以翻转课堂教学促进工程知识建构

陶平 侯宇 孙瑛 熊禾根

[摘 要]工程知识属于非良性领域的复杂知识，其建构属于渐进式的知识内化，即需要多次的、逐步的实现。翻转课堂通过教学流程的变革，促使知识的内化优化。在翻转课堂教学中，学生课前以工程问题为导向，开展自主学习；课堂上以工程案例分析为主线，深入工程问题进行探究，参与讨论教学；课后强化工程项目训练，促使知识实现向能力的迁移。这一教学流程有利于增加知识内化的次数，降低知识内化的难度，促使学生多次内化知识，从而实现对工程知识的有效建构。

[关键词]翻转课堂；工程知识；建构主义；教学研究

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）11-0079-03

○、前言

工程教育的主要目标就是培養学生能够深入运用各种工程知识分析和解决复杂工程问题的能力。这些工程知识包括工程原理、工程技能、工程设计及工程实践能力方面的知识[1]。工科学生对工程知识的学习建构即将现有的工程知识内化为自身的知识体系是一个非常重要的过程。如何帮助学生有效地实现工程知识建构，建立个体化的工程知识体系，是我们教育工作者需要认真思考的问题。

建构主义学习理论认为学习过程是在已有的经验、知识基础上，通过实践活动来建构个体知识的过程，即知识是通过学习者自己建构的[2]。传统的课堂教学是以教师为中心，知识单向、单一传递为主的“灌输式”教学模式，这种方式缺乏师生互动、讨论交流，影响了学生自我思维的形成，学生对学习缺乏主动性和积极性，从而限制了学生对知识的主动建构。

现代网络技术的发展，使工程教育进入了一个新时代，翻转课堂、微课、慕课等各种新的教学模式纷纷涌现，促进了课堂教学的改革。在翻转课堂中，学生在参与活动中通过完成真实的任务来建构知识，有效地实现了以学生为中心的转变。

一、翻转课堂与知识内化

翻转课堂是学生在课外观看教学视频来代替教师的课内讲授，自我完成知识学习，然后在课堂上与教师、同学进行讨论、交流、合作、答疑，完成作业和知识内化的一种教学形态[3]。翻转课堂将知识传授由课堂讲课提前到课前自学，彻底颠覆了传统教学中学生“课内接受知识、课后内化知识”的教学模式，改变了单一的传递式教学方式及传统教学中的师生角色，实现了对传统教学模式的革新。

翻转课堂中，学生课前观看教师预先录制好的教学视频，开展自主学习，实现对知识的初步建构，课堂上在教师的指导讲解下，通过课堂讨论实现对知识的内化。这符合建构主义所倡导的“学习是学习者在一定的情境下，借助他人的帮助和必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得……（是）通过人之间的协作活动而实现的意义建构过程”[4]。

知识内化方式有同化式的知识内化、顺应式的知识内化和渐进式的知识内化[5]。工程知识属于非良性领域的复杂知识[6]，其建构属于渐进式的知识内化，即需要多次地、逐步地实现。

翻转课堂通过教学流程翻转，将知识内化提前，增加知识内化的次数，降低知识内化的难度，促进学习者对知识的多次、逐步建构。翻转课堂中的知识内化过程主要经历以下几个环节 [5]：问题引导环节，即教师首先提出一些与新知识有关的“热身”问题，将相对应的教学视频发给学生。视频观看环节，这个环节是关键环节，也是第一次知识内化。问题解决环节，教师针对学生难以掌握的问题，通过与学生在课堂上讨论、互动，使这些问题得到解决，这个过程属于第二次知识内化。课后应用环节，即学生课后通过工程实践训练实现第三次知识内化。

二、在翻转课堂中建构工程知识

工程知识来源于工程实践，是关于工程原理与规律、技能和能力等方面的知识[6]。工程知识贯穿于工科的专业课程学习中，它具有如下特点：综合性强、形式多样、涉及学科面广、实践性强，属于非良性领域的复杂知识，需要多次反复、逐步建构。

根据翻转课堂的内涵[7-8]及建构主义学习理论，为实现工程知识的建构，采用以问题驱动的翻转课堂教学，如图1所示。该教学模型主要由三部分组成：一是以工程问题引导的课前自学，二是强化工程案例分析的课堂讨论，三是以工程项目训练为主的课后应用。

