線上線下混合實驗教學模式研究

馬 超,曽 紅,王宏祥

(遼寧工業大學 機械工程與自動化學院，遼寧 錦州 121001)

0 引 言

MOOC(Massive Open Online Course)即大規模開放在線課程是在互聯網學習興起的背景下發展起來的，是一個面向眾多學習者的開放、互動的學習平臺[1-2]。隨著信息技術的高速發展，依靠教師講授為主的傳統課堂教學方式難以滿足學習者日益豐富的要求，而項目式、驅動式、混合式、翻轉課堂等新穎的教學模式逐漸受到教育者的重視[3]。MOOC 對我國高等教育變革提供了新的思路，為高等教育的發展提供了積極的影響：①給學習者提供了公平的學習平臺；②提高了教育與學習方式的靈活性；③打破了學習的空間、時間限制；④促進了教學理念和方法的進步。但是隨著對MOOC研究與應用的發展，越來越多的研究者認識到，作為一種純線上的學習方式，MOOC也存在著自身的短板：①由于缺少硬性的約束，且學生的自主學習能力參差不齊，導致課程的完成度較低；②完全依靠線上平臺來完成課程，缺乏師生的面對面交流；③不太適用于實踐教學環節[4]；④學習過于碎片化，教師的系統教學不可或缺。

在《國務院關于積極推進“互聯網+ ”行動的指導意見》中提出：“鼓勵學校利用數字教育資源及教育服務平臺，對接線上線下教育資源，探索教育的新方式[5]”，這給高等教育的探索提供了新的政策導向。本文立足于自身學校的特點和師生的實際情況，以提高學生的學習能動性、實際動手能力和創新意識為目標，提出將MOOC的線上教學與課堂的實驗教學相結合的思路，構建線上線下混合教學模式。

1 MOOC在實驗教學中的可行性分析

MOOC課程具有教學視頻內容精煉、碎片化教學、線上互動方便、輔助教學信息化等特點，這些特點與實踐性課程尤其是實驗教學契合度較高。

(1)實驗教學的主要教學目標是讓學生動手操作，驗證與綜合應用課堂中學習的理論以及基于理論開展更深的研究，要求理論講授的內容簡短精煉、重點突出，這與MOOC視頻的知識凝煉的特點是吻合的。所以，可以把實驗原理、器材介紹、操作過程等內容制作成視頻，讓學生在線上進行學習，就能給課堂教學留下充分的時間讓學生們進行討論和交流。

(2)實驗教學所對應的教學內容基本上都屬于學科的重點理論知識，各個實驗中相關的理論知識相對獨立，與MOOC碎片化教學的特點是吻合的。

(3)實驗教學教學過程中需要廣泛的互動。在學生動手實驗時，需要操作實驗設備來完成數據的測量和記錄，或者對實驗現象進行觀察，在整個實驗的過程中，可能會遇到一些小問題，或有一些新發現，這就需要教師與之相溝通，學生之間也要相互交流。而在實驗完成后，學生們會根據教師的安排撰寫總結、開展拓展性實驗，這都需要一個平臺來完成，與MOOC平臺互動方便的特點相吻合。

2 線上線下混合實驗教學模式的構建與實施

根據建構主義教學理論，學習應該是以學生為中心，發揮學生的能動性，對知識展開主動探索、主動發現，讓學生成為所學知識的主動建構者和問題的解決者[6-8]。基于這種理念，教育者在教學方法上應立足于以學生為主體、教師為主導的理念，設法激發學生的自主學習興趣，培養學生的發現意識，引導他們帶著問題去探索課程中的知識，通過相互溝通和協作找到問題的答案。基于此，本文提出了線上線下混合實驗教學模式(見圖1)。一方面要發揮MOOC資源豐富、互動方便的優勢[9]，另一方面也要發揮實驗課堂教育在培養學生實際操作方面不可替代的優勢，這種教學模式的思路，把學習過程分為4個階段：①課前預習階段。學生利用課前時間線上觀看教師制作好的視頻，建立對實驗的基本認識，還可以利用MOOC平臺進行必要的討論和交流；②課堂教學階段。教師不再對實驗原理、操作等內容進行講解，而是協助學生自主完成實驗，并在此過程中組織深入的討論，答疑解惑；③課后分析階段。學生根據實驗數據完成實驗報告和課后的思考題，并對課程的內容、形式等進行反饋，方便教師對課程進行總結和改進；④課后的拓展訓練階段。讓學生基于實驗的知識來進行創新方面的練習，提高學生的創新思維和能力。

圖1 線上線下混合實驗教學模式

2.1 課前預習

課前預習是實驗教學中的重要的環節，在這個環節，不僅要讓學生掌握實驗的基本過程，熟悉實驗器材的操作，更為關鍵的是通過MOOC平臺培養學生自主學習能力。在傳統的實驗預習中，學生只能依靠教材去了解實驗的相關知識，很難對實驗形成深刻的認識。而在MOOC教學模式中，學生可以預先下載相關的微課視頻，根據自己的學習習慣和學習能力來制定學習進度，而且視頻相比于靜態的文字更加直觀，形式更多樣，也更容易讓信息時代的學生所接受并形成深刻的印象。

