SPOC+翻轉課堂混融教學在《材料力學》課程中的探索

朱晨琳，錢麗娟，于明州，張繼成

（中國計量大學 機電工程學院，浙江 杭州）

一 教學現狀

《材料力學》是典型的工科專業基礎課，是土木、力學、機械等專業的專業核心課程之一。對于機械類專業，如圖1所示，《材料力學》以高等數學和理論力學為基礎，是機械設計等課程的前置課程，側重于從實驗中提煉基本規律，建立簡單變形力學規律，邏輯推演并數學分析桿件相關的強度問題。《材料力學》與機械設計直接相關，螺栓、齒輪、蝸輪蝸桿、軸等機械零件的設計問題，都需考慮其材料強度相關的問題。

圖1 《材料力學》課程關系圖

（一） 《 材料力學》教學現狀

目前《材料力學》主流教學模式為傳統的線下教學，即教師傳統授課方式：教師在課堂授課，學生聽課學習后，看書并進行作業練習，學習相關的知識。老師和學生面對面地傳授知識、分析解題，直接培養學生規范性和邏輯性十分有效，可以照顧到大部分學生。然而，《材料力學》作為一門力學類課程，具有理論性強、數學邏輯性強和技巧要求性高的特點，是一門相對困難的課程。在各大高校中，一致存在部分學生數學基礎相對薄弱，會存在跟不上的局面。《材料力學》是大二上學期學習的最重要的課程之一，掌握材料力學相關的基本知識，對本科后續課程學習至關重要。問題日積月累，最終將造成相關課程學習及其困難。學生容易自暴自棄，難以完成大學的學習任務。

基于網絡和移動智能等信息媒體技術，在線慕課為高校學生提供了一種嶄新的學習模式[1]，參與學習的學生可以是在校學生也可以是社會人士。在課堂時間外，學生可以根據自己的情況，自行安排在線學習的時間，沒有時空限制。在近兩年的新冠病毒肺炎疫情中，教育部專門發出了《關于疫情防控期間以信息化支持教育教學工作的通知》，在線教學得到了大力發展，在線教學和在線慕課極大幫助了疫情期間的學生進行正常的學習，學生也可以得到對應的學分認證。在線教學和慕課的到來為我們大學的課程教學提供了巨大的幫助。

（二） 在線慕課和翻轉課堂

主流慕課目前可以分為兩種，一種是大規模在線開放的MOOC慕課，另一種是建立自己的班級 的SPOC（small private open class）。2021年 美 國Udacity、Coursera、edX相繼成立，很快成為最有影響力的慕課平臺供應商。MOOC課程一般由名校老師制作，2013年國內北大、清華加入edX，隨后上交、復旦、同濟等“985”高校也陸續加入慕課的三大平臺。MOOC課程為學生提供了優質的課余學習機會，同時也給老師提供了良好的同行交流平臺。然而，MOOC公共課程存在一定的缺點，即缺乏課程對學生的監管弱且缺乏師生互動，學生的學習沒有相關老師提醒督促，學生的學習情況評估機制并不完善。這導致MOOC課程雖然學生注冊率高，但是存在大量學生沒有進行有效的學習[2]。國內在疫情期間，各高校進行了在線的教學，其模式就類似于MOOC課程教學，學習過程主要是被動型“觀看”占主導，容易產生注意疲勞和注意渙散。返校課堂教學后，教師發現相當一部分學生在網絡上課時期對知識的掌握程度并不好，大學生在家自主在線學習的效果相對較差，課堂質量并不能得到很好的保證。鄧宏鐘等人[1]提出慕課存在幾個重要的挑戰：誠信問題、課堂質量保證問題和評估機制和標準問題等，需要進行相應的教學模式改革。

SPOC是小規模（幾十人到數百人）限制性的在線課程，只有目標申請者才納入SPOC課程中，一般由學校教師負責監督在線課程的學習進度。隨著互聯網技術的發展，近幾年國內部分高校的SPOC在線課程逐漸由學校自發組織錄制，主要服務于本校師生，針對性更好。羅爾夫·羅夫曼稱SPOC課程是教室教學和MOOC課程的結合，SPOC課程針對所在班級的課程教材，采用MOOC的講座視頻形式進行在線教學，學生可以觀看講座視頻、完成指定的課程作業、參加在線討論等[3]。翻轉課堂的教學改革實踐，是信息化建設與課堂教學結合的有益嘗試。翻轉課堂起源于美國，2000年邁阿密大學首先將翻轉課堂模式應用于《經濟學導論》課程中[4]。國內已有部分高校開展了《理論力學》[5]和《材料力學》[6]等力學課程的SPOC課程，取得了不錯的成果。實踐者們[7-8]對比了傳統教學與SPOC兩個班級的學生成績，傳統教學班級的學生成績呈正態分布，SPOC班級的學生成績呈偏態分布，SPOC班級的學生成績更好。翻轉課堂針對知識傳授和知識內化的顛倒安排[9]，讓學生在課堂前對開放的預習知識點視頻進行預習，教師則在課堂上復習知識的同時，拋出設計好的問題，然后讓學生進行求解和討論，并引導學生上臺解答問題，給學生機會，老師也能在課堂上更好地了解學生，提高學生的學習效果和成績。

