少学时工程力学翻转课堂教学模式应用实践

田管凤 武静 彭云

[关键词]新工科教育;翻转课堂;教学理念;教学流程

2017年2月，高等工程教育发展战略研讨会在复旦大学召开，对新工科内涵特征、新工科建设与发展路径达成共识[1]，标志着新工科建设将成为工程教育改革的前进方向。工程力学作为环境工程专业基础课程，肩负着新工科改革和课程思政改革的重要任务。目前新时期下，环境工程学科发展所需设计能力和创新思维的培养对工程力学课程教学提出了更高更迫切的要求。力学作为工科基础学科，同时兼备了科学、数学和技术三方面属性。对力学科学的深刻理解，是理论创新的源泉;敢于探索， 堅持不懈，是实现技术创新的灵魂[2]。工程力学是工科学科关键必修课程之一。然而，在大学课程总学时日益缩减的背景下，工程力学课程的总学时数由48减少到42，其中包括6学时材料力学实验要求。工程力学基础理论比较复杂抽象，学生对知识点的理解消化及分析应用，都有一定的难度，需要占用的学习时间较长，从而导致学生的学习兴趣和积极性普遍不高。此外，学生选修科目增加，各类课外活动较多，碎片化时间多了，能够静下心来长时间专心学习的时间少了。

如何才能够有效地协调教与学之间存在的这些矛盾呢？翻转课堂模式的应用提供了合适的解决办法，可通过网络信息化平台，督促学生在线学习，充分利用课堂教学时间进行讨论扩展，以学生和教师都易于接受的方式，更好地实现教学目标。分析工程力学教改研究现状，致力于教学模式改革也有着不同的方向，有基于慕课或SPOC的翻转课堂教学模式[3-4]，有课程诊断模式[5]，也有混合式教学模式[6]。虽然具体的结构形式不同，但总体框架流程都有相近之处，都有各自的优势和适合的专业方向。本文主要针对少学时环境工程专业课程目标、新工科学习要求的教学改革探索，提出构建工程力学翻转课堂模式的教学体系，包括教学理念、资源建设、教学流程等主要方面。教学实践验证了该模式对提高教学质量的显著效果。

一、少学时工程力学翻转课堂教学模式的教学理念

翻转课堂模式的基本特征在于：以学生为中心，教师为主导。教师对教学内容精细设计，引导学生自主学习，使学生的能力最大化发展。通过线上线下混合式教学，灵活的学习环境更加有益于激发学生的学习兴趣，从而有助于实现高阶层的学习任务和多重能力的培养目标[7]。针对少学时工程力学课程性质，基于培养目标和教学要求，翻转课堂教学模式还需要体现出以下三方面特殊性。

首先，在目前新工科背景下，高校培养人才需要兼具学科专业精深和学科交叉融合两方面特征，不仅要有应用知识初步解决问题的能力，还要有更深入的新技术学习能力以提高解决未来问题的能力[8]。因此，适应新工科人才培养要求，工程力学课程应以培养学生的力学思维和创新能力为核心目标[9]，以知识理论、应用技术和科学素质的培养为基础目标，一起综合为新工科教育目标。翻转课堂模式教学流程的每个环节都要以实现该目标为基本原则，才能培养出新工科时代需要的科技人才。

其次，根据线上学习和课堂活动的教学假设、学习目的、教学流程的不同结构，翻转模式教学有知识扩展型、练习导向型、学术对话型、反馈驱动型等四种模式[10]。工程力学课程内容的理论性和实践性都很强，结合每个知识单元的深广度、难易程度不同，可以选择采用灵活的翻转模式，不局限于单种模式，也可以多种模式复合应用，以保持翻转课堂教学流程和教学方法的弹性。

最后，课程学时压缩，学生课后学习时间趋于碎片化，教师还需要引导学生自主学习，提高学习效率。应用网络信息化平台，合理安排线上学习和测试、课堂教学讲授讨论以及课后线下作业复习的内容和时间。关注学生的学习状态，进行适时调整，从根本上做到以学生为中心。

因此，本文提出的少学时工程力学翻转课堂教学模式的教学理念可以概括为：以新工科教育目标为基本原则，以学生为本，教师灵活应用翻转模式，引导学生自主学习，以实现课程教学的知识、能力和素质目标。

