融合任务与案例的翻转课堂教学模式在本科工程教育中的应用探索

王轶辰+雷海申

摘要：中国高等工科教育突出的问题是培养的工科学生动手能力、实践能力、分析问题解决问题的能力薄弱。翻转课堂是一种较新的教学模式，它的基本原理是重新调整课堂内外的时间，将学习的决定权从教师转移给学生，起到了调动学生学习主动性和积极性的作用，同时增加实践学习的机会和时间。我们在探讨工程类科目的知识构成以及认知规律基础上，并同时考虑了任务式和案例式教学的优势，提出一种改进的针对工程类课程的翻转课堂教学模型，通过将该模型应用于《适航与航空安全》课程教授过程，期望能够有效地提高学生的自主学习、知识实践及知识创新能力。

关键词：翻转课堂；任务式教学；案例式教学；航空安全管理

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）14-0169-06

一、引言

美国专业发展工程师会（ECPD，美国工程及技术教育认证委员会的前身）定义工程学为是有创意的应用科学定律来设计或发展结构物、机器、装置、制造程序、或是利用这些定律而产生的作品，或是在完整了解其设计下建构或设计上述的物品、或是在特定运作条件下预测其行为，所有所做的都是为了其预期的机能、运作的经济性或人员及财产的安全[1]。工程学包括非常多的子学科，然而他们的共同点就是都需要利用基础自然科学与数学知识进行创造性的活动。针对工程学的传授和学习过程，我们称为工程教育，它具有实践性、综合性、经济性和创新性的特性[2]。目前的大学阶段教育尤其是工科院校的教育特别强调工程教育，这类院校工程教育培养的人才除具备一般高等教育人才的素质之外需要更加突出工程素质的培养。工程素质既包含技术性素质，也包含非技术性素质[3]。一般来讲，工程素质主要包含以下内容：广博的工程知识、良好的思维方法、工程实践操作能力、耐心细致扎实的工作作风、工程创新意识和创新能力[4]。培养的工科学生动手能力、實践能力、分析问题解决问题的能力薄弱是中国高等工科教育突出的问题。因此，以现代工程教育为导向，建立起以能力培养为主线，以工程实践为依托，以强化工程实践能力、工程设计能力与工程创新能力为突破口，理论与实践相结合、课堂教学与课外活动相结合、校内与校外相结合，形成与课堂教学相辅相成又相对独立的实践教学体系是必要的，也是紧迫的。

翻转课堂（Flipped classroom）是一种较新的教学模式，2007年起源于美国。它的基本原理是调整课堂内外的时间，简单说来就是将学习的决定权和主动权交给学生，在课前由学生根据教师提供的各种学习资源进行自主式学习，而教师不再占用课堂的时间来讲授信息。与此同时，在课堂上教师则侧重于引导学生进行讨论以及解决教师给出的实践性课题等，这样教师有更多的时间与每个同学交流，随时解决他们不能解决的问题。这种教学模式对于工程学科的学习具有一些天然的优势。因为工程类学科的特点是主要是培养学生具有工程实践的能力，以至将来能够胜任工程师的角色，也就是在有了想法以后，能够利用已经掌握的知识来解决问题。工程类学科中的大部分知识属于过程性知识，与陈述性知识不同，过程性知识不能直接陈述，例如可以通过实践作业来获得。而翻转课堂的教学模式就是起到了调动学生学习主动性和积极性的作用，同时也可以增加实践学习的机会和时间，也可得到教师的更多时间的补充指导。

将翻转课堂模式应用于工程类课程的教学过程中，我们提出一种改进的针对工程类课程的教学模型，其中融入了任务式教学和案例式教学的优势，同时将该模型应用于《适航与航空安全》课程教授过程。

二、翻转课堂教学模式

（一）翻转课堂在工程类教学中的应用

大学本科工科类课程的主要目标是培养学生的工程素质，使其具备基本的工程能力，为日后成为优秀的工程师打下坚实的基础。美国国家研究委员会和国家科学基金会对未来工程人才的培养要求主要表述为三点：（1）具有宽广厚实的基础知识和技术能力。（2）具有大工程观的综合素质和很强的灵活性与适应性。（3）具有终身学习的动力、知识与能力。简单说来，就是能够做到“在工程中敏锐的发现问题，深入的分析问题，快速的学习知识，准确的解决问题”。事实上，工程类学科中的大部分知识属于过程性知识，也就是主要用来回答“怎么想”“怎么做”的问题，主要以产生式和产生式系统表征，用来解决做什么和怎么做的问题。与陈述性知识不同，过程性知识不能直接陈述，只能通过某种作业形式间接推测其存在，而且也不能像通过记忆来获取陈述性知识那样来获取过程性知识。通常学习过程性知识分为三个阶段。

