基于线上线下混合式教学模式的材料力学实验教学改革研究

林 鹏,王 晨,李凌云

(福州大学 材料科学与工程学院,福州 350108)

日新月异的科技发展和不断变革的产业经济对现代工科人才的综合能力素质提出了更高的要求[1]。为了应对新时期工科人才的培养要求,进一步提升高等院校的教育质量,教育部提出了新工科建设计划,致力于培养一批工程理论知识扎实和创新实践能力突出的创新应用型人才[2]。有效提升工科人才培养质量的一种重要方法是结合产业的发展需求以及学生的兴趣爱好,在传授学生专业理论知识的基础上,全面锻炼并提升学生的动手实践能力[3]。因而,新工科建设高度重视高等院校的实践教育,而实验教学作为实践教育的核心组成部分尤为受到重视[4]。

材料学科作为工科学科的主力军之一,是一门以实践为基础的学科。材料力学实验作为材料力学性能课程的实践环节,是材料学科的核心专业基础实验,可以帮助学生加深对材料力学特性的直观理解并巩固对力学性能知识的掌握,培养学生严谨的科学态度和独立自主的实验能力[5]。因而,材料力学实验的教学质量尤其重要,一直以来受到材料学科教师的重点关注。传统线下的材料力学实验教学模式存在学生预习效果不佳、实践动手时间少和实验成绩无法准确反映学生实践能力等问题。可见,在新工科建设背景下,为了培养材料学科的优秀工程人才,对材料力学实验进行教学改革已经势在必行。

一、传统线下实验教学模式存在的问题

(一)实验预习效果不佳

传统的材料力学实验教学模式,通常在上实验课前会向学生发送实验指导书,要求学生依照实验指导书,对实验原理、实验仪器以及实验步骤等进行预习,并提交预习报告。由于只有单纯的实验指导书,学生在预习过程中往往觉得枯燥无趣,导致学习积极性不高,敷衍了事,很少主动查阅相关资料以增进知识学习。同时,在缺少多媒体教学手段的情况下,光靠实验指导书无法形象生动和准确客观地传授实验原理和操作步骤等知识。另外,由于缺乏实验预习的积极性,多数学生在撰写预习报告时缺少思考理解,没有凝练知识点,而是直接抄写实验指导书,造成预习报告同质化非常严重。因而,教师无法通过预习报告的批改充分有效地了解学生的预习效果,从而无法在上实验课时有针对性地进行讲解。

(二)实验时间少,实验教学效果一般

在各高等院校,材料力学实验作为专业基础实验课,与理论课一样都有固定的学分学时,因而在传统线下的实际教学过程中会面临教师教学时间短和学生动手实践时间不足的问题。首先,由于学生普遍预习效果不佳,教师在线下教学时需要花较多时间全面详细地讲解实验原理和仪器操作,造成实验时间更加紧张。其次,材料力学实验所用到的实验仪器多数为万能材料试验机等大型仪器,受限于经费和实验室面积不足,很多高校的实验仪器台套数会相对不足[6]。面临有限的学时和仪器台套数,学生实验时只能按照分组进行,导致每个学生的实操时间更短,而且容易出现部分学生完全依赖同组学生,自己全程“打酱油”的情况。再者,为了在有限学时内进行更多次实验,部分实验参数无法完全按照理论或国标设置,导致实验结果偏离理论值较多,影响后续的实验数据处理和分析。例如,在材料静拉伸实验的实际教学中,为了节省时间,拉伸速率会设置比国标稍快,导致实验数据以及应力应变曲线增加了一项误差项。最后,由于包含教师的详尽讲解,每次实验课通常需要至少半天的连续课时,这也造成了排课困难。以上这些情况,造成学生上实验课时,只顾赶着做实验,无法充分理解教师的讲解,无法及时发现、分析和解决实验中的问题,而且也会因缺乏师生之间的沟通,从而使得整体的实验教学效果不佳。

