大班授课环境下理论力学翻转课堂的实践

[摘 要]理论力学是各工科专业的必修课，多采取大班授课模式。为落实“四位一体”创新型人才培养模式，作者在理论力学大班授课环境下进行了翻转课堂的实践，分析了大班翻转课堂教学面临的问题并提出了相应的解决措施，从“创新型人才培养”的教学目标出发进行教学内容再设计，以学生为中心，注重多元化评价和过程考核，取得了良好的教学效果，提高了教学质量。

[关键词]以学生为中心; 翻转课堂;理论力学

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）04-0018-03

一、“翻转课堂”的内涵

随着信息技术和教学理念的不断更新，翻转课堂作为一种新型教学模式受到了广泛关注[1-4]。翻转课堂的核心思想就是“以学生为中心”，根据学生个体情况进行因材施教，将传统教学模式中“教师课堂传授知识、学生课下练习”变为“由学生在课前利用在线教学资源完成知识点的学习，课堂上通过教师与学生共同讨论完成知识内化”，如图1所示。

由于翻转课堂特别强调学生的学习自主性，其课堂设计方面可以参考建构主义学习理论。该理论认为，环境和学习者的个体特征是确定学习效果的两个决定性因素[5]。其中，环境不仅指先进的物质设备环境，如在线教育资源库、在线教学管理平台、电脑等终端设备，还包括学生之间的互助学习以及教师给予学生的热情关怀、耐心指导和思想启发。学习者个人的行为特征决定了其知识图像的形成、认知模式的构建。每个学习者都是以自身的知识背景为前提构建自己对新信息和知识的理解与认识，是认知模式构建的主体。在此过程中，教师是学生学习的合作者和引导者。

我国正在大力实施创新驱动发展战略，互联网、大数据、人工智能技术渗透到各个领域。在这个新时代，信息化使得学习信息渠道丰富，纯粹的知识记忆也将不再重要。本科阶段是学生抽象思维能力和理性思维能力发展的重要阶段。只有学生形成了自己的认知模式，才能更客观、准确地感知和应对外部世界，创造新事物。创新型人才培养要求以学生发展为中心，注重“品行养成、知识传授、能力培养和思维创新”的“四位一体”[6]。翻转课堂特别强调学生的学习自主性，强调教师对学生的启发与引导，因此翻转课堂是激发学生学习兴趣、实现创新型人才培养目标的一个重要授课手段。

二、理论力学翻转课堂的实践探索

理论力学是各工科专业的必修课。课程具有鲜明的工程色彩和严密的理论系统性，密切联系工程实际，为后继课程打下坚实基础。理论力学课程作为大面积技术基础课，目前多实行大班授课，基本上是100人左右组成一个大班，采用以教师讲解为主的授课模式;教材中所举的例题和习题虽来源于工程实际，但习题、例题都是已经简化过的力学模型，讨论重点仍然是具体知识的掌握。这种现状使学生感到所学知识脱离了实际，即学生常反映的“理论力学学起来不难，做题却容易错，实践中不知道怎么用”。这种授课模式显然与“四位一体”创新型人才的培养目标有一定差距。笔者在本校开展了大班授课环境下理论力学翻转课堂的教学改革与实践，下面就大班翻转课堂遇到的问题与相应的解决措施、教学内容的再设计及考核评价的多元化进行阐述。

（一）大班翻转课堂面临的问题

众多周知，大班课堂最显著的特点就是学生人数众多，而且学生学习基础参差不齐、学习风格多样、学习诉求也不尽相同。有的学生想提高能力、训练思维的创新性，而有的学生却只想“六十分万岁”;有的学生希望教师多进行“难题、实践应用题”的训练，而有的学生却连课程基本内容的接受都感到有些困难。因此，如何在大班课堂上有效开展课堂讨论，如何激发学生参与讨论话题的积极性就很值得探讨。

翻转课堂特别强调学生的学习自主性，学生在完成任务的过程中培养分析问题、解决问题的能力及合作精神。那么，对学生的评价就不能再局限于传统的“期末一考定成绩”的模式，需要对学生的学习过程及投入程度进行过程评价。学生之间的互助学习（小组协作）是翻转课堂教学模式的必要组成部分，很多教学内容、拓展作业都是以互助、团队的形式完成的。这就容易出现“多数学生很认真，少数学生搭便车”的现象，也给教师监测学生学习过程带来了很大的困难和工作量。如何有效组织小组协作，如何客观地、准确地评价每位学生在课程学习中的表现，这些问题值得认真探讨。

（二）解决大班翻转课堂所面临问题的措施

1. 合理设置引导性、开放性的讨论题

为了有效地开展课堂讨论，调动学生的话题参与积极性，就必须设置合理的具有引导性、开放性的讨论题。在选取讨论问题和讨论案例时，不仅需要考虑所选取的问题和案例在课程学习中的重要性，符合教学大纲的能力培养目标，更需要考虑学生原有的知识水平，使基础好的学生能进行探究式学习，加强创新思维训练，使基础差的学生也能加入到讨论中，加深对基本概念、方法的理解和掌握，体会到理论力学学习的实用性、趣味性，获得成就感。学生一旦觉得这门课学起来有意思、有成效，其学习的自主性、讨论的积极性也就会自然而然地激发出来了。下面举两个例子。

