教育数字化战略下机械设计基础混合式教学研究

梁 医，祖 莉，范元勋，宋梅利

（南京理工大学，南京 210094）

教育作为国家发展的基石，实施教育数字化战略是新时代数字中国环境下教育发展的必然选择，是加快教育现代化和建设教育强国的战略需求[1]。高等教育要充分利用新一代信息技术开发数字教育资源，加强线上一流课程建设，推动优质课程资源开放共享，促进慕课等优质资源平台发展，全面提升高校教学水平[2]。机械设计基础类课程已经完成了从在线教育的不适应到常态化的模式转变，但是如何将在线教学和传统教学的优势结合起来，深度融合网课与面授课，将学习者的学习由浅到深地引向深度学习？如何让数字化教育去赋能教师、赋能学校，成为未来教育变革与创新发展的推动力量？亟待深入讨论并提供方案。

机械设计基础课程包括机械原理和机械设计的内容，是机械类专业本科生的重要专业基础系列课程，旨在培养学生的综合设计能力、工程实践能力和创新思维能力。课程的内容多、知识面广、理论性强、与实际联系紧密，但课程学分学时少，学生生产实践少，对机械认识不足，造成学习困难，兴趣索然。

很多高校和教师围绕如何破解上述教学问题开展了混合式教学的研究探索，例如，孙国芹等[3]采用翻转课堂教学、典型工程案例及在线平台综合方式开展混合式教学，孙美娜、张秀花等[4-5]开展的OBE、CDIO 理念为指导的机械设计混合式教学改革探索，江帆等[6]开展的项目驱动式混合教学，按照一定流程制作教学视频，形成了闭环教学，张鑫宇等[7]将混合教学模式实践增加了学习主动性，苏思超等[8]针对机械设计基础线上教学的缺陷给出了保障混合教学质量的相关措施。这些课程的教学改革探索为研究和完善机械设计基础混合式教学方法提供了非常有价值的经验和实施参考。

机械工程基础课程混合式教学，从更新理念出发，重新切割知识点并延主线串讲，引导学习者主动参与，线上线下紧密结合大力强化过程管理，帮助学生循序渐进积累经验，利用信息优势精准针对每个学生进行施教，最终实现学生学习深度的有效提升。

一、实施教育数字化战略，塑造混合式教学理念

（一）线上线下优势互补，网课面授深度融合

在新的教育战略要求下，首先需要更新教育理念，明确混合式教学的目的是结合线上线下教学的优势，提升学习效率和增加认知深度[9]。2022 年，教育部高等教育司吴岩司长作了题为《顶天立地 久久为功——深化新教改 打造新形态 提高新质量》的主题报告，指出“在线教育改变了教师的教、学生的学、学校的管、教育的形态”。因此，混合式教学并不是简单地把一部分线下教学搬到线上，不是去学习使用在线教学平台，也不是去开展五花八门的教学活动，而是通过两种教学组织形式的有机结合，把学习者的学习由浅层理解引向深度掌握，即“线上线下优势互补、网课面授深度融合”，如图1 所示。

图1 混合式教学的理念和模式

线上教学的优势是视频教学语言精练，时间短效率高；视频可倍速或反复观看，方便适应学生不同的学习节奏；线上教学突破时空限制，学生随时随地都可以学习；网络授课资源丰富。线上教学的师与生分离，促使教学方式从传统的教师主导型转向学生主导型，从客观上推动了学生主体参与知识建构的过程。然而，线上教学的劣势在于学习过于依赖学生的主动性，老师不能获得面对面的信息反馈，学生在网上学习难以获得认同感和激励。

线下教学的长处为课堂学习氛围浓厚，周围同学的认真听讲能够营造良好的学习气氛，有效带动所有学生学习；教学互动性强，老师会面对面关注到学生的上课状态，及时调整教学；学习反馈高效快速，学生在学习时出现的问题，可与老师当面清楚高效地沟通解决，学生能够获得认同感和激励。然而，线下教学的缺点为教学需要特定的时间和空间，且老师讲授简单基础的内容时，学生反而容易丧失注意力。