学生在课前通过教学视频并借助网络上的同类精品视频课、慕课、公开课等进行自主学习，通过自学指南把握知识脉络、重点与难点，从不同角度建构知识。课堂上教师与学生互动，开展答疑解惑、课堂讨论、成果展示、评价反馈等一系列协作交流，不断扩展和创造深度的知识，促使学生加深对知识的理解。课后积极开展项目训练、工程设计等实践活动，通过知识的熟练应用促进知识内化。

由以上流程可见，翻转课堂通过“反转”教学，变革了传统的教学流程，通过“问题引导—课前自学—协作交流—实践应用”的流程帮助学生多次内化知识，实现了知识的内化优化。尤其对于那些比较抽象的、复杂的、非良性领域的、无法自发建立的工程知识，经过课前自学、课中交流、课后实践多次内化，不断得到修正、完善、提升，最终被学生掌握。下面我们结合机械工程专业方面的工程知识教学，谈谈如何利用翻转课堂促进工程知识的有效建构。

（一）以工程问题引导，促进第一次内化

工程知识属于非良性领域的复杂知识，学生刚学习时觉得难度较大，因此课前视频应采用相关的工程问题引导学生进行学习，促使学生认识到工程知识在分析解决工程问题中的重要性和巨大作用，从而激发学习兴趣，促进工程知识的首次内化。

在机械设计教学中，既要学习机械的工作原理又要学习机械的各种通用零部件的设计理论和设计方法，涉及大量机械工程专业的工程知识，如各类机械零部件的设计准则、设计规范、设计方法等[9]。学生如果仅仅按照这些知识点的字面意思来学习，会有一种陌生、枯燥、抽象的感觉，难以理解。工程知识来源于工程实践，具有强烈的工程背景[6]，因此学生课前在网上课堂自主学习时，应以工程问题为导引，基于工程问题的需求来学习相关的知识，实现知识的初步内化。

如何以工程问题为导引呢？首先建立工程问题库，如机械工程问题库，通过数据库技术和互联网技术综合应用，将这些工程问题融入网上课堂教学中，由工程问题引导学生去学习有关的工程知识。例如：如何将散装的盐包装成家用的一袋袋盐，这类包装机械如何运动和工作？洗衣机如何运动来洗涤衣物？从运动角度来看洗衣机由哪些机构组成？各机构由哪些构件组成？各构件之间如何连接？有哪些运动副？从工作能力方面来看洗衣机由哪些机械零部件组成？各零部件的主要失效形式是怎样的？各零部件有什么作用？这样就通过问题引出了相关的工程知识点（机构、构件、零件、运动副、失效形式、工作能力等），学生带着问题在网上课堂学习，并且充分利用网上资源观看包装机械的工作视频，加强对知识点的理解和内化。

（二）强化工程案例分析，促进工程知识的二次内化

工程知识与工程背景密切相关，它是从现实工程物和现实工程活动提炼、抽象出来；工程知识的学习必须要不断关联工程背景，这种关联可以通过工程案例教学来实现。教师可以从工程实际中寻找一些与工程知识点相关的工程实例作为案例引入课堂教学，组织学生分小组对具体工程案例进行分析探讨，消化抽象的理论知识，促进工程知识的二次内化。

在课堂教学中，教师以工程案例分析讨论为主线，发现学生自学中存在的问题，讲解知识的重点和难点，并解答学生在自学中发现的问题。比如在机械设计课程教学中要学习轴类零件的设计，由于学生在课前已对轴的相关知识点进行了学习，因此在课堂讨论时就可以围绕包装机这个工程案例展开分析讨论：包装机有哪些轴？哪些是心轴、传动轴、转轴？失效形式有哪些？如何确定轴的结构尺寸？轴设计的思路是怎样的？在教师指导下，学生以学习小组形式完成案例分析工作，并写出一定量的工程案例分析报告，教师对工程案例分析报告进行批阅，从而发现学生对工程知识掌握的不足，下次课再重点点评。

（三）加强课后的工程项目训练，促使知识实现向能力的迁移

工程知识的建构过程是一个逐步升华的过程[6]，通过工程知识的逐步建构最终实现工程能力的培养。因此必须加强课外项目训练，在实践中促使学生主动地去感悟和建构工程知识，逐步培养自身的工程设计能力和工程素养。

1.根据某类课程工程知识的学习要求来开展项目设计训练

学生在专业基础课或专业课学习过程中，通过一个综合性的设计项目，将与此门课程有关的技能点、知识点串联起来，在边做边学的过程中完成综合项目训练[10]。比如机械设计教学可以工程案例为设计项目，推动学生课程单元工程知识学习和建构的实现。

