基于软件仿真的实验课线上“翻转课堂”教学实践及评价

2021-11-28王洪昌蒋莲陈宇徐明沁

江苏理工学院学报 2021年4期

王洪昌蒋莲陈宇徐明沁

摘要：以全日制本科“机械设计制造及其自动化”专业选修课“机械动力学”的实验教学为例，开展了线上“软件仿真实验+翻转课堂”的教学实践活动。以将学生学习压力降至较低或中等唤起水平为原则，设计了实验教学内容;以“腾讯会议”为直播教学平台，设计了由教学准备、线上翻转课堂、课后工作三部分构成的教学模式;采用单一整体评估法就学生对授课的满意度进行了调查。结果表明：与传统的实验教学相比，该教学模式能大大缩短学生的实验时间，基本达到了预期教学效果。

关键词：软件仿真;线上教学;翻转课堂;实验教学

中图分类号：G642 文獻标识码：A 文章编号：2095-7394（2021）04-0116-06

“翻转课堂”是将传统课堂师生之间面对面授课，改为课前学生在家或宿舍观看教学视频，课堂上师生探索、讨论、解决问题的教学形式。它将教学活动的中心由教师转变为学生，真正体现和实践了“以学生为本”的教育思想。有研究认为，翻转课堂将在如下方面改变学生的学习行为：“颠倒”的学习流程和独有的“碎片化”学习方式，将有助于学生深度学习;个人学习与集体学习相结合，学生之间相互帮助，学生被赋予强烈的责任感，能促进其学习进步;学生自主选择学习策略与进度，推进了学生个性化学习的实践[1]。

近年来，随着翻转课堂在国内的广泛实践，关于这方面的研究也逐渐丰富。吴仁英[1]、容梅[2]等从宏观角度对教师实施翻转课堂所面临的教学理念、知能结构、角色定位，以及工作负荷进行了阐述;郝兴伟[3]、邓笛[4]、吴硕[5]等则基于翻转课堂从课程实施者的视角对所授课程的教学平台、教学方法，以及对学生的引导和督促等方面进行了研究;于文浩[6]从学生角度以双因素理论为框架，对翻转课堂的满意因素和不满意因素进行了调研，并以此作为课程持续改进和优化的依据;黄琰等[7]将翻转课堂教学模式引入“多媒体教学平台的使用与维护”课程的实验教学中，发现翻转课堂能有效提高学生的学习积极性及学习效率;石端银等[8]针对目前高校数学实验课教学过程中存在的问题，提出在CDIO背景下开展翻转课堂的教学尝试，并进行了相关教学改革，实现了以学生为本的深度教学目标。

从已有文献看，针对高校工科专业实验课程的“线上翻转课堂”教学实践与研究较少。笔者以全日制本科“机械设计制造及其自动化”专业（以下简称“机制”专业）的选修课“机械动力学”的实验教学为例，以将学生学习压力降至较低或中等唤起水平为原则，设计了实验内容;以腾讯会议为直播教学平台，设计了由教学准备、线上翻转课堂、课后工作三部分构成的课程教学模式，开展了线上“软件仿真实验+翻转课堂”的教学实践活动。在此基础上，采用整体评估法对课程实施过程中学生的满意度进行了调查与分析。

1 课程简介

“机械动力学”是江苏理工学院机制专业的一门专业选修课，是2018年起开设的一门新课;课程为12周，每周2节，共24个课时;其中，实验课程为2周，共4课时。参加本次课程学习的是大二下学期两个班级的学生，共85人;其中，男生82人、女生3人。课程涉及的基础理论知识非常广，大量理论来源于力学、数学等基础课，所包含的知识点与多门专业课存在交集。庞大复杂的知识体系，使得该课程的理论教学内容抽象、深奥晦涩。因此，设计合理的实验课程方案，使学生对课程有一个整体、系统的认知，对于正确理解和掌握课程的知识要点，并把知识转化为解决实际问题的能力至关重要。

