新工科背景下的线上线下“四部曲”混合教学模式探索

杨扬 张国忠 周勇 吴擎 李明震

[摘 要]针对新工科背景下，学生、教师、企业对工科专业课程提出的新要求，课题组分析了高阶性、创新性、具有挑战度的工科专业课程的建设思路，提出“引出来—画出来—做出来—用起来”四部曲，综合在线开放课程与案例研究式学习开展线上线下混合教学模式，切实提升课程质量和教学效果。

[关键词]新工科;在线开放课程;线上线下混合;案例研究式学习

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）10-0062-04

一、新工科对教学提出的新挑战

面向经济建设与社会发展新需求[1]，新工科建设对教学提出了新的挑战。现有机械类专业在人才培养知识体系中主要存在以下教学困境：课程内容陈旧、重复，工科基础理论晦涩难懂;在当前新经济建设要求下对新兴产业所亟须的新实践技能培训不足，实践与理论知识脱节;在人才培养模式中存在主动性、针对性、多样性不足;教学过程以教师为中心，教学数据难以把控，教学效果难以保证等。学生提出有些专业课程内容过于简单，他们“吃不饱”，学习的内生动力不足，“不知道为何而学”;任课教师提出部分专业课程内容过于陈旧，老教师感觉“自己几十年前上学时学的和现在教给学生的没有变化”;公司企业提出学校所教的知识与它们的需求发生严重脱节，“刚毕业的学生什么也干不了，需要重新培训”。在这种形势下，建设高阶性、创新性、具有挑战度——“两性一度”的金课课程，成了迫在眉睫的事情。

金属切削原理及刀具是机械大类专业的专业选修课，为后续的专业课程如金属切削机床、机械制造工艺学和其他专业课程及选修课提供必要的基础知识。本课程主要研究金属切削变形过程及规律，探索刀具在实际生产中的应用。通过这门课的学习，学生将掌握金属切削过程中切削变形、切削力、切削热及切削温度、刀具磨损、刀具切削角度对切削过程的影响理论等。

二、课程改革的思路

打造高阶性、创新性、具有挑战度的课程，强调知识能力素质的有机融合，要培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维;课程内容要反映前沿性和时代性，教学形式要呈现先进性和互动性，学习结果要具有探究性和个性化;同时，课程应有一定的难度，学生需要跳一跳才能够得着，教师备课和学生课下都有较高要求。

本文以金属切削原理及刀具课程为例，探讨在新工科背景下，如何针对学生、教师、企业的新需求来进行课程改革，思路如下。

（一）理论与实践结合

工科专业课程强调理论与实践的紧密结合，基础知识、动手能力、工程素质缺一不可。针对这些课程特点，理论知识的学习要与实验、金工实习、数控加工技术等实践课程结合开展。

以刀具角度的相关知识为例，正交平面参考系、刀具标注角度和刀具工作角度是这个知识点的重要内容，因其需要学生具有空间想象力并进行实际操作，可以通过数控加工技术中的对刀过程加强学生对参考系的空间立体认识;通过机械制造基础实验中的刀具角度测量实验，增强学生对于刀具三维空间的感性认识;通过金工实习中的车外圆加深学生对刀具工作角度的理解。

（二）虚拟与现实联合

工科专业课程晦涩難懂，很多工程实际学生根本没有接触过，因为没有客观条件把教室搬到工厂一线。因此可以充分运用网络环境增强现实、虚拟仿真、人工智能等信息技术，通过增强信息、动态感知、沉浸交互、身临其境、模拟操作等提高教学效率，增强教学效果。

以金属切削过程的学习为例，其中涉及复杂的物理过程，尤其是肉眼很难见到的力、热等物理现象，即使是实际的加工过程也难以直接观察到。可以采用AdvantEdge仿真软件，让学生通过计算机仿真模拟，得到加工过程中的温度云图、受力分布图、形变过程图等，对金属切削过程中的力、热、速度、形变等有一个动态的、感性的认识。

（三）教学与科研融合

工程实际的项目要求学生具备解决复杂问题的综合能力和高级思维。在教学中融入范围广、难度大、耗时长的科研项目，是进一步培养和提高学生解决复杂工程问题的能力的有效手段。学生在参与项目的学习过程中，不仅要综合运用所掌握的知识、方法、技术，而且要从系统的角度处理好局部与整体、个人与集体的关系，完成项目还要注重对已掌握知识的集成和对知识的创新。

以切削参数的合理选择为例，结合在研项目，让学生综合建模、仿真、实验和优化等不同理论知识，从切削参数的大致范围—单目标选择—多目标选择，开展递进式研究，进行探究性与个性化学习。通过科研案例的引入，学生不仅对知识理论有了更深刻的理解，认知能力和完成实际项目的能力得到提高，而且能够表现出更好的交流沟通能力和团队合作精神。

