基于“翻转课堂”的机械工程材料课程教学综合改革研究*

伍 堃

(武汉工程大学邮电与信息工程学院，湖北 武汉 430073)

1 机械工程材料课程的特点及问题

机械工程材料课程涉及材料的组织、性能及其应用、热成形技术、热加工工艺设计等内容。它是机械类学生重要的综合性专业基础课，是引导学生进入专业领域，培养学生具有应用创新能力的综合训练课程，在机械类人才的培养中起到非常重要的作用[1]。机械工程材料课程理论性强，概念多[2]。它既没有数学物理学科的严谨的逻辑推导和计算，也不像直观生动的工程制图等课程，尤其是材料结构等章节，如晶体结构、晶体原子数、配位数、固溶体、相等这些抽象的理论概念，让学生感到枯燥、乏味而失去课程学习的兴趣和主动性，这些微观结构无法与金属材料宏观性能等后续几章内容紧密的联系起来，从而导致学习的脱节甚至达不到对整门课程的融会贯通。在我校以往的课堂教学中调查发现，大多数学生在学习时感觉知识零乱、知识点之间缺乏逻辑性。进而形成刚上课还能跟得上，课程进行中就有一部分学生掉队，期末部分学生考核不及格的不良教学效果。分析原因除课程性质外，还有部分学生缺乏自我约束力、没有自学能力、实践教学效果不良等。

课堂是学生学习知识的重要场地，教学效果直接影响着学生掌握本领的情况。随着移动网络和终端的迅速发展，网络技术和大数据使得人类知识的建构、控制及获取的方式正在发生巨大的变化[3]。高等工程教育越来越关注学生工程实践能力的培养，它要求大学教育培养出来的学生除了掌握传统的技术能力外，还应具备较好的综合素质、较强的社会责任感以及良好的职业品德等其它能力。显然传统的教学方式已无法满足这一要求，因此提高高等工程教育课堂的教学质量是决定高校学生工程实践能力培养的主要因素。因此，机械工程材料课程亟待打破原有的传统教学模式，进而实行一次深度的综合改革，显得尤为重要。

2 基于翻转课堂的机械工程材料课程

2.1 翻转课堂(Flipped Classroom)的发展

翻转课堂起源2007年美国林地公园的一位高中化学教师，他为学生录制了可供在家里观看的视频。翻转课堂的本质其实就是指老师事先准备好包括音频、视频、电子书等在内的一些教学资料，在上课前将这些数字材料分享给学生，这样学生在课前可以完成自主预习工作。课堂上的时间留给学生和老师进行互动，老师为学生答疑解惑探索或拓展新问题，并完成课堂练习。2011年翻转课堂的热潮波及国内，由广州市珠海区第五中学和重庆市江津区聚奎中学率先开展翻转课堂实验，此后，便如雨后春笋般在中国大地层出不穷[4]。借助于网络技术的快速发展，随着Coursera、Udacity、edX 、“学堂在线”等慕课平台迅速兴起翻转课堂的建设和研究已成为国内外在线教育的热点，有了这些平台方便学生更广泛地去学习或者比较不同来源的同种课程。传统的课堂是以教师为中心的课堂模式，学生处于被动接受的位置，课堂只强调知识的传授而忽略了实践能力的培养。而翻转课堂的产生真正实现了让学生为主导，老师为辅、重在引领的教学，正如“授人以鱼，不如授之以渔”，使学生在轻松愉快的氛围中实现素质的升华。

2.2 机械工程材料翻转课堂的实施方法

2.2.1 实施翻转课堂的必要性

目前在我校的培养方案中机械工程材料课程占28学时，但涵盖内容较多包括材料结构、金属学原理、热处理改性、金属材料以及机械零部件选材及工艺路线设计等多门学科的专业知识，通过翻转课堂教学模式教师在课堂上利用现代化的教学手段合理安排课堂授课内容，突出学习重点，拓宽学生的知识面，从而解决课时不足和学生知识学习内容增多的矛盾，同时使学生了解到机械工程材料领域的前沿发展动向。另外通过课下学生之间交流与课堂上师生的互动交流，既锻炼了学生的表达能力，又对其学习起到督促作用，有助于大多数学生学习成绩的提高；鼓励学生发现问题，解决问题，有利于培养学生的自主学习能力。翻转课堂教学模式与理论课程的有机结合有利于应用型人才的培养：多媒体、计算机、互联网等信息技术的支持让信息的传递越来越迅速和便捷，更加有助于学生对课程知识的提前了解和获得，课堂上则侧重于学生对知识点的消化和吸收。

