基于“翻轉課堂”的機械工程材料課程教學綜合改革研究*

伍 堃

(武漢工程大學郵電與信息工程學院，湖北 武漢 430073)

1 機械工程材料課程的特點及問題

機械工程材料課程涉及材料的組織、性能及其應用、熱成形技術、熱加工工藝設計等內容。它是機械類學生重要的綜合性專業基礎課，是引導學生進入專業領域，培養學生具有應用創新能力的綜合訓練課程，在機械類人才的培養中起到非常重要的作用[1]。機械工程材料課程理論性強，概念多[2]。它既沒有數學物理學科的嚴謹的邏輯推導和計算，也不像直觀生動的工程制圖等課程，尤其是材料結構等章節，如晶體結構、晶體原子數、配位數、固溶體、相等這些抽象的理論概念，讓學生感到枯燥、乏味而失去課程學習的興趣和主動性，這些微觀結構無法與金屬材料宏觀性能等后續幾章內容緊密的聯系起來，從而導致學習的脫節甚至達不到對整門課程的融會貫通。在我校以往的課堂教學中調查發現，大多數學生在學習時感覺知識零亂、知識點之間缺乏邏輯性。進而形成剛上課還能跟得上，課程進行中就有一部分學生掉隊，期末部分學生考核不及格的不良教學效果。分析原因除課程性質外，還有部分學生缺乏自我約束力、沒有自學能力、實踐教學效果不良等。

課堂是學生學習知識的重要場地，教學效果直接影響著學生掌握本領的情況。隨著移動網絡和終端的迅速發展，網絡技術和大數據使得人類知識的建構、控制及獲取的方式正在發生巨大的變化[3]。高等工程教育越來越關注學生工程實踐能力的培養，它要求大學教育培養出來的學生除了掌握傳統的技術能力外，還應具備較好的綜合素質、較強的社會責任感以及良好的職業品德等其它能力。顯然傳統的教學方式已無法滿足這一要求，因此提高高等工程教育課堂的教學質量是決定高校學生工程實踐能力培養的主要因素。因此，機械工程材料課程亟待打破原有的傳統教學模式，進而實行一次深度的綜合改革，顯得尤為重要。

2 基于翻轉課堂的機械工程材料課程

2.1 翻轉課堂(Flipped Classroom)的發展

翻轉課堂起源2007年美國林地公園的一位高中化學教師，他為學生錄制了可供在家里觀看的視頻。翻轉課堂的本質其實就是指老師事先準備好包括音頻、視頻、電子書等在內的一些教學資料，在上課前將這些數字材料分享給學生，這樣學生在課前可以完成自主預習工作。課堂上的時間留給學生和老師進行互動，老師為學生答疑解惑探索或拓展新問題，并完成課堂練習。2011年翻轉課堂的熱潮波及國內，由廣州市珠海區第五中學和重慶市江津區聚奎中學率先開展翻轉課堂實驗，此后，便如雨后春筍般在中國大地層出不窮[4]。借助于網絡技術的快速發展，隨著Coursera、Udacity、edX 、“學堂在線”等慕課平臺迅速興起翻轉課堂的建設和研究已成為國內外在線教育的熱點，有了這些平臺方便學生更廣泛地去學習或者比較不同來源的同種課程。傳統的課堂是以教師為中心的課堂模式，學生處于被動接受的位置，課堂只強調知識的傳授而忽略了實踐能力的培養。而翻轉課堂的產生真正實現了讓學生為主導，老師為輔、重在引領的教學，正如“授人以魚，不如授之以漁”，使學生在輕松愉快的氛圍中實現素質的升華。

2.2 機械工程材料翻轉課堂的實施方法

2.2.1 實施翻轉課堂的必要性

目前在我校的培養方案中機械工程材料課程占28學時，但涵蓋內容較多包括材料結構、金屬學原理、熱處理改性、金屬材料以及機械零部件選材及工藝路線設計等多門學科的專業知識，通過翻轉課堂教學模式教師在課堂上利用現代化的教學手段合理安排課堂授課內容，突出學習重點，拓寬學生的知識面，從而解決課時不足和學生知識學習內容增多的矛盾，同時使學生了解到機械工程材料領域的前沿發展動向。另外通過課下學生之間交流與課堂上師生的互動交流，既鍛煉了學生的表達能力，又對其學習起到督促作用，有助于大多數學生學習成績的提高；鼓勵學生發現問題，解決問題，有利于培養學生的自主學習能力。翻轉課堂教學模式與理論課程的有機結合有利于應用型人才的培養：多媒體、計算機、互聯網等信息技術的支持讓信息的傳遞越來越迅速和便捷，更加有助于學生對課程知識的提前了解和獲得，課堂上則側重于學生對知識點的消化和吸收。