根据线上线下的特点，把简单易懂的课堂讲授通过微视频上线的形式进行前移，给予学生自由的学习时间。线下把在线所学到的基础知识进行应用与深入，解决在线做题中出现的共性问题，让师生之间的见面交流用来实现更高级的教学目标，让学生有更多的机会在认知层面参与学习。通过线上线下融合的教学来启发、唤醒和鼓舞每位学生，最终完成教学知识的传授、能力的培养和素质的养成。

（二）线上有资源、线下多互动、过程要评价

在更新教学理念的基础上，需要确定教学模式。采取“线上有资源、线下多互动、过程要评价”的教学模式，保证学习由浅入深，完成从被动到主动学习的转换，产生一加一大于二的效果。

线上的资源是开展混合式教学的前提，将机械设计基础传统教学中的基础概念、简单易懂和结论性内容布置在网上，老师通过在线的测评来督促和评价学生的学习。在线下课堂中，则进行重难点剖析、课堂练习、分组讨论和面对面答疑等互动活动，深入理解、巩固掌握线上学习的内容。确保学习的全过程有管理和评价，无论是线上还是线下都需要给予学生及时的学习反馈，利用网络信息化的优势，详细掌握每一个学生的动态和每一个知识点的学习，让教学的活动更加具有针对性，实现精准施教。过程统计数据不仅可以作为过程管理评价的重要依据，还具备学习激励的功能，使教师对学习过程给予更多的关注，扎扎实实的学习过程和线下互动教学主动学习提升学习的深度和效率。

二、明确线上线下内容，设计混合教学流程

（一）一致性原则切割线上线下内容

机械设计基础课程混合式教学的学时保持两个“一致”：总学时与各专业培养方案中课程学时相一致，即与原来的传统线下课程保持不变；课程的线上学时切割原实体课堂教学的学时，线上学时占总学时的31.25%，与《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》（教高〔2019〕8 号）文件规定的20%～50%保持一致。这两个“一致”既保证了不额外加重学生的负担，又保证了既定培养目标的达成。

机械设计基础总学时为96 学时，分配线上自主学习时间为30 学时，线下课堂教学为66 学时。线上内容为课程中的简单易理解内容和非重点内容，比如平面四杆机构的基本类型及应用、凸轮的类型与应用、渐开线齿轮的基本参数和加工，圆锥齿轮的基本参数，机械的平衡，摩擦磨损与润滑、键连接、滑动轴承、滚动轴承的类型与代号等。在每次课程结束前布置线上学习任务，下次的线下课程开始之前，结合线上学习情况展开提问互动，再在线上内容的基础上进行延伸，引出其他线下内容，并深入讲解和学习讨论。

（二）四步法混合式教学流程

混合式的教学流程按照“自学—考核—深入—巩固”的四步法来设计，如图2 所示。以滚动轴承的概述、类型和受力为例。该部分内容学时为两节课，线上分别完成项目发布和自主学习，线下完成翻转课堂和面授深化。

图2 机械设计基础混合式教学流程案例

教授滚动轴承结构与受力的内容时，第一步自学，学生自行开展线上学习，观看学习关于滚动轴承的结构、特点、类型和代号的两个短视频，完成相应的客观测试题，共用时一节课，初步了解滚动轴承的基本知识；第二步考核，在线下课堂中考核学生的自学情况，进行雨课堂提问和讨论，并让学生上讲台，介绍几个轴承常用类型的特点。教师在倾听的同时，关注每位学生的学习情况，及时进行反馈，明确学生对该问题把握的情况，大约用时10～15 分钟；第三步深入，从轴承的类型和结构特点，引入受力的分析，再深入到派生轴向力机轴向力对载荷分布的影响等重难点内容，大约用时30～35 分钟；第四步巩固，学生在线上与老师讨论交流并完成课后作业，老师负责、提供拓展阅读资料，并预告下一次线上学习任务。

混合教学的四步法给出了机械设计基础教学全过程各个阶段的设计规范和教学流程，衔接各个教学流程的混合教学的四步法具有以下三个显著特点。

首先，“自学—考核—深化—巩固”四步法的混合教学模式流程范式化、分工明确，使线下和线上教学方法标准化为四个步骤，便于老师们理解、推广和应用。学生从线上学习开始，培养自学能力，老师线下提问起到检查和督促的作用，课堂的精讲与讨论使内容深化，线上课后作业可统计数据，便于老师加强过程化管理和及时发现学生的知识漏洞。混合教学四步法为机械设计课程的教学改革提供了一种易于推广实施的参考模式。