第一阶段，吸收知识。这是一个习得的过程，通过感知、理解和记忆过程性知识的陈述性形式（即陈述性知识），让新知识与原有知识形成联系，这也是我们古人所谓的“温故而知新”。

第二阶段，转化知识。这是一个深化理解和知识转化的过程，通过各种练习方式，使贮存于知识体系中的陈述性知识转化为程序性知识。

第三阶段，应用知识。通过对问题的分析，提取过程性知识解决“怎么办”的问题。

与陈述性知识相比，过程性知识的习得速度较慢，但遗忘也较慢。如果长期运用过程性知识解决问题，在实践过程中会逐渐积累许多经验性知识，这其中不仅包括了知识，而且还有个人的技巧，是一种个体性知识。

目前我们本科工程类学科的教学内容主要集中在基本理论与概念和基本方法上面（如图1所示，基本属于陈述性知识），对于如何运用知识解决问题的能力和技巧（属于过程性知识）却重视不够。在这样的教学内容驱动下，我们的授课方式大多数还是以传统的授课方式进行，课堂上教师讲授基础知识和技术方法为主，学生们则以听讲和背书为主要学习手段。根据艾宾浩斯遗忘曲线，记忆的内容一天之后就会忘记大约74%的内容。然而将短期记忆转化为长期记忆所需要的知识内化过程通常是在课后通过复习和作业来完成，这个环节在本科教学过程中是一个薄弱点，所以经常导致在学期末课程结束时学生头脑中就已经没有多少知识的储备了，更不要说在毕业之后运用这些知识解决问题了。另外，学生通常认为学习是学校内的事情，毕业之后就是工作，再也不用学习了，由此可见我们在培养学生的持续学习能力（如图1所示）方面是非常欠缺的，而这项能力恰恰是优秀的工程人员不可或缺的能力之一。

（二）翻转课堂的基本概念

翻转课堂（Flipped classroom）是一种较新的教学模式，2007年起源于美国。它的基本原理是调整课堂内外的时间，简单说来就是将学习的决定权和主动权交给学生，在课前由学生根据教师提供的各种学习资源进行自主式学习，而教师不再占用课堂的时间来讲授信息。与此同时，在课堂上教师则侧重于引导学生进行讨论以及解决教师给出的实践性课题等，这样教师有更多的时间与每个同学交流，随时解决他们不能解决的问题。

（三）翻转课堂教学方法在工程类科目中的应用

翻转课堂教学模式的核心理念就是将知识内化的过程放在了课堂上，将知识传授的过程放在了课前。在工程类学科教学中使用翻转课堂，可以获得许多优势。

1.有助于延长了课程的有效学习时间。

2.有助于培养和提升学生的自主学习能力。

3.提高了学生参与课堂的积极性。

4.有助于培养学生的批判性思维与创造性思维。

5.有助于培养学生与他人交流的能力和技巧。

三、融入任务与案例的翻转课堂教学模式

（一）任务型教学的引入

任务型教学是指教师通过引导学习者在课堂上完成任务来进行的教学。这是20世纪80年代兴起的一种强调“在做中学”（learning by doing）的教学方法，是交际教学法的发展[9]。任务型教学法非常适合翻转课堂教学理念的实施，因为在课前学生已经完成了陈述性知识的自主学习，掌握了一定的基本概念与基本原理，而在课堂上利用任务来组织教学，让学生充分的调动自身能力参与和体验实际任务，与同学和老师进行过交流与合作，解决任务中的问题。这样的课堂教学不仅实现了学生将陈述性知识转换为过程性知识的过程，而且有趣的课堂氛围还能有效的吸引学生的注意力。

（二）案例式教学的引入

案例教学起源于“哈佛大学”的情景案例教学课，之后迅速成为一种为全球培训界为全球培训业公认为最行之有效的培训方式之一。案例式教学有效地促进了陈述性知识向过程性知识的转化过程。

任务型教学一样，案例式教学非常符合翻转课堂的教学思想。课堂上学生们在对案例进行思考和分析的过程中，会不断运用课前自主学习的陈述性知识，对案例进行思考与分析，并不断的将陈述性知识向过程性知识转化，力求解决案例中的各种问题，同时在这个过程中不断的与其他学生和老师进行互动与交流。事实证明：案例教学对学生运用知识解决实际问题的能力有极好的提升和促进作用。

（三）翻转课堂教学模式

基于上面的分析，我们提出一种适合工程类课程的融合任务与案例的翻转课堂教学模式（Model of Teaching based on Flipped learning Using Task and Case）。如图2所示，在这种教学模式中，我们将课程的学习划分为三个主要阶段：课前自学、课堂教学和考核评价。