2.2.2 具體實施方法

以機械與電氣工程系2020級機制2班本課程教學為例，將全班27個同學分為4個小組，課堂上學生以小組為單位參加討論、實驗、項目訓練等，通過自己動手增加參與感，學生由聆聽的觀眾變為身臨其境的實踐者。教師利用智慧教室共享資源，采用翻轉課堂的PBL反問式教學法吸引學生注意力，活躍課堂氣氛，鼓勵學生動腦，激發學生的求知欲，使學生加深對知識點的印象并提高記憶力。老師由以往的演講者變成了統領全局的“旁觀者”。

總結說來就是：“一條自學線、一條指導線、一個指揮手段，和一把解難鑰匙”。這樣充分激發學生學習機械工程材料這門課程的積極性與創造性，讓學生的工程實踐能力和交流、協作能力都得到了很好的鍛煉[5]。

3 綜合教學改革模式的實施

3.1 “課內+課外”一體化教學模式

改革形式：在課程融合、精簡課內講授學時的基礎上(在現有基礎上減少20%～50%)，合理設置課外學時(按課內學時的0.5～2倍)。

具體做法：該課程2017年在我校首次進行了教學研究改革——實施了《基于翻轉課堂的機械工程材料課程教學改革與研究》。以學院機械制造及其自動化專業為例，本課程在2020年綜合教學改革中進一步提出了修訂其專業培養方案，將其課內學時減少20%，由以往的28個學時縮減至22學時，同時增加14個課外學時：由教師在開課前將數字材料(音視頻、電子教材等)分發給學生，學生按照老師給定的教學計劃預先自主學習相關內容，完成對課程的了解；而課堂時間留給學生與老師溝通，包括教師為學生答疑解惑布置課堂作業等。通過這種課內+課外相結合的形式將教學中心由老師逐漸變成了學生，打破了傳統課堂教學模式中存在的課時少、理論性強、學生難消化等問題，并取得了初步的成效和良好的效果。

3.2 “線上+線下”教學改革

改革形式：將教學內容和過程“網絡化”，開發具有校本特色的線上課程[6]。引進或使用現有網絡教學資源輔助課程教學，督導學生在線上觀看學習，教師在課堂內組織輔導、討論、答疑及專題講座等。

具體做法：從2019年開始，為了抗擊疫情保證“停課不停學”，我們利用優學院平臺組織教學，引進該課程具有一定影響力的國家級精品課程教學視頻以及現有網絡教學資源輔助課程教學，指導和管理學生進行自主學習。疫情過后結合線下教學，實施課程“線上+線下”教學模式改革。

3.3 “課堂+現場”教學改革

改革形式：將實踐類專業課程在課堂講授相關理論部分的同時或之后，在實際生產、工作現場或院內外實習實訓基地進行現場教學。現場教學學時不少于課程總學時的15%。

具體做法：實踐課程以課堂2學時+現場4學時相結合。突出學習重點，拓寬學生的知識面，使學生在學好課本理論知識的同時，結合實際，了解到機械工程材料領域的應用以及前沿發展動向，為更好的選擇材料合理應用打基礎。

3.4 “平時+期末”教學改革

改革形式：增加平時考核比重和次數，采取形式多樣的考核方式。

具體做法：將平時考核所占的分數比重由原有的30%提高至50%，注重學生平時表現包括教學互動，小組合作，實踐操作，作業完成情況以及考勤記錄等，適當減少期末考試成績所占比例，實現全程跟進考查學生的學習情況。

4 綜合改革達到的效果

圖1 2016-2020年機械工程材料課程教學指標統計Fig.1 Teaching index of Mechanical Engineering Materials from 2016 to 2020

圖1考查了本課程近5年來反映教學效果的三項指標：學生到課率、期末卷面平均成績與期望分差值以及綜合成績及格率。對比發現，2017年相比2016年增幅不明顯，2018年開始

有了質的飛躍，特別是期末卷面平均成績與期望分值不再為負數，教師實現了教學的統籌和可控；經過2018年翻轉課堂的實施以及2020年綜合課程改革的加入，至2020年底經統計學生的到課率達到了95.6%，綜合及格率達到了96%，相比改革前的2017年分別增長了7.3%和7.6%；而相比最初的2016年則分別增長了8.1%和8.9%。從學生平時表現來看，課堂教學過程中大部分學生與老師積極互動，體現出較好的學習熱情和主動性，課后作業批改的情況來看，完成率和正確率比較好，反映了學生能及時掌握課程的重難點內容并合理應用，學生接收知識的能力得到了較好的體現。從學生評價體系來看，期末評教反映良好，教師評教排名近三年呈現遞增趨勢。

5 結 語

以上四種模式綜合改革的有效結合優化了課堂教學模式、減輕了學生過重的課業負擔，進一步強化了教學管理水平，提升了教學質量。對學生獲益形式：能充分發揮出每個學生的主觀能動性，有利于學生實踐技能的提升；有利于培養學生勇于探索的精神，有利于培養學生團隊協作能力；有利于課程教學改革的成效的展示?？偟膩碚f它為培養多方面應用型人才提供了基礎，為推進現代信息技術與高等院校工科類課程的深度融合提供了參考，改革縮小了高等工程教育的教學現狀與社會需求之間存在的差距。