翻轉課堂在“大學力學實驗”教學中的實踐與研究

杜 超 趙亞麗 程 鵬 陳園園

(1. 晉中學院 材料科學與工程系,山西 晉中 030600; 2. 山西省輕質材料改性應用協同創新中心,山西 晉中 030600)

“大學力學實驗”是高等工科院校一門重要的涵蓋力學測試、分析等的科學實驗課程,是訓練學生動手能力和科學思維的重要手段,同時也是培養工程技術人才科學素養、創新能力的有效途徑[1]。學生在力學實驗課的學習過程中涉及的知識面廣,接觸的儀器設備多,上好力學實驗課在培養學生科學素質和實驗能力上,特別是發展與科學技術相適應的綜合能力上有著無可替代的重要作用。在國家政策導向及深化高等院校教學工作改革,提高教學質量等指導思想下,工科院校對培養學生實踐能力的創新和改革刻不容緩[2]。

翻轉課堂理論在2000年由學者Lage等提出[3]。該教學模式改變了傳統授課過程中教師的角色,即教師在課堂中由主導作用變為引導作用。同時也對課堂時間進行了重新規劃,即讓學生先借助微課視頻等進行自學,自學過程中伴隨著與教師的互動,而教師在課堂中主要負責答疑和引導,在“翻轉”的過程中除了引導學生學習知識,更要培養學生自主學習的能力,為課堂增添競爭性、趣味性及互動性。“翻轉課堂”的教學模式已在國內取得了較好的效果[4,5]。

作者結合新冠疫情防控背景下我校“大學力學實驗”課程教學中存在的痛點,在教學中開展翻轉課堂教學改革實踐,并將其中涉及的一些問題進行分析研究,為持續改進提供反思性經驗。

1 “大學力學實驗”教學中存在的主要問題

1.1 實踐過程不足

“大學力學實驗”教學中涉及很多實驗原理及設備操作的講解,這些講解過程多為教師重復,因此侵占了學生很多動手操作的時間。工程力學的實驗有材料的拉伸、壓縮、扭轉、彎曲實驗,均要在力學實驗機上完成,操作流程大多為教師親自上陣演示,每次只能保證少數前排同學的聽課效果。力學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講解關鍵步驟,當實驗原理較為復雜時還需結合實驗現象加以額外說明以保證學生理解掌握。因此在有限的課時內,學生動手操作的時間就會大打折扣,很多時候都是學生機械性地重復實驗步驟,缺少了對實驗本身的思考,這對學生動手能力及理論結合工程實例能力的培養極為不利。

1.2 學生積極性不高

實踐類課程的教學重點是實踐能力的培養,也是教師和學生在課堂中關注的重點,而力學實驗教學過程中要花大量時間講解實驗原理才能保證實驗課程內容體系完整,但這部分恰恰是學生們感覺最枯燥的。很多實驗原理比較深奧,課堂上以教師為主導,老師和同學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生的思考和反應時間,導致很多同學似懂非懂地上手實驗。

這樣“流水賬”式的教學過程沒有充分給予同學們表達自己想法和思考的機會,沒有很好地激發學生主動思考并培養創新能力,使大多數學生喪失興趣。一些學生由于自身動手能力弱,站到實驗設備面前還需拿起書本從頭參考實驗相關原理及教程,或請他人代做實驗,學生積極性不高。

1.3 教學內容單一、實驗設備陳舊

力學實驗課程大多是按照傳統的教學內容而設定,這些內容都是“經典”,教師備課授課也主要參照前人經驗,因此多為機械性的重復,而學生也只是按部就班地完成老師給定的任務,不利于發揮學生主動性。教師對于新知識的講授不積極,實驗內容未能引入最新的學科發展成果,學生也不能很好地從教師身上學到新東西,更不能做到實驗理論與當下工程實際相結合。

力學是一門古老的學科,很多工科院校的力學實驗設備都存在年久老化現象,不易翻新維修,導致實驗精度不足,實驗教學效果不理想。而實驗內容的單一又使學校升級設備的意愿不強,一些教師也總抱著讓學生“大概了解”的想法得過且過。

2 翻轉課堂在力學實驗教學中的實施

2.1 制作微課視頻

微課視頻具有目的性強、針對性強的特點,并且時長較短(10 min左右),因此內容要盡可能保持精簡,明確學生的學習目標,提高學習過程的專注度。視頻中要詳細介紹實驗步驟,具有危險性的部分要重點強調,同時要結合相應的力學原理分析實驗現象,拋出一些工程或生活中的衍生問題,引導學生們主動思考。視頻要充分考慮學生的接受能力,明晰教材的邏輯關系,從而構建系統、科學的力學實驗微課體系。

在傳統教學內容的基礎上構建試點實驗,并通過反饋結果及時對實驗內容和形式進行修正和改進,確保教學視頻在盡可能短的時間內,合理分配各知識點,讓學生更好地進行自主學習。