本文依托浙江省高等在線開放課程共享平臺，針對本校教材搭建《材料力學》SPOC網絡課堂，具備互聯網開放的特點。作者結合網絡課堂和學校課堂，探索了一種將傳統課堂、在線課堂和翻轉課堂相結合的混合式《材料力學》教學方法，并進行了為期兩屆的教學改進，取得了良好的教學成效。

二 SPOC/課堂混融教學模式在《材料力學》中的教學實踐

（一） 二維知識表與知識點碎片化

《材料力學》是工科類基礎核心課程，技巧性相對理論力學略顯薄弱。《材料力學》本身的內容比較繁雜，記憶性的知識點相對較多，但其知識點的系統性和連貫性非常好，如圖2所示。在生活實際力學問題中，通過觀察四種基本變形，提煉出材料強度問題的準則，并拓展到組合變形內容，讓學生可以循序漸進地了解材料力學相關知識點。材料力學可以認為有兩條主線，為變形形式主線和研究的問題主線[10]，通過這兩個主線去分解材料力學的知識點，可以組成一張二維的知識表。橫向表頭為四個基本變形和主要的組合變形，縱向表頭則由材料力學主要研究的主要問題分為強度問題、剛度問題、穩定性問題和專題問題。讓學生清楚課程內容的安排及整個課程的共性問題是什么，有助于學生加強對課程知識點的自主總結及記憶。

圖2 《材料力學》知識點總結

深入學習《材料力學》的知識體系，《材料力學》知識表的每個表格內容還需進行知識點碎片化，如強度問題按外力、內力、應力及強度準則細化，剛度問題按變形計算和剛度條件細化，穩定性問題主要涉及壓桿穩定問題。學生可以學習各大研究問題中的每個具體知識點，便于做到對所學內容的熟練掌握。

（二） SPOC+翻轉課堂——混合式教學模式

針對當前傳統課堂教學模式對培養學生對課程的主動學習和舉一反三能力有限，我們結合教育信息化進行SPOC微課和課堂教學結合的教學改革，研究并實施基于SPOC的翻轉課堂教學模式。本次教學模式改革的SPOC課程放置于浙江省高等在線開放課程共享平臺上，可以使用“在浙學”App實現手機上的學習，有知識點視頻、課件習題、在線測試簽到、討論區等功能。SPOC/課堂混融教學模式結構如圖3所示，SPOC/課堂混融教學模式具體的步驟如下：

圖3 SPOC/課堂混融教學模式結構

1.SPOC平臺開放預習慕課視頻，學生針對知識點視頻進行預習，進行淺層學習。

2.教學課堂上，老師強化知識點學習，結合SPOC課程平臺開放測試題作為學生的簽到和在線測試，主要是選擇和填空題。

3.學生在App上進行自行測試，并互動討論涉及的知識點。

4.老師拋出設計好的課堂計算題，讓學生自主計算，并邀請學生進行講解。

5.老師復習課程知識點，就知識點中的重難點進行講解，進行深層學習。

6.布置線下（或線上）作業，學生進行鞏固學習。

SPOC/課堂混融教學模式充分利用了互聯網技術，以啟發式、互動式教學為主，使學生根據學習情況主動汲取知識。知識點視頻采取微課形式，小于15分鐘，提供學生適合的預習和復習資料。較短的時長讓學生不至于枯燥乏味。作者參考南航范欽珊教授的MOOC精品課程，結合本校學生，調整難度錄制相關知識點教學視頻。課程學習過程中，存在課堂知識測試。教師通過線上批改的成績，充分利用“第二課堂”以了解學生的學習狀況，把握課程講解進度。知識點視頻同時配有pdf課件和在線測試題，供學生下載和做筆記。老師則可以在測試題目批改中了解學生的答題情況，可以在課堂上直接對錯誤率較高的題目進行講解。

