新工科背景下翻转课堂教学模式的改革实践——以“材料力学”课程为例

陈小红，刘雪松，包能胜，何 俊

（1.汕头大学高等教育研究所，广东 汕头 515063；2.汕头大学工学院，广东 汕头 515063）

0 新工科教育教学改革

随着“人工智能”、“大数据”、“云计算”等新兴信息技术的发展，将从现有产业和领域中衍生叠加出社会经济活动的新环节、新链条、新活动形态.可以预见的是未来新产业、新业态、新商业模式将成为国际竞争的一条新赛道.新的科技革命已经开始，许多国家已开设布局，美、德率先提出了各自的战略规划——“工业互联网”和“工业4.0”.中国也不甘落后，也于2016 年加入《华盛顿协议》，适时地提出了自己的工程教育战略.为了适应国际科技革命与产业变革，培养新一代信息技术产业人才，国内新工科建设应运而生.新工科教育的改革方向，旨在加快工程教育改革创新，培养创新型卓越工程科技人才[1].

新工科对人才培养过程中教学模式的要求体现在了政策文件《关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0 的意见》（以下简称《意见2.0》）中，文件指出工程教育改革的方向应为：运用先进教育理念；创新教学组织模式、教学内容与方法等方面；坚持以学生为中心.全国教育大会的精神和《中国教育现代化2035》也要求全国高校应深化本科教育教学改革，《关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》文件具体指出在教学中应：合理增加学生投入学习的时间、提高自主学习时间比例、积极发展“互联网+教育”、探索智能教育新形态、线上线下混合、推动课堂教学革命.

在新工科教育教学改革中，如何结合高校自身已有的工程教育理念、人才培养模式和课程体系，将翻转课堂的教学模式引入到课堂教学过程中，是本研究探索的主题.本研究从理论和实践入手，从学生学习的角度比较同一门课程不同教学模式所带来的差异，为持续改进工程教育教与学的方法提供反思性经验.

1 翻转课堂教学模式在新工科教育中的应用

翻转课堂（the flipped classroom）是当前国际国内盛行的新型教学模式，其基本的特征是转变了传统课堂的师生角色、重新分配了课堂时间.翻转课堂的教学理念是学生先自学有关内容，课堂中主要是学生的提问和教师回答问题、教师带领学生讨论及探讨知识的应用，所谓“翻转”，就是与传统课堂教学的教师讲解为主的模式不同.此后，翻转课堂被推广至全世界各级各类学校，引起了一股教育变革的热潮.

国内外已有大量学者将翻转课堂的教学模式应用于工程相关的课程，也有对翻转课堂运用于工科教学的实证研究.这类研究大致可以分为两类：一类是引入翻转课堂以提升学生某种表现，如国外运用翻转课堂增加学生的竞争性[2]、参与度和互动[3]；另一类是引入单门专业课程，如国内学者张妤将翻转课堂引入“数字电子技术”课程[4]、许英姿等人配合省级精品课程建设，结合工科力学课程的特点，提出了基于翻转课堂理念的几种教学模式，并在课程教学中进行了实践[5].

课程教学内容和目标包括知识的传授和能力的培养.工程教育的课程教学的知识主要有通过长期工程实践而总结出来的关于工程原理与规律、技能和能力等.相比起其他专业，工程教育具有综合性强、形式多样、涉及面广、在特定的学科内呈现出关联性和递进性、情景性（即实践性）等特点.而以信息化为代表的一系列颠覆性技术发展，更加使工程知识应用情境细化且复杂多变，单一的解决方案无法应对工程项目的复杂情境.工程教育知识应用的情境性正契合了建构主义的知识观和学习观，即知识是在具体情境中被建构出来的，学生对知识的掌握依赖于当时的条件和限制.建构主义理论所倡导的教学方法诸如：情境式教学、支架式教学、抛锚式教学、合作学习、交互式教学，都是不同于传统课堂上以“知识传递”为目的讲授式教学，教师的角色转变为引导和促进学生探索和学习知识的角色.而这正与翻转课堂的特点，教师角色转变、学生学习的主体性和主动性不谋而合.随着工程教育的改革，也有一些探讨翻转课堂在工科教育中的实践的文章[6]，大都是肯定翻转课堂这种模式的价值，也反思在实践中存在的问题[7].

