SPOC+翻转课堂混融教学在《材料力学》课程中的探索

2021-03-27朱晨琳钱丽娟于明州张继成

教育现代化 2021年103期

朱晨琳，钱丽娟，于明州，张继成

（中国计量大学机电工程学院，浙江杭州）

一教学现状

《材料力学》是典型的工科专业基础课，是土木、力学、机械等专业的专业核心课程之一。对于机械类专业，如图1所示，《材料力学》以高等数学和理论力学为基础，是机械设计等课程的前置课程，侧重于从实验中提炼基本规律，建立简单变形力学规律，逻辑推演并数学分析杆件相关的强度问题。《材料力学》与机械设计直接相关，螺栓、齿轮、蜗轮蜗杆、轴等机械零件的设计问题，都需考虑其材料强度相关的问题。

图1 《材料力学》课程关系图

（一）《材料力学》教学现状

目前《材料力学》主流教学模式为传统的线下教学，即教师传统授课方式：教师在课堂授课，学生听课学习后，看书并进行作业练习，学习相关的知识。老师和学生面对面地传授知识、分析解题，直接培养学生规范性和逻辑性十分有效，可以照顾到大部分学生。然而，《材料力学》作为一门力学类课程，具有理论性强、数学逻辑性强和技巧要求性高的特点，是一门相对困难的课程。在各大高校中，一致存在部分学生数学基础相对薄弱，会存在跟不上的局面。《材料力学》是大二上学期学习的最重要的课程之一，掌握材料力学相关的基本知识，对本科后续课程学习至关重要。问题日积月累，最终将造成相关课程学习及其困难。学生容易自暴自弃，难以完成大学的学习任务。

基于网络和移动智能等信息媒体技术，在线慕课为高校学生提供了一种崭新的学习模式[1]，参与学习的学生可以是在校学生也可以是社会人士。在课堂时间外，学生可以根据自己的情况，自行安排在线学习的时间，没有时空限制。在近两年的新冠病毒肺炎疫情中，教育部专门发出了《关于疫情防控期间以信息化支持教育教学工作的通知》，在线教学得到了大力发展，在线教学和在线慕课极大帮助了疫情期间的学生进行正常的学习，学生也可以得到对应的学分认证。在线教学和慕课的到来为我们大学的课程教学提供了巨大的帮助。

（二）在线慕课和翻转课堂

主流慕课目前可以分为两种，一种是大规模在线开放的MOOC慕课，另一种是建立自己的班级的SPOC（small private open class）。2021年美国Udacity、Coursera、edX相继成立，很快成为最有影响力的慕课平台供应商。MOOC课程一般由名校老师制作，2013年国内北大、清华加入edX，随后上交、复旦、同济等“985”高校也陆续加入慕课的三大平台。MOOC课程为学生提供了优质的课余学习机会，同时也给老师提供了良好的同行交流平台。然而，MOOC公共课程存在一定的缺点，即缺乏课程对学生的监管弱且缺乏师生互动，学生的学习没有相关老师提醒督促，学生的学习情况评估机制并不完善。这导致MOOC课程虽然学生注册率高，但是存在大量学生没有进行有效的学习[2]。国内在疫情期间，各高校进行了在线的教学，其模式就类似于MOOC课程教学，学习过程主要是被动型“观看”占主导，容易产生注意疲劳和注意涣散。返校课堂教学后，教师发现相当一部分学生在网络上课时期对知识的掌握程度并不好，大学生在家自主在线学习的效果相对较差，课堂质量并不能得到很好的保证。邓宏钟等人[1]提出慕课存在几个重要的挑战：诚信问题、课堂质量保证问题和评估机制和标准问题等，需要进行相应的教学模式改革。