課后的視頻根據上課時間逐次開放，預習及復習由學生自主安排時間。擴展習題主要提供學生部分課外習題，解答完畢后附帶答案，供學生自主練習，學生可以在課余時間向老師進行提問。

在課程教學模式改革的基礎上，作者對考核模式也進行考核模式的改革。《材料力學》課程以期末考試為主，占70%，平時成績占20%，實驗成績占10%。平時成績的組成如圖3所示，老師將學生的慕課成績、課堂表現和線下作業作為學生的部分平時成績，在開學初直接和學生在課堂上公開，分別占比50%，25%和25%。學習數據統計有視頻學習時長、擴展習題完成率、線上測試兼點名和討論區活躍程度。

線上測試以選擇題測試為主，以填空題為輔。對于選擇題練習，“在浙學”App可以自動批改，對于填空題，教師手動批改，而后“在浙學”App可以統計成績，這些學習數據折合為一定的平時分。在平時，可以實現對每位學生的學習數據有詳細記錄，結合線下作業的批改和課堂的抽點答題，教師一定程度上可以了解學生的學習情況。對于積極學習的學生，還將2分到3分的額外加分作為平時成績的補充分。

三 SPOC/課堂混融教學模式改革實踐結果

在2020年秋季學期和2021年春季學期試行了基于《材料力學》SPOC慕課的課程考核模式改革，選取中國計量大學學生為研究對象。對學生都開放了SPOC慕課資源，2020年秋季學期班級為機械專業學生班級，實驗班級進行SPOC模式翻轉教學，對照班級主要是傳統教學模式，SPOC為學生課外資源，讓學生自主選擇是否學習，相當于MOOC資源。實驗班級31人，對照班級73人。

對比兩班成績時，平時成績帶有一些主觀因素，而期末卷面成績反映學生最終掌握程度。因此，本文以卷面成績做最終數據統計，且剔除了以考代修的重修學生名單，教學數據相對更直觀和真實。

圖4顯示的為傳統教學和混融教學班級的成績對比圖，為兩個班級的期末成績圖。傳統教學對照班級的卷面平均分為55.5分，總體來說其班級成績在不合格段（＜60分）較多，超過60%。這主要是因為《材料力學》是一門有難度的課程，且我校卷面考核難度不低，學生通過傳統教學加課后自主學習，掌握程度并不理想。SPOC/課堂混融教學實驗班級卷面平均分為62.7分，明顯高于傳統授課班級。從卷面成績比例可以看出，卷面低分段（＜50分）比例明顯減少很多，且高分段（＞80分）比例明顯增多。由此可見，SPOC/課堂混融教學模式促進了學生對課程知識的理解和掌握，明顯提高了學生的課程考試成績。

圖4 2020年秋季學期傳統教學和混融教學期末成績卷面分統計圖

2021年春季學期，兩個不同老師都采用SPOC翻轉課堂模式教學，班級為兩個材料專業學生班級，其中班級A有學生33人，班級B有學生26人。2021年春季SPOC課程資源和學生情況統計如表1所示，平均每個知識點視頻為13.4分鐘。學生平均觀看時長為225分鐘，大概占了總知識點時長的62.2%，其主要原因是視頻觀看是教師提倡預習復習使用，有部分學生并沒有落實觀看SPOC視頻。這在以后將添加監管機制，進行相對嚴格的監督。

表1 2021年春季SPOC翻轉課堂統計

班級A和班級B的卷面平均分分別為66.1和63.8，圖5顯示為兩個專業班級的期末卷面成績比例圖，從圖中可以看出，卷面不合格的學生比例分別為39.4%和46.1%，且高分段學生比例均超過了20%。對比往年傳統教學班級成績，兩個班級的大部分學生對《材料力學》基本知識掌握情況更好。對比2020年秋學期機械專業混融班級來說，2021年春學期的學生超低分段（＜50分）比例增加，這可能和部分外學院學生視頻學習觀看不重視有關。2021年春學期的學生高分段（＞80分）比例也增加了，說明了SPOC/課堂混融教學模式在改進優化。相對而言，混融教學班級A效果更好一些，兩個班級的成績分布有一定的差別，這和老師的教學習慣差異有關。

圖5 2021年春季學期材料專業班級期末成績卷面分統計圖

四 結語

與傳統教學相比，SPOC/課堂混融教學模式可以極大地促進學生對《材料力學》課程知識的掌握，明顯提高了學生的課程考試成績。不同教師使用SPOC/課堂混融教學模式效果有一定的差異，值得后期共同探索和實踐改進，以期提高教學質量水平的同時，加強學生的課程學習效果。