（四）线上与线下混合

信息技术与网络技术的飞速发展，为创新工程教育教学方法创造了极佳的条件，需要在新工科专业人才培养中予以充分利用。可以以“融通两个空间”为手段，创新教学方法，激发学生的学习动力，最大限度地发挥线上线下、课内课外以及教师、学生在教与学上的作用[2]。

在金属切削原理及刀具这门课中，课题组的教师对整门课的知识点进行了梳理和重构，录制课程的微视频，并已在中国大学MOOC网上线。有了这些线上资源，学生可以不限场地、不限时间地进行学习，拓展了原有的单一的学习环境。

三、“引出来—画出来—做出来—用起来”四部曲

在课程改革思路的指导下，为了实现理论与实践结合、虚拟与现实联合和教学与科研融合，本文设计了“引出来—画出来—做出来—用起来”四部曲的教学模式。以切削参数的合理选用为例，四部曲教学模式脉络设计如图1所示。

为了调动学生学习的内生动力，从大一学生刚入学开始，我们就通过新生项目课为他们打下基础，以大国重器为切入口，“引出来”学生的学术梦想，让他们意识到制造的重要性、制造中占比最大的加工方式——切削的重要性，以及硬件条件确定的情况下，软件条件——切削参数的重要性。图学类课程的设置，目的是培养和增强学生的空间想象与构图能力，可以把切削过程示意图、切削三要素关系图以及空间的切削刀具角度图“画出来”。通过软件课和各类实验、实习课程的学习，学生可以自己动手，把刀具角度、切削过程仿出来、“做出来”，如通过金工实习车削加工外圆，通过数控加工技术铣削加工平面。最后，在课程设计和毕业设计中，综合运用前面所学的知识、方法、技术，增加课程挑战度，以项目贯穿，让学生通过集成和创新各类知识，初步得到优化的切削参数组合，或获得多目标pareto解集，进而“用起来”，最终指导实际生产，培养学生解决复杂工程问题的能力。

四、线上线下混合教学模式

在线开放课程作为一流本科课程建设的重要组成部分，其发展和应用对高等教育教学改革产生了深刻的影响，促进了优质教学资源的大范围共享，是教育部贯彻落实十九大精神、努力写好高等教育奋进之笔的一项重要举措。混合式教学模式是一种将在线开放课程与传统课堂教学的优势结合起来的“线上”+“线下”新型教学模式。通过融通线下与线上两个空间，推进信息技术与教育教学深度融合，充分实现“以教为主”向“以学为主”转变、“以课堂为主”向“课内外结合”转变。

（一）基于在线开放课程的教学模式总体设计

结合工科专业课程的教学特点，借鉴其他院校的 SPOC 教学模式[2]，华中农业大学工学院（以下简称“我院”）充分利用教学平台资源，将基于在线开放课程的金属切削原理及刀具线上线下混合教学模式设计为如图2所示。

在线课前教学主要是基于中国大学MOOC网的SPOC平台开展教学活动，教师根据课程教学的既定目标及内容，组织课程教学的相关工作，包括教学内容设计、微视频制作、课前测试设置、课前学生自学任务和小组团队任务设计以及在网上开展讨论与评价、回答学生问题等。课程团队将整门课程内容进行梳理和重构，重新设计教学内容，制作对应课程简介、课程大纲、学时、微课视频、网络作业、在线答疑、参考文献等，使用文档、网页、图片、视频等形式，将与课程相关的内容、知识的逻辑结构层次分明地表现出来。课程团队将知识点进行浓缩和凝练，制作了30节微视频，每个视频10分钟左右，同时划分单元，设计每节测试题和单元测试题，供学生自主学习、在线学习、移动学习。为方便学习者自测对知识点的掌握情况，我们精心设计了多道测试题目，以金属切削原理及刀具线上课程为例，编写与提供包括随堂讨论36题、随堂测验45题、单元测验1264题、单元作业124题、考试181题，共1650道经典题目。学生观看视频、自主学习、完成个人测试并反馈问题，充分发挥主观能动性。

课堂中2个学时的线下教学主要是教师反馈线上问题、组织和指导学生进行课堂讨论、开展随堂测试、案例研究式学习、最后进行总结和评估4个模块。其中案例研究式学习是线下教学的核心组成部分，将在下一小节重点阐述。根据课程要求，学生可以掌握学习的主动权，自主选择在线学习的时间和地点，控制学习内容与进度，这更加强调赋予学生个性化、完整、深度的学习体验，对学生进行更加严格的认证和评估，提高了课程完成率和学习质量，同时也提高了学生团结协作和独立完成科研的能力。学生作为教学主体，将在课堂上主动交流线上学习的问题，基于教师给出的案例展开讨论与研究，以小组为单位，团队协作，给出实际问题的解决方案，并在组间进行成果汇报与交流，最后完成自评与学伴互评。

