理論力學(xué)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)探究

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摘要：山東科技大學(xué)面向非雙一流高校學(xué)生和社會學(xué)習(xí)者建設(shè)的理論力學(xué)在線開放課程堅持以學(xué)生為中心的教學(xué)設(shè)計思想，培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力和邏輯思維能力，并將在線教學(xué)與線下教學(xué)相結(jié)合進行翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)實踐改革。以動力學(xué)普遍定理綜合應(yīng)用教學(xué)設(shè)計實例說明翻轉(zhuǎn)課堂具體的應(yīng)用過程及效果。實踐證明，新的線上線下結(jié)合的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式更能調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力和解決工程問題的能力，達到傳統(tǒng)課堂無法實現(xiàn)的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：在線課程；翻轉(zhuǎn)課堂；理論力學(xué)；教學(xué)設(shè)計；線上線下

隨著信息技術(shù)的發(fā)展和在線課程的推廣，傳統(tǒng)的滿堂灌式課堂教學(xué)模式已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代大學(xué)生對于學(xué)習(xí)過程的要求。較80后、90后的學(xué)生，00后的學(xué)生們更加喜歡相對自由的、自主的、開放的學(xué)習(xí)環(huán)境。這樣的教學(xué)環(huán)境更能激發(fā)他們學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)造性，達到傳統(tǒng)教學(xué)方式達不到的教學(xué)效果。同時，由于學(xué)時的壓縮，線下課堂授課時間減少，而教學(xué)內(nèi)容的體系結(jié)構(gòu)必須完整，不能刪減，這就形成了授課學(xué)時和授課內(nèi)容之間的矛盾。將線上課程與網(wǎng)絡(luò)課程相結(jié)合可以在很好解決課時問題的同時滿足學(xué)生轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式的需求，使理論力學(xué)課程線下學(xué)習(xí)從低階的被動接受進升到高階的討論、思考和應(yīng)用。理論力學(xué)課程的特點是知識體系的完整性和邏輯推理的嚴密性。其理論性強、學(xué)習(xí)難度大，需要學(xué)習(xí)者具有良好的科學(xué)抽象能力、形象思維能力、數(shù)學(xué)計算能力才能學(xué)好課程。同時課程知識體系前后呼應(yīng)，環(huán)環(huán)相扣，需要學(xué)習(xí)者進行大量練習(xí)才能較好地掌握和理解。這導(dǎo)致學(xué)生往往學(xué)習(xí)過程中力不從心，覺得課程學(xué)習(xí)難度大，容易出現(xiàn)畏難心理。根據(jù)理論力學(xué)課程的上述特點，山東科技大學(xué)理論與應(yīng)用力學(xué)教研室面向非雙一流本科高校學(xué)生和社會學(xué)習(xí)者錄制了理論力學(xué)在線開放課程，并在全國大型的在線開放課程平臺———智慧樹運行了5個周期。

一、在線課程內(nèi)容和設(shè)計特點

（一）課程注重基礎(chǔ)理論講解同時強化工程應(yīng)用課程主要面向非雙一流重點院校和高職、高專的學(xué)生在線學(xué)習(xí)。這些院校的學(xué)生共同特點是數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)較弱，接受能力沒有那么強，所以課程團隊在課程設(shè)計上以所面向?qū)W生為中心，從學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣出發(fā)，來“降低學(xué)生學(xué)習(xí)的難度”。例如：所有授課視頻中的矢量都采用手寫體的形式，時刻提醒學(xué)生矢量運算與標量運算的區(qū)別；在靜力學(xué)部分列平衡方程時，每一個力的投影都單獨添加動畫，使學(xué)生了解計算過程中投影正負號的確定方法，明確計算的過程。通過引入“弦線球”“推土機推土刀受力分析”“電影打斗場景”等內(nèi)容，將力學(xué)知識融入具體問題。比如在講解質(zhì)心運動定理和普遍定理綜合應(yīng)用時，將“隔空抓物”“左腳踩右腳上天”等電影橋段放映給同學(xué)們觀看，并請他們用力學(xué)原理進行分析。此時學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣就會很高，他們在興致盎然中強化工程應(yīng)用，提升課程理論聯(lián)系實際的高階性。

（二）注重學(xué)生邏輯思維能力的培養(yǎng)和知識體系的架構(gòu)在線授課過程中，設(shè)有章總結(jié)，幫助學(xué)生梳理每章的知識點。智慧樹平臺在線授課中安排了見面課環(huán)節(jié)。所謂見面課就是通過在智慧教室現(xiàn)場直播的方式，由課程團隊教師與學(xué)生在線實時互動、進行課程知識點的學(xué)習(xí)、討論、交流。在6次見面課上，老師對靜力學(xué)、運動學(xué)、動力學(xué)和全篇進行歸納、總結(jié)、重構(gòu)。通過章總結(jié)、篇總結(jié)和全篇總結(jié)的方式，環(huán)環(huán)相扣，培養(yǎng)邏輯思維能力、形成完整的知識體系。