本研究以单门课程为例，探讨工程教育的课堂教与学的方式改革.本研究采用比较的方式对传统课堂教学和翻转课堂教学进行研究，对比学生学习过程中的学习投入、学习收获感、课后的满意度的差异.对比较结果进行讨论，分析两种教学模式下学生学习结果的差异，并探索不同情境下学生学习投入、收获的相关程度.

2 翻转课堂教学模式在S 大学的实践

S 大学在2005 年将国际CDIO 工程教育理念引入中国，从2011 年开始推行“以学生学习结果为导向的一体化教学改革”（OBE）.S 大学多年的CDIO 和OBE 工程教育改革，使其成为中国新工科教育的代表性高校之一.这为当前的课程教学改革提供了充足的前期准备，S 大学在部分课程中采用线上线下结合的翻转课堂教学模式.S 大学工学院机械电子工程系机械设计制造与自动化专业（以下简称机电）的“材料力学”也自2019年开始尝试采用翻转课堂进行教学.

2.1 教学改革的外层构建

基于OBE 的理念，从“培养什么人”和“如何培养人”两个基本问题出发，S 大学电子工程系以社会需求为导向，以实际工程为背景，以工程技术为主线，借鉴先进的工程教育改革方法，参照国家通用标准和行业标准的基本要求，制定了专业培养标准，设计了一体化的课程体系.课程教学总体思路是在以下五个方面展开工作：（1）培养目标；（2）教学大纲；（3）课程计划；（4）教与学方法；（5）保障体系（图1）.

图1 机电专业培养计划总体方案[8]

2.2 原有的教学情况

在OBE 课程教学改革背景下，原先的教学方法已逐步采用了建构主义的教学方法，而非传统的以教师讲授为主的教学，S 大学在教学中特别倡导的是主动学习和实践的教学方法，采用了诸如“基于项目的学习”、“基于问题的学习”、“探究式的学习”、“科研教学融合学习”、“案例教学”、“实习与实践”等教学形式.这部分已经有不少有益的探索和总结[9-11].但在实际教学过程中，大部分课程依旧是教师在课堂上讲授理论性知识，课后布置练习的课后作业的传统教学模式，只有一部分自主学习能力较强的学生会提前预习参考书目、与他人交流学习心得、搜集信息来学习.实践性的项目学生疲于应付，按照书上已有的内容进行操作，自主思考的能力并没有得到很好的锻炼.

2.3 “材料力学”课程的特点

材料力学（Mechanics of Materials）是机电专业基础课程.基础理论知识相对成熟、内容较少且容易直接理解，课程中的结论多来源于实证实验结果，和工程实际结合比较紧密，而且课后习题较多且难度较高，多是应用性题目.这就要求课程要帮助学生建立整体的专业逻辑，更多要求学生发展研究性学习能力.因此，需要将知识点与工程实际相结合，将力学知识具体应用于工程中，注重学生的创新思维和力学建模能力的培养，学生自主学习能力和团队合作能力.材料力学的课程教学改革就是基于本课程的特点进行.

2.4 “材料力学”翻转课堂教学改革

2.4.1 课程教学全过程

本课程教学过程包括课前设计、课堂授课、课后应用、课后评价三个部分，如图2所示，课前设计包括预评估和课前学习，课堂授课包括深度加工和学习反馈两个部分，课后应用由实验、研讨和项目三个部分构成，课后的教学评价以学生学习为中心，包括学生的学习投入、学习收获、教学过程中的课堂满意度和学习成绩四个部分.

图2 课堂教学全过程

预评估在当门课程的第一节课作为整体基线测试，旨在了解学生对材料力学相关的基本概念的认知程度，包括简单变形构件强度、刚度、稳定性；以及轴向拉伸，剪切，扭转，弯曲以及组合变形.让教师大致了解学生的整体水平和个体差异.此外第一节课还需告知学生教学大纲、课程流程安排和教与学的形式等基本要素.

课前学习的流程为教师提出探究性问题——理论性知识的MOOC 学习——MOOC论坛内参与互动——校内课程论坛讨论与答疑——完成问题并上传校内论坛由教师批阅解答.课堂授课环节的90 分钟包含以下活动：课前习题结果答疑反馈——独自进行习题练习——教师反馈——快速结对活动/反思性小组研讨汇报——同侪反馈——教师反馈与总结——提出探究性问题.

