基于雨課堂的工程熱力學翻轉(zhuǎn)教學研究與實踐

盧志民　黃泳如　姚順春　司廣樹　陸繼東

［摘 要］隨著“30·60”雙碳目標及能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略的落實推進，能源動力類專業(yè)人才培養(yǎng)模式改革成為部分高校的重要研究課題。從2020年起，華南理工大學AB兩個專業(yè)進行了雨課堂線上教學實踐，依托雨課堂的技術(shù)特性，秉承以“以學生為中心”“數(shù)據(jù)改變教學”的理念，設計了課前、課中和課后三段式教學方案，以2018級和2019級本科生為研究對象實施了混合式教學實踐。結(jié)合學生期末考試成績，利用因素分析法評價教學效果，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進行卡方檢驗和回歸分析，分析了課前預習和課堂測試對期末總成績的影響。結(jié)果表明，雨課堂教學方式顯著提升了學生的學習成績，在教師和學生的教學評價中也有良好的反饋。

［關(guān)鍵詞］雨課堂；工程熱力學；因素分析法；回歸分析；教學評價

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）11-0032-05

能源是人類文明進步的基礎和動力，關(guān)乎國家安全和民生。實現(xiàn)碳達峰、碳中和（即“30·60”雙碳目標）是中國做出的重大戰(zhàn)略決策，應對氣候問題，推進能源轉(zhuǎn)型和節(jié)能降耗勢在必行[1]。面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求的新工科建設目標，是能源領(lǐng)域人才培養(yǎng)工作的目標和方向。

工程熱力學作為能源與動力工程專業(yè)的三大專業(yè)基礎課程之一，是從工程應用的角度研究能源利用及不同形式的能量相互轉(zhuǎn)換規(guī)律的一門重要基礎學科，是低碳節(jié)能環(huán)境下新工科學生提高科學素質(zhì)的公共基礎課[2]。但是長期的教學觀察與分析發(fā)現(xiàn)，對概念抽象、知識容量大的工程熱力學課程來講，傳統(tǒng)的講授式教學僅僅完成了“教”的任務，在幫助學生建立批判性思維、應用專業(yè)知識發(fā)現(xiàn)問題及解決問題等方面存在不足，在課堂的大部分時間里，學生處于被動接受知識的狀態(tài)，其學習積極性和學習效率不高。針對這個情況，需要教師改革教學方式方法，以提高學生的學習興趣。

筆者在2020年和2021年春季學期的工程熱力學課程教學中，實施了基于雨課堂的翻轉(zhuǎn)教學研究與實踐，按照“以學生為中心”“數(shù)據(jù)改變教學”的思想設計和實施了課前、課中、課后三段式的數(shù)據(jù)驅(qū)動“翻轉(zhuǎn)”。課前，讓學生開展自主預習；課中，教師輔以重點難點的講授以及課堂練習、思考題、例題的講解等。在此過程中，學生可以通過雨課堂與教師建立更加高效的溝通渠道，課堂內(nèi)外多渠道的有效交流互動使學生獲得了更好的學習體驗，課堂教學效率和教學效果得到了提升。

一、基于雨課堂的工程熱力學翻轉(zhuǎn)課堂教學改革

（一）目前教學現(xiàn)狀分析以及改革建議

盡管以視頻為主的精品課程和網(wǎng)絡公開課已推出多年，以“學生為中心”的教育理念也普遍得到高校和教師認同，但部分高校的執(zhí)行力度還不夠，導致學生的自主學習能力未見明顯提高，教學質(zhì)量有待提升。究其原因主要有：部分課堂教學以及視頻教學著重知識灌輸，缺乏師生間的交流、對話和思維碰撞；部分教師的教學與科研相互獨立，科研成果沒能及時轉(zhuǎn)化為教學資源或課堂交流的素材，也沒能實現(xiàn)教研與科研的相互促進；工程熱力學邏輯性強，涉及的內(nèi)容包括了純理論的基礎概念和知識以及各種工程實踐應用，環(huán)環(huán)相扣，導致學生在學習過程中逐漸形成兩極分化，部分跟不上學習進度的學生容易產(chǎn)生畏難情緒、逃避心理。

