线上线下混合式教学在《材料力学性能》课程实验中的实践研究

刘德宝，李春亮

（天津理工大学 功能材料国家级实验教学示范中心，天津300384）

0 引 言

为落实习近平总书记关于教育的重要论述精神，结合《深化新时代教育评价改革总体方案》和教育部2022年工作要点等文件精神，促进优质数字化教学资源有效利用，积极开展线上与线下、课堂与实践等混合式教学，正成为未来教育的新常态[1-3]。线上教学可以将大量的教学资料瞬时传输给学生，突破时间和地域的限制，学生可以随时随地查看学习资料，进行个性化学习，这是线下教学所不具备的条件[4]。传统的线下教学方式由于学生注意力集中，师生之间的沟通和交流互动较多，课堂氛围较好，容易营造良好的师生关系，有利于调动学生的学习兴趣。线上线下混合式教学通过有机融合线上教学和线下教学的优势，可以有效提高课程的授课效率。线上线下混合式教学既要有学生线上的自主学习，又要有师生面对面的集体学习。线上学习是线下学习的基础和前提，线下学习是线上学习的延续和提升，这两部分教学是有机统一的。线上教学使教学时间与空间实现分离，教师教授和学生学习可以不在同一时间发生，也可以不在同一空间发生，传统的课堂教学活动因此会被重新建构[5,6]。混合式教学更有利于个性化指导，支持个性化作业的布置，提供互动交流的平台，提供资料存储的空间，支持教学模式的创新。因此，教师由知识的传授者变成学习的引导者。混合式教学改变了教师先教、学生后学的传统模式，变成了学生自学、学生互学与以学导教，以教导学的双向互动，真正尊重了学生的主体地位[7]。

在互联网+教育的背景下，线上线下混合式教学已经成为教学的一种新范式和新常态，然而目前混合式教学在理论课堂实施较多，在实验教学中的实践较少。提高实践能力培养质量是高校普遍关注的问题，也是实现培养目标的关键环节。传统“教-学-做”的机械式实验教学模式已逐渐对学生失去了吸引力，加之实验教学方式单一、实验仪器设备及场地匮乏、专职实验教师师资不足等问题日益凸显，若不进行相应的教学改革和创新，实验课程教学应发挥的作用将趋于弱化[8,9]。

在《材料力学性能》课程实验中对线上线下混合式教学模式的应用进行探索与实践。《材料力学性能》是从各种零件和工程结构部件的服役条件和失效现象出发，提出衡量材料失效抗力的正确指标。课程任务是了解这些指标的物理意义、技术意义和测试方法，弄清这些指标之间的相互关系，分析内在因素（材料成分、组织状态）和外在因素（应力状态、加载速度、温度、环境介质）的影响[7]。该课程是材料类、机械类专业重要课程之一，课程中每一个力学性能指标都有相应的力学测试实验。因此，充分利用数字化实验教学资源和信息化理念，赋予“教”与“学”新的内涵，通过线上数字化信息资源，让学生更加直观地掌握实验原理、流程和操作等，当回归线下实验课堂，学生将碎片化知识与实验相融合，集中精力进行实验操作，可达到更佳的学习效果。

1 线上教学资源与内容设计

根据课程的教学目标，制定线上实验教学部分的教学内容，主要包括以下内容。

（1）实验室安全及实验操作注意事项。实验室安全的重要性不言而喻，因此要让学生认识忽视安全问题的严重性和危害性，对实验操作规范、安全规章制度牢记于心。通过线上专门设置安全教育和力学实验室的安全知识测试模块，根据实验项目提前管控安全风险，充分掌握应急措施，熟练操作应急设备。

（2）课前学习资源。这包括实验基础知识与实验指导书，其中基础知识是实验所涉及知识点的PPT，实验指导书包括实验目的、实验原理、实验设备和材料、实验步骤、数据记录与处理方法和相应的思考题。

（3）实验视频资源。材料性能实验教学演示视频资源的建设如表1所示，《材料力学性能》课程主要特点是实验多，针对每种性能测试都会有相对应的测试方法。主讲教师通过自行拍摄、网上资源搜集等方式建立了实验操作的视频演示素材库，通过相关测试实验视频的演示，讲解材料性能概念与指标，加深学生对概念的理解，掌握性能的测试方法。