SPOC是小规模（几十人到数百人）限制性的在线课程，只有目标申请者才纳入SPOC课程中，一般由学校教师负责监督在线课程的学习进度。随着互联网技术的发展，近几年国内部分高校的SPOC在线课程逐渐由学校自发组织录制，主要服务于本校师生，针对性更好。罗尔夫·罗夫曼称SPOC课程是教室教学和MOOC课程的结合，SPOC课程针对所在班级的课程教材，采用MOOC的讲座视频形式进行在线教学，学生可以观看讲座视频、完成指定的课程作业、参加在线讨论等[3]。翻转课堂的教学改革实践，是信息化建设与课堂教学结合的有益尝试。翻转课堂起源于美国，2000年迈阿密大学首先将翻转课堂模式应用于《经济学导论》课程中[4]。国内已有部分高校开展了《理论力学》[5]和《材料力学》[6]等力学课程的SPOC课程，取得了不错的成果。实践者们[7-8]对比了传统教学与SPOC两个班级的学生成绩，传统教学班级的学生成绩呈正态分布，SPOC班级的学生成绩呈偏态分布，SPOC班级的学生成绩更好。翻转课堂针对知识传授和知识内化的颠倒安排[9]，让学生在课堂前对开放的预习知识点视频进行预习，教师则在课堂上复习知识的同时，抛出设计好的问题，然后让学生进行求解和讨论，并引导学生上台解答问题，给学生机会，老师也能在课堂上更好地了解学生，提高学生的学习效果和成绩。

本文依托浙江省高等在线开放课程共享平台，针对本校教材搭建《材料力学》SPOC网络课堂，具备互联网开放的特点。作者结合网络课堂和学校课堂，探索了一种将传统课堂、在线课堂和翻转课堂相结合的混合式《材料力学》教学方法，并进行了为期两届的教学改进，取得了良好的教学成效。

二 SPOC/课堂混融教学模式在《材料力学》中的教学实践

（一）二维知识表与知识点碎片化

《材料力学》是工科类基础核心课程，技巧性相对理论力学略显薄弱。《材料力学》本身的内容比较繁杂，记忆性的知识点相对较多，但其知识点的系统性和连贯性非常好，如图2所示。在生活实际力学问题中，通过观察四种基本变形，提炼出材料强度问题的准则，并拓展到组合变形内容，让学生可以循序渐进地了解材料力学相关知识点。材料力学可以认为有两条主线，为变形形式主线和研究的问题主线[10]，通过这两个主线去分解材料力学的知识点，可以组成一张二维的知识表。横向表头为四个基本变形和主要的组合变形，纵向表头则由材料力学主要研究的主要问题分为强度问题、刚度问题、稳定性问题和专题问题。让学生清楚课程内容的安排及整个课程的共性问题是什么，有助于学生加强对课程知识点的自主总结及记忆。

图2 《材料力学》知识点总结

深入学习《材料力学》的知识体系，《材料力学》知识表的每个表格内容还需进行知识点碎片化，如强度问题按外力、内力、应力及强度准则细化，刚度问题按变形计算和刚度条件细化，稳定性问题主要涉及压杆稳定问题。学生可以学习各大研究问题中的每个具体知识点，便于做到对所学内容的熟练掌握。

（二） SPOC+翻转课堂——混合式教学模式

针对当前传统课堂教学模式对培养学生对课程的主动学习和举一反三能力有限，我们结合教育信息化进行SPOC微课和课堂教学结合的教学改革，研究并实施基于SPOC的翻转课堂教学模式。本次教学模式改革的SPOC课程放置于浙江省高等在线开放课程共享平台上，可以使用“在浙学”App实现手机上的学习，有知识点视频、课件习题、在线测试签到、讨论区等功能。SPOC/课堂混融教学模式结构如图3所示，SPOC/课堂混融教学模式具体的步骤如下：

图3 SPOC/课堂混融教学模式结构

1.SPOC平台开放预习慕课视频，学生针对知识点视频进行预习，进行浅层学习。

2.教学课堂上，老师强化知识点学习，结合SPOC课程平台开放测试题作为学生的签到和在线测试，主要是选择和填空题。

3.学生在App上进行自行测试，并互动讨论涉及的知识点。

4.老师抛出设计好的课堂计算题，让学生自主计算，并邀请学生进行讲解。

5.老师复习课程知识点，就知识点中的重难点进行讲解，进行深层学习。

6.布置线下（或线上）作业，学生进行巩固学习。

SPOC/课堂混融教学模式充分利用了互联网技术，以启发式、互动式教学为主，使学生根据学习情况主动汲取知识。知识点视频采取微课形式，小于15分钟，提供学生适合的预习和复习资料。较短的时长让学生不至于枯燥乏味。作者参考南航范钦珊教授的MOOC精品课程，结合本校学生，调整难度录制相关知识点教学视频。课程学习过程中，存在课堂知识测试。教师通过线上批改的成绩，充分利用“第二课堂”以了解学生的学习状况，把握课程讲解进度。知识点视频同时配有pdf课件和在线测试题，供学生下载和做笔记。老师则可以在测试题目批改中了解学生的答题情况，可以在课堂上直接对错误率较高的题目进行讲解。

