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(huì)學(xué)習(xí)者建設(shè)的理論力學(xué)在線開放課程堅(jiān)持以學(xué)生為中心的教學(xué)設(shè)計(jì)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(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)實(shí)踐改革。以動(dòng)力學(xué)普遍定理綜合應(yīng)用教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)例說明翻轉(zhuǎn)課堂具體的應(yīng)用過程及效果。實(shí)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(dòng)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(dá)到傳統(tǒng)課堂無法實(shí)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(jì)；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(duì)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(duì)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(dòng)性和創(chuàng)造性，達(dá)到傳統(tǒng)教學(xué)方式達(dá)不到的教學(xué)效果。同時(shí)，由于學(xué)時(shí)的壓縮，線下課堂授課時(shí)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(shí)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(shí)問題的同時(shí)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(dòng)接受進(jìn)升到高階的討論、思考和應(yīng)用。理論力學(xué)課程的特點(diǎn)是知識(shí)體系的完整性和邏輯推理的嚴(yán)密性。其理論性強(qiáng)、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(jì)算能力才能學(xué)好課程。同時(shí)課程知識(shí)體系前后呼應(yīng)，環(huán)環(huán)相扣，需要學(xué)習(xí)者進(jìn)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(diǎn)，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(huì)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(tái)———智慧樹運(yùn)行了5個(gè)周期。

一、在線課程內(nèi)容和設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（一）課程注重基礎(chǔ)理論講解同時(shí)強(qiáng)化工程應(yīng)用課程主要面向非雙一流重點(diǎn)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(diǎn)是數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)較弱，接受能力沒有那么強(qiáng)，所以課程團(tuán)隊(duì)在課程設(shè)計(jì)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(shí)刻提醒學(xué)生矢量運(yùn)算與標(biāo)量運(yùn)算的區(qū)別；在靜力學(xué)部分列平衡方程時(shí)，每一個(gè)力的投影都單獨(dú)添加動(dòng)畫，使學(xué)生了解計(jì)算過程中投影正負(fù)號(hào)的確定方法，明確計(jì)算的過程。通過引入“弦線球”“推土機(jī)推土刀受力分析”“電影打斗場(chǎng)景”等內(nèi)容，將力學(xué)知識(shí)融入具體問題。比如在講解質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定理和普遍定理綜合應(yīng)用時(shí)，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(qǐng)他們用力學(xué)原理進(jìn)行分析。此時(shí)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣就會(huì)很高，他們?cè)谂d致盎然中強(qiáng)化工程應(yīng)用，提升課程理論聯(lián)系實(shí)際的高階性。

（二）注重學(xué)生邏輯思維能力的培養(yǎng)和知識(shí)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(shí)點(diǎn)。智慧樹平臺(tái)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(chǎng)直播的方式，由課程團(tuán)隊(duì)教師與學(xué)生在線實(shí)時(shí)互動(dòng)、進(jìn)行課程知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)、討論、交流。在6次見面課上，老師對(duì)靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和全篇進(jìn)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(shí)體系。