表1 《材料力学性能》主要课程实验

（4）工程材料失效案例。案例法是课程的主要教学方式之一，因此针对材料的各种性能，收集了相关性能方面的失效和分析的典型案例，主要包括断裂失效、电化学腐蚀失效、磨损失效及寿命预测等，提出造成材料性能失效的关键问题，进一步加深学生对课程讲授知识点内容的理解。

（5）课程思政案例。收集了课程涉及的培养学生家国情怀、工程素养和科学精神方面的案例，如《材料力学性能》理论发展过程中的历史渊源、相关理论在重大工程中的成功应用、选材与用材应遵循的标准规范等。培养学生的社会责任感，增强遵守伦理规范的自觉性，提升学生应对工程伦理问题的能力，培养学生造福人类、造福社会的意识。

2 教学过程组织与设计

2.1 课前线上推送课程资源自主学习

在学生开展线下实验前，依托线上建立的学习资源，通过布置相应的课前任务，让学生进行实验前的自主学习，主要包括实验室安全、实验操作规程及注意事项、实验基础知识、实验思考题和实验操作视频。学生经过学习课前资料，观看实验操作视频，然后进行思考题测试。视频可依据个人情况多次观看，思考题测试有2次机会，以最高成绩为最终成绩，目的是使学生充分熟悉实验知识。学生在规定时间内完成相关内容学习和考核，让学生有充分时间学习的同时也持有紧迫感，还可以通过平台互动或课上提出问题与教师讨论。学生只有达到预习考核标准后，才能进行线下的实验实操。

此外，指导教师也能通过在线活动获得学生对知识的掌握情况，预测实验中学生遇到的难点，提前进行重点安排。混合式实验教学把传统的实验讲授通过线上形式进行前移，给予学生充分的学习时间，尽可能让每个学生都有较好的实验预习质量，再走进实验室，保证了实验教学的效果。以单向拉伸及缺口实验为例，学生通过线上资源可以学习单向拉伸实验的国家标准要求、工程应力应变曲线的特征阶段组成、应力应变曲线可得到的性能参数、应力应变曲线所对应的材料微观结构的变化以及拉伸实验的操作等内容。

2.2 线下实验课设计与实施

通过线上学习，学生对实验所涉及的原理知识、实验步骤和方法有了一定的了解和掌握。线下教学过程中，教师针对学生在线学习反馈的共性问题进行查缺补漏和针对性指导，通过实验教学活动，组织学生把在线所学到的基础知识和实验方法进行运用和巩固，可以实现更加高级的教学目标。具体实施过程可借助雨课堂等工具进行辅助教学，进行分组实验，强调合作和互动。每个互动都要有明确的目标，互动的所有方式为实现实验目标而设计，综合采用提问、辩论、讨论、调查、测试等互动形式，增加互动的趣味性和实用性。例如在单向静拉伸实验中，实验参数的设置涉及材料机理、引伸计的作用原理、拉伸曲线的特性讨论、断口宏微观形貌的分析等，需要学生分组讨论和合作研讨。因此，线下实验包括预习成果的反馈、分组合作实验、总结实验结果、核心要点凝练和随堂测试等环节，指导教师可以节省实验前大量的讲授和解说时间，把时间用在分组教学指导、引导和点评等方面。

2.3 实验课后巩固与评估

实验后学生通过回答思考题，对实验涉及的知识点进一步加深理解。教师结合学生的实验表现、实验报告、思考题解答等内容对学生实验进行评价和教学反思。由于采用了信息化方式，可以基于全过程数据链的采集，对学生学习效果及能力进行评价，包括课前线上的测试成绩与实验过程操作表现、团队合作表现、数据记录与分析、实验报告成绩等线下成绩。最终学生实验成绩的构成为线上（30%）+实验表现（20%）+实验报告（50%），形成了基于全过程数据链的学生成绩评价。