針對工程熱力學課程的特點和“00后”本科生的特點，以及目前教學效果的評估情況，筆者設計了基于雨課堂的工程熱力學翻轉(zhuǎn)教學改革路線，如圖1所示。

（二）翻轉(zhuǎn)課堂改革和雨課堂

薩爾曼·可汗在YouTube網(wǎng)站上分享了私人制作的教學影片，并于2009年創(chuàng)建可汗學院，成為翻轉(zhuǎn)教學實踐的重要節(jié)點?？珊箤W院的教學視頻突出“學習者為中心”的視角。隨后，翻轉(zhuǎn)課堂的影響力迅速擴展至全球許多國家，成為當下教學改革的熱點話題。

雨課堂作為新型智慧教學工具，在新冠疫情期間發(fā)揮了巨大的作用，也被廣大師生所熟知[3-7]，其顯著的特點有易用性、互動性和數(shù)據(jù)化。基于雨課堂平臺，教師可在PPT中錄制語音或插入慕課視頻和網(wǎng)絡視頻，向?qū)W生推送課件和課輔材料，發(fā)送更新和提醒消息。師生還可以開展實時互動，學生可以發(fā)送彈幕、投稿，教師可以組織課堂測試或者進行作業(yè)批改，還可以隨機點名或者發(fā)送紅包。雨課堂的全程動態(tài)數(shù)據(jù)采集功能更是便于教師深入掌握學情，可根據(jù)具體情況以及每個學生的特點做出相應的教學調(diào)整。

（三）基于雨課堂的工程熱力學翻轉(zhuǎn)教學改革設計

筆者根據(jù)布魯姆的認知層次開展了翻轉(zhuǎn)課堂教學，將簡單的記憶、知識的理解和運用能力的培養(yǎng)放在課后實施，而高層次的綜合運用和創(chuàng)新能力培養(yǎng)則是課堂教學重點。課前，教師根據(jù)課程內(nèi)容的重難點，制作對應的雨課堂線上語音PPT或慕課視頻，每周2學時，供學生進行預習使用，達到使學生掌握基礎知識的目的。課中，教師用3學時的翻轉(zhuǎn)教學時間進行重難點總結(jié)、課堂測試、專題討論和習題講解。同時，針對課前的反饋對共性問題進行集中講解，學生則在課堂上與教師互動，并就教師提出的問題展開獨立思考或小組合作討論。課后，教師根據(jù)多年的教學經(jīng)驗，設計章節(jié)知識總結(jié)圖，推送總結(jié)PPT給學生進行章節(jié)知識的復習、鞏固。同時，利用雨課堂豐富的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對學生開展針對性輔導，對教學進行反思，不斷提升教學水平?；谟暾n堂的 “三段式”翻轉(zhuǎn)教學設計如圖2所示。

（四）實施情況

本次教學改革實施時間為2020年和2021年春季學期，對象分別為2018級A專業(yè)1班學生（18人）、B專業(yè)1班學生（28人）和2019級A專業(yè)1班學生（20人）、B專業(yè)2班學生（35人）。為更好地體現(xiàn)教學改革成效，2020年以2018級B專業(yè)2班（34人）作為參考班，2021年以2019級B專業(yè)1班（35人）作為參考班，基于此，筆者對教改班與參考班的期末考試成績進行了對比。

同時，筆者根據(jù)教改班學生的期末考試總成績以及各題成績對教學效果進行了評價，同時對各章節(jié)知識點進行了數(shù)據(jù)回歸分析。選取雨課堂分數(shù)、PPT觀看總頁數(shù)、各章PPT觀看頁數(shù)與學生期末考試成績、各題成績進行相關(guān)性分析。為了更好地了解學生期末考試成績與PPT總頁數(shù)、雨課堂分數(shù)之間的線性關(guān)系，筆者使用origin軟件繪制散點圖并進行線性擬合，得到Pearson相關(guān)系數(shù)并比較各變量與期末考試成績的相關(guān)程度。2020年春季學期，除了雨課堂外，筆者還使用SPOC開展教學工作，因此還計算了SPOC視頻時間、測試成績以及課堂分數(shù)與期末考試成績的相關(guān)系數(shù)。