机械结构的模态分析是动力学分析的基础，是机械动力学课程的经典实验项目。常用的分析方法有两种：有限元软件计算法和实验测量法。实验法是通过实验测量得到结构的频响函数矩阵，并运用参数预估法，从实验数据中拟合得出机械结构的模态参数。以往实验教学的效果一直不太理想，原因是：一方面，学校实验设备少（只有1台），学生人数多;另一方面，实验对操作技能要求较高，学生如果不经过训练，很难在规定的时间内获得有效实验数据。因此，实验课程一直停留在演示性实验阶段。有限元软件计算法是利用软件（如ANSYS）通过结构的质量和刚度矩阵来计算结构的模态。该方法的优点是可以通过修改结构参数重复计算系统模态，通过分析模态结果的变化规律，更加科学、深入地理解结构系统的模态特性。

基于此，结合疫情期间无法开展线下实验教学的情况，笔者以该校机械工程类本科专业课程“机械动力学”的实验教学为例，进行了线上翻转课堂的教学探索。

2 教学设计

2.1 内容设计

实验内容的设计至关重要，它是提高学生学习兴趣、激发学生学习热情的基础。考虑课程的性质，并参考已有的研究[9]，确定了实验内容的总体设计原则：将学生学习压力降至较低唤起水平，使其大脑能够顺利被激活，能够整合较大范围的材料，理解更广泛的关系和理论，并进行认知思考，最终获得良好的学习效果。依据此原则，结合学生所在专业，设计了“各种结构参数对圆盘-轴承系统模态性能的影响及原因”的分析实验。

问题的描述：如图1所示，有一圆盘-轴承系统，支撑轴的直径为[d]，长度为[L]，其中部有一圆盘，圆盘的直径为[D]，宽度为[H]，两端采用滚动轴承支承，设轴承的支承刚度为[k]。

将班级学生分成5组，分别计算指定结构参数值的改变对该系统前5阶模态特性的影响;对数据处理后，再对现象进行解释。为了保证教学效果，给每个小组设计了一定深度的问题，对学生的自学过程加以引导和督促。比如，请解释当轴直径较小时，随着d的增大，轴系固有频率会随之增大;但当[d]大到某一临界值后，随着[d]的增大，轴系固有频率会随之减小。一般来讲，增大支承轴承刚度，系统的固有频率会随之增加，请解释为什么随着刚度值变大到某一临界值时，轴系的固有频率将不再发生变化。

以轮盘直径[D]的变化对系统模态特性的影响为例进行说明。课程理论教学告诉学生任何系统的固有频率计算公式为：[ω=k/m0.5]。从该公式看，随着轮盘质量的增大，系统的固有频率值会降低;而实际计算却发现，只有奇数固有频率值降低，偶数固有频率值基本不变。这其中的原因可以通过实验得到的振型图（图2）来解释。如图2所示，1阶振型中圆盘参与了振动，而2阶振型中圆盘并未参与振动;所以，改变圆盘直径所引起的质量增加只会影响系统奇数固有频率，而对偶数固有频率的影响可以忽略不计。可见，这些引导问题能够对学生的学习起到提纲挈领的作用，有助于其掌握核心知识点。此外，带着问题学习，有利于学生独立思考能力的培养，以及对理论知识的深度理解[5]。

2.2 教学模式

实验课程教学以“腾讯会议”作为直播平台，翻转课堂教学模式如图3所示：由教学准备、线上翻转课堂、课后工作三个部分构成。

2.2.1 教学准备

大二学生尚未学习ANSYS软件，因此教师要事先利用软件参数化建模分析，制作出精简的命令流（一个文本文件）;借助线上教学平台“腾讯会议”中的屏幕共享，对打开命令流文件、更改分析对象的结构参数、运行命令流、通过ANSYS软件读取计算结果等一一演示。另外，为了达到良好的教学效果，教师可以再次串讲实验涉及的知识点，辅以在线答疑，鼓励学生自主开展学习活动。演示教学过程大约需要30 min。

由于命令流是由教师提供，学生可通过记事本打开该文件，修改具体结构参数后，拷贝到ANSYS软件中运行就可以，从而保证了计算数据的正确性。相较于传统实验室做实验，学生所需的时间大大减少，仅需原来的1/4甚至更少。此时，学生的重点任务是将结构数据的变化对系统动力学特性的影响记录下来，并做成图表，再根据课本所学知识对现象进行分析与解释。

