理論力學翻轉課堂教學探究

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摘要：山東科技大學面向非雙一流高校學生和社會學習者建設的理論力學在線開放課程堅持以學生為中心的教學設計思想，培養學生的工程應用能力和邏輯思維能力，并將在線教學與線下教學相結合進行翻轉課堂教學實踐改革。以動力學普遍定理綜合應用教學設計實例說明翻轉課堂具體的應用過程及效果。實踐證明，新的線上線下結合的翻轉課堂教學模式更能調動學生學習的積極性和創造性，培養學生的邏輯思維能力和解決工程問題的能力，達到傳統課堂無法實現的教學效果。

關鍵詞：在線課程；翻轉課堂；理論力學；教學設計；線上線下

隨著信息技術的發展和在線課程的推廣，傳統的滿堂灌式課堂教學模式已經不能適應現代大學生對于學習過程的要求。較80后、90后的學生，00后的學生們更加喜歡相對自由的、自主的、開放的學習環境。這樣的教學環境更能激發他們學習的主動性和創造性，達到傳統教學方式達不到的教學效果。同時，由于學時的壓縮，線下課堂授課時間減少，而教學內容的體系結構必須完整，不能刪減，這就形成了授課學時和授課內容之間的矛盾。將線上課程與網絡課程相結合可以在很好解決課時問題的同時滿足學生轉變學習方式的需求，使理論力學課程線下學習從低階的被動接受進升到高階的討論、思考和應用。理論力學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、學習難度大，需要學習者具有良好的科學抽象能力、形象思維能力、數學計算能力才能學好課程。同時課程知識體系前后呼應，環環相扣，需要學習者進行大量練習才能較好地掌握和理解。這導致學生往往學習過程中力不從心，覺得課程學習難度大，容易出現畏難心理。根據理論力學課程的上述特點，山東科技大學理論與應用力學教研室面向非雙一流本科高校學生和社會學習者錄制了理論力學在線開放課程，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、在線課程內容和設計特點

（一）課程注重基礎理論講解同時強化工程應用課程主要面向非雙一流重點院校和高職、高專的學生在線學習。這些院校的學生共同特點是數學和物理基礎較弱，接受能力沒有那么強，所以課程團隊在課程設計上以所面向學生為中心，從學生的學習習慣出發，來“降低學生學習的難度”。例如：所有授課視頻中的矢量都采用手寫體的形式，時刻提醒學生矢量運算與標量運算的區別；在靜力學部分列平衡方程時，每一個力的投影都單獨添加動畫，使學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”等內容，將力學知識融入具體問題。比如在講解質心運動定理和普遍定理綜合應用時，將“隔空抓物”“左腳踩右腳上天”等電影橋段放映給同學們觀看，并請他們用力學原理進行分析。此時學生的學習興趣就會很高，他們在興致盎然中強化工程應用，提升課程理論聯系實際的高階性。

（二）注重學生邏輯思維能力的培養和知識體系的架構在線授課過程中，設有章總結，幫助學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節。所謂見面課就是通過在智慧教室現場直播的方式，由課程團隊教師與學生在線實時互動、進行課程知識點的學習、討論、交流。在6次見面課上，老師對靜力學、運動學、動力學和全篇進行歸納、總結、重構。通過章總結、篇總結和全篇總結的方式，環環相扣，培養邏輯思維能力、形成完整的知識體系。

（三）信息技術融合，注重“實效”和“時效”基于學習數據調控教學設計：課程在線運行中，設置課間問答、章節測驗、討論、見面課等環節，“落實”學生確實在學習，并將學習進程、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，學生回答正確后才可以繼續后續的學習。章節測驗安排在每章的最后，對本章內容學生的掌握程度進行檢測。教師根據系統平臺統計的學生學習的各項數據及課程問題討論區學生的提問等內容，在見面課上有的放矢地進行教學設計，對學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，在課程資料區補充各種學習資料。即時在線答疑創設網絡“實體課堂”：章節測驗的所有題目都是客觀題包括選擇和判斷兩種題型。學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，可以在課程討論區發問。討論區的同學和老師都可以對問題進行回答（例如課程運行第2周期討論區發帖數為23726次，第3周期教師發帖數376次）。這種時效性創建了一種沉浸式的學習環境。

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

二、在線課程應用情況

理論力學在線課程在山東科技大學實體班教學過程中獲得了較好的應用。課程團隊主講教師通過將在線課與課堂教學有機融合，實施了案例啟發式、知識體系的構建式、思維導圖式發散性思維等多種教學方法和手段，有效提升了學生的學習興趣和邏輯思維能力，強化了學生的研究型學習能力。多維模式教學重視學生全過程學習能力的培養，其效果要遠好于傳統課堂教學。線上學習和教學資源與課堂教學同步，教師可以根據在線學習數據及時掌握學生狀態和存在的問題，有目的地安排下一步的教學工作，真正做到教學相長。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％包括在線課學習成績80％、課堂討論成績10％、線下作業成績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階段，構建了過程性評價+結果性評價兩級評價體系，實現了學生學習全過程的可測可控。理論力學在線開放課程自2019年2月20日在智慧樹平臺開課，每學期開設1期，至2020年12月開設4期。先后有山東農業大學、貴州民族大學、青島農業大學、青島科技大學、山東交通學院及鄭州科技學院等35所學校的師生通過平臺注冊學習，高校及社會學習者選課人數已達到1.06萬人。新冠肺炎疫情期間有19所學校的2856名的高校學生和社會學習者選擇本課程進行學習，授課教師提供了全方位的在線教學服務（包括課程資料更新、在線答疑等），很好地發揮了網絡共享課程的作用。使用過的高校師生普遍反映主講教師講解清楚、網上資源豐富多樣、教學內容生動、工程案例典型、可以作為本校學習該課程的補充和參考、適合作為翻轉課堂的線上資源。2021年3月，理論力學課程獲得2021春季學期智慧樹網“特色高校精品課程”。