2.针对某专业工程知识的学习来开展项目训练

结合具体专业的培养目标和培养要求，选择知识综合性强或者具有学科交叉特点的项目，可以是实际应用型课题，比如从企业搜集来的真实研发项目，也可以是研究型课题，如教师在研的项目。这类项目由于训练内容多、难度较大，对学生学习能力要求高，可以先组织优秀学生如卓越工程师班的学生来实施。

3.开展各类专业能力系列竞赛

组织开展主要以专业大赛设计以及综合性强的学科交叉类项目来进行的机械装置测绘竞赛、工程制图（手工及电子绘图）竞赛、机械产品数字化设计大赛、工程训练综合能力竞赛、三维数字化创新设计大赛、机构学竞赛、工业设计大赛、大学生课外学术科技作品竞赛、机械创新设计大赛等，目的是培养学生的专业综合素质和工程创新能力。

工程知识来源于工程实践活动，是人们在不断解决工程问题的过程中逐步获得的，因此无论采用何种教学形式，工程知识建构都应该围绕工程问题来开展。比如在机械设计教学中，主要学习机械产品设计方面的知识，目的是培养学生机械产品的设计能力。因此总目标是机械产品的设计问题，进一步分解就包括机械的运动问题，机械零部件的强度、刚度、精度、耐磨性等问题，围绕这些问题的解决就涉及数学、物理、力学、材料科学等多学科的知识综合，学习新的工程知识过程是对前期所学知识的综合应用过程。学生采用多学科知识对新的工程问题进行分析和解决，实现对新的工程知识的内化，从而建构新的工程知识认知图式。

信息化技术的快速发展，网络开放课程的兴起，为翻转课堂的教学提供了技术环境和丰富的教学资源，我们要充分利用网上的教学资源。学生在课前自学过程中不光要看老师给的教学视频，还要借助网上的同类精品视频课、慕课、公开课等课程学习资源，加深对知识点的理解；建立课程学习讨论群来开展学习问题讨论，实现课堂集体讨论与课下个体交流相结合；在讨论过程中，结合工程案例对课程里的碎片化知识进行前后贯穿和归纳总结，让学生形成系统化的认知，建立个性化的知识体系，完成知识的内化。

三、结语

随着互联网技术的发展，网上丰富的教学资源和全方位的网络交互平台为翻转课堂提供了良好的教学环境。“互联网 +”教学时代已经来临，翻转课堂将进一步发展成为 “在线开放课程”与“课堂教学”相结合的混合式教学模式。在新的教学模式下，如何帮助学生根据个人需要和兴趣来选择学习的内容，有效地整合信息与知识碎片，实现知识内化，构建个性化的知识结构，还有许多值得我们探讨的问题。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 林健.如何理解和解决复杂工程问题：基于《华盛顿协议》的界定和要求[J].高等工程教育研究，2016（5）：17-26+38.

[2] 謝逢春.建构主义与工科基础理论课教学研究[J].高等工程教育研究，2010（4）：151-155.

[3] 郭绍青，杨滨.高校微课“趋同进化”教学设计促进翻转课堂教学策略研究[J].中国电化教育，2014（4）：98-103.

[4] 何克抗.从“翻转课堂”的本质，看“翻转课堂”在我国的未来发展[J].电化教育研究，2014（7）：5-16.

[5] 赵兴龙.翻转课堂中知识内化过程及教学模式设计[J].现代远程教育研究，2014（2）：55-61.

[6] 陶平，侯守.工程知识的建构及其教学研究[J].高等工程教育研究，2016（6）：122-125+143.

[7] 苏小红，王甜甜，张羽，等.基于大班翻转课堂的混合教学模式探索与实践[J].中国大学教学，2017（7）：54-62.

[8] 钟晓流，宋述强，焦丽珍.信息化环境中基于翻转课堂理念的教学设计研究[J].开放教育研究，2013（1）：58-64.

[9] 陶平，孙瑛，熊禾根.机械设计教学中的工程知识学习[J].中国冶金教育，2015（2）：35-37.

[10] 陶平，汤渤，孙瑛，等.以项目教学促进工程知识的建构 [C]//《机械设计》杂志社.2016年第十五届全国机械设计教学研讨会论文集，2016：50-54.

[责任编辑：庞丹丹]