课后应用环节包括实验及实践、项目三个部分，其中实验在课内占8 学时，课外约16 学时；项目在课内占2 学时，课外约占8 学时. 如表1 所示，实验部分分为四个必选，一个自选实验.实验报告为考核的唯一依据，必须包括实验方法及过程、数据的整理和曲线绘制、结果讨论、得出合理解释.实践环节项目名称为“你身边的材料力学”，考核依据为报告和现场演示，包括问题的提出、分析过程、结果解释、分工与个人心得.

表1 实验与实践汇总表

2.4.2 “材料力学”课程翻转课堂教学

与改革前的课堂教学模式（传统课堂）对比，从学生的角度，二者不同之处如表2所示.

表2 从学生的角度，对翻转课堂与传统课堂对比

增加学生的学习投入度、锻炼自主学习能力、对知识的深度加工是翻转课堂教学改革的目的.（1）课前的理论知识剥离和解决探究性问题相较于之前所要求的课前预习，将原先的课后习题翻转到课堂上完成，有效监督和集体环境能让学生投入更多精力，减少在完成作业时的应付和抄袭的情况，旨在增加学生行为与认知层面的投入.（2）MOOC 视频材料由教师挑选，学生可以在任何时间通过计算机或联网设备访问该课程.学生可以暂停、倒带和快进视频，这使学生能够按照自己的节奏学习和熟悉内容，锻炼学生的自主学习能力.在整个教学过程中，学生需要自主思考教师提出的问题，自主答题、自主提问，课上课下自主寻找伙伴，自主沟通.（3）深度加工包括基于问题的学习（课前），教师与同伴反馈（课堂），课后项目式实践课程（课后）.

3 从学生学习的角度讨论翻转课堂的教学改革——基于准实验调查

本研究采用准实验调查的形式，对改革后的翻转课堂教学模式和未进行改革的模式进行了同一套标准的比较，比较的指标包括学生的投入度、学生对课堂的满意度、学习收获、课堂氛围、学习成绩结果讨论教学改革的效果.

准实验的被试学生修读同一门课程，学生来自同一专业同一年级，学生在修此课程之前学习了同样的前置课程（大学物理、高等数学、理论力学），在学习“材料力学”课程时学生可以自由选择不同的授课教师，两个教学班由两位水平相当的教师进行授课，同一套教学大纲和评分准则，期末考试采用了统一试卷和匿名评卷.在完全自然的情况下进行，通过期末问卷调查方式收集信息.

课程后发放问卷进行调查，本研究采用的问卷是“中国大学生学习性投入调查（NSSE-China）”，引入学习收获、学习满意度、课堂氛围、自主学习时间等分量表[12].其中，学习投入分量表、学习收获、课堂氛围分量表采用李克特四点计分法，学习满意度分量表采用七点计分法.数据分析工具为SPSS18.0，本次调查信效度检验克隆巴赫a 系数为0.943，具有良好的信度.学习投入量表KMO 取样适切性量数为0.738，课堂氛围KMO 为0.721，课堂满意度为0.927，学习收获量表为0.929，各分量表均具有良好的结构效度.在课程结束时，分别在翻转课堂和传统课堂二个授课班当场发放问卷，学生填写后收回，剔除无效问卷，实验班回收有效问卷42 份，对照组回收有效问卷56 份，问卷有效率约为80%.

3.1 学习投入

翻转课堂与传统教学两个班级学生在学习投入各个维度得分差异分析如（表3）所示，包括行为投入、认知投入和情感投入3 个方面.其理论平均值为2.5.各个维度统计中，无论是传统授课方式还是翻转课堂授课方式，其理论均值均高于2.5，表明两种授课方式都较好地促进了学生的学习投入.从数据可以看出，翻转课堂班的学习投入总得分略高于传统教学班（Mean＝2.659＞2.648）.传统教学班的学习投入除了行为投入维度均值得分高于翻转课堂（Mean＝2.582＞2.526）外，其他学习投入维度均低于翻转课堂.但学习投入维度的均值差异均未到达显著差异水平.