(三)成绩评价机制不够完善

以往材料力学实验的成绩评价主要由预习、过程操作和实验报告三个部分的成绩构成。由于多数学生的预习效果不佳且预习报告同质化严重,仅通过预习报告成绩无法准确反映学生的预习效果。材料力学实验作为专业基础实验,注重学生的实际操作能力,其过程操作成绩尤其重要。但是,传统实验教学模式的过程操作成绩往往只能体现小组的整体操作情况,无法精确客观地反映每个学生的实验操作能力。实验报告成绩通常在整个成绩构成中占比最高,足见其重要性。分组实验造成实验结果数据偏少,同组学生对同一数据分析容易同质化,甚至出现抄袭报告的情况。因而,传统实验教学模式的实验报告成绩无法准确客观地反映每个学生的数据处理和分析能力。

二、运行线上线下混合式教学模式的必要性

近年来,由于传统材料力学实验教学模式已经无法满足新工科人才培养的需求,教育工作者利用先进的信息化技术开发出翻转课堂、幕课、虚拟仿真和线上线下混合式等新型的教学模式。其中,线上线下混合式教学模式实现线上学习和线下实践的有机互补和深度融合,在实验教学方面具有得天独厚的优势,有效地提高了实验教学质量[7]。混合式实验教学模式注重学生为主体,能够充分调动学生的主观积极性,有效提升学习效率,强化锻炼学生的创新思维以及主动解决问题的能力[8]。混合式实验教学模式下,教师充分利用多媒体技术进行教学,主要发挥启发引导学生学习以及对学生学习过程进行监控的职能[9]。学生可以根据自己的学习进度,充分利用好碎片化时间合理安排学习,有效保证实验课程的学习时长。另外,学生可以根据理论知识和实验操作的掌握程度,在线上反复进行视频课件学习和虚拟仿真操作练习,提升实验理论学习质量和实验操作能力。此外,由于学生可以错峰选择线下实验时间,因而可以有效解决实验室面积和仪器台套数不足的问题。

鉴于混合式教学模式可以有效解决传统实验教学模式的不足,我院对材料力学实验进行线上线下混合式教学模式的探索和实践。其中,线上教学主要包括实验理论的幕课教学和实验操作的虚拟仿真教学。线下教学则主要为实验室里的实践操作教学。

三、线上线下混合式教学模式的开展

(一)实验理论的幕课教学

幕课是大规模开放在线课程的音译,它基于开放共享的互联网平台,利用信息化技术,将线上教学资源和师生互动有机结合起来,充分实现教育资源的效益最大化[10]。我院材料力学实验的幕课教学以在线视频教学为主,师生互动沟通交流为辅。幕课教学内容主要分为三个部分,分别为实验理论、实验操作以及实验数据处理及分析。

1.实验理论部分主要包括实验目的、实验原理和实验仪器介绍,以教师讲解PPT的视频向学生展示。实验目的和实验原理除了对实验项目的设置目的及工作原理进行详细讲解,同时也会对该实验项目涉及的专业理论知识进行关联教学。从而使学生更清晰地了解实验项目的设置内涵,同时更深入地理解和掌握实验的工作原理。实验仪器介绍涵盖整个实验项目的相关仪器。同时,不局限于实验室里现有的实验仪器,同类型的其他型号也会介绍,并对比优缺点。另外,随着电气自动化的高速发展,许多实验仪器都具有自动化功能。这些仪器在给予实验便利的同时,也给学生了解其工作原理造成困扰。因而,在介绍现有自动化仪器时,会对原先基础型进行对比讲解,方便学生深入掌握此类仪器的工作原理。

2.实验操作部分主要讲解试样制备、仪器操作步骤和注意事项等,以教师完整的实验操作视频向学生展示。其中,试样制备注重国家标准和行业标准的讲解,仪器操作步骤注重实验参数设置和操作规范性的讲解,注意事项注重仪器阈值保护和实验人员人身安全保护的讲解。

3.实验数据处理及分析部分主要讲解实验数据的获取、处理和分析方法,以教师讲解PPT的视频向学生展示。这部分内容在讲解实验数据的获取和处理方法的基础上,更重要的是传授学生如何进行数据分析,尤其误差分析,引导学生发挥主观能动性,发现和解决实验过程中的各种问题。