2.2.2 具体实施方法

以机械与电气工程系2020级机制2班本课程教学为例，将全班27个同学分为4个小组，课堂上学生以小组为单位参加讨论、实验、项目训练等，通过自己动手增加参与感，学生由聆听的观众变为身临其境的实践者。教师利用智慧教室共享资源，采用翻转课堂的PBL反问式教学法吸引学生注意力，活跃课堂气氛，鼓励学生动脑，激发学生的求知欲，使学生加深对知识点的印象并提高记忆力。老师由以往的演讲者变成了统领全局的“旁观者”。

总结说来就是：“一条自学线、一条指导线、一个指挥手段，和一把解难钥匙”。这样充分激发学生学习机械工程材料这门课程的积极性与创造性，让学生的工程实践能力和交流、协作能力都得到了很好的锻炼[5]。

3 综合教学改革模式的实施

3.1 “课内+课外”一体化教学模式

改革形式：在课程融合、精简课内讲授学时的基础上(在现有基础上减少20%～50%)，合理设置课外学时(按课内学时的0.5～2倍)。

具体做法：该课程2017年在我校首次进行了教学研究改革——实施了《基于翻转课堂的机械工程材料课程教学改革与研究》。以学院机械制造及其自动化专业为例，本课程在2020年综合教学改革中进一步提出了修订其专业培养方案，将其课内学时减少20%，由以往的28个学时缩减至22学时，同时增加14个课外学时：由教师在开课前将数字材料(音视频、电子教材等)分发给学生，学生按照老师给定的教学计划预先自主学习相关内容，完成对课程的了解；而课堂时间留给学生与老师沟通，包括教师为学生答疑解惑布置课堂作业等。通过这种课内+课外相结合的形式将教学中心由老师逐渐变成了学生，打破了传统课堂教学模式中存在的课时少、理论性强、学生难消化等问题，并取得了初步的成效和良好的效果。

3.2 “线上+线下”教学改革

改革形式：将教学内容和过程“网络化”，开发具有校本特色的线上课程[6]。引进或使用现有网络教学资源辅助课程教学，督导学生在线上观看学习，教师在课堂内组织辅导、讨论、答疑及专题讲座等。

具体做法：从2019年开始，为了抗击疫情保证“停课不停学”，我们利用优学院平台组织教学，引进该课程具有一定影响力的国家级精品课程教学视频以及现有网络教学资源辅助课程教学，指导和管理学生进行自主学习。疫情过后结合线下教学，实施课程“线上+线下”教学模式改革。

3.3 “课堂+现场”教学改革

改革形式：将实践类专业课程在课堂讲授相关理论部分的同时或之后，在实际生产、工作现场或院内外实习实训基地进行现场教学。现场教学学时不少于课程总学时的15%。

具体做法：实践课程以课堂2学时+现场4学时相结合。突出学习重点，拓宽学生的知识面，使学生在学好课本理论知识的同时，结合实际，了解到机械工程材料领域的应用以及前沿发展动向，为更好的选择材料合理应用打基础。

3.4 “平时+期末”教学改革

改革形式：增加平时考核比重和次数，采取形式多样的考核方式。

具体做法：将平时考核所占的分数比重由原有的30%提高至50%，注重学生平时表现包括教学互动，小组合作，实践操作，作业完成情况以及考勤记录等，适当减少期末考试成绩所占比例，实现全程跟进考查学生的学习情况。

4 综合改革达到的效果

图1 2016-2020年机械工程材料课程教学指标统计Fig.1 Teaching index of Mechanical Engineering Materials from 2016 to 2020

图1考查了本课程近5年来反映教学效果的三项指标：学生到课率、期末卷面平均成绩与期望分差值以及综合成绩及格率。对比发现，2017年相比2016年增幅不明显，2018年开始

有了质的飞跃，特别是期末卷面平均成绩与期望分值不再为负数，教师实现了教学的统筹和可控；经过2018年翻转课堂的实施以及2020年综合课程改革的加入，至2020年底经统计学生的到课率达到了95.6%，综合及格率达到了96%，相比改革前的2017年分别增长了7.3%和7.6%；而相比最初的2016年则分别增长了8.1%和8.9%。从学生平时表现来看，课堂教学过程中大部分学生与老师积极互动，体现出较好的学习热情和主动性，课后作业批改的情况来看，完成率和正确率比较好，反映了学生能及时掌握课程的重难点内容并合理应用，学生接收知识的能力得到了较好的体现。从学生评价体系来看，期末评教反映良好，教师评教排名近三年呈现递增趋势。

5 结 语

以上四种模式综合改革的有效结合优化了课堂教学模式、减轻了学生过重的课业负担，进一步强化了教学管理水平，提升了教学质量。对学生获益形式：能充分发挥出每个学生的主观能动性，有利于学生实践技能的提升；有利于培养学生勇于探索的精神，有利于培养学生团队协作能力；有利于课程教学改革的成效的展示。总的来说它为培养多方面应用型人才提供了基础，为推进现代信息技术与高等院校工科类课程的深度融合提供了参考，改革缩小了高等工程教育的教学现状与社会需求之间存在的差距。