3 教学效果分析

3.1 线上学习效果分析

通过对学生学习效果的分析，实验前的线上学习可以让学生了解实验的理论知识、安全知识、操作流程和操作规范，尊重学生的主体地位。学生通过多次观看视频和回答思考题，了解实验的具体要求，更符合学生的认知规律，也能将课外科学知识带进课堂，拓展学生视野，增加学习的深度，并且培养了学生自主学习、信息化学习的能力，同时消除了学生在传统课堂上不敢发言表达自己观点的不自信的心理。线上学习还能让学生能够进行虚拟仿真实验操作、对仿真实验的数据和结果进行初步分析。但也存在部分学生不认真自学，没有达到实验前应具备的条件，这部分学生将不允许进入实验阶段，只有真正达到预习要求后才能进行实验操作。

3.2 线下实操课堂效果

通过线上的前置学习，学生在实操前已经掌握了实验的理论基础和操作步骤，因此课上教师只需简要说明实验内容和重点，便可指导学生开展实验。由于学生实验前的充足准备，提高了实验效率和实验成功率，且在实验期间学生能主动思考问题，分析总结失败原因。虽然学生要花费一定的时间和精力进行线上学习，但节省实操的时间，解决了传统实验教学课时紧张、师资紧张和台套数紧张的问题。教师有更充足时间多角度、多维度组织学生分组探究、翻转课堂，同时还可以让学生在实验课堂上积极研讨和头脑风暴。例如材料静拉伸实验中，比较不同组学生的数据，分析不同材料应力应变曲线的特点，找出拉伸断口的形貌特征与材料特性之间的关系以及材料弹性、屈服、塑性、应变强化指数、断裂韧性指标的工程意义等相关联的知识点。

3.3 形成性评价分析

为了对线上线下混合式实验教学的效果进行评价和分析，选择2个教学班分别采用传统实验教学方法（对照组）和线上线下混合式教学方法（实验组）进行实验教学，通过实验成绩法和调查问卷2种方式进行对比，实验成绩法对照结果如表2所示。

表2 实验成绩法对照结果

从表2可以看出，实验组和对照组的实验前预习成绩相差不大，而实验组的预习内容要多于对照组，不仅需观看虚拟仿真实验视频，还有思考题的回答和测试，对照组预习内容较少，仅包含实验基础知识和实验指导书的预习。因此，实验组在预习环节所花费的时间一般是对照组的2～3倍。从实验操作和实验报告成绩来看，实验组高于对照组，说明线上的预习环节通过多种资源的传递和测试，让学生实验前有压力、带任务去学习，有利于学生对实验知识点的理解、提高实验操作的成功率和实验报告的撰写质量。而且经过线上预习环节，实验的课前讲授、实验示范、实验操作时间大幅减少，学生有充足的时间进行研讨、交流，有利于培养学生的团队合作能力和增加课堂的活跃度。

表3所示为实验组和对照组调查问卷结果，大部分学生认为线上线下混合式教学在《材料力学性能》实验的应用可以提高其各项能力，特别是自主学习能力、团队协作能力和实验操作能力。相对而言，创新能力、分析问题和解决问题能力提高并不明显。由于课程实验主要是验证性实验，并不属于前沿创新型实验，对创新能力的培养有限。加上学生实验课时有限，没有形成综合化、系列化实验，参与实验结果分析仅限于课堂实验，因此对分析问题和解决问题能力培养不充分。今后应结合专业特点，加强科研成果转化系统性思维的课外实验训练，并鼓励学生参与教师科研课题。

表3 问卷调查法对照结果

4 结束语

线上线下混合式实验模式由传统的教师先演示、学生后学模式，变成了学生自学、学生互学与以学导教、以教导学的双向互动模式。通过课前的线上资源和信息化方式的结合使用，可实现大规模教学、碎片化学习，不受时间和空间限制，可重复性地学习，因此学生学习的自主性得到加强。线上教学还可以在课后巩固实验学习成果，引导学生进行讨论改进，更加有利于核心素养培育，彰显育人价值。基于全过程数据链对学生进行及时地学习反馈，让教学活动更加具有针对性，不但让学生学得清楚，而且让教师教得明白。以上这些优势对建设具有高阶性、创新性、挑战性的线上线下混合式实验课有强大的支撑作用，但对线上教学中存在学生匿名学习、关注学生学习不充分、对学生的约束性不强以及学习效果差异大等问题需要进一步完善和改进。