1.课前自学。课前教学阶段是翻转课堂的一大特色，它颠覆了我们传统的教学过程，将原本一直在课堂上进行的知识传授阶段翻转到了课前，在信息技术的辅助下通过教师提供的学习资源来完成。根据工程类学科的知识构成，学生在课前学习阶段需要掌握基本概念、基本技能和方法，在这个阶段我们关注三个方面的内容，学习资源、技术支持和学习方法与习惯。（1）学习资源。由于在这个阶段学生采用的是自学方式，所以为了保证学生的学习效果，应该提供多样性的学习资料。①教学视频。教学视频是课前学习资料经常采用的一种方式，它的形式可以是PPT加音频，也可以是视频短片，还可以选择网络上开放的相关课程视频。教学视频的内容、形式、时长等方面是影响学生课前学习效果的几个主要因素。教学视频在内容上应该以知识点的形式进行组织，每个知识点录制一段视频，时长一般15分钟左右，不宜太长，这样既可以保持学习注意力，又不会给学生构成太大的学习负担。另外每个视频还应配有相应的文字副本，方便学生查看，避免观看视频时忙于低头做笔记而使注意力分散的情况。教学视频通常在课前一周发给学生，学生根据自己的时间安排学习，目标是达到对基本概念的熟知以及对基本方法的深度学习。②辅助学习资料。相关领域的学术论文是工科类学习经常参考的资料之一，另外为学生提供相关的网络资源也是非常有帮助的。③课堂任务的准备材料。因为在翻转课堂教学模式中我们融入了任务型与案例式教学，所以在课堂教学过程中我们会以完成特定任务或者自主分析案例的方式进行课堂教学，在课前阶段将课堂要完成的任务或者案例提前交代给学生，会让学生的自助学习更有针对性，而且还可以让学生在有准备的情况下进行课堂教学，教学质量更高。（2）学习方法与习惯。自主学习能力是工科类学生在实际工作中不可或缺的一项重要基本技能，而翻转课堂教学模式的课前阶段恰恰是培养工科类学生自学能力的一个重要环节。在这个过程中学生会逐渐找到适合自己和所学课程的自学方法，久而久之，学生会养成自我学习的习惯，建立自我学习的方法继而树立自我学习的信心。

2.课堂教学。翻转课堂通过课前阶段的深度学习实现了对课堂活动的时间的延长。由于课前已经把课堂所需要的基本概念和基本技能进行了自主学习，这样也就减少了课堂上教师讲授知识的时间，所以课堂上留给学生活动的时间就多了。所以在课堂教学阶段通常会采用合作式和交互式学习方法。为此我们提出了在翻转课堂教学模式中融入了任务型和案例式教学。课堂活动阶段主要包括以下几个步骤和环节。（1）知识回顾与现场答疑。尽管学生在课前进行了自主学习，但是在课堂上我们通常会首先进行本课内容的简单回顾，同时对学生在学习过程中记录下来的疑问与困惑进行答疑。该环节的时间比重应该控制在整堂课的20%以内。（2）任务活动与案例分析。将工程中可能遇到的实际问题进行抽象和总结，形成任务让学生完成，或者将工程中的实际案例提供給学生供其分析，这两种教学手段是课堂教学的重点，也是实现培养工科学生具备“发现问题、分析问题、解决问题”的工程素养的关键所在，同时也贯彻了翻转课堂所提倡的“做中学、用中学、体验中学”的特点。任务活动阶段需要学生的高度参与，同时也培养了学生在工作中的人际交流能力。

课堂任务活动的实施通常分为以下几个步骤：①教师根据本讲的知识点设计出相应的子任务以及综合运用各个知识点的综合任务，每个任务都要设计明确的任务要求和具体的任务成果；②对学生进行分组，每个组进行子任务活动，充分交流、互动，教师可以充当参与者、监督者、指导者、或协调者的角色，实时把握活动的进程，并对活动进行动态调整和指导；③汇报交流。任务活动完成后各个小组选出一名或几名学生进行成果汇报与交流。汇报交流的形式可以多种多样，比如报告、评审等。

课堂上案例分析活动的实施通常包含以下环节：①教师根据知识点选择合适的工程案例，并基于案例提出附加问题；②学生独立对案例进行分析，回答附加问题，提出自己的想法与疑惑；③教师随时解决和回答学生在案例分析过程中的疑惑，并适当地穿插讲解相关知识和部分提示；④完成案例分析后，教师选择部分学生进行案例分析的结果汇报，并做点评。

3.考核评价。翻转课堂不但要注重对学习结果的评价，还通过建立学生的学习档案，注重对学习过程的评价，真正做到定量评价和定性评价、形成性评价和总结性评价的良好结合。通常我们将对学生考核分为两个部分，一个是课堂考评，通常采用形成性评价，一个是传统的期末考评，即总结性评价。（1）形成性评价。教师根据各组的汇报情况并结合在任务活动实施过程中观察了解到的各组的整体表现，对汇报的学生及所属小组在逻辑思维能力、活动参与度以及协商合作等方面进行评价并给出反馈意见。（2）总结性评价。在学期末会通过考试的形式完成本课程的考评，考试内容以课程大纲为主线，包括基本概念与基本技能的考核以及通过案例分析等方式对技能的掌握情况进行考核。