表3 翻转课堂班与传统教学班在学习投入

3.2 课堂氛围、学习收获和学习满意度

引入课堂氛围量表旨在了解课堂上整体氛围是活跃、和谐的还是单调、乏味的，是包容、鼓励性的还是沉闷、压抑的.调查数据分析结果（表4）显示翻转课堂的课堂氛围均值高于传统课堂（Mean＝3.256＞3.112）.学生自我陈述的学习收获是衡量学生学习成效和教学质量的主要依据，满意度反映了学生对课堂授课方式的主观评价，在这两个维度上，调查分析的结果表明，翻转课堂的学生感觉自己收获了更多的知识和能力成长（Mean＝2.718＞2.663）. 但是，传统课堂的学生对整个学习过程显得更满意一点（Mean＝5.096＞4.963）.两种授课方式在3 个维度上的差异未达到显著性水平.

表4 翻转课堂班与传统教学班在课堂氛围、学习收获和课堂满意度等指标的比较

3.3 学习动力、同学关系、课外学习时间

教学改革的目的之一在于锻炼学生的自主学习能力，在教学设计中将互动作为整个教学过程的主线，旨在促进同学关系和谐发展，锻炼团队合作能力.本研究在调查量表中加入课外学习时间、自陈学习动力、课程教学在多大程度上激发努力、同学关系等问题，用以衡量教学改革在这些方面的影响.运用独立样本T 检验得结果如（表5）所示，翻转课堂的学生在学习动力（Mean＝4.92＞4.83）和同学关系（Mean＝5.80＞5.74）两个指标略微高于传统授课的学生.传统授课方式增加了学生的课外学习时间（Mean＝2.93＞2.89）且更加激发了学生的努力（Mean＝4.90＞4.67）.

由表1可知，大坝上游坝坡在各种运行工况下稳定性较差，均小于规范允许值；特别是在工况5，上游坝坡安全系数仅有0.98。说明上游坝坡存在失稳可能，而下游坝坡稳定性较好，因此需重点加固上游坝坡。

表5 翻转课堂班与传统教学班在学习动力、激发努力、同学关系和课外学习时间等指标的比较

3.4 学习成绩

课程期末考试以开卷形式进行，学生可以自带教材和其他参考资料，试卷由专家命题，主要测评学生对所学知识的理解水平，运用知识分析和解决问题的能力.翻转课堂班（42 人）和传统教学班（71 人）学生考试成绩各分数段人数分布如表6.

表6 翻转课堂与传统课堂期末考试成绩等级分布，平均值大小

两个班级期末成绩各等级人数所占比例如图3：翻转课堂优秀率为5%，传统课堂优秀率为8%，翻转课堂的良好和一般率高于传统课堂，进一步两个班级成绩进行独立样本T 检验，结果显示翻转课堂平均成绩高于传统课堂（mean＝73.2857＞65.9577），二者之间存在显著性差异，t＝2.210，0.05＞P＝0.029，效应大小为d＝7.328.相关分析结果显示，教学方式与学习成绩成0.202 的微弱相关.

图3 翻转课堂与传统课堂期末成绩等级分布

4 研究结果及讨论

4.1 新工科背景下翻转课堂的教学模式与工程教育具有一定的适配性

从理论上来看，工业4.0 的发展滋生了政策性的新工科的战略计划，新工科教育要求高等院校的课堂教学更加重视学生自主探究，培养自主学习能力.在不增加正式课堂授课时间的基础上，提升学生的学习投入度，需要与时俱进，积极推进“互联网+”和智能教育新方法.

工程知识的复杂建构性要求授课过程中需要理论与实践结合，学生要具有主动求变和积极团结参与的特质以适应不断快速革新的科学技术，这实质上是对学生的“增负”，他们需要学习的不仅是教科书上陈旧的理论知识和计算方法，更需要锻炼自主学习能力、团队合作能力和迁移能力.翻转课堂正是授课教师应对这一新背景下的优质选择，将理论知识用网络视频的形式，课前即让学生自学.这并不是对教师的“减负”，而是要求教师转变角色，做好一个引导者的角色.

从S 大学实践结果调查来看，翻转课堂教学模式在工程教育中有一定的适应性，表现在翻转课堂学生学习投入更高（2.659＞2.648）、课堂氛围（3.256＞3.112）和学习收获更好（2.718＞2.663）、学习动力更大（4.92＞4.83）、学习成绩良好和一般也即合格率高（73.2857＞65.9577）. 这反映出翻转课堂的应用有利于培养学生的自主学习、自主管理、合作学习等方面的能力.