其次，四步法的混合教学模式充分发挥了线上自学和线下教学各自的优点、克服缺点，降低了学生的认知负荷，提高了学习的效率，实现从扶到放的学习[10-11]。从线下课堂提问来督促学生的线上学习，帮助学生克服线上学习自觉性不足的缺点。简单内容看视频，重难点内容由老师带领在线下学习，学生的学习既节省了时间，又突出了重难点，实现快速高效学习并深化了知识的掌握程度。

最后，四步法混合教学模式不占用多余的教学时间，学生无额外学习负担。混合教学的总学时与各专业培养方案中课程学时一致，保持原来传统线下课程的学时不变。课程的线上学时只是将原面授教学的学时切割一部分出来，将学生的精力从课堂上释放一部分出来，给予了学生一定的认知自由，能够激发主动学习的内生动力，借助混合式学习实现学深悟透的目的。

混合教学模式四步法规定了教学各阶段的设计规范，将线上线下教学取长补短，发挥了学生的主动性，锻炼了学生的自觉性，使老师授课重点突出，实现高效深度学习的教学目的。

三、切割串讲课程知识，精准管理学习过程

（一）知识碎片化与系统整合

由于线上学习更适于碎片化的网络信息，因此，将机械设计基础线上教学内容重新整合，将所有内容切割成多个5～10 分钟的小知识点进行制作，形成知识图谱，学生可以顺序播放学习，也可根据自己的进度在网上学习和查阅。无论线上学习还是线下讲授的内容，学生随时都可以在网上进行查阅复习。老师在选择混合式教学内容时，可从已录制好的知识点中灵活选取。

为弥补知识碎片化带来的课程割裂和章节前后不连贯的短板，教师对于每一章和整个课程进行系统化的串讲，在每章的开始和结束时、在课程开始和结束时，在线下采用面授的形式，介绍并连接起各个知识点，了解课程各章节前后的逻辑关系，使学生掌握课程的全貌及课程在专业学习中的地位和作用，如图3 所示。

图3 课程内容的知识点切割与主线示例

（二）全过程学习管理

除了对机械设计基础的教学内容重新整合以外，混合式教学也对教学过程的管理提出了更高的要求。由于课程的一部分内容要求学生线上自行学习，为保证线上教学保质保量，课程要以“三分教、七分管”的教学原则，利用网络信息化获得学生线上学习统计数据，密切关注和掌握每一位学生的学习进度，并利用线下课堂提问和翻转考核学生的知识掌握情况。

机械设计基础课程强化过程管理，精准因材施教。课程一方面加强学习中的过程管理，从线上课、线下课和课后对学生的学习进行管理，开展阶段性的检查、考核和督促；另一方面，利用网络信息化的优势，详细掌握每一名学生的动态和每一个知识点的学习，实现精准地因材施教。如图4 所示。

图4 机械设计基础的学习过程管理

线上课要求学生观看自学视频并完成相应的自测题，老师通过统计视频观看率及题目完成度，来关注和督促学生，完成学习管理和评价。

线下课，完成对线上学习的总结和考核，并深化线上的学习内容。老师首先将上一次作业正确率最低的题目进行点评，及时纠正学生的错误概念并补齐知识漏洞。线下课的学习管理不仅是针对线上学习部分的知识进行课堂翻转和提问，也包括了对线下重点讲授的内容开展实时考察。学习软件平台例如雨课堂、慕课堂和超星学习通均可以进行随堂测验，老师提前准备好10 道左右关于课程内容的客观题目（填空、多选、单选和判断题目）及1～2 道主观题，不仅可以实现教师对每个学生学习情况的精准、实时掌握，更重要的是提高了学生在课堂的注意力，并实时调整教学节奏和内容详略分布。

