理论力学翻转课堂教学探究

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摘要：山东科技大学面向非双一流高校学生和社会学习者建设的理论力学在线开放课程坚持以学生为中心的教学设计思想，培养学生的工程应用能力和逻辑思维能力，并将在线教学与线下教学相结合进行翻转课堂教学实践改革。以动力学普遍定理综合应用教学设计实例说明翻转课堂具体的应用过程及效果。实践证明，新的线上线下结合的翻转课堂教学模式更能调动学生学习的积极性和创造性，培养学生的逻辑思维能力和解决工程问题的能力，达到传统课堂无法实现的教学效果。

关键词：在线课程；翻转课堂；理论力学；教学设计；线上线下

随着信息技术的发展和在线课程的推广，传统的满堂灌式课堂教学模式已经不能适应现代大学生对于学习过程的要求。较80后、90后的学生，00后的学生们更加喜欢相对自由的、自主的、开放的学习环境。这样的教学环境更能激发他们学习的主动性和创造性，达到传统教学方式达不到的教学效果。同时，由于学时的压缩，线下课堂授课时间减少，而教学内容的体系结构必须完整，不能删减，这就形成了授课学时和授课内容之间的矛盾。将线上课程与网络课程相结合可以在很好解决课时问题的同时满足学生转变学习方式的需求，使理论力学课程线下学习从低阶的被动接受进升到高阶的讨论、思考和应用。理论力学课程的特点是知识体系的完整性和逻辑推理的严密性。其理论性强、学习难度大，需要学习者具有良好的科学抽象能力、形象思维能力、数学计算能力才能学好课程。同时课程知识体系前后呼应，环环相扣，需要学习者进行大量练习才能较好地掌握和理解。这导致学生往往学习过程中力不从心，觉得课程学习难度大，容易出现畏难心理。根据理论力学课程的上述特点，山东科技大学理论与应用力学教研室面向非双一流本科高校学生和社会学习者录制了理论力学在线开放课程，并在全国大型的在线开放课程平台———智慧树运行了5个周期。

一、在线课程内容和设计特点

（一）课程注重基础理论讲解同时强化工程应用课程主要面向非双一流重点院校和高职、高专的学生在线学习。这些院校的学生共同特点是数学和物理基础较弱，接受能力没有那么强，所以课程团队在课程设计上以所面向学生为中心，从学生的学习习惯出发，来“降低学生学习的难度”。例如：所有授课视频中的矢量都采用手写体的形式，时刻提醒学生矢量运算与标量运算的区别；在静力学部分列平衡方程时，每一个力的投影都单独添加动画，使学生了解计算过程中投影正负号的确定方法，明确计算的过程。通过引入“弦线球”“推土机推土刀受力分析”“电影打斗场景”等内容，将力学知识融入具体问题。比如在讲解质心运动定理和普遍定理综合应用时，将“隔空抓物”“左脚踩右脚上天”等电影桥段放映给同学们观看，并请他们用力学原理进行分析。此时学生的学习兴趣就会很高，他们在兴致盎然中强化工程应用，提升课程理论联系实际的高阶性。

（二）注重学生逻辑思维能力的培养和知识体系的架构在线授课过程中，设有章总结，帮助学生梳理每章的知识点。智慧树平台在线授课中安排了见面课环节。所谓见面课就是通过在智慧教室现场直播的方式，由课程团队教师与学生在线实时互动、进行课程知识点的学习、讨论、交流。在6次见面课上，老师对静力学、运动学、动力学和全篇进行归纳、总结、重构。通过章总结、篇总结和全篇总结的方式，环环相扣，培养逻辑思维能力、形成完整的知识体系。

（三）信息技术融合，注重“实效”和“时效”基于学习数据调控教学设计：课程在线运行中，设置课间问答、章节测验、讨论、见面课等环节，“落实”学生确实在学习，并将学习进程、效果及时反馈。课间问答是通过弹题的方式，对刚讲过的知识点进行提问，学生回答正确后才可以继续后续的学习。章节测验安排在每章的最后，对本章内容学生的掌握程度进行检测。教师根据系统平台统计的学生学习的各项数据及课程问题讨论区学生的提问等内容，在见面课上有的放矢地进行教学设计，对学生存有疑问或者感兴趣的知识点进一步进行剖析和挖掘，并将存疑较多的知识点进行重点梳理总结，在课程资料区补充各种学习资料。即时在线答疑创设网络“实体课堂”：章节测验的所有题目都是客观题包括选择和判断两种题型。学生完成测试提交后可以即时查看自己的测验成绩。对于做错的题目如果不知道如何正确求解，可以在课程讨论区发问。讨论区的同学和老师都可以对问题进行回答（例如课程运行第2周期讨论区发帖数为23726次，第3周期教师发帖数376次）。这种时效性创建了一种沉浸式的学习环境。

