翻转课堂在“大学力学实验”教学中的实践与研究

杜 超 赵亚丽 程 鹏 陈园园

(1. 晋中学院 材料科学与工程系,山西 晋中 030600; 2. 山西省轻质材料改性应用协同创新中心,山西 晋中 030600)

“大学力学实验”是高等工科院校一门重要的涵盖力学测试、分析等的科学实验课程,是训练学生动手能力和科学思维的重要手段,同时也是培养工程技术人才科学素养、创新能力的有效途径[1]。学生在力学实验课的学习过程中涉及的知识面广,接触的仪器设备多,上好力学实验课在培养学生科学素质和实验能力上,特别是发展与科学技术相适应的综合能力上有着无可替代的重要作用。在国家政策导向及深化高等院校教学工作改革,提高教学质量等指导思想下,工科院校对培养学生实践能力的创新和改革刻不容缓[2]。

翻转课堂理论在2000年由学者Lage等提出[3]。该教学模式改变了传统授课过程中教师的角色,即教师在课堂中由主导作用变为引导作用。同时也对课堂时间进行了重新规划,即让学生先借助微课视频等进行自学,自学过程中伴随着与教师的互动,而教师在课堂中主要负责答疑和引导,在“翻转”的过程中除了引导学生学习知识,更要培养学生自主学习的能力,为课堂增添竞争性、趣味性及互动性。“翻转课堂”的教学模式已在国内取得了较好的效果[4,5]。

作者结合新冠疫情防控背景下我校“大学力学实验”课程教学中存在的痛点,在教学中开展翻转课堂教学改革实践,并将其中涉及的一些问题进行分析研究,为持续改进提供反思性经验。

1 “大学力学实验”教学中存在的主要问题

1.1 实践过程不足

“大学力学实验”教学中涉及很多实验原理及设备操作的讲解,这些讲解过程多为教师重复,因此侵占了学生很多动手操作的时间。工程力学的实验有材料的拉伸、压缩、扭转、弯曲实验,均要在力学实验机上完成,操作流程大多为教师亲自上阵演示,每次只能保证少数前排同学的听课效果。力学实验大多存在一定危险性,所以每次教师都要花大量时间反复讲解关键步骤,当实验原理较为复杂时还需结合实验现象加以额外说明以保证学生理解掌握。因此在有限的课时内,学生动手操作的时间就会大打折扣,很多时候都是学生机械性地重复实验步骤,缺少了对实验本身的思考,这对学生动手能力及理论结合工程实例能力的培养极为不利。

1.2 学生积极性不高

实践类课程的教学重点是实践能力的培养,也是教师和学生在课堂中关注的重点,而力学实验教学过程中要花大量时间讲解实验原理才能保证实验课程内容体系完整,但这部分恰恰是学生们感觉最枯燥的。很多实验原理比较深奥,课堂上以教师为主导,老师和同学都希望尽快讲完理论然后上手实验,而这样往往会忽略了学生的思考和反应时间,导致很多同学似懂非懂地上手实验。

这样“流水账”式的教学过程没有充分给予同学们表达自己想法和思考的机会,没有很好地激发学生主动思考并培养创新能力,使大多数学生丧失兴趣。一些学生由于自身动手能力弱,站到实验设备面前还需拿起书本从头参考实验相关原理及教程,或请他人代做实验,学生积极性不高。

1.3 教学内容单一、实验设备陈旧

力学实验课程大多是按照传统的教学内容而设定,这些内容都是“经典”,教师备课授课也主要参照前人经验,因此多为机械性的重复,而学生也只是按部就班地完成老师给定的任务,不利于发挥学生主动性。教师对于新知识的讲授不积极,实验内容未能引入最新的学科发展成果,学生也不能很好地从教师身上学到新东西,更不能做到实验理论与当下工程实际相结合。

力学是一门古老的学科,很多工科院校的力学实验设备都存在年久老化现象,不易翻新维修,导致实验精度不足,实验教学效果不理想。而实验内容的单一又使学校升级设备的意愿不强,一些教师也总抱着让学生“大概了解”的想法得过且过。

2 翻转课堂在力学实验教学中的实施

2.1 制作微课视频

微课视频具有目的性强、针对性强的特点,并且时长较短(10 min左右),因此内容要尽可能保持精简,明确学生的学习目标,提高学习过程的专注度。视频中要详细介绍实验步骤,具有危险性的部分要重点强调,同时要结合相应的力学原理分析实验现象,抛出一些工程或生活中的衍生问题,引导学生们主动思考。视频要充分考虑学生的接受能力,明晰教材的逻辑关系,从而构建系统、科学的力学实验微课体系。

在传统教学内容的基础上构建试点实验,并通过反馈结果及时对实验内容和形式进行修正和改进,确保教学视频在尽可能短的时间内,合理分配各知识点,让学生更好地进行自主学习。

2.2 课前学习交流

在实验课前应将相应的理论内容在课堂讲授,对于一些关键的力学特征要提醒同学们注意,在随后的实验课中要重点观察。例如在材料的拉伸实验中,课堂上要讲解材料的种类、规格、受力特征、每个阶段的变形特征、断裂时的断口形貌以及不同材料之间的对比,提出问题,引起思考,这些内容都要在后续的实验中得以验证,让大家带着兴趣准备实验课程。