2.2.2 线上翻转课堂

课下导学。通过网络平台“腾讯会议”或QQ群，学生以小组为单位进行ANSYS软件计算与数据共享。其间，学生遇到问题可以通过独立思考、相互交流、查阅文献、共同研讨等方式解决，也可以与教师一对一或一对多交流。教师的参与不仅可以及时了解学生课前学习情况，还可以对学生提出的疑难问题归类、整理，并针对学生遇到的问题进行点拨或精讲。

翻转课堂。翻转课堂的实施分为三个步骤：（1）学生讲解。通过“腾讯会议”平台，学生以小组为单位，选出一名学生作为主要发言人，讲述小组所分析的结构参数变化对系统模态特性的影响及其原因。（2）提问与回答。讲述结束后，接受老师和全班其他同学的提问，小组成员独立或集体讨论后做出回答。（3）教师总结。所有小组讲述结束后，教师针对各种结构参数对系统模态特性的影响进行归纳与总结，对学生讲解错误的地方或提出的疑难问题进行归类、分析、讲解。

以“圆盘-轴承结构参数值的变化对系统模态特性的影响”的教学为例。教师在学生讲述完毕后，可提出有一定深度的问题让学生回答。比如：如果轴承支承刚度为0，会出现什么现象？系统自由振动时，会以哪种振型振动？请问此时还是不是简谐振动？如果圆盘不是位于轴的中部，会出现什么现象？这些问题需要学生融会贯通“机械动力学”课程的多个知识点来解答。这种方式可以极大地调动学生学习的兴趣，并有效锻炼学生解决实际问题的能力;教师的点评又可以加深学生对知识点的认知，达到较好的教学效果。

2.2.3 课后工作

班级各小组之间共享实验数据，每位学生都要撰写分析报告。通过这种自主又合作训练，使学生感受、领悟并重构知识，将知识转化为技能，实现对知识的深度理解与内化[1]。

学生的成绩评定主要由翻转课堂上的表现以及实验报告决定，所占比例分别为30%与70%。课堂表现包括学生对实验结果的陈述、解释，以及对老师、同学提问的回答情况。教师根据课程实验大纲确定的评分标准对每位学生上交的实验报告进行批改，比如：分析数据是否详实、全面;图表是否清晰明了;对实验得到的数据解释与描述是否正确;提出的机构改进方案是否正确可行、是否有理有据。

3 評价与反思

及时了解与掌握学生对课程的意见，有助于教师对教学设计的评价与反思[6]。本研究采用单一整体评估法对线上实验“翻转课堂”的学生满意度进行了调查。调查在课程结束后进行，通过学生匿名填写调查问卷的形式，收集他们对课程实施的意见与建议。调查共发放问卷85份，回收有效问卷84份，问卷有效率为98.8%，调查结果统计见表1。

问卷统计调查共分9个类别。从表1看，学生最满意的是“实验任务量”，满意度高达90.5%（非常满意+满意）;原因是教师提供了正确的参数化命令流，学生只需更改具体的系统结构参数，并反复使用ANSYS软件进行计算就可以，学生花费在实验上的平均时间仅20 min左右，这样学生可以把更多的时间与精力用在后期数据处理与分析上。相比传统的实验教学，软件仿真实验教学在相同的时间内，每位同学都能够参与分析、计算;通过班级或小组内共享数据，以类比的方式观察实验现象的变化得以实现;加深了学生对理论知识的理解，更好地实现了课程的预期目标。

学生满意度最低的是“提高自学及分析问题能力”，虽然有66.7%学生表示满意，但仍然有高达33.3%的同学认为效果一般。通过与学生座谈，发现原因主要有：其一，实验是分组完成的，部分同学有偷懒、依赖其他同学的思想，并未真正付出时间和精力参与实验任务;其二，线上“翻转课堂”是在“腾讯会议”上完成的，学生再以小组为单位进行实验数据的解释与分析，或回答老师与同学提出的问题时，性格内向的同学很少发言或根本没有发言，老师却未能观察到这种现象。类似的情况也出现在“软件仿真实验”与“师生互动”的调查项中：有4.8%的同学认为“软件仿真实验”效果差，19.0%的认为效果一般;有26.2%的同学认为“师生互动”效果一般。翻转课堂，尤其是线上翻转课堂确实在互动方面有一定的局限[10]。对自主学习能力、自我约束能力及学习主动性强的学生来说，对自己的学习更加负责，学习效果也更好;相反，对于意志力薄弱、自我约束能力差，或是性格内向的同学而言，学习效果可能会比较差。