（三）信息技術(shù)融合，注重“實效”和“時效”基于學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)調(diào)控教學(xué)設(shè)計：課程在線運行中，設(shè)置課間問答、章節(jié)測驗、討論、見面課等環(huán)節(jié)，“落實”學(xué)生確實在學(xué)習(xí)，并將學(xué)習(xí)進程、效果及時反饋。課間問答是通過彈題的方式，對剛講過的知識點進行提問，學(xué)生回答正確后才可以繼續(xù)后續(xù)的學(xué)習(xí)。章節(jié)測驗安排在每章的最后，對本章內(nèi)容學(xué)生的掌握程度進行檢測。教師根據(jù)系統(tǒng)平臺統(tǒng)計的學(xué)生學(xué)習(xí)的各項數(shù)據(jù)及課程問題討論區(qū)學(xué)生的提問等內(nèi)容，在見面課上有的放矢地進行教學(xué)設(shè)計，對學(xué)生存有疑問或者感興趣的知識點進一步進行剖析和挖掘，并將存疑較多的知識點進行重點梳理總結(jié)，在課程資料區(qū)補充各種學(xué)習(xí)資料。即時在線答疑創(chuàng)設(shè)網(wǎng)絡(luò)“實體課堂”：章節(jié)測驗的所有題目都是客觀題包括選擇和判斷兩種題型。學(xué)生完成測試提交后可以即時查看自己的測驗成績。對于做錯的題目如果不知道如何正確求解，可以在課程討論區(qū)發(fā)問。討論區(qū)的同學(xué)和老師都可以對問題進行回答（例如課程運行第2周期討論區(qū)發(fā)帖數(shù)為23726次，第3周期教師發(fā)帖數(shù)376次）。這種時效性創(chuàng)建了一種沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境。

（四）課程學(xué)習(xí)過程的設(shè)置具有一定的挑戰(zhàn)度，有利于積極向上價值觀塑造課程運行中設(shè)置了“學(xué)習(xí)習(xí)慣分”（占總成績的15%），要求學(xué)生克服懶散的定勢、合理安排好學(xué)習(xí)計劃、逐步養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。對于普通高等學(xué)校的很多同學(xué)來說要很好完成上述的學(xué)習(xí)工作具有一定的挑戰(zhàn)度。同時良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣可以培養(yǎng)自律、向上的品質(zhì)，形成正確的價值觀。

二、在線課程應(yīng)用情況

理論力學(xué)在線課程在山東科技大學(xué)實體班教學(xué)過程中獲得了較好的應(yīng)用。課程團隊主講教師通過將在線課與課堂教學(xué)有機融合，實施了案例啟發(fā)式、知識體系的構(gòu)建式、思維導(dǎo)圖式發(fā)散性思維等多種教學(xué)方法和手段，有效提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和邏輯思維能力，強化了學(xué)生的研究型學(xué)習(xí)能力。多維模式教學(xué)重視學(xué)生全過程學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，其效果要遠好于傳統(tǒng)課堂教學(xué)。線上學(xué)習(xí)和教學(xué)資源與課堂教學(xué)同步，教師可以根據(jù)在線學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)及時掌握學(xué)生狀態(tài)和存在的問題，有目的地安排下一步的教學(xué)工作，真正做到教學(xué)相長。目前，課程期末考試成績占比60％，平時成績占比40％。平時成績的40％包括在線課學(xué)習(xí)成績80％、課堂討論成績10％、線下作業(yè)成績10％等幾部分。將過程性評價貫穿于課前、課中和課后三個教學(xué)階段，構(gòu)建了過程性評價+結(jié)果性評價兩級評價體系，實現(xiàn)了學(xué)生學(xué)習(xí)全過程的可測可控。理論力學(xué)在線開放課程自2019年2月20日在智慧樹平臺開課，每學(xué)期開設(shè)1期，至2020年12月開設(shè)4期。先后有山東農(nóng)業(yè)大學(xué)、貴州民族大學(xué)、青島農(nóng)業(yè)大學(xué)、青島科技大學(xué)、山東交通學(xué)院及鄭州科技學(xué)院等35所學(xué)校的師生通過平臺注冊學(xué)習(xí)，高校及社會學(xué)習(xí)者選課人數(shù)已達到1.06萬人。新冠肺炎疫情期間有19所學(xué)校的2856名的高校學(xué)生和社會學(xué)習(xí)者選擇本課程進行學(xué)習(xí)，授課教師提供了全方位的在線教學(xué)服務(wù)（包括課程資料更新、在線答疑等），很好地發(fā)揮了網(wǎng)絡(luò)共享課程的作用。使用過的高校師生普遍反映主講教師講解清楚、網(wǎng)上資源豐富多樣、教學(xué)內(nèi)容生動、工程案例典型、可以作為本校學(xué)習(xí)該課程的補充和參考、適合作為翻轉(zhuǎn)課堂的線上資源。2021年3月，理論力學(xué)課程獲得2021春季學(xué)期智慧樹網(wǎng)“特色高校精品課程”。