2.2 課前學習交流

在實驗課前應將相應的理論內容在課堂講授,對于一些關鍵的力學特征要提醒同學們注意,在隨后的實驗課中要重點觀察。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,這些內容都要在后續的實驗中得以驗證,讓大家帶著興趣準備實驗課程。

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

通過線上線下結合的交流互動,教師可根據同學們的實時反饋,快速掌握學生學情,或據此相應調整教學方式和實驗內容,提高教學效率。

2.3 課后延伸討論

實驗課程結束后需要填寫完整的實驗報告,教師與學生可以進行在線輔導和討論,將一些共性的問題一次性解答。同學們反饋較多的問題可以在之后的微課視頻中多加闡述,提高視頻質量。教師也可線上布置相關習題作業,引導學生思考工程中的一些實例并結合實驗課內容加以分析。

翻轉課堂的教學模式可以有效提高教學效率,教師可以在完成基礎實驗內容的教學后,結合現有的實驗設備和材料,設計一些創新性實驗,作為對現有傳統實驗內容的補充。教師也可鼓勵同學們自己設計實驗,比如更換實驗材料進行實驗等,看能否對所學理論加以驗證。也可以設計一些小型實驗裝置進行簡單的實驗驗證等。這些實驗內容都能夠利用翻轉課堂實施,教師和學生均可自己設計實驗、制作視頻,只要有好的想法并易于實施,均可在全系進行推廣。這樣可以有效調動同學們的積極性,讓實驗課程更加有趣,也可更好地激發同學們的創造性。

2.4 評價體系

翻轉課堂的教學模式是以學生為中心和主體,教師主要起引導作用,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,還需針對實驗教學過程和課前教學準備建立評價標準,樹立起全新的教學質量觀和科學的翻轉課堂評價體系。

“大學力學實驗”教學翻轉課堂的評價體系應包括課前學習評價、實驗操作評價、實驗報告評價、實驗反思評價四個部分。課前學習評價主要通過評價微課視頻的學習情況來實現,下發視頻后教師要與同學進行實時互動,提出問題讓學生回答。實驗操作評價則要觀察學生在動手實踐過程中的表現,例如原始數據的測量、關鍵數據的采集、整個實驗過程的流暢程度、實驗出現問題后的反應對策、實驗結束后對設備及相關工具的整理等。實驗報告是整個教學過程中主要形成的結果性文件,包括對實驗原理的理解、實驗設備的掌握、實驗數據的處理結果等。實驗反思部分需要考查學生在實驗后的感想以及相應的思考,教師可以設置一些相關的工程案例讓學生分析,學生也可自己舉例說明相應的實驗原理在實際問題中的應用,以及設計創新性實驗等。

3 實施效果分析

實施效果分析中主要采用各類結果對比、問卷調查、現場座談等方式進行數據采集和分析。參與對比的4個班級為復合材料專業2019、2020級各兩班,其中19級采用傳統方式教學,20級采用翻轉課堂模式進行教學。

在各類結果對比中我們發現,采用翻轉課堂教學模式后,學生交回的實驗報告質量得到明顯提升,實驗報告中同學們對實驗原理的理解更為透徹,對實驗數據的采集更為準確真實,以往一些抄襲實驗數據的現象得到有效控制。20級同學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現,通過微課視頻的學習,同學們對實驗操作流程較以往更加熟悉流暢,實驗進度明顯加快。由操作不當引發的實驗失敗、試件浪費、儀器損壞等現象也明顯減少,教學效率得以顯著提高。

通過問卷調查及現場座談的方式調查同學們對采用翻轉課堂教學模式的看法、在學習中遇到的一些問題以及對該教學模式提出的建議等。本次調查針對參與對比的2020級兩個班級,共計79人,回收有效問卷74份。調查結果顯示,有92%的同學對翻轉課堂教學模式的實施表示接受,97%的同學認為實驗操作流程非常實用,大大降低了實驗的上手難度,并且應在以后所有實驗課中進行推廣。這對翻轉課堂在“大學力學實驗”教學中的實施給予充分肯定。8%的同學認為自己觀看微課視頻效果較差,經過座談了解后發現,這部分同學已經習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,自我學習中遇到的問題較多,而多數情況又不便與教師和其他同學溝通討論,只能自己反復觀看,學習效率較低。

從調查結果上看,翻轉課堂的教學模式相較于傳統模式有諸多優勢,多數同學表示接受,但仍有很多因素制約其實施,例如教育理念、課堂紀律、學生基礎、學生性格以及相應的設備條件等,該模式仍需進一步優化。

4 結論

“大學力學實驗”是工科專業一門重要的實踐課程。作者闡述了采用翻轉課堂模式對“大學力學實驗”課程進行教學改革的一些實踐和反思。翻轉課堂教學模式能夠在一定程度上激發學生興趣、提高學生動手能力、提升實驗課教學效率及學生學習效率。教學改革的浪潮也對任課教師提出更高的要求,教師應與時俱進,在專業技能、教學技能、信息化技能方面不斷提升。目前,該教學模式還在起步階段,尤其針對課程的教學設計還在不斷嘗試及優化,這一模式具有較高的使用價值和發展前景。