线上线下混合实验教学模式研究

马 超,曽 红,王宏祥

(辽宁工业大学 机械工程与自动化学院，辽宁 锦州 121001)

0 引 言

MOOC(Massive Open Online Course)即大规模开放在线课程是在互联网学习兴起的背景下发展起来的，是一个面向众多学习者的开放、互动的学习平台[1-2]。随着信息技术的高速发展，依靠教师讲授为主的传统课堂教学方式难以满足学习者日益丰富的要求，而项目式、驱动式、混合式、翻转课堂等新颖的教学模式逐渐受到教育者的重视[3]。MOOC 对我国高等教育变革提供了新的思路，为高等教育的发展提供了积极的影响：①给学习者提供了公平的学习平台；②提高了教育与学习方式的灵活性；③打破了学习的空间、时间限制；④促进了教学理念和方法的进步。但是随着对MOOC研究与应用的发展，越来越多的研究者认识到，作为一种纯线上的学习方式，MOOC也存在着自身的短板：①由于缺少硬性的约束，且学生的自主学习能力参差不齐，导致课程的完成度较低；②完全依靠线上平台来完成课程，缺乏师生的面对面交流；③不太适用于实践教学环节[4]；④学习过于碎片化，教师的系统教学不可或缺。

在《国务院关于积极推进“互联网+ ”行动的指导意见》中提出：“鼓励学校利用数字教育资源及教育服务平台，对接线上线下教育资源，探索教育的新方式[5]”，这给高等教育的探索提供了新的政策导向。本文立足于自身学校的特点和师生的实际情况，以提高学生的学习能动性、实际动手能力和创新意识为目标，提出将MOOC的线上教学与课堂的实验教学相结合的思路，构建线上线下混合教学模式。

1 MOOC在实验教学中的可行性分析

MOOC课程具有教学视频内容精炼、碎片化教学、线上互动方便、辅助教学信息化等特点，这些特点与实践性课程尤其是实验教学契合度较高。

(1)实验教学的主要教学目标是让学生动手操作，验证与综合应用课堂中学习的理论以及基于理论开展更深的研究，要求理论讲授的内容简短精炼、重点突出，这与MOOC视频的知识凝炼的特点是吻合的。所以，可以把实验原理、器材介绍、操作过程等内容制作成视频，让学生在线上进行学习，就能给课堂教学留下充分的时间让学生们进行讨论和交流。

(2)实验教学所对应的教学内容基本上都属于学科的重点理论知识，各个实验中相关的理论知识相对独立，与MOOC碎片化教学的特点是吻合的。

(3)实验教学教学过程中需要广泛的互动。在学生动手实验时，需要操作实验设备来完成数据的测量和记录，或者对实验现象进行观察，在整个实验的过程中，可能会遇到一些小问题，或有一些新发现，这就需要教师与之相沟通，学生之间也要相互交流。而在实验完成后，学生们会根据教师的安排撰写总结、开展拓展性实验，这都需要一个平台来完成，与MOOC平台互动方便的特点相吻合。

2 线上线下混合实验教学模式的构建与实施

根据建构主义教学理论，学习应该是以学生为中心，发挥学生的能动性，对知识展开主动探索、主动发现，让学生成为所学知识的主动建构者和问题的解决者[6-8]。基于这种理念，教育者在教学方法上应立足于以学生为主体、教师为主导的理念，设法激发学生的自主学习兴趣，培养学生的发现意识，引导他们带着问题去探索课程中的知识，通过相互沟通和协作找到问题的答案。基于此，本文提出了线上线下混合实验教学模式(见图1)。一方面要发挥MOOC资源丰富、互动方便的优势[9]，另一方面也要发挥实验课堂教育在培养学生实际操作方面不可替代的优势，这种教学模式的思路，把学习过程分为4个阶段：①课前预习阶段。学生利用课前时间线上观看教师制作好的视频，建立对实验的基本认识，还可以利用MOOC平台进行必要的讨论和交流；②课堂教学阶段。教师不再对实验原理、操作等内容进行讲解，而是协助学生自主完成实验，并在此过程中组织深入的讨论，答疑解惑；③课后分析阶段。学生根据实验数据完成实验报告和课后的思考题，并对课程的内容、形式等进行反馈，方便教师对课程进行总结和改进；④课后的拓展训练阶段。让学生基于实验的知识来进行创新方面的练习，提高学生的创新思维和能力。

图1 线上线下混合实验教学模式

2.1 课前预习

课前预习是实验教学中的重要的环节，在这个环节，不仅要让学生掌握实验的基本过程，熟悉实验器材的操作，更为关键的是通过MOOC平台培养学生自主学习能力。在传统的实验预习中，学生只能依靠教材去了解实验的相关知识，很难对实验形成深刻的认识。而在MOOC教学模式中，学生可以预先下载相关的微课视频，根据自己的学习习惯和学习能力来制定学习进度，而且视频相比于静态的文字更加直观，形式更多样，也更容易让信息时代的学生所接受并形成深刻的印象。