四、实例

（一）《适航与航空安全》课程背景

《适航与航空安全》是系统安全性工程里面的一门典型工科类课程，该课程以系统安全性理论为基础，主要讲授飞行器的适航性与航空安全管理的相关知识。课程的培养目标是让学生理解航空安全的基本知识框架，掌握适航性与飞行安全相关的技术手段，了解相关的标准与法规，能够用所学的知识分析和解决该领域的简单问题。

如图3所示，该课程内容围绕航空安全的核心展开，包括针对飞行器的适航和安全管理两个主要内容。

（二）教学模式的设计

基于上述的课程知识体系，并结合航空安全工程的实际工作，制定出该课程的授课大纲，讲全部课程内容分为13讲，每次授课3个学时，共计39学时。

根据3.3节中提出的教学模式，我们以“人为因素对航空安全的影响”这一讲来说明我们的课程设计，如下图所示。

“航空安全的人为因素”这一讲的翻转课堂教学主要须做到安排课前自学和案例式课堂教学。

1.课前自学，教师通过在公共邮箱或者是课程中心中上传航空安全人为因素讲义及相关案例视频，并给学生提供查找相关知识的资源，鼓励去寻找讲义中没有的知识，如查找人为因素导致的航空事故案例或补充讲义中覆盖不全及不详细的知识点，同时接受学生的咨询；

2.课堂教学先要回顾这一讲的知识，并解决学生仍存有的疑问，接着给出一到两个相关人为因素导致的航空事故案例，让学生分组根据目标任务分析，最后进行分析情况汇报。

对于课程教授完成时的考核评价是对整个课程而言的，因此在图4中并未体现考核评价这一部分；考核评价主要有两个方面，形成性评价和总结评价：形成性评价主要各组的整体表现，对汇报的学生及所属小组在逻辑思维、任务分析程度、活动参与度以及协商合作等方面进行评价并给出反馈意见，并放入学习档案袋中；总结性评价是通过期末考试的来考核，包括基本概念与基本技能的考核以及通过案例分析等方式。

五、结论与展望

在本科工程类科目中使用翻转课堂的教学模式具有很多优势，不仅符合工程类学科的学习认知规律而且有利于培养学生的自主学习能力和知识创新能力，是一种值得研究与推广的教学模式。作为一种较新的教学方法，在使用过程中尤其是在工程类科目的教学过程中，尚有以下方面需要继续探讨与研究。

1.授课教师的思维转换与能力提高，在翻转课堂教学过程中教师的角色至关重要，在课前阶段教师要录制授课视频，使得教师的授课方式需要有很大的改变，在课上阶段，教师与学生需要合作式教学，这对教师的专业能力和交流技巧是一个极大的挑战。

2.教学方式的技术化支持，目前的网络技术越来越先进，如何借助丰富的网络资源和便捷的网络工具进行翻转课堂的教学，有效地提高教学的效率和效果，是一个需要不断思考与探索的领域。

3.评价考核方式的改变，翻转课堂的教学特色在于突出了学生的自主学习过程，强化了学生运用知识解决问题的能力培养过程，而传统的依靠考试分数来评价和考核的方式显然不在适用，我们需要新的方式与内容对学生进行更全面和更深入的评价考核。

4.教学效果的长期观察与改善，翻转课堂的提出和使用虽然有一段时间了，但是将其真正的应用于工程类科目的教学中还缺少案例研究与长期的使用观察，只有在长期（一个或两个学期以上）的教学中使用翻转课堂，才能通过收集数据并加以分析，来进行效果的评估和方法的改进。

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Abstract：One of the typical shortcomings of China's high level engineering education is that，the students are not good at analyzing and practicing on specific problem，thus they are not able to solve the problems in the real world. Flipped classroom is a new kind of teaching approach，which basic principle is to re-schedule the time inside the classroom and outside of the classroom. Flipped classroom is to move the decision of what to learn and how to learn from the teacher to the students. It can greatly improve the positivity and activism of the students，meanwhile it can add more time and opportunities for the students to practice what they have learnt from the class. In this paper，we will discuss the knowledge structure and the acknowledgement principle of engineering classes，then we'll discuss the advantage of task-based teaching and case-based teaching. We'll propose a modified teaching model based on engineering classes' special features. By implementing this model to the teaching process of "airworthiness and aviation safety" class，we hope to improve the ability of students' self-learning，practicing and creative thinking.

Key words：flipped classroom；task-based teaching；case-based teaching；aviation safety management