(1)微視頻制作。研究表明，10 min以內的短視頻能夠有效降低學生在線學習時注意力不集中的現象，有助于提高學習效果[10]。因此，MOOC由若干段時長5～10 min的短視頻組成，每段視頻都只針對一個知識點講授，從而做到信息集中而豐富。學生可以在線觀看，也可以下載后學習，能夠自我控制節奏和進度，方便回顧任何知識點。此外，還可以自主選擇微課中的輔助資源，如練習、測驗、實踐等環節來加強對知識點的理解和掌握。例如在機械設計課程的帶傳動實驗預習中，主要的線上視頻學習內容由實驗原理、實驗目的、儀器操作、注意事項等微視頻組成，內容設置見表1。學生通過對這些視頻的學習，能夠在實驗前就對實驗儀器的構造、原理建立感性認識，對實驗中所涉及到的理論知識建立學習的目標，還能對實驗中可能產生的問題加以注意。在視頻中，除了采用動畫等更為活潑的形式來對內容講解外，還要注意在視頻中要針對實驗內容提出一些問題，或者在微課視頻中嵌入測驗節點，讓學生們帶著問題去線上平臺討論，再到實驗室操作儀器進行驗證。

表1 帶傳動實驗視頻內容

(2)線上虛擬實驗預演。虛擬實驗是伴隨網絡技術與計算機技術的發展而興起的新型教學手段[11-13]，將實驗的器材以虛擬仿真的形式搬上了網絡，豐富了實驗的條件與方法，促進了實驗手段的完善。機械學院已經建立了“機械基礎網絡虛擬實驗室”，包含了7個模塊：平面連桿機構、二維凸輪機構、三維凸輪機構、二維齒輪范成、三維齒輪范成、軸系部件設計與減速器拆裝虛擬仿真模塊。前5個模塊的網絡化功能通過Java Applet實現，后2個模塊利用ActiveX技術將三維CAD軟件SolidWorks網絡瀏覽器eDrawings內嵌在網頁中，提供了一個網絡虛擬模型實驗環境。借助虛擬實驗室，學生可以在實驗前就直觀地看到實驗器材，甚至在虛擬環境中進行模擬實驗，當他們進入現實的實驗課堂時就能更熟悉實驗的環境，更熟練地操作實驗器材。例如在“減速器拆裝實驗”中，實驗目的是讓學生掌握透氣器、檢查孔等10余種附件的作用及結構特點，掌握減速器拆裝的方法及正確的軸系結構。但是在傳統實驗中，學生們在實驗前只能根據書本上的文字及圖片去開展預習，在實驗操作的時候由于實驗內容較多，實驗時間有限，往往手忙腳亂、顧此失彼。在引進虛擬實驗后，學生們能夠不受時間和空間的限制，隨時登錄系統，在虛擬實驗室中完成預做，查遺補漏，大大提高了現場實驗的效率和完成的效果。圖2為減速器拆裝虛擬仿真模塊的操作界面，在這個界面中，可以調用5種減速器的三維虛擬模型，不僅能查看各種減速器的外形，還能對減速器進行虛擬的安裝、拆卸、動態剖切等多種操作。

(3)營造線上互動的氛圍。線上互動也是預習的重要組成部分，這種互動可以用3種形式來開展：①測驗式互動。學生在觀看微視頻后完成教師設定好的問題，對預習情況進行評價；②協作式互動。學習者建立交互性的學習圈或組成學習小組，在平臺上與同學們交流討論，共同開展預習；③答疑式互動。學生不可避免地會有各種各樣的問題，教師把問題匯總歸類后分別進行答疑。

2.2 課堂教學

在傳統的課堂教學中，教師要完成實驗原理的講解、儀器介紹、預習情況檢查、實驗操作等多項講解，學生則按照計劃好的安排按部就班的操作。這種教學模式是以教師為中心來開展的，難以激發學生的學習能動性和創造性?！熬€上線下混合”教學模式中，學生對實驗的熟悉工作已經在自主預習的過程中完成，對學生而言，有了充分的準備，在實驗課堂中有足夠的時間去操作儀器完成實驗任務。對教師來說，不再需要對微視頻的內容重復講解，能夠把更多的精力投放到課堂的組織中去，對學生們在線上最突出的問題進行集中講解，引導學生在課堂環境中進行熱烈地討論[14-15]。課堂實驗教學可以由以下步驟進行：①實驗開始前，教師提出若干問題。這些問題可來源于學生在預習中出現的一些疑問，以引導學生帶著問題在實驗中探索。②學生進行實驗。在演示、驗證型的實驗中，讓學生結組或獨立完成實驗。而在設計型、綜合型實驗中，以2人結組的方式，自行討論實驗設計和操作的方案，教師完善并確定后再實施。在整個過程中，教師要全程參與，規范學生的操作，解答學生的疑難問題，保障實驗的效果。③實驗結束后，學生們對教師提出的問題交流發言、分析討論，教師再進行總結歸納，給定正確的答案和理論。如在“帶傳動實驗”中，要求學生根據實驗記錄的轉矩、轉速等數據繪制T—ζ、T—η曲線。從數據中可看出T—ζ曲線的規律是越來越大的，而T—η曲線卻是先大后小。為什么兩種規律曲線并不一致？影響滑動率和效率的因素有哪些？這些都是非常值得學生去思考的問題，在傳統教學中，由于時間的局限性，很多學生們并不能深刻地對這些問題進行分析。而在新的模式中，學生們在思想上有所準備，就更有能動性，他們把實驗場所變成探究學習的平臺，分析、討論、交流更容易開展，對問題的理解也更透徹。在最后，教師對問題的解釋能起到畫龍點睛的作用，能讓分析正確的學生更有成就感，也能讓分析有偏差的學生找到正確的方法，學生學習的興趣和熱情也得到提升。

