù)同學(xué)表示接受,但仍有很多因素制約其實施,例如教育理念、課堂紀(jì)律、學(xué)生基礎(chǔ)、學(xué)生性格以及相應(yīng)的設(shè)備條件等,該模式仍需進(jìn)一步優(yōu)化。

4 結(jié)論

“大學(xué)力學(xué)實驗”是工科專業(yè)一門重要的實踐課程。作者闡述了采用翻轉(zhuǎn)課堂模式對“大學(xué)力學(xué)實驗”課程進(jìn)行教學(xué)改革的一些實踐和反思。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式能夠在一定程度上激發(fā)學(xué)生興趣、提高學(xué)生動手能力、提升實驗課教學(xué)效率及學(xué)生學(xué)習(xí)效率。教學(xué)改革的浪潮也對任課教師提出更高的要求,教師應(yīng)與時俱進(jìn),在專業(yè)技能、教學(xué)技能、信息化技能方面不斷提升。目前,該教學(xué)模式還在起步階段,尤其針對課程的教學(xué)設(shè)計還在不斷嘗試及優(yōu)化,這一模式具有較高的使用價值和發(fā)展前景。