课后的学习管理。通过作业和讨论帖实现对知识的巩固和延伸。由于学生的线上学习自觉性不高，因此线上作业的次数和类型布置要多于线下以保证学习的质量。增加单选、多选、判断和填空的概念题，也可把自由度、齿轮参数和平面连杆机构等简单计算改为填空，利用线上作业的客观题自动批阅功能降低老师的作业批阅工作量，并利用统计数据关注每个学生每一次的作业完成情况。

课后的学习布置。学生发起和回复讨论帖，增加学生和老师的互动。老师也主动发布与课程相关的课外知识、动画和链接帖，增加学生的兴趣和热情。

四、发挥信息技术优势，多角度全过程评价

信息技术的迅猛发展和强力渗透正显著影响着教育学的发展，同时有力改变了机械设计基础传统的教学模式和教学方法，在理论及实践上都对教育产生了重大影响。课程充分运用统计信息技术的优势，从系统化及整体化的角度来研究和创建教学评价信息体系，实现学生的全过程多角度考核评价。

如图5 所示，课程教学考评从多角度进行全过程考评，综合授课过程的线上和线下的学习情况进行综合评价。其中，在线上完成的学习过程包括自学视频与自测题10%、课后作业10%和期中测验10%，线下包括课堂表现10%、实验实践10%和期末考试50%。对这些学习片段，基于雨课堂或慕课堂进行即时测试和过程考评。多个教学片段呈现多项能力，对分析、设计、实践及综合能力设置不同的考评权重。在全过程多角度学业考评中，不仅能够定位学生的整体薄弱项，而且能够精准关注个体学生的不足。

图5 机械设计基础的混合式教学评价方法

评价的角度变多，虽然造成老师的工作量增加，但利用信息技术的优势，还可以降低老师的工作量。例如，超星学习通将机械设计基础题库组合生成20 份试卷，随机发放给学生完成期中考试，实现3～4 人共用一卷，最大限度杜绝抄袭。使用平台自动阅卷和统计功能进行客观题批阅和加分，减少老师的阅卷工作量，如图6 所示。

图6 在超星学习通上组织线上期中考试

五、完善混合教学生态，提升教学育人水平

疫情期间，全面开展的在线教育经历了从不适应到认可投入并常态化的发展过程。如何发挥在线教学优势，深度融合线上与线下教育，将在线教育作为育人方式变革动力，提升育人服务水平，是国家、学校和每一位教师在教育教学中面临的关键问题。

首先，混合式教学要想实现教育革命，就必须拥有大家共同遵守的理论体系和规范范型。该理论体系则应该由国家制定相关标准，建设和推广混合式教学。2018年，教育部高等教育司司长吴岩指出，要“建好一流课程标准。制定慕课国家标准，力推成为国际标准”。在我国，以大学慕课、超星学习通等线上线下混合式教学为突破点的课堂革命是自下而上推动的改革，一线教师的教学行为和高校的教学管理必须从国家层面进行混合式教学指导和规范，才能成为新常规教育科学[12]。

其次，高校需要出台关于混合式教学的管理制度和政策。推动混合教学改革最有力的措施是从学校组织管理保障入手，通过多种措施重点引导教师参与混合教改。因为混合式教学是兼具传统教学和互联网技术特色的教学模式，对授课教师的信息技术素养要求高，需要投入的时间经费成本也高，因此，需要高校制定混合式教学的教师激励、课程助教、配备录播软硬件和信息化能力提升等政策，来推动混合式教学改革，打造新的教学形态和文化。各高校也可构建联盟课程体系，建立跨校共享的大教务平台，给学生提供高质量的线上共享资源，凸显联盟高校的课程互补性，引领课程的价值取向[13]。

最后，教师需要改变观念，重新思考教学设计，并将信息技术工具服务于教学。在线教育已经从权宜之计演化到了未来发展，成为新工科现代教育不可或缺的重要组成部分。教师应尽快适应信息技术带来的教学理念转变，摆脱传统从早到晚的灌输、被动接受知识的模式，将一部分时间留给学生来支配，实现混合式教育。在教学实施上，混合式教学必须摒弃将线下部分单纯复制到线上的思路，学会如何利用互联网的技术优势开展教学，积极探索线上线下取长补短的教学方法，在高等教育新形态和数字化教育的学习革命中为我国新工科人才的培养贡献力量。