（二）基于案例的研究式学习

基于案例的研究式学习是学生在学习过程中以案例为分析研究对象，通过对案例的分析和讨论，提出学生自己解决问题的思路和方案，并进行方案比较、交流和评价的学习方式[3]。

基于案例的研究式学习过程大致如图3所示。

在切削参数的合理选择这个知识点的学习过程中，课程团队引入国家自然科学基金项目——基于变复杂度近似模型的数控铣削加工工艺参数优化方法研究，将数控铣削加工中的工艺参数优化作为案例，提炼总结，供学生讨论与学习。

先通过线上的案例介绍，让学生了解数控铣削加工的基本过程与原理，为了加强学生的感性认识，我们加入仿真与物理实验的对比，明确优化目标为温度、成本，优化参数为切削三要素——切削速度、进给量、背吃刀量，約束条件为切削力和表面粗糙度等。鼓励学生课前进行文献检索，让学生了解案例的背景、性质、结果和相关理论、方法、技术，查找相似案例并做对比分析。最后学生再结合自制的微视频以及AE仿真软件教程视频与编程软件视频等开展自主学习。

线下教学主要包括自由小组讨论、不同优化方案间的课堂交流以及最后教师对各组案例的分析、建议进行点评和总结。启发学生由浅入深开展递进式研究，例如从参考切削参数选择原则确定切削参数的大致范围，到采用传统方法的单目标切削参数选择，再到采用智能优化算法的多目标切削参数选择，进行探究性与个性化学习。

在这种基于案例的研究式学习过程中，学生将了解到作为真正的工程师所将面临的复杂境地和艰难抉择，这不仅能加深他们对知识的理解，而且能让他们掌握知识的应用。通过学习，有助于训练和提高学生在复杂环境下解决实际工程问题的能力和进行决策的能力。

（三）教学过程数据获取与控制

根据教学大纲重新规划和安排线上SPOC的授课进度计划，每次课前发布教学公告，布置对应小节的视频、测验题与讨论题等预习内容，让学生于课前在SPOC上讨论区回帖贴出课前预习总结与问题。每次备课期间，教师都要总结与整理学生的预习回帖，掌握与监督预习进度。同时，针对学生的回帖情况，教师也要重新梳理出重难点，制作前测习题，在课堂直播时，通过慕课堂或雨课堂发布，让学生限时完成。教师要统计分析课堂前测习题完成情况，根据错题率进行难点问题的重点讲解。对于课前预习时反映较多的难点，教师应发布进阶类客观习题、难点知识点的拓展应用主观讨论题或随机抽签选择学生进行难点问题应用分析，以考查学生的掌握情况。教师还要定期梳理学生在SPOC上的视频观看、随堂测验、单元测验的完成情况，课前预习回帖情况与课堂前测习题和讨论题回复情况，以数据为导向，跟踪监督所有学生的整个学习进程，保障学生的学习效果。

五、结束语

以理论与实践结合、虚拟与现实联合、教学与科研融合和线上与线下混合为建设思路，本文提出了“引出来—画出来—做出来—用起来”四部曲的教学模式。通过建设中国大学MOOC网的在线开放课程金属切削原理及刀具，结合案例研究式学习，探索开展线上线下混合教学模式，并给出了具体的应用案例。之后，我们将会更深入地整理该模式的反馈与评价，不断持续改进。同时，针对企业在新工科背景下提出的难题，我们还将继续探索如何与企业需求进行对接，寻求高科技、高精度、高质量、高效率的教学模式。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 吴岩.新工科：高等工程教育的未来：对高等教育未来的战略思考[J].高等工程教育研究，2018（6）：1-3.

[2] 白东梅.基于SPOC与翻转课堂的线上线下交互反馈在内科护理学教学中的模式改革研究[J].护理研究，2019（16）：2858-2861.

[3] 林健.面向卓越工程师培养的研究性学习[J].高等工程教育研究，2011（6）：5-15.

[责任编辑：陈 明]

[收稿时间]2020-06-08

[基金项目]教育部首批“新工科”研究与实践项目“基于多学科交叉融合的农林院校农业工程人才培养模式探索与实践”（GK-117）。

[作者简介]杨扬（1987-），女，湖南人，博士，副教授，研究方向：数控铣削工艺、工艺参数优化方法。张国忠（1971-），男，湖北人，博士，教授，研究方向：农业机械化与自动化。周勇（1976-），男，湖南人，博士，副教授，研究方向：农业机械性能设计及测控。吴擎（1988-），女，湖北人，博士，副教授，研究方向：智能优化算法及工程应用。李明震（1980-），男，湖北人，博士，讲师，研究方向：农业智能装备。