圖2 減速器拆裝虛擬仿真模塊

2.3 課后分析

在這個環節學生要完成3部分的工作：①整理實驗數據，撰寫實驗報告，對實驗的過程展開反思和總結，對學習的過程進行自我評價；②完成線上的課后思考題，從被動的角度檢驗學生對知識的理解程度。③學生對實驗過程及教學內容進行反饋，給教師提供優化改革方案的意見和建議。這個過程需要借助MOOC平臺的互動優勢，教師通過平臺可以與學生簡單方便地交流，深入了解學生的學習狀態，還能夠通過數據分析對學生進行客觀地評價，激勵學生在自由的學習環境中保持學習的信心與動力。

2.4 拓展訓練

在以往的實驗中，學生上交了實驗報告就意味著完成了實驗活動，缺少對學生創新意識的培養。在混合教學模式中，教師可以通過MOOC平臺發布與實驗相關的拓展資源，這些資源可以是一些典型的案例，也可以是一些可基于實驗來完成的研究項目或設計任務。學生根據自己的能力和興趣自主選擇。例如，在機械設計實驗教學中，根據實驗類型的不同，設定不同的教學目的，制定與實驗相對應的拓展練習內容和目標，見表2。

表2 機械設計實驗分類及微課設定

3 實施中的注意要點

(1)微視頻的制作應靈活。在制作微課視頻的過程中應該注重于內容的建設，而不拘泥于固定的形式，提倡多采用學生們喜聞樂見的錄像、動畫、案例等資源，此外還應該注意在課程的講解中多引用啟發性、案例性的資源素材，給學生打造趣味的知識課堂。對于教學內容要合理分解，每個視頻對應一個教學目標進行講解，實現對內容的精講。從學生的需要出發來制作腳本，添加字幕來提高講解的準確性。

(2)考核評價機制要合理?？己耸菣z驗教學效果、對知識掌握程度的重要手段，也給教師及時完善教學方法和內容提供了準確的信息。不同的考核方式,也會產生不同的教學效果。以往的實驗教學一般以實驗報告為主要考核依據，這種方法存在一定片面性，使學生輕過程重結果,不利于激發學生的學習積極性。應該根據課程的特點，建立更全面的考核機制。表3為機械設計實驗的考核評分標準。

表3 機械設計實驗的考核評分標準

4 實施效果

線上線下混合教學模式應用在機械設計課程的實驗教學中，受到了教師和學生的好評和歡迎，提高了學生對實驗的興趣，加強了學生對知識的理解，也培養出學生們的自學能力，為實驗教學改革提供了新思路。

(1)提高了學生動手實踐的能力和創新的能力。在傳統的教學模式中，很多學生對工科基礎課實驗尤其是驗證性的實驗重視度不夠，實驗的態度也不認真。采用混合教學模式后，線上線下的學習氣氛更加熱烈，學生們在豐富的學習資源中對專業的興趣更濃，學習風氣大有好轉，學會了主動去思考問題，努力去創新爭先。在全國大學生機械創新設計競賽、全國大學生機器人大賽、“挑戰杯”等各項競賽中，我校學生的機械設計作品多次獲獎。

(2)增強了師生之間的了解。教師與學生、學生相互之間在互動環節能夠更全面、更密切的交流，讓教師更容易了解到學生的需求，從而優化教學目標，打造以學生為中心的教學環境，逐步實現學生個性化學習。

(3)提高了教師的微課制作水平。對實驗教學進行MOOC模式授課對教師來說也是一次提高信息化教學水平的機會。在視頻資料的制作中，教師也會遇到各種各樣的困難，比如微課的錄制、編輯、發布，都得從零學起的。隨著時間的推移，教師微課制作的水平有了明顯的提高，在教育教學信息化大獎賽、全國高校教師微課比賽中多人獲獎。

5 結 語

結合MOOC教學和實驗課堂教學的優勢，構建了線上線下混合實驗教學模式，讓學生在教師的引導下，發揮自我能動性，自己去規劃安排學習計劃、制定學習方案、完成自主學習，真正成為學習的主體，逐漸養成終身學習的習慣和能力。實踐結果證明，線上線下混合實驗教學模式更容易被學生所接受和認可，促進學生對實驗和理論知識的掌握和理解，能夠提高學生的動手實踐能力、創新能力。