三、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)計范例

現(xiàn)就山東科技大學(xué)理論與應(yīng)用力學(xué)教研室應(yīng)用在線開放課程進行翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)經(jīng)驗介紹如下。線上線下混合式翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的具體過程如圖1所示。具體為線上線下兩條學(xué)習(xí)主線，互相補充，“教”“學(xué)”相長。線上主線：教師在線上發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生在線觀看學(xué)習(xí)視頻，學(xué)習(xí)新知識點。由于每個知識點的內(nèi)容時長一般小于15分鐘，所以學(xué)生可以自主靈活地安排學(xué)習(xí)時間。完成學(xué)習(xí)后，通過課后測驗檢驗自己掌握的程度。如果有做錯的題目經(jīng)鉆研解決不了，就進入課程討論區(qū)發(fā)布疑問。在討論區(qū)中，本校同學(xué)、外校學(xué)生、本校老師、外校老師和社會學(xué)習(xí)者形成了一個學(xué)習(xí)共同體。這個共同體中的所有人都可以看到該同學(xué)發(fā)布的問題。該同學(xué)的問題可能是其他學(xué)習(xí)者沒有思考過的，進而引起這個學(xué)習(xí)共同體的集體思考討論，最終解決這個問題。通過這樣一個互動討論的環(huán)節(jié)，可以帶動整個學(xué)習(xí)群體的思考，從而共同提升。此外，學(xué)生通過測驗發(fā)現(xiàn)問題后，還可以在線下的翻轉(zhuǎn)課堂中，與任課老師和本班同學(xué)進行交流和討論，解決自己的問題。圖1翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)過程框圖線下主線：在線下課堂教學(xué)中，老師根據(jù)學(xué)生在線學(xué)習(xí)的章節(jié)測驗結(jié)果及互動討論區(qū)中學(xué)生提出的問題，有的放矢地設(shè)置教學(xué)情境，提出問題，并借助網(wǎng)絡(luò)平臺發(fā)布問題、提問學(xué)生或者進行頭腦風(fēng)暴等教學(xué)活動。與傳統(tǒng)課堂的提問相比，利用系統(tǒng)平臺可以即時統(tǒng)計學(xué)生投票的結(jié)果，了解本班所有同學(xué)的掌握情況。由統(tǒng)計結(jié)果一目了然看到學(xué)生們的回答情況，甚至細致到每一個同學(xué)的對錯都可以看到。有了這些數(shù)據(jù)，教師可以靈活調(diào)整教學(xué)方案。在線上和線下兩條主線中，教師可以根據(jù)線上互動討論區(qū)和線下課堂同學(xué)們的反饋情況歸納總結(jié)很多同學(xué)掌握起來有困難的知識點，制作成教學(xué)輔助資料，上傳到課程資料區(qū)，供學(xué)生反復(fù)學(xué)習(xí)使用。智慧樹網(wǎng)山東科技大學(xué)理論力學(xué)課程資料區(qū)中已上傳119個非視頻資源還有視頻資料，包括科氏加速度如何確定指向、加速度合成定理如何利用投影的方法計算要求的未知量、力矩轉(zhuǎn)向確定方法等內(nèi)容。

四、普遍定理綜合應(yīng)用翻轉(zhuǎn)課程教學(xué)設(shè)計案例

以普遍定理綜合應(yīng)用的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)計為例說明翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)過程。

（一）教學(xué)目標考察學(xué)生能否靈活運用質(zhì)心運動定理、相對于質(zhì)心的動量矩定理、動能定理等對具體的受力和運動之間的關(guān)系進行分析；能夠靈活應(yīng)用基本力學(xué)原理，對實際工程問題進行分析；采用小組討論、講解、論證的方式進行。

（二）課前準備布置學(xué)生在線學(xué)習(xí)完成動量定理、動量矩定理和動能定理及普遍定理綜合應(yīng)用的內(nèi)容。學(xué)生課前完成相關(guān)學(xué)習(xí)后，教師得到的反饋是：（1）動量、動量矩和動能的計算還不能靈活應(yīng)用；（2）什么時候用哪個定理解題還不是很清楚。