调查结果还显示，学生对“实验所选案例”与“实验难度”这两个项目的满意度较高，分别为88.1%与83.3%。究其原因，是因为实验方案难度的选择不仅考虑了将学生学习压力降至较低唤起水平，还与学生所学专业知识直接相关。同时，精心设计结构参数及引导问题，使学生在实验过程中经历从实践到理论再用理论来指导实践的一个认知过程，加深了对书本知识的理解，培养了学生解决工程问题的能力。

任何教学改革，教师始终是改革成败的核心与关键[11]。在传统的课堂教学中，理解力水平高或低的学生都易发生“游离”情况。翻转课堂由学生掌握学习节奏，教师则通过引导学生参与知识分享、深入思考、个案研究等活动，促成学生高层次的思考与有意义的学习[12]。如此，便对教师的专业能力提出更高的要求。从调查结果看，学生对“教师专业能力”的满意度为83.3%，不是很高，教师还需要不断学习，提高自身能力。

高校设置专业课程实验的目的在于，学生在教师的指导下，通过一定的条件和手段将知识以可见、可感、可测的形式呈现出来，从而加深对理论知识的理解与掌握。从“加深对理论知识理解”的调查项来看，有81.0%的同学认为线上翻转实验教学这种形式对消化、吸收、巩固理论教学知识效果较好。就本次教学实验来看，其原因是：一方面，实际生活中遇到的机械装置振动通常是微幅振动，传统实验很难观察到它们的振型，而软件则可以放大物体的振动，方便学生观察其振型;另一方面，学生可以有意识地改变结构参数，通过类比的方法观察实验现象，并通过对现象的解释，加深对理论知识的理解。

学生对课程“评价方式”的满意度不是太高，仅为76.2%。通过与学生座谈发现，这种评价方式忽略了部分性格内向的同学。他们在ANSYS分析计算、数据处理、现象分析方面表现的很好，却因在翻转课堂上的发言不甚积极，导致最后得分不理想。今后，教师应该把更多的精力与时间放在课前线上对学生的辅导与答疑上，因为师生互动是最有效的教学手段，而且教师可以基于学生课前学习情况，丰富课程评价方式，最大限度做到评价的公平与公正。

4 结论

基于软件仿真的高校实验课在线翻转课堂教学，相比传统的实验教学，学生实验时间大大缩短;通过小组或班级讨论，更有助于对专业理论知识的理解与掌握。但是，对于意志力薄弱、学习主动性差，或是性格内向、不善言辞的同学而言，学习效果不甚理想。结合调查，笔者认为“软件仿真实验+线下翻转课堂”的教学效果可能会更好一些。

参考文献：

[1] 吴仁英，王坦.翻转课堂：教师面临的现实挑战及因应策略[J].教育研究，2017，38（2）：112-122.

[2] 容梅，彭雪红.翻转课堂的历史、现状及实践策略探析[J].中国电化教育，2015（7）：108-115.

[3] 郝兴伟，张强.翻转课堂教学：经验与趋势[J].中国大学教学，2015（10）：65-67，48.

[4] 邓笛.翻转课堂模式在大学英语教学中的应用研究述评[J].外语界，2016（4）：89-96.

[5] 吴硕，刘志广，宿艳，等.分析化学“翻转课堂”的尝试与探讨[J].中国大学教学，2015（1）：53-56.

[6] 于文浩.“翻转课堂”的学习满意度：高校课程教学行动研究[J].开放教育研究，2015，21（3）：65-73.

[7] 黄琰，蒋玲，黄磊.翻转课堂在“现代教育技术”实验教学中的应用研究[J].中国电化教育，2014（4）：110-115.

[8] 石端银，张晓鹏，李文宇.“翻转课堂”在数学实验课教学中的应用[J].实验室研究与探索，2016，35（1）：176-178，233.

[9] 崔佳，宋耀武.“金课”的教学设计原则探究[J].中國高等教育，2019（5）：46-48.

[10] 曾明星，李桂平，周清平，等.从MOOC到SPOC：一种深度学习模式建构[J].中国电化教育，2015（11）：28-34，53.

[11] 田爱丽，吴志宏.翻转课堂的特征及其有效实施：以理科教学为例[J].中国教育学刊，2014（8）：29-33.