二、翻转课堂的资源建设

工程力学翻转课堂教学模式采用学校教务管理系统优学院教学云平台进行线上教学。建设资源包括微视频、测试题库、导学任务单、教学课件、课外资料等。

（一）微视频

课程微视频是翻转课堂线上资源建设的基础。微视频通常时长为10～15分钟，录制教师讲授的某一核心知识单元，具有主题突出、短小精悍、使用效率高等优点[11]。学生可以随时在线观看。对于理论性比较复杂的知识点视频，可以引导学生多次重复学习研究，帮助学生加深理解，提高他们的学习兴趣。材料力学实验目前采用虚拟仿真教学平台实验方法，可以不需要单独制作微视频。

微视频制作，采用片首引例、主题和目录、内容解析、小结复习四段式的结构形式。片首设计为相关主题的科学短片或生活图片作为引例，分析并提出微视频主题，让学生感觉工程力学学科并不遥远，它来源于日常生活，为科学技术进步做出贡献，从而激发学生自主学习的积极性。

微视频内容基于课程核心知识单元，以拓展单元、案例单元等为辅助组合构成。结合工程力学课程的知识体系、人才培养要求，教师分析课程内容，划分微课知识单元，针对不同层次学生的教学目标，分阶段设计学习任务。微课知识单元制作遵循少而精原则，针对特定主题，确保微课单元知识体系的完整，帮助学生有效进行课外自主学习。同时，根据课堂师生沟通情况，适当调整补充微课内容，以提高学生的课堂学习效率。微视频除了与课程知识点单元体系相一致的内容单元，还可以包含有创新思维点的拓展微课单元、新型工程实践微课单元等多方面来源。综合构成的微课程资源包，共计20个微视频，时长总计228分30秒。例如，微视频《力学和力学思维》为拓展单元，讲解力学思维、力学模型以及工程力学分析的核心条件等内容，现有教材通常较少介绍这些内容，但对于培养创新思维却非常重要。微视频《梁的强度计算》为应用单元，讲解梁强度设计实践应用的典型例题，让学生体会到力学计算可以实实在在地解决工程问题的实践性。

（二）导学任务单

学生通过教学云平台的线上微课进行课前自主学习，教师需要引导学生了解学习目标和激发学生学习兴趣，督促提高在线学习的有效性。根据每个微视频的课程单元主题制作导学任务单，内容包括：课程主题、学习目标、学前思考题、学习要求、初拟讨论主题、学习小结、知识检测等。其中初拟讨论主题是为课堂讨论提出建议，有解惑和拓展两个层次。解惑主要针对微课中的复杂内容进一步详细讲解，强调关键点、易错点。拓展则是补充微课中未能提及的内容，进一步启发学生，引导其深入思考。学习小结要求学生完成导学测试题后进行总结体会，促进知识内化吸收。知识检测主要由教师完成，对课前线上学习、课堂讨论和课后作业三个阶段进行总结分析，考核学生掌握知识的情况，提出教学改进建议。

（三）测试题库

为了督促学生按时在线学习微课，结合微课内容和导学任务单，设置了导学测试题，要求学生在观看微视频后即时完成。为了提高学习积极性，题目难易程度应适中，不仅考核学生是否真正有效学习了微课内容，也要启发学生进一步深度思考。对应每个微课内容，每份测试题仅设5个小题，可以是选择题、判断题、填空题、简答题，依据难易度、考核点、题型进行分类设置。

可特别地安排一项“学习记录”主观题，建议学生把对微课学习的体会、看法、疑问，或对测试题的难点、问题点、兴趣点记录下来，作为教师进行课堂教学设计的重要参考材料。

（四）教学课件

工程力学课程翻转课堂教学模式课件分为两部分，微视频配套课件和课堂讨论课件。前者为核心知识内容，后者为强调、拓展知识点。微视频配套PPT课件，基于课程教学大纲要求知识框架体系和人才培养目标，划分核心知识单元，用于线上微视频制作和复习参考。课堂讨论PPT课件，用于课堂讨论教学过程，补充扩展微课知识点以外的课程内容，或增加练习应用专题。还可以通过学生线上导学测试得出情况分析，收集学生的疑难点，增加课程重要知识点、易混淆点，甚至有趣的课外资料，让课堂气氛更加生动有趣，提高教学质量和学习效果。