(1)微视频制作。研究表明，10 min以内的短视频能够有效降低学生在线学习时注意力不集中的现象，有助于提高学习效果[10]。因此，MOOC由若干段时长5～10 min的短视频组成，每段视频都只针对一个知识点讲授，从而做到信息集中而丰富。学生可以在线观看，也可以下载后学习，能够自我控制节奏和进度，方便回顾任何知识点。此外，还可以自主选择微课中的辅助资源，如练习、测验、实践等环节来加强对知识点的理解和掌握。例如在机械设计课程的带传动实验预习中，主要的线上视频学习内容由实验原理、实验目的、仪器操作、注意事项等微视频组成，内容设置见表1。学生通过对这些视频的学习，能够在实验前就对实验仪器的构造、原理建立感性认识，对实验中所涉及到的理论知识建立学习的目标，还能对实验中可能产生的问题加以注意。在视频中，除了采用动画等更为活泼的形式来对内容讲解外，还要注意在视频中要针对实验内容提出一些问题，或者在微课视频中嵌入测验节点，让学生们带着问题去线上平台讨论，再到实验室操作仪器进行验证。

表1 带传动实验视频内容

(2)线上虚拟实验预演。虚拟实验是伴随网络技术与计算机技术的发展而兴起的新型教学手段[11-13]，将实验的器材以虚拟仿真的形式搬上了网络，丰富了实验的条件与方法，促进了实验手段的完善。机械学院已经建立了“机械基础网络虚拟实验室”，包含了7个模块：平面连杆机构、二维凸轮机构、三维凸轮机构、二维齿轮范成、三维齿轮范成、轴系部件设计与减速器拆装虚拟仿真模块。前5个模块的网络化功能通过Java Applet实现，后2个模块利用ActiveX技术将三维CAD软件SolidWorks网络浏览器eDrawings内嵌在网页中，提供了一个网络虚拟模型实验环境。借助虚拟实验室，学生可以在实验前就直观地看到实验器材，甚至在虚拟环境中进行模拟实验，当他们进入现实的实验课堂时就能更熟悉实验的环境，更熟练地操作实验器材。例如在“减速器拆装实验”中，实验目的是让学生掌握透气器、检查孔等10余种附件的作用及结构特点，掌握减速器拆装的方法及正确的轴系结构。但是在传统实验中，学生们在实验前只能根据书本上的文字及图片去开展预习，在实验操作的时候由于实验内容较多，实验时间有限，往往手忙脚乱、顾此失彼。在引进虚拟实验后，学生们能够不受时间和空间的限制，随时登录系统，在虚拟实验室中完成预做，查遗补漏，大大提高了现场实验的效率和完成的效果。图2为减速器拆装虚拟仿真模块的操作界面，在这个界面中，可以调用5种减速器的三维虚拟模型，不仅能查看各种减速器的外形，还能对减速器进行虚拟的安装、拆卸、动态剖切等多种操作。

(3)营造线上互动的氛围。线上互动也是预习的重要组成部分，这种互动可以用3种形式来开展：①测验式互动。学生在观看微视频后完成教师设定好的问题，对预习情况进行评价；②协作式互动。学习者建立交互性的学习圈或组成学习小组，在平台上与同学们交流讨论，共同开展预习；③答疑式互动。学生不可避免地会有各种各样的问题，教师把问题汇总归类后分别进行答疑。

2.2 课堂教学

在传统的课堂教学中，教师要完成实验原理的讲解、仪器介绍、预习情况检查、实验操作等多项讲解，学生则按照计划好的安排按部就班的操作。这种教学模式是以教师为中心来开展的，难以激发学生的学习能动性和创造性。“线上线下混合”教学模式中，学生对实验的熟悉工作已经在自主预习的过程中完成，对学生而言，有了充分的准备，在实验课堂中有足够的时间去操作仪器完成实验任务。对教师来说，不再需要对微视频的内容重复讲解，能够把更多的精力投放到课堂的组织中去，对学生们在线上最突出的问题进行集中讲解，引导学生在课堂环境中进行热烈地讨论[14-15]。课堂实验教学可以由以下步骤进行：①实验开始前，教师提出若干问题。这些问题可来源于学生在预习中出现的一些疑问，以引导学生带着问题在实验中探索。②学生进行实验。在演示、验证型的实验中，让学生结组或独立完成实验。而在设计型、综合型实验中，以2人结组的方式，自行讨论实验设计和操作的方案，教师完善并确定后再实施。在整个过程中，教师要全程参与，规范学生的操作，解答学生的疑难问题，保障实验的效果。③实验结束后，学生们对教师提出的问题交流发言、分析讨论，教师再进行总结归纳，给定正确的答案和理论。如在“带传动实验”中，要求学生根据实验记录的转矩、转速等数据绘制T—ζ、T—η曲线。从数据中可看出T—ζ曲线的规律是越来越大的，而T—η曲线却是先大后小。为什么两种规律曲线并不一致？影响滑动率和效率的因素有哪些？这些都是非常值得学生去思考的问题，在传统教学中，由于时间的局限性，很多学生们并不能深刻地对这些问题进行分析。而在新的模式中，学生们在思想上有所准备，就更有能动性，他们把实验场所变成探究学习的平台，分析、讨论、交流更容易开展，对问题的理解也更透彻。在最后，教师对问题的解释能起到画龙点睛的作用，能让分析正确的学生更有成就感，也能让分析有偏差的学生找到正确的方法，学生学习的兴趣和热情也得到提升。