教师在慕课教学视频中设置了若干问答题,学生只有回答正确方可继续观看视频。这样一方面能够加强学生对该部分知识点的掌握,另一方面也可以有效监督学生的学习。同时,教师在教学视频后面布置课堂作业,可以进一步加强学生的学习。另外,教师对整个实验项目设置考核环节,学生只有考核通过方可进行后续学习。此外,慕课系统拥有互动讨论交流区,方便学生与教师进行沟通交流,从而及时排除学习困扰,提升学习积极性和效率。

(二)实验操作的虚拟仿真教学

随着计算机信息技术的飞速发展,虚拟现实技术日益成熟,它是一种融合多媒体、人机交互、立体显示和仿真等多种信息技术的综合计算机技术[11]。基于虚拟现实技术和专业工程技术知识,人们开发了一系列专业的虚拟仿真实验。虚拟仿真实验可以打破时间和空间的限制,让学生可以充分利用碎片化时间进行实验操作训练,从而使实验技能水平得到充分锻炼和提升。另外,虚拟仿真实验还能够解决仪器台套数不足、昂贵高端仪器较难开展实验教学和实验室面积不足等传统线下实验教学面临的困难。我院基于材料力学实验的专业知识,利用虚拟现实技术,开发了一套材料力学虚拟仿真实验系统。该系统包括材料力学实验的三个主要实验,分别为材料的静拉伸、材料的弯曲和材料的硬度虚拟仿真实验。该系统具有考核功能,每个实验项目只有通过完整的虚拟仿真操作考核,才可以申请线下的实验实践。该系统用于材料力学实验的虚拟仿真教学具有以下独特的优势。

1.材料力学实验虚拟仿真系统可以实现实验过程的实时仿真,使学生可以直观了解各实验的关键曲线和操作节点。在材料的静拉伸虚拟仿真实验中,可以实时观察应力—应变曲线各拉伸阶段的变化,依次为弹性阶段、屈服阶段、塑性变形阶段和断裂阶段。在材料的弯曲虚拟仿真实验中,同样可以实时观察弯曲力—挠度曲线,掌握弯曲力随弯曲挠度的变化情况。在材料的硬度虚拟仿真实验中,可以实时看到布氏、洛氏和维氏硬度各自加载、保载和卸载的实时情况,熟悉各种硬度计施加载荷的关键操作节点。

2.在材料力学实验虚拟仿真系统上,学生可以练习实验项目的全部操作环节,包括试样准备、仪器参数设置、仪器运行操作和实验数据获取等,从而有效地锻炼了实验操作技能。例如,在材料的静拉伸和材料的弯曲虚拟仿真实验中,学生可以依次操作试样原始尺寸测量、试样夹持或放置、万能试验机软件参数设置、试验机程控运行、实验结果数据保存及获取、实验后取样及尺寸测量等整个实验环节。在材料的硬度虚拟仿真实验中,学生同样可以依次操作硬度计参数选择、标准块硬度较准、预载荷施加、主载荷施加、保荷、卸荷以及硬度读取记录等整个实验环节。

3.材料力学实验虚拟仿真系统具有自动纠错功能,辅助学生进行正确的实验操作学习。学生在进行仿真实验操作时,若某个参数设置或仪器操作明显偏差出错,仿真系统会通过交互模块自动提示错误,引导学生进行正确的设置和操作,从而实现准确有效的实验操作教学。例如,在材料的静拉伸虚拟仿真实验中,装夹拉伸试样的旋转方向错误时,系统会提醒出错并给出正确旋转方向的引导提示。在材料的硬度虚拟仿真实验中,当硬度载荷设置与试样不匹配时,系统会提示载荷设置不合理并引导选择适合的载荷。

(三)线下实践教学的实施

有别于传统线下集中式实验教学,材料力学实验混合式教学模式的线下实验教学采用分批式实验教学,可以有效地增加学生实践动手的时间。实验教师根据实验室的排课情况,制定出一系列可以进行线下实验的时间批次。学生经过线上实验理论的幕课学习和虚拟仿真的实验操作锻炼并考核通过后,可以结合自身空闲时间和实验室的排课时间表,选定相应批次进行线下实验实践。