（五）课外资料

为了丰富线上学习材料，通过网络收集课外材料，为每个微视频知识点补充工程实例、科技前沿案例，或日常生活应用实例。

三、翻转课堂教学模式的教学流程

（一）课前线上教学活动

翻转课堂教学模式开启于课前的线上教学环节，需要教师和学生交互进行完成，依次进行以下三项工作。

1.教师布置线上学习任务。教师根据教学计划，分析教学目标，准备线上资源，安排主题微课以及相应内容的导学任务单、导学测试题。最重要且最容易忽略的一条是：设置恰当的截止时间。每周2个主题微课，可给定3至4天学习期。过短或过长的学习时间，都可能使少数学生来不及认真完成或完全遗忘。

2.学生线上学习活动。学生按照教师布置要求，仔细了解导学任务单，清楚学习内容的逻辑思路，认真观看学习微视频，独立完成导学测试题。学生对于微课内容和测试题的疑问、建议、看法都可以记录下来，在线上与教师沟通讨论。

3.教师检查线上学习情况。教师通过网络教学云平台，查看学生在线学习微课的时间记录、测试题得分情况。教师根据题目难度、范围、题型、成绩分布的数据分析，详细了解学生掌握知识的程度，核查学习效果是否达到导学任务单目标要求。教师要关注失分严重的个别学生，可以在课堂讨论时再加强督促。

需要特别提出，教师在批阅线上作业时，通过“学习记录”主观题，可以与学生在线上一对一互动，或解决疑惑，或发现闪光点，或找到继续拓展讨论的主题，为后续将要进行的课堂讨论活动增添学生有兴趣的新内容。

（二）课堂教学活动

课堂教学活动是翻转课堂教学模式的关键环节，课堂教学活动进行的效果和质量根本上决定了翻转模式的教学效果。课堂教学活动需要依次进行以下各项工作。

1.课堂教案设计。依据教学目标，结合线上学习情况，选择采用合适的翻转模式。例如，由于微课时间短，只能覆盖核心知识点，对于教学目标要求的非核心相关知识点还需要在课堂做补充讲授，因此翻转模式可采用知识扩展型。对于材料强度计算应用型知识点，需要反复练习试错，翻转模式可以采用练习导向型。根据学生线上反馈信息，需要释疑，可采用反馈驱动型。教学活动设计要求知识点框架体系逻辑性强，对知识点、讨论方式以及时间的安排要合理，并要注意到拓展内容的可控性、讨论气氛的协调性。

2.微课内容回顾讨论。教师在课堂上引导学生回顾微课核心内容，詳细解析导学测试题，对学生线上提出的问题、看法进行解释和评价。采用反馈驱动型翻转模式，强调重要知识点，选择学生非常感兴趣的主题，以直接提问、大家讨论或者黑板现场测试评论的方式，积极鼓励学生参与其中，启发学生对学科进行深入思考。

需要注意的是，讨论主题需要根据教学目标预先确定，可以适当拓展，难度适中，保证讨论有效进行。课堂讨论节奏要控制得当，可以适当停顿，但要避免冷场浪费时间。在师生互动中，采用教具演示是非常直接有效的方式，其轻松有趣的气氛可以很好地吸引学生的注意力。例如，用生活中常用的衣架挂矿泉水瓶，来演示受弯构件作用荷载的分布形式不同而产生的挠度不同，表现直观，简单易行。

3.新知识补充讨论。采用知识扩展型翻转模式，讲授微课中未曾包含的课程目标要求内容。从核心知识点回顾，引入相关案例分析或经过理论逻辑推理，自然过渡到扩展新内容讲解。鼓励学生课堂提出问题，现场讨论解决，注重与核心知识点的衔接，加强学生理解和掌握的深度。

4.课堂练习讨论。工程力学课程的深入学习，离不开多练习多应用。例如，材料力学关于构件的设计，在平衡方程建立、约束力求解、内力图绘制、应力计算、强度设计、刚度设计，以及稳定性验算等一系列计算过程中，只要其中任何一个步骤的计算数据甚至内力符号出现错误，都有可能导致最后设计构件出现问题。因此，要养成认真、仔细、严谨计算的科学素质，需要学生多加练习。通过练习导向型翻转模式，学生可以相互了解，取长补短，共同进步。教师应鼓励学生不怕出错，注意在不经意中提醒测试题中失分严重的少数同学。