（四）课程学习过程的设置具有一定的挑战度，有利于积极向上价值观塑造课程运行中设置了“学习习惯分”（占总成绩的15%），要求学生克服懒散的定势、合理安排好学习计划、逐步养成良好的学习习惯。对于普通高等学校的很多同学来说要很好完成上述的学习工作具有一定的挑战度。同时良好的学习习惯可以培养自律、向上的品质，形成正确的价值观。

二、在线课程应用情况

理论力学在线课程在山东科技大学实体班教学过程中获得了较好的应用。课程团队主讲教师通过将在线课与课堂教学有机融合，实施了案例启发式、知识体系的构建式、思维导图式发散性思维等多种教学方法和手段，有效提升了学生的学习兴趣和逻辑思维能力，强化了学生的研究型学习能力。多维模式教学重视学生全过程学习能力的培养，其效果要远好于传统课堂教学。线上学习和教学资源与课堂教学同步，教师可以根据在线学习数据及时掌握学生状态和存在的问题，有目的地安排下一步的教学工作，真正做到教学相长。目前，课程期末考试成绩占比60％，平时成绩占比40％。平时成绩的40％包括在线课学习成绩80％、课堂讨论成绩10％、线下作业成绩10％等几部分。将过程性评价贯穿于课前、课中和课后三个教学阶段，构建了过程性评价+结果性评价两级评价体系，实现了学生学习全过程的可测可控。理论力学在线开放课程自2019年2月20日在智慧树平台开课，每学期开设1期，至2020年12月开设4期。先后有山东农业大学、贵州民族大学、青岛农业大学、青岛科技大学、山东交通学院及郑州科技学院等35所学校的师生通过平台注册学习，高校及社会学习者选课人数已达到1.06万人。新冠肺炎疫情期间有19所学校的2856名的高校学生和社会学习者选择本课程进行学习，授课教师提供了全方位的在线教学服务（包括课程资料更新、在线答疑等），很好地发挥了网络共享课程的作用。使用过的高校师生普遍反映主讲教师讲解清楚、网上资源丰富多样、教学内容生动、工程案例典型、可以作为本校学习该课程的补充和参考、适合作为翻转课堂的线上资源。2021年3月，理论力学课程获得2021春季学期智慧树网“特色高校精品课程”。

三、翻转课堂教学设计范例

现就山东科技大学理论与应用力学教研室应用在线开放课程进行翻转课堂教学经验介绍如下。线上线下混合式翻转课堂教学的具体过程如图1所示。具体为线上线下两条学习主线，互相补充，“教”“学”相长。线上主线：教师在线上发布学习任务，学生在线观看学习视频，学习新知识点。由于每个知识点的内容时长一般小于15分钟，所以学生可以自主灵活地安排学习时间。完成学习后，通过课后测验检验自己掌握的程度。如果有做错的题目经钻研解决不了，就进入课程讨论区发布疑问。在讨论区中，本校同学、外校学生、本校老师、外校老师和社会学习者形成了一个学习共同体。这个共同体中的所有人都可以看到该同学发布的问题。该同学的问题可能是其他学习者没有思考过的，进而引起这个学习共同体的集体思考讨论，最终解决这个问题。通过这样一个互动讨论的环节，可以带动整个学习群体的思考，从而共同提升。此外，学生通过测验发现问题后，还可以在线下的翻转课堂中，与任课老师和本班同学进行交流和讨论，解决自己的问题。图1翻转课堂教学过程框图线下主线：在线下课堂教学中，老师根据学生在线学习的章节测验结果及互动讨论区中学生提出的问题，有的放矢地设置教学情境，提出问题，并借助网络平台发布问题、提问学生或者进行头脑风暴等教学活动。与传统课堂的提问相比，利用系统平台可以即时统计学生投票的结果，了解本班所有同学的掌握情况。由统计结果一目了然看到学生们的回答情况，甚至细致到每一个同学的对错都可以看到。有了这些数据，教师可以灵活调整教学方案。在线上和线下两条主线中，教师可以根据线上互动讨论区和线下课堂同学们的反馈情况归纳总结很多同学掌握起来有困难的知识点，制作成教学辅助资料，上传到课程资料区，供学生反复学习使用。智慧树网山东科技大学理论力学课程资料区中已上传119个非视频资源还有视频资料，包括科氏加速度如何确定指向、加速度合成定理如何利用投影的方法计算要求的未知量、力矩转向确定方法等内容。