（三）信息技術(shù)融合，注重“實(shí)效”和“時(shí)效”基于學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)調(diào)控教學(xué)設(shè)計(jì)：課程在線運(yùn)行中，設(shè)置課間問答、章節(jié)測(cè)驗(yàn)、討論、見面課等環(huán)節(jié)，“落實(shí)”學(xué)生確實(shí)在學(xué)習(xí)，并將學(xué)習(xí)進(jìn)程、效果及時(shí)反饋。課間問答是通過彈題的方式，對(duì)剛講過的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)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(cè)驗(yàn)安排在每章的最后，對(duì)本章內(nèi)容學(xué)生的掌握程度進(jìn)行檢測(cè)。教師根據(jù)系統(tǒng)平臺(tái)統(tǒng)計(jì)的學(xué)生學(xué)習(xí)的各項(xiàng)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(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，對(duì)學(xué)生存有疑問或者感興趣的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)一步進(jìn)行剖析和挖掘，并將存疑較多的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)梳理總結(jié)，在課程資料區(qū)補(bǔ)充各種學(xué)習(xí)資料。即時(shí)在線答疑創(chuàng)設(shè)網(wǎng)絡(luò)“實(shí)體課堂”：章節(jié)測(cè)驗(yàn)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(cè)試提交后可以即時(shí)查看自己的測(cè)驗(yàn)成績(jī)。對(duì)于做錯(cuò)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(duì)問題進(jìn)行回答（例如課程運(yùn)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(shí)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(jià)值觀塑造課程運(yùn)行中設(shè)置了“學(xué)習(xí)習(xí)慣分”（占總成績(jī)的15%），要求學(xué)生克服懶散的定勢(shì)、合理安排好學(xué)習(xí)計(jì)劃、逐步養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。對(duì)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(shí)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(jià)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(shí)體班教學(xué)過程中獲得了較好的應(yīng)用。課程團(tuán)隊(duì)主講教師通過將在線課與課堂教學(xué)有機(jī)融合，實(shí)施了案例啟發(fā)式、知識(shí)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(qiáng)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(yuǎn)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(shí)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(zhǎng)。目前，課程期末考試成績(jī)占比60％，平時(shí)成績(jī)占比40％。平時(shí)成績(jī)的40％包括在線課學(xué)習(xí)成績(jī)80％、課堂討論成績(jī)10％、線下作業(yè)成績(jī)10％等幾部分。將過程性評(píng)價(jià)貫穿于課前、課中和課后三個(gè)教學(xué)階段，構(gòu)建了過程性評(píng)價(jià)+結(jié)果性評(píng)價(jià)兩級(jí)評(píng)價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生學(xué)習(xí)全過程的可測(cè)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(tái)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(tái)注冊(cè)學(xué)習(xí)，高校及社會(huì)學(xué)習(xí)者選課人數(shù)已達(dá)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(huì)學(xué)習(xí)者選擇本課程進(jìn)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(dòng)、工程案例典型、可以作為本校學(xué)習(xí)該課程的補(bǔ)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(jì)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(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)經(jīng)驗(yàn)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(bǔ)充，“教”“學(xué)”相長(zhǎng)。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(shí)點(diǎn)。由于每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)容時(shí)長(zhǎng)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(shí)間。完成學(xué)習(xí)后，通過課后測(cè)驗(yàn)檢驗(yàn)自己掌握的程度。如果有做錯(cuò)的題目經(jīng)鉆研解決不了，就進(jìn)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(huì)學(xué)習(xí)者形成了一個(gè)學(xué)習(xí)共同體。這個(gè)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(jìn)而引起這個(gè)學(xué)習(xí)共同體的集體思考討論，最終解決這個(gè)問題。通過這樣一個(gè)互動(dòng)討論的環(huán)節(jié)，可以帶動(dòng)整個(gè)學(xué)習(xí)群體的思考，從而共同提升。此外，學(xué)生通過測(cè)驗(yàn)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(jìn)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(cè)驗(yàn)結(jié)果及互動(dòng)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(tái)發(fā)布問題、提問學(xué)生或者進(jìn)行頭腦風(fēng)暴等教學(xué)活動(dòng)。與傳統(tǒng)課堂的提問相比，利用系統(tǒng)平臺(tái)可以即時(shí)統(tǒng)計(jì)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(jì)結(jié)果一目了然看到學(xué)生們的回答情況，甚至細(xì)致到每一個(gè)同學(xué)的對(duì)錯(cuò)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(dòng)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(shí)點(diǎn)，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(gè)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(jì)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(jì)案例

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

（一）教學(xué)目標(biāo)考察學(xué)生能否靈活運(yùn)用質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定理、相對(duì)于質(zhì)心的動(dòng)量矩定理、動(dòng)能定理等對(duì)具體的受力和運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系進(jìn)行分析；能夠靈活應(yīng)用基本力學(xué)原理，對(duì)實(shí)際工程問題進(jìn)行分析；采用小組討論、講解、論證的方式進(jìn)行。