线下教学时,教师在学生实践操作前,会再次强调实验室和实验仪器的安全注意事项,然后根据线上考核情况,对学生掌握较薄弱部分进行有针对性地加强讲解和指导。另外,实验操作时以学生操作为主体,锻炼学生的自主实验能力,教师主要起问题引导、安全监控和过程记录的作用。其中,问题引导主要启发学生结合专业理论知识对实验中各个关键操作勤加思考,锻炼学生主动发现问题、解决问题以及理论结合实践的能力。安全监控主要关注学生的个人防护措施、仪器阈值设置和仪器操作等是否安全规范,碰到可能存在的操作安全隐患要及时处理,保障学生的人身安全以及仪器安全。过程记录需要详实记录学生的实验操作表现,以便作出全面的过程考核评价。

(四)完善实验考核机制

学生实验成绩的合理性评价是线上线下混合式实验教学模式顺利开展的重要组成部分。为了避免实验成绩评价的片面性和主观性,合理的实验成绩考核机制需要综合考虑评价数量和评价效果[12]。混合式教学模式下,材料力学实验的实验成绩构成包括预习成绩、虚拟仿真操作成绩、线下实验操作成绩和实验报告成绩。其中,预习成绩包括线上幕课考核成绩和预习报告成绩,通过增加慕课学习效果的考核,更加全面地反映学生的预习效果。实验操作技能考核通过虚拟仿真操作成绩和线下实验操作成绩来综合呈现。由于实行分批式线下实验,学生的个人实践动手时间得到保障,其线下实验操作成绩能够代表学生本人的真实情况,并且通过增加虚拟仿真操作考核,因而能够更详细地反映学生对实验仪器操作的掌握情况。同样基于更多的实践动手时间,学生可以获取更多的实验数据,在撰写实验报告时可以避免同质化现象,更真实地反映学生独立处理和分析实验数据的能力。另外,合理全面的实验考核机制可以有效提高学生的学习积极性,锻炼学生发现和解决问题的能力,提升学生独立自主的实验实践能力。

四、线上线下混合式教学模式的成效

材料力学实验采用线上线下混合式教学模式,相比传统线下集中式的实验教学模式,在学生的学习积极性、实验技能、分析解决问题的能力以及实验成绩等方面取得了显著的提升。线上幕课以及虚拟仿真的有趣性和直观性使得学生自主学习的动力更足,更愿意主动利用好空闲时间去学习和探索。依次通过幕课理论学习、虚拟仿真训练以及线下实践操作锻炼,理论结合实践,学生的实验技能得到层层递进式训练,获得了显著提升。

慕课和虚拟仿真中所设计的题目以及线下实验中教师所引导的问题思考,有效地锻炼了学生在实践过程中发现和解决问题的能力。由于学生自主学习的成效较好,相应的预习报告和实验报告的同质化现象大为减少,对实验数据的处理和分析水平明显提升,整体的报告质量同步提升。基于各个环节的全面提升,造就了整个实验成绩相比传统集中式线下实验教学有了明显的提高。另外,从线上的互动讨论交流区、线下实验时的沟通以及课程结束后的交流发现,学生对材料力学实验线上线下混合式教学模式的认可度较高,普遍认为该模式下主动学习的意愿更强,实验知识的掌握更扎实,实践动手的时间更充足以及实验技能掌握的更牢固。

五、结语

本文基于线上线下混合式教学模式对材料力学实验进行教学改革实践和探索。线上教学依托于幕课和虚拟仿真学习,线下采用分批式实验教学。慕课丰富全面的在线视频改变了枯燥的学习方式,提升了学生学习实验理论知识的积极性。线上虚拟仿真系统的直观性、实时仿真性、实验操作全面覆盖性和自动纠错功能,使学生可以直观全面并正确地理解和熟悉实验操作过程。线下分批式实验教学可以有效增加学生的实验操作时间,实现学生自主操作为主体,教师引导和监控为辅的良好教学氛围。另外,混合式教学模式引入合理的实验考核机制,全面客观地反映出学生的实验实践能力,为后续实验教学的持续改革提供数据保障。总体上,通过混合式教学模式改革,有效地解决了传统教学模式预习效果不佳、实验时间不足和实验报告同质化等问题,促进学生自主学习的积极性,锻炼学生发现和解决问题的能力,提升学生的实验创新能力,从而为培养具有丰富工程实践能力的新工科人才作出贡献。