4.2 翻转课堂在新工科教育中部分提高了课程教学的质量

每一次工程教育理念的转变意味着一套新的培养体系的重新构建，从“大工程教育理念”到CDIO 和OBE，再到最新的创客运动，大到宏观层面的国家政策，小到每一门具体课程的教学方法都可能面临相应的调整.从高校层面来看，在微观层面的课程教学改革需要加强对新教育理念的认识、重视对教师和学生以及教学管理层的培训.

S 大学的翻转课堂教学的实践研究在已有的CDIO 和OBE 改革的成果上，考虑了现有教学情况存在的问题和特定课程的特点，设计了课堂教学全过程流程图.在教学设计中着重增加原授课方式中所欠缺的以问题为中心、师生互动和同侪互动的内容.教学改革的目的是增加学生的学习投入度、锻炼自主学习能力、对知识的深度加工.

在对S 大学工学院教师的访谈中，我们发现，进行翻转课堂教学需要学习翻转课堂课程大纲的编写、设定可测量的学习结果指标.因此，在翻转课堂的实践中需要配合进行高度统一的学生评教问卷来保证课程教学的质量.在实际操作过程中，教师的知识背景和授课经验也对教学结果有影响.并非所有的老师都愿意采用翻转课堂的形式、也并非所有的学生都喜欢翻转课堂的形式，这从S 大学的调查中也可以看出（学生对传统课堂的满意度更高Mean＝5.096＞4.963；传统教学班的学生行为投入高于翻转课堂的Mean＝2.582＞2.526）.虽然翻转课堂学生成绩比传统课堂的高，但是成绩与评价方式有关.所以，对翻转课堂这股热潮应理性看待，并非所有的课程都适合采用翻转课堂的形式，应充分考虑其引入课堂是否有现实的必要性和可行性.

4.3 新工科教育中翻转课堂模式适用于有优势的科目

前面提到，并非所有的课程都适合采用翻转课堂的模式.在工科教育中，S 大学在材料力学该门课程的教学已经有长期的积累，也有一定的优势.而且该课任课教师有较为先进的教学理念和进行教学改革的热情，主动进行教学改革探索.

S 大学的调查从学生学习投入度和收获感、满意度等自陈量表和考试成绩两个指标检验翻转课堂教学方法实施的实证效果.数据表明，翻转课堂的学生在认知和情感两个维度有更高的投入，整体上翻转课堂需要学生更多的学习投入；翻转课堂的课堂氛围高于传统课堂，课堂气氛更加的活跃与和谐、包容且鼓励，学生拥有良好的心理状态.但翻转课堂和传统课堂在上述各个维度上的差异均未达到显著性水平，说明翻转课堂有相当的可适应性但并非绝对优于传统课堂.

两种不同的授课方式影响下，翻转课堂的学生期末平均成绩显著高于传统课堂，显著性为0.05.相关性分析显示授课方式与学习成绩呈r＝0.202 的弱相关.教学方法的改变在一定程度上影响着学生的学习成绩.这在一方面说明了新工科教育中优势科目翻转课堂实践的成功.

4.4 新工科的教学改革仍需加强理论研究和实践的新尝试

新工科教育的改革肩负着我国面向世界的新工业革命、面向中国高等教育改革迈向高质量的发展的重要使命.所以，新工科建设是要领跑中国高等教育变革的，继新工科教育提出后，中国陆续提出了新农科、新医科、新文科.新工科必须主动拥抱现代信息技术，加快发展“互联网+高等教育”和“智能+高等教育”新形态，加快打造适应学生自主学习、自主管理、自主服务的课堂教学模式.

“再深化、再拓展、再突破、再出发”是教育部对新工科教育的最新的指导思想[13]，打造新工科的“金课”也是近期新工科教育课程教学改革的迫切任务[14].新工科教育的教学仍然有非常多的理论问题需要解决，包括课程体系的改革、教师的培训、课程大纲及评价标准等的设定等等，以及不同教学模式的比较反思和进一步提升等.像S 大学工程教育这样的实践和探索，非常有必要.

本研究时限较短、而且是个案研究，S 大学的新工科教学改革是在已有的CDIO 和OBE 模式下做局部调整，其教学流程框架并非适用所有工程类专业课与基础课，在推广过程中需要根据具体情况再调整.未来的研究应将在更长的时间下，将研究结论作为持续改进的依据，扩大样本量.此外，除了专业课、还有通识课、实验课等等，均是工程教育课程建设中亟需关注和研究的领域，新工科教学改革的理论研究和实践必将大有可为.