5.落实思政教育。在课堂师生面对面讨论中，可以基于单个知识点融入立德树人的思想火花，让学生不仅了解到力学学科的应用发展促进了科技创新，还能够感受到科技创新过程中的崇高思想、爱国情怀和工程素质，体会到工程力学作为工科基础课的柔情。

6.课堂教学小结。无论是课堂讲授，或师生讨论，都要在课堂每小节结束时适时小结，保证教学进程的结构逻辑性。

（三）课后练习小结

为了进一步巩固知识内容，教师布置课后线下作业，主要包括纸质习题作业、思政作业。此外，鼓励学生制作知识点思维导图进行章节内容小结，有助于加深理解知识，理清逻辑思路。

四、翻转课堂教学模式的教学效果

（一）显著提高教学质量和学习效果

适用于环境工程专业的少学时工程力学课程，目前课题组应用翻转课堂模式进行教学实践已有两轮，参与实践的2017级、2018级的学生分别为63人、78人。两届学生的期末考试成绩及格率分别为63.49%、64.79%，2018级提高了1.1%;平均成绩分别为65.08、65.05，几乎一致。然而，此前的2016级学生采用讲授为主的传统教学模式，4个班学生人数总计169，期末考试成绩及格率47.85%，平均分56.04。可见，在工程力学教学中应用翻转课堂模式之后，学生期末考试成绩有了大幅度显著提升，及格率提高了16%，平均成绩提高了9分。教学改革后试卷内容涵盖知识范围较广，程度较深，学生必须通过平时循序渐进的学习积累，才能够熟练掌握应用知识，考得好成绩。在教学过程中应用了翻转课堂模式，增加了师生沟通的机会，教师可以在课前线上学习环节比较充分地了解学生的疑问并在课堂讨论中加以解决。学生在教师的指导下花费更多的时间、精力去学习、讨论、发现问题，然后分析、解决问题，这样的反复沟通交流的过程促使学生更加深入地掌握课程内容，养成良好的力学分析思维和提高实践应用能力。课程结束后的课程满意度调查中，2018级环境工程学生对于翻转课堂教学模式的满意率达到86.54%。这说明了翻转课堂教学模式得到了学生们的一致认可。最终，通过应用翻转课堂教学模式，促进了工程力学课程教学目标的实现。

（二）目前存在的不足之处

课堂讨论是翻转课堂实施的关键环节，教师通过讨论进一步发现学生的学习需求、思维方式，然后再调整教学内容和方法。然而，在课堂上学生的讨论还不够积极主动，原因主要有两方面：首先，班级人数多，都是大班上课，比较难以调动全体学生的学习热情和积极情绪。其次，讨论主题的难易程度会影响讨论质量。主题偏简单，学生认为难度太低;主题偏复杂，学生可能需要占用课堂上宝贵的时间来理解，不利于提高教学效率。因此，讨论主题的设置，既要考虑课程内容体系，也要基于学生能够消化知识的理解程度。

五、结论

课题组将翻转课堂教学模式引入环境工程专业的工程力学课程改革中。基于新工科教育理念，结合思政改革要求，通过理顺课程的知识体系划分知识单元，设计开发基于知识单元的微课视频，构成微课链资源。通过设计构建教学流程，注重因材施教，让学生的学习更加灵活、高效，而不再仅依赖较少学时的课堂教学时间。分析探索工程力学翻转课堂教学模式的教学体系，具有以下特点：

1.适应少学时翻转课堂教学模式的具体流程。基于力学课程性质，微课设计制作与课堂讨论环节深度融合，将翻转课堂教学模式各环节具体化、特色化，为少学时课程教学模式研究增添新内容。

2.建设丰富的课程资源，契合课程教学要求和知识发展需求。制作课程核心知识和辅助性教学资源，资源內容和形式的设计思想、制作原则、理论基础和应用方式不仅要体现环境工程学科的专业特点，而且应能够体现力学思维培养的新工科要求，以更好地实现工程力学课程的教学要求和培养目标。

3.适应互联网新时代要求，通过翻转课堂教学模式的实践应用，培养学生的力学思维、自主学习创新思考的能力，以及分析解决工程问题的能力。