（三）線下課上學(xué)習(xí)針對學(xué)生反映的問題，任課教師做了下述的教學(xué)設(shè)計安排：（1）總結(jié)動量、動量矩、動能的計算方法，并用例題進行訓(xùn)練；通過例題強調(diào)動量、動量矩和動能計算的時候必須用絕對速度及動能、動量計算的時候計算方法與剛體的運行形式有關(guān)，動量計算與剛體的運動形式無關(guān)。（2）以思維導(dǎo)圖的形式總結(jié)動力學(xué)普遍定理的內(nèi)容，如圖2所示。通過該思維導(dǎo)圖，學(xué)生可以系統(tǒng)地掌握動力學(xué)普遍定理的重要內(nèi)容及其經(jīng)常用于求解的問題。圖2動力學(xué)普遍定理思維導(dǎo)圖（3）從理論力學(xué)角度對電影場景“挑刺”的活動，將理論與實際聯(lián)系，增加同學(xué)們對定理的理解，加深對力和運動之間的關(guān)系的認識。本次課選擇成龍和金喜善主演的電影《神話》中地宮打斗的場景進行分析。在電影中，成龍和反派因為不同的目的進入了秦始皇為自己打造的失重的陵墓空間中，并進行了一場激烈的打斗。那么在失重的環(huán)境下，哪些打斗的場景符合力學(xué)原理，哪些是違背的呢？車輛工程2019級同學(xué)由101人組成，要求同學(xué)們10~11人一組，分為10組。觀看視頻后，每個小組應(yīng)用自己學(xué)過的理論力學(xué)的知識，從動量守恒、動量矩守恒、剛體平面運動微分方程等原理出發(fā)，分析哪些拍攝滿足力學(xué)原理，哪些不滿足力學(xué)原理。（4）本次課程的總結(jié)。本次課程中有例題講解、定理總結(jié)和電影場景分析討論三個模塊。這三個模塊從低階的難點解析挖掘，到定理歸納總結(jié)，最后靈活應(yīng)用。這樣層層遞進，幫助學(xué)生逐步建立起知識體系結(jié)構(gòu)，掌握定理的內(nèi)涵，培養(yǎng)邏輯思維和解決問題的能力。

（四）本次課程的挑戰(zhàn)度本次課程例題解析部分，因為要同時用到運動學(xué)動力學(xué)的知識，學(xué)生學(xué)習(xí)過程中會感覺有較大的挑戰(zhàn)度。最后的分析討論環(huán)節(jié)，需要他們更多地思考定理的物理意義，并能用于解決工程問題。因為和電影場景相鏈接，沒有數(shù)據(jù)的具體分析，學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣和主動性還是非常高的。

五、翻轉(zhuǎn)課堂應(yīng)用效果

山東科技大學(xué)翻轉(zhuǎn)課堂自2019年2月開始應(yīng)用線上線下教學(xué)結(jié)合的教學(xué)改革方式。由于全?；A(chǔ)力學(xué)教學(xué)統(tǒng)一由能源學(xué)院理論與應(yīng)用力學(xué)系承擔，采用集中分配教學(xué)任務(wù)的方式排課。每個老師每個學(xué)年擔任的教學(xué)班級并不固定。為了使應(yīng)用數(shù)據(jù)更加具有可比性，圖3統(tǒng)計了馬靜敏老師自2015年來執(zhí)教的車輛工程專業(yè)共4屆學(xué)生的成績統(tǒng)計分布情況。其中，14和16級學(xué)生沒有使用在線課程，18和19級學(xué)生使用了在線課程。由成績統(tǒng)計分布情況可知，使用在線課程后，不及格的人數(shù)明顯下降。2018級學(xué)生第二次使用在線開放課程，如何將線上教學(xué)與線下教學(xué)相結(jié)合還處于探索階段，各方面數(shù)據(jù)的優(yōu)勢還不是很明顯。經(jīng)過兩個教學(xué)周期（1年有兩個周期）的摸索，2019級的學(xué)生第四次使用在線課程時從不及格率、優(yōu)秀率等各個方面都有了大幅度的提升。充分說明采用線上、線下結(jié)合的教學(xué)方式可以顯著提升教學(xué)效果。

六、結(jié)束語

山東科技大學(xué)理論力學(xué)課程將線上與線下教學(xué)相結(jié)合，在教學(xué)過程中強化以學(xué)生為中心，以成果為導(dǎo)向，持續(xù)改進的OBE核心理念，將力學(xué)案例與課程教學(xué)相結(jié)合，通過知識傳授、能力培養(yǎng)和價值塑造三位一體的教學(xué)模式，利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的優(yōu)勢采用啟發(fā)式教學(xué)模式，培養(yǎng)掌握扎實力學(xué)知識，并能解決工程力學(xué)復(fù)雜問題的，具備創(chuàng)新精神、實踐能力的工程技術(shù)人才。實踐證明，這種教學(xué)改革能夠顯著提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績和能力，取得了很好的教學(xué)效果。

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作者:馬靜敏 付彥坤 文志杰  陳俊國 單位:山東科技大學(xué)