為了更直觀地對比兩個年級成績數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性系數(shù)，筆者對期末考試成績與雨課堂分數(shù)、PPT觀看頁數(shù)進行相關(guān)性分析，通過顏色深淺、圓圈大小直接地描述了各數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。

二、實施效果以及統(tǒng)計分析

（一）教改班與參考班期末考試成績對比

教改班與參考班的工程熱力學期末考試平均分如圖3所示。從中可以看出A專業(yè)的成績均比同年級B專業(yè)低，這與該專業(yè)高考招生分數(shù)較低，即與學生基礎有關(guān)。但同一年級的B專業(yè)是隨機分班的，通過比較可以看出，2018級B專業(yè)1班（教改班）期末考試的平均分比2018級B專業(yè)2班（參考班）高了3.7分；2019級B專業(yè)2班（教改班）期末考試的平均分比2019級B專業(yè)1班（參考班）高了7.1分，由此可以看出，教學改革取得了一定的成效。

（二）平臺記錄學習數(shù)據(jù)與學生期末考試成績的關(guān)系

4個教改班期末考試成績、PPT頁數(shù)、雨課堂分數(shù)等數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性矩陣如表1所示。期末考試成績與PPT觀看頁數(shù)、雨課堂分數(shù)之間均有一定的相關(guān)性。通過對比各班相關(guān)性矩陣的第一行發(fā)現(xiàn)，相對于雨課堂分數(shù)，期末考試成績與PPT頁數(shù)有更強的相關(guān)性；對比2018級兩個班的相關(guān)性矩陣發(fā)現(xiàn)，PPT觀看頁數(shù)與SPOC測試及分數(shù)之間也有較強的相關(guān)性。

教師在教學過程中通過課件觀看情況與課后練習完成情況調(diào)整各班教學內(nèi)容和方式，根據(jù)數(shù)據(jù)對學生學習狀態(tài)和效果進行跟蹤，及時了解學生情況并做出調(diào)整。

（三）期末考試各章考查重點與PPT對應章節(jié)課件觀看頁數(shù)的關(guān)系

除了從整體角度分析總分與各因素的相關(guān)關(guān)系，筆者還對各題得分與各章PPT觀看頁數(shù)進行了相關(guān)性分析，如表2所示。從總分與PPT總頁數(shù)相關(guān)性系數(shù)更高的A專業(yè)的兩個班級的相關(guān)性距陣來看，不管是判斷題（2018級前5列）、簡答題（2018級6～8列、2019級前4列），還是計算題（均為倒數(shù)5列），對應章節(jié)PPT觀看頁數(shù)與對應內(nèi)容的得分均有一定的正相關(guān)。但是其中關(guān)于第六章內(nèi)容的得分情況與該章PPT觀看頁數(shù)沒有正相關(guān)關(guān)系，主要原因是教師僅對該章的前4節(jié)內(nèi)容進行了講授和考查。而在總分與PPT觀看頁數(shù)相關(guān)性比較弱的B專業(yè)班級，其各題得分與PPT頁數(shù)沒有必然的相關(guān)性。原因在于B專業(yè)班級可能有更多的學生有考前復習的習慣，因此該數(shù)據(jù)沒有反映在PPT頁數(shù)里。

總的來說，通過相關(guān)性矩陣可以看出，通過PPT頁數(shù)、雨課堂分數(shù)，能很好地預測期末考試成績，兩者與期末考試成績的相關(guān)性最高達到0.72和0.53，教學效果得到了提高。但不同年份以及不同班級的效果有所不同，還需要進一步研究。