课后的视频根据上课时间逐次开放，预习及复习由学生自主安排时间。扩展习题主要提供学生部分课外习题，解答完毕后附带答案，供学生自主练习，学生可以在课余时间向老师进行提问。

在课程教学模式改革的基础上，作者对考核模式也进行考核模式的改革。《材料力学》课程以期末考试为主，占70%，平时成绩占20%，实验成绩占10%。平时成绩的组成如图3所示，老师将学生的慕课成绩、课堂表现和线下作业作为学生的部分平时成绩，在开学初直接和学生在课堂上公开，分别占比50%，25%和25%。学习数据统计有视频学习时长、扩展习题完成率、线上测试兼点名和讨论区活跃程度。

线上测试以选择题测试为主，以填空题为辅。对于选择题练习，“在浙学”App可以自动批改，对于填空题，教师手动批改，而后“在浙学”App可以统计成绩，这些学习数据折合为一定的平时分。在平时，可以实现对每位学生的学习数据有详细记录，结合线下作业的批改和课堂的抽点答题，教师一定程度上可以了解学生的学习情况。对于积极学习的学生，还将2分到3分的额外加分作为平时成绩的补充分。

三 SPOC/课堂混融教学模式改革实践结果

在2020年秋季学期和2021年春季学期试行了基于《材料力学》SPOC慕课的课程考核模式改革，选取中国计量大学学生为研究对象。对学生都开放了SPOC慕课资源，2020年秋季学期班级为机械专业学生班级，实验班级进行SPOC模式翻转教学，对照班级主要是传统教学模式，SPOC为学生课外资源，让学生自主选择是否学习，相当于MOOC资源。实验班级31人，对照班级73人。

对比两班成绩时，平时成绩带有一些主观因素，而期末卷面成绩反映学生最终掌握程度。因此，本文以卷面成绩做最终数据统计，且剔除了以考代修的重修学生名单，教学数据相对更直观和真实。

图4显示的为传统教学和混融教学班级的成绩对比图，为两个班级的期末成绩图。传统教学对照班级的卷面平均分为55.5分，总体来说其班级成绩在不合格段（＜60分）较多，超过60%。这主要是因为《材料力学》是一门有难度的课程，且我校卷面考核难度不低，学生通过传统教学加课后自主学习，掌握程度并不理想。SPOC/课堂混融教学实验班级卷面平均分为62.7分，明显高于传统授课班级。从卷面成绩比例可以看出，卷面低分段（＜50分）比例明显减少很多，且高分段（＞80分）比例明显增多。由此可见，SPOC/课堂混融教学模式促进了学生对课程知识的理解和掌握，明显提高了学生的课程考试成绩。

图4 2020年秋季学期传统教学和混融教学期末成绩卷面分统计图

2021年春季学期，两个不同老师都采用SPOC翻转课堂模式教学，班级为两个材料专业学生班级，其中班级A有学生33人，班级B有学生26人。2021年春季SPOC课程资源和学生情况统计如表1所示，平均每个知识点视频为13.4分钟。学生平均观看时长为225分钟，大概占了总知识点时长的62.2%，其主要原因是视频观看是教师提倡预习复习使用，有部分学生并没有落实观看SPOC视频。这在以后将添加监管机制，进行相对严格的监督。

表1 2021年春季SPOC翻转课堂统计

班级A和班级B的卷面平均分分别为66.1和63.8，图5显示为两个专业班级的期末卷面成绩比例图，从图中可以看出，卷面不合格的学生比例分别为39.4%和46.1%，且高分段学生比例均超过了20%。对比往年传统教学班级成绩，两个班级的大部分学生对《材料力学》基本知识掌握情况更好。对比2020年秋学期机械专业混融班级来说，2021年春学期的学生超低分段（＜50分）比例增加，这可能和部分外学院学生视频学习观看不重视有关。2021年春学期的学生高分段（＞80分）比例也增加了，说明了SPOC/课堂混融教学模式在改进优化。相对而言，混融教学班级A效果更好一些，两个班级的成绩分布有一定的差别，这和老师的教学习惯差异有关。