教师利用在线平台下发微课视频,并强调视频中的重难点,对于实验中的关键步骤要重点强调。学生通过线上视频可反复观看实验原理及步骤,有助于顺利完成后续的实验操作,降低因操作不当导致事故及设备损坏的概率。在线平台可以多样化(微信、QQ、学院线上教学平台等),其目的主要是帮助学生在教学过程中快速了解实验内容、原理及步骤,并随时保持教师与学生的沟通、互动,及时解决教学内容中的难点、疑点。通过课堂的翻转,使实验教学能够有效降低教师的重复讲解时长,给学生动手实践留出更多时间和空间,增加教学趣味性,提高学生积极性。

通过线上线下结合的交流互动,教师可根据同学们的实时反馈,快速掌握学生学情,或据此相应调整教学方式和实验内容,提高教学效率。

2.3 课后延伸讨论

实验课程结束后需要填写完整的实验报告,教师与学生可以进行在线辅导和讨论,将一些共性的问题一次性解答。同学们反馈较多的问题可以在之后的微课视频中多加阐述,提高视频质量。教师也可线上布置相关习题作业,引导学生思考工程中的一些实例并结合实验课内容加以分析。

翻转课堂的教学模式可以有效提高教学效率,教师可以在完成基础实验内容的教学后,结合现有的实验设备和材料,设计一些创新性实验,作为对现有传统实验内容的补充。教师也可鼓励同学们自己设计实验,比如更换实验材料进行实验等,看能否对所学理论加以验证。也可以设计一些小型实验装置进行简单的实验验证等。这些实验内容都能够利用翻转课堂实施,教师和学生均可自己设计实验、制作视频,只要有好的想法并易于实施,均可在全系进行推广。这样可以有效调动同学们的积极性,让实验课程更加有趣,也可更好地激发同学们的创造性。

2.4 评价体系

翻转课堂的教学模式是以学生为中心和主体,教师主要起引导作用,因此我们在实验课程的评价中不能只以实验报告作为评价依据,还需针对实验教学过程和课前教学准备建立评价标准,树立起全新的教学质量观和科学的翻转课堂评价体系。

“大学力学实验”教学翻转课堂的评价体系应包括课前学习评价、实验操作评价、实验报告评价、实验反思评价四个部分。课前学习评价主要通过评价微课视频的学习情况来实现,下发视频后教师要与同学进行实时互动,提出问题让学生回答。实验操作评价则要观察学生在动手实践过程中的表现,例如原始数据的测量、关键数据的采集、整个实验过程的流畅程度、实验出现问题后的反应对策、实验结束后对设备及相关工具的整理等。实验报告是整个教学过程中主要形成的结果性文件,包括对实验原理的理解、实验设备的掌握、实验数据的处理结果等。实验反思部分需要考查学生在实验后的感想以及相应的思考,教师可以设置一些相关的工程案例让学生分析,学生也可自己举例说明相应的实验原理在实际问题中的应用,以及设计创新性实验等。

3 实施效果分析

实施效果分析中主要采用各类结果对比、问卷调查、现场座谈等方式进行数据采集和分析。参与对比的4个班级为复合材料专业2019、2020级各两班,其中19级采用传统方式教学,20级采用翻转课堂模式进行教学。

在各类结果对比中我们发现,采用翻转课堂教学模式后,学生交回的实验报告质量得到明显提升,实验报告中同学们对实验原理的理解更为透彻,对实验数据的采集更为准确真实,以往一些抄袭实验数据的现象得到有效控制。20级同学实验报告均分相较于19级提高了16.3%。

实验操作过程对比中我们发现,通过微课视频的学习,同学们对实验操作流程较以往更加熟悉流畅,实验进度明显加快。由操作不当引发的实验失败、试件浪费、仪器损坏等现象也明显减少,教学效率得以显著提高。

通过问卷调查及现场座谈的方式调查同学们对采用翻转课堂教学模式的看法、在学习中遇到的一些问题以及对该教学模式提出的建议等。本次调查针对参与对比的2020级两个班级,共计79人,回收有效问卷74份。调查结果显示,有92%的同学对翻转课堂教学模式的实施表示接受,97%的同学认为实验操作流程非常实用,大大降低了实验的上手难度,并且应在以后所有实验课中进行推广。这对翻转课堂在“大学力学实验”教学中的实施给予充分肯定。8%的同学认为自己观看微课视频效果较差,经过座谈了解后发现,这部分同学已经习惯了教师言传身教的授课模式,对于自己观看视频这种新模式感到不适,自我学习中遇到的问题较多,而多数情况又不便与教师和其他同学沟通讨论,只能自己反复观看,学习效率较低。

从调查结果上看,翻转课堂的教学模式相较于传统模式有诸多优势,多数同学表示接受,但仍有很多因素制约其实施,例如教育理念、课堂纪律、学生基础、学生性格以及相应的设备条件等,该模式仍需进一步优化。

4 结论

“大学力学实验”是工科专业一门重要的实践课程。作者阐述了采用翻转课堂模式对“大学力学实验”课程进行教学改革的一些实践和反思。翻转课堂教学模式能够在一定程度上激发学生兴趣、提高学生动手能力、提升实验课教学效率及学生学习效率。教学改革的浪潮也对任课教师提出更高的要求,教师应与时俱进,在专业技能、教学技能、信息化技能方面不断提升。目前,该教学模式还在起步阶段,尤其针对课程的教学设计还在不断尝试及优化,这一模式具有较高的使用价值和发展前景。