图2 减速器拆装虚拟仿真模块

2.3 课后分析

在这个环节学生要完成3部分的工作：①整理实验数据，撰写实验报告，对实验的过程展开反思和总结，对学习的过程进行自我评价；②完成线上的课后思考题，从被动的角度检验学生对知识的理解程度。③学生对实验过程及教学内容进行反馈，给教师提供优化改革方案的意见和建议。这个过程需要借助MOOC平台的互动优势，教师通过平台可以与学生简单方便地交流，深入了解学生的学习状态，还能够通过数据分析对学生进行客观地评价，激励学生在自由的学习环境中保持学习的信心与动力。

2.4 拓展训练

在以往的实验中，学生上交了实验报告就意味着完成了实验活动，缺少对学生创新意识的培养。在混合教学模式中，教师可以通过MOOC平台发布与实验相关的拓展资源，这些资源可以是一些典型的案例，也可以是一些可基于实验来完成的研究项目或设计任务。学生根据自己的能力和兴趣自主选择。例如，在机械设计实验教学中，根据实验类型的不同，设定不同的教学目的，制定与实验相对应的拓展练习内容和目标，见表2。

表2 机械设计实验分类及微课设定

3 实施中的注意要点

(1)微视频的制作应灵活。在制作微课视频的过程中应该注重于内容的建设，而不拘泥于固定的形式，提倡多采用学生们喜闻乐见的录像、动画、案例等资源，此外还应该注意在课程的讲解中多引用启发性、案例性的资源素材，给学生打造趣味的知识课堂。对于教学内容要合理分解，每个视频对应一个教学目标进行讲解，实现对内容的精讲。从学生的需要出发来制作脚本，添加字幕来提高讲解的准确性。

(2)考核评价机制要合理。考核是检验教学效果、对知识掌握程度的重要手段，也给教师及时完善教学方法和内容提供了准确的信息。不同的考核方式,也会产生不同的教学效果。以往的实验教学一般以实验报告为主要考核依据，这种方法存在一定片面性，使学生轻过程重结果,不利于激发学生的学习积极性。应该根据课程的特点，建立更全面的考核机制。表3为机械设计实验的考核评分标准。

表3 机械设计实验的考核评分标准

4 实施效果

线上线下混合教学模式应用在机械设计课程的实验教学中，受到了教师和学生的好评和欢迎，提高了学生对实验的兴趣，加强了学生对知识的理解，也培养出学生们的自学能力，为实验教学改革提供了新思路。

(1)提高了学生动手实践的能力和创新的能力。在传统的教学模式中，很多学生对工科基础课实验尤其是验证性的实验重视度不够，实验的态度也不认真。采用混合教学模式后，线上线下的学习气氛更加热烈，学生们在丰富的学习资源中对专业的兴趣更浓，学习风气大有好转，学会了主动去思考问题，努力去创新争先。在全国大学生机械创新设计竞赛、全国大学生机器人大赛、“挑战杯”等各项竞赛中，我校学生的机械设计作品多次获奖。

(2)增强了师生之间的了解。教师与学生、学生相互之间在互动环节能够更全面、更密切的交流，让教师更容易了解到学生的需求，从而优化教学目标，打造以学生为中心的教学环境，逐步实现学生个性化学习。

(3)提高了教师的微课制作水平。对实验教学进行MOOC模式授课对教师来说也是一次提高信息化教学水平的机会。在视频资料的制作中，教师也会遇到各种各样的困难，比如微课的录制、编辑、发布，都得从零学起的。随着时间的推移，教师微课制作的水平有了明显的提高，在教育教学信息化大奖赛、全国高校教师微课比赛中多人获奖。

5 结 语

结合MOOC教学和实验课堂教学的优势，构建了线上线下混合实验教学模式，让学生在教师的引导下，发挥自我能动性，自己去规划安排学习计划、制定学习方案、完成自主学习，真正成为学习的主体，逐渐养成终身学习的习惯和能力。实践结果证明，线上线下混合实验教学模式更容易被学生所接受和认可，促进学生对实验和理论知识的掌握和理解，能够提高学生的动手实践能力、创新能力。