四、普遍定理综合应用翻转课程教学设计案例

以普遍定理综合应用的翻转课堂教学设计为例说明翻转课堂的教学过程。

（一）教学目标考察学生能否灵活运用质心运动定理、相对于质心的动量矩定理、动能定理等对具体的受力和运动之间的关系进行分析；能够灵活应用基本力学原理，对实际工程问题进行分析；采用小组讨论、讲解、论证的方式进行。

（二）课前准备布置学生在线学习完成动量定理、动量矩定理和动能定理及普遍定理综合应用的内容。学生课前完成相关学习后，教师得到的反馈是：（1）动量、动量矩和动能的计算还不能灵活应用；（2）什么时候用哪个定理解题还不是很清楚。

（三）线下课上学习针对学生反映的问题，任课教师做了下述的教学设计安排：（1）总结动量、动量矩、动能的计算方法，并用例题进行训练；通过例题强调动量、动量矩和动能计算的时候必须用绝对速度及动能、动量计算的时候计算方法与刚体的运行形式有关，动量计算与刚体的运动形式无关。（2）以思维导图的形式总结动力学普遍定理的内容，如图2所示。通过该思维导图，学生可以系统地掌握动力学普遍定理的重要内容及其经常用于求解的问题。图2动力学普遍定理思维导图（3）从理论力学角度对电影场景“挑刺”的活动，将理论与实际联系，增加同学们对定理的理解，加深对力和运动之间的关系的认识。本次课选择成龙和金喜善主演的电影《神话》中地宫打斗的场景进行分析。在电影中，成龙和反派因为不同的目的进入了秦始皇为自己打造的失重的陵墓空间中，并进行了一场激烈的打斗。那么在失重的环境下，哪些打斗的场景符合力学原理，哪些是违背的呢？车辆工程2019级同学由101人组成，要求同学们10~11人一组，分为10组。观看视频后，每个小组应用自己学过的理论力学的知识，从动量守恒、动量矩守恒、刚体平面运动微分方程等原理出发，分析哪些拍摄满足力学原理，哪些不满足力学原理。（4）本次课程的总结。本次课程中有例题讲解、定理总结和电影场景分析讨论三个模块。这三个模块从低阶的难点解析挖掘，到定理归纳总结，最后灵活应用。这样层层递进，帮助学生逐步建立起知识体系结构，掌握定理的内涵，培养逻辑思维和解决问题的能力。

（四）本次课程的挑战度本次课程例题解析部分，因为要同时用到运动学动力学的知识，学生学习过程中会感觉有较大的挑战度。最后的分析讨论环节，需要他们更多地思考定理的物理意义，并能用于解决工程问题。因为和电影场景相链接，没有数据的具体分析，学生们的学习兴趣和主动性还是非常高的。

五、翻转课堂应用效果

山东科技大学翻转课堂自2019年2月开始应用线上线下教学结合的教学改革方式。由于全校基础力学教学统一由能源学院理论与应用力学系承担，采用集中分配教学任务的方式排课。每个老师每个学年担任的教学班级并不固定。为了使应用数据更加具有可比性，图3统计了马静敏老师自2015年来执教的车辆工程专业共4届学生的成绩统计分布情况。其中，14和16级学生没有使用在线课程，18和19级学生使用了在线课程。由成绩统计分布情况可知，使用在线课程后，不及格的人数明显下降。2018级学生第二次使用在线开放课程，如何将线上教学与线下教学相结合还处于探索阶段，各方面数据的优势还不是很明显。经过两个教学周期（1年有两个周期）的摸索，2019级的学生第四次使用在线课程时从不及格率、优秀率等各个方面都有了大幅度的提升。充分说明采用线上、线下结合的教学方式可以显著提升教学效果。

六、结束语

山东科技大学理论力学课程将线上与线下教学相结合，在教学过程中强化以学生为中心，以成果为导向，持续改进的OBE核心理念，将力学案例与课程教学相结合，通过知识传授、能力培养和价值塑造三位一体的教学模式，利用网络教学平台的优势采用启发式教学模式，培养掌握扎实力学知识，并能解决工程力学复杂问题的，具备创新精神、实践能力的工程技术人才。实践证明，这种教学改革能够显著提高学生的学习成绩和能力，取得了很好的教学效果。

参考文献：

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作者:马静敏 付彦坤 文志杰  陈俊国 单位:山东科技大学