三、翻轉課堂教學設計范例

現就山東科技大學理論與應用力學教研室應用在線開放課程進行翻轉課堂教學經驗介紹如下。線上線下混合式翻轉課堂教學的具體過程如圖1所示。具體為線上線下兩條學習主線，互相補充，“教”“學”相長。線上主線：教師在線上發布學習任務，學生在線觀看學習視頻，學習新知識點。由于每個知識點的內容時長一般小于15分鐘，所以學生可以自主靈活地安排學習時間。完成學習后，通過課后測驗檢驗自己掌握的程度。如果有做錯的題目經鉆研解決不了，就進入課程討論區發布疑問。在討論區中，本校同學、外校學生、本校老師、外校老師和社會學習者形成了一個學習共同體。這個共同體中的所有人都可以看到該同學發布的問題。該同學的問題可能是其他學習者沒有思考過的，進而引起這個學習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節，可以帶動整個學習群體的思考，從而共同提升。此外，學生通過測驗發現問題后，還可以在線下的翻轉課堂中，與任課老師和本班同學進行交流和討論，解決自己的問題。圖1翻轉課堂教學過程框圖線下主線：在線下課堂教學中，老師根據學生在線學習的章節測驗結果及互動討論區中學生提出的問題，有的放矢地設置教學情境，提出問題，并借助網絡平臺發布問題、提問學生或者進行頭腦風暴等教學活動。與傳統課堂的提問相比，利用系統平臺可以即時統計學生投票的結果，了解本班所有同學的掌握情況。由統計結果一目了然看到學生們的回答情況，甚至細致到每一個同學的對錯都可以看到。有了這些數據，教師可以靈活調整教學方案。在線上和線下兩條主線中，教師可以根據線上互動討論區和線下課堂同學們的反饋情況歸納總結很多同學掌握起來有困難的知識點，制作成教學輔助資料，上傳到課程資料區，供學生反復學習使用。智慧樹網山東科技大學理論力學課程資料區中已上傳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、力矩轉向確定方法等內容。

四、普遍定理綜合應用翻轉課程教學設計案例

以普遍定理綜合應用的翻轉課堂教學設計為例說明翻轉課堂的教學過程。

（一）教學目標考察學生能否靈活運用質心運動定理、相對于質心的動量矩定理、動能定理等對具體的受力和運動之間的關系進行分析；能夠靈活應用基本力學原理，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）課前準備布置學生在線學習完成動量定理、動量矩定理和動能定理及普遍定理綜合應用的內容。學生課前完成相關學習后，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）線下課上學習針對學生反映的問題，任課教師做了下述的教學設計安排：（1）總結動量、動量矩、動能的計算方法，并用例題進行訓練；通過例題強調動量、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，動量計算與剛體的運動形式無關。（2）以思維導圖的形式總結動力學普遍定理的內容，如圖2所示。通過該思維導圖，學生可以系統地掌握動力學普遍定理的重要內容及其經常用于求解的問題。圖2動力學普遍定理思維導圖（3）從理論力學角度對電影場景“挑刺”的活動，將理論與實際聯系，增加同學們對定理的理解，加深對力和運動之間的關系的認識。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。那么在失重的環境下，哪些打斗的場景符合力學原理，哪些是違背的呢？車輛工程2019級同學由101人組成，要求同學們10~11人一組，分為10組。觀看視頻后，每個小組應用自己學過的理論力學的知識，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，分析哪些拍攝滿足力學原理，哪些不滿足力學原理。（4）本次課程的總結。本次課程中有例題講解、定理總結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，最后靈活應用。這樣層層遞進，幫助學生逐步建立起知識體系結構，掌握定理的內涵，培養邏輯思維和解決問題的能力。

（四）本次課程的挑戰度本次課程例題解析部分，因為要同時用到運動學動力學的知識，學生學習過程中會感覺有較大的挑戰度。最后的分析討論環節，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，沒有數據的具體分析，學生們的學習興趣和主動性還是非常高的。

五、翻轉課堂應用效果

山東科技大學翻轉課堂自2019年2月開始應用線上線下教學結合的教學改革方式。由于全校基礎力學教學統一由能源學院理論與應用力學系承擔，采用集中分配教學任務的方式排課。每個老師每個學年擔任的教學班級并不固定。為了使應用數據更加具有可比性，圖3統計了馬靜敏老師自2015年來執教的車輛工程專業共4屆學生的成績統計分布情況。其中，14和16級學生沒有使用在線課程，18和19級學生使用了在線課程。由成績統計分布情況可知，使用在線課程后，不及格的人數明顯下降。2018級學生第二次使用在線開放課程，如何將線上教學與線下教學相結合還處于探索階段，各方面數據的優勢還不是很明顯。經過兩個教學周期（1年有兩個周期）的摸索，2019級的學生第四次使用在線課程時從不及格率、優秀率等各個方面都有了大幅度的提升。充分說明采用線上、線下結合的教學方式可以顯著提升教學效果。

六、結束語

山東科技大學理論力學課程將線上與線下教學相結合，在教學過程中強化以學生為中心，以成果為導向，持續改進的OBE核心理念，將力學案例與課程教學相結合，通過知識傳授、能力培養和價值塑造三位一體的教學模式，利用網絡教學平臺的優勢采用啟發式教學模式，培養掌握扎實力學知識，并能解決工程力學復雜問題的，具備創新精神、實踐能力的工程技術人才。實踐證明，這種教學改革能夠顯著提高學生的學習成績和能力，取得了很好的教學效果。

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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