三、討論

（一）工程熱力學多元化混合式教學

混合式教學是一種新穎的教學模式，將傳統(tǒng)課堂、網(wǎng)絡課堂、翻轉(zhuǎn)課堂、個性化指導等的優(yōu)勢融為一體，能極大地提升學生的上課效率。傳統(tǒng)課堂以教師的教為中心，難以根據(jù)學生的不同學習速度、注意力集中程度以及對重難點的理解情況進行教學調(diào)整。而雨課堂以及SPOC則是以學生的學為中心，一方面，學生可以根據(jù)自身情況選擇播放速度或重看；另一方面，教師可以根據(jù)學生參與學習的時長以及課堂的提問和測試情況，有針對性地對重難點進行講解，及時掌握學情，根據(jù)學生的反饋進行教學調(diào)整等。雖然傳統(tǒng)教學也可以增加設問和課堂提問的環(huán)節(jié)，但在數(shù)據(jù)記錄方面不及雨課堂等新型的教學工具高效。

在雨課堂和SPOC相結(jié)合的混合式教學模式中，教師指導目的性明確，學生學習針對性強，教學效率得到了提高。由于減少了教師的課堂授課時間，其可以將精力和時間更多地用在學情的總結(jié)、回顧以及學生的個性化指導教學上。學生在自學過程中遇到疑問，可以通過雨課堂重看課件或者向教師提問。

（二）基于雨課堂的翻轉(zhuǎn)課堂教學改革的繼續(xù)改進方向

目前，筆者任教的班級人數(shù)較多（ 70人左右），課堂上的討論教學較少，課堂測試以客觀題為主。在后續(xù)的教學改革中，將開展小班教學，以討論式、啟發(fā)式的教學為主，增加學生課堂展示的時間，或開展小組討論的探究式學習，發(fā)揮教師的啟發(fā)和引導作用，真正達到以學生為主體的教學目的。另外，在課堂測試中，還可以設置開放式的主觀題，學生在雨課堂平臺上傳答案，教師對其中答得好的題目或者存在的典型錯誤進行分析。雨課堂的實時數(shù)據(jù)便于教師隨時關(guān)注教學過程中的特殊情況，有針對性地進行差異化輔導和教學方案的微調(diào)。

部分教師現(xiàn)代化教學技術(shù)的應用能力有待提高。教師不僅要熟練使用課件、專業(yè)視頻等教學工具，而且要利用網(wǎng)絡技術(shù)創(chuàng)建適合學生的網(wǎng)絡課堂。可以借鑒上海交通大學、清華大學、浙江大學等一流大學的MOOC視頻和課件，制訂適合的教學方案。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 辛保安， 單葆國， 李瓊慧，等. “雙碳”目標下“能源三要素”再思考[J]. 中國電機工程學報， 2022，42（9）：3117-3126.

[2] 李言，李淑娟，楊明順，等.新工科背景下機械類專業(yè)升級途徑研究與實踐[J].大學教育，2022（10）：6-9.

[3] 孟慶成，齊欣，李翠娟，等. 基于雨課堂的混合式教學在結(jié)構(gòu)力學中的應用與探索[J]. 大學教育， 2020（11）：67-71.

[4] 寧桂英. 基于雨課堂的概率統(tǒng)計課程混合式教學模式改革：以廣西科技大學鹿山學院為例[J]. 大學教育， 2020（3）：89-91.

[5] 遲靜，吳杰. 基于微課的“雨課堂”+“翻轉(zhuǎn)課堂”混合式教學研究[J]. 大學教育， 2021（4）：62-64.

[6] 張迪. 基于雨課堂的翻轉(zhuǎn)課堂+案例教學實踐探索：以土壤污染與防治課程為例[J]. 大學教育， 2021（4）：68-70.

[7] 胡亞楠，何立，王來運. 基于雨課堂的混合式教學模式改革研究：以汽車電子控制技術(shù)課程為例[J]. 大學教育，2022（10）：67-69.

［責任編輯：吳雪強］