（二）課前準(zhǔn)備布置學(xué)生在線學(xué)習(xí)完成動(dòng)量定理、動(dòng)量矩定理和動(dòng)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(dòng)量、動(dòng)量矩和動(dòng)能的計(jì)算還不能靈活應(yīng)用；（2）什么時(shí)候用哪個(gè)定理解題還不是很清楚。

（三）線下課上學(xué)習(xí)針對(duì)學(xué)生反映的問題，任課教師做了下述的教學(xué)設(shè)計(jì)安排：（1）總結(jié)動(dòng)量、動(dòng)量矩、動(dòng)能的計(jì)算方法，并用例題進(jìn)行訓(xùn)練；通過例題強(qiáng)調(diào)動(dòng)量、動(dòng)量矩和動(dòng)能計(jì)算的時(shí)候必須用絕對(duì)速度及動(dòng)能、動(dòng)量計(jì)算的時(shí)候計(jì)算方法與剛體的運(yùn)行形式有關(guān)，動(dòng)量計(jì)算與剛體的運(yùn)動(dòng)形式無關(guān)。（2）以思維導(dǎo)圖的形式總結(jié)動(dòng)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(dòng)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(dòng)力學(xué)普遍定理思維導(dǎo)圖（3）從理論力學(xué)角度對(duì)電影場(chǎng)景“挑刺”的活動(dòng)，將理論與實(shí)際聯(lián)系，增加同學(xué)們對(duì)定理的理解，加深對(duì)力和運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系的認(rèn)識(shí)。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(chǎng)景進(jìn)行分析。在電影中，成龍和反派因?yàn)椴煌哪康倪M(jìn)入了秦始皇為自己打造的失重的陵墓空間中，并進(jìn)行了一場(chǎng)激烈的打斗。那么在失重的環(huán)境下，哪些打斗的場(chǎng)景符合力學(xué)原理，哪些是違背的呢？車輛工程2019級(jí)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(gè)小組應(yīng)用自己學(xué)過的理論力學(xué)的知識(shí)，從動(dòng)量守恒、動(dòng)量矩守恒、剛體平面運(yùn)動(dòng)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(chǎng)景分析討論三個(gè)模塊。這三個(gè)模塊從低階的難點(diǎn)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(jìn)，幫助學(xué)生逐步建立起知識(shí)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?yàn)橐瑫r(shí)用到運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)的知識(shí)，學(xué)生學(xué)習(xí)過程中會(huì)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?yàn)楹碗娪皥?chǎng)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(dòng)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。由于全校基礎(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(dān)，采用集中分配教學(xué)任務(wù)的方式排課。每個(gè)老師每個(gè)學(xué)年擔(dān)任的教學(xué)班級(jí)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(jì)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(jī)統(tǒng)計(jì)分布情況。其中，14和16級(jí)學(xué)生沒有使用在線課程，18和19級(jí)學(xué)生使用了在線課程。由成績(jī)統(tǒng)計(jì)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(jí)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(shì)還不是很明顯。經(jīng)過兩個(gè)教學(xué)周期（1年有兩個(gè)周期）的摸索，2019級(jí)的學(xué)生第四次使用在線課程時(shí)從不及格率、優(yōu)秀率等各個(gè)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(qiáng)化以學(xué)生為中心，以成果為導(dǎo)向，持續(xù)改進(jìn)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(shí)傳授、能力培養(yǎng)和價(jià)值塑造三位一體的教學(xué)模式，利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)采用啟發(fā)式教學(xué)模式，培養(yǎng)掌握扎實(shí)力學(xué)知識(shí)，并能解決工程力學(xué)復(fù)雜問題的，具備創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力的工程技術(shù)人才。實(shí)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(jī)和能力，取得了很好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

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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)