图2是一个机构平衡的例子。当主动力F1、F2及主动力偶矩M满足一定关系时，机构会平衡在如图所示的位置。在讲解虚位移原理的时候，很多教材会把该题目或类似题目作为例（习）题。在讲解这道题时，我们设置了这样四个层次的问题：（1）用虚位移原理求解。（2）用刚体静力学平衡方程求解。（3）对于CD杆的导轨，为什么画成如图3所示的两个光滑支撑面约束的样子，而不是一个光滑支撑面约束呢？（4）如果把CD杆导轨画成一个光滑支撑面约束，分别应用虚位移原理和刚体静力学去分析，会有哪些不同？对于前两个问题，学生很容易就求解出三个主动力（偶）满足的关系式，完成熟练掌握基本理論与基本方法的教学要求;对于第（3）问和第（4）问，绝大部分学生反映“从没这样想过”。整个课堂讨论气氛非常热烈，达到了理论联系实际、训练创新思维的教学目的。

2. “组间同质、组内异质、自由组合、综合评价”策略

为了有效组织小组协作，尽量避免或减少“搭便车”现象，我们采取了“组间同质、组内异质、自由组合、综合评价”的解决策略。

一是给出具有一定难度与工程应用背景的项目研究题目，即必须要进行文献查阅、建模计算才能完成的题目。由于理论力学的授课对象通常是大二上学期的学生，他们若想独立完成这样的题目颇具挑战性，因此必须要组成团队，攻坚克难。

二是以四至六人的规模自由组合成合作小组，但每个小组中必须有概念清晰的、基础扎实的、计算能力强的、语言表达能力强的、协调组织能力强的组员。这样，每个小组之间的差距不是很大，而组内成员形成了互补，每个人都要发挥自己的长处，才能保证整个小组取得优异的成绩。

三是采用合理的量表，将小组合作学习中个人或者小组的表现进行量化，通过客观的数据呈现出来，得到小组内部对各个成员的评分，见表1。然后，将该分数与教师对每个小组的评分加权，得到每位学生的具体分值。

（三）依据创新型人才培养的教学目标进行教学内容再设计

理论力学课程具有概念多、公式多、定理多的特点，工程色彩鲜明，理论系统性强。因此，我们在实践过程中并没有进行全部课程内容的翻转，而是选择部分内容进行翻转。那么，问题就来了：应该对哪些内容进行翻转呢？翻转内容与课堂授课内容之间该怎么组织才能更符合创新型人才培养的教学目标要求？

授课教师应该根据教学目标对教学内容进行分解、再设计。创新型人才培养的教学目标应该包括知识目标、能力目标、情感目标[5]，因此在做教学设计时，要首先分析和明确课程教学以及每堂课的知识目标，确定能力培养目标以及学生情感、态度、价值观目标，然后选择合适的教学知识点并设计教学实施策略来实现这些教学目标。下面以“动点、动系、牵连点”的教学设计来说明。

“动点、动系、牵连点”是理论力学中的重要内容和难点内容。它不仅是描述“点的复合运动”的分析方法，同时也体现了人们对复杂问题的分析与求解认识，是培养创新思维的好抓手。我们首先在网络平台发布了该部分学习内容的视频资源、参考资料、基本测验题及如图3所示的讨论思考题：“长为L的细杆在半径为R的固定圆盘上无滑动地运动，当杆水平时，杆的中点与圆盘接触。若杆以匀角速度转动，如何分析杆端点A的运动？”该题目中圆轮是固定不动的，仅有杆AB是运动的。题目发布以后，很多学生表示很好奇：哪里会有“动系”呢？于是笔者首先请学生在线上学习平台发言、在组内展开讨论，然后在课堂上以小组为单位分别阐述组内的研讨结果。课堂上不同小组间讨论的碰撞以及教师的引导，使学生加深了对基本概念的理解，认识到“所有的定义、分析方法都是服务于如何解决问题这一终极目的”。学生反映这样的教学效果良好。

（四）注重评价多元化和考核过程化

由于翻转课堂特别强调学生的学习自主性，学生在完成任务的过程中培养分析问题、解决问题的能力及合作精神，因此需要对学生的学习过程给予关注和评价。目前，我校理论力学仍然是传统的期末统一闭卷考试，主要侧重于基础知识和基础方法的考查。学生成绩由“期末考试成绩+平时成绩”组成，其中，平时成绩就是课程作业、考勤和实验成绩的组合，内容单一。根据学校的有关规定，笔者在理论力学翻转课堂的考核与评价上做了一些改变，强化了平时成绩占比，突出了评价多元化和考核过程化，如图4。

为了对学生的线上自学情况做出适当评价以督促学生自主学习，我们采用了“在线选择题测试”“在线简答题测试”及“线下计算题测试”的形式进行过程性考试。在过程性考试中，学生很难通过考前突击过关，这就增强了他们自主学习的紧迫性。过程性考试将考核贯穿于整个教学过程中，边教学边考核，边考核边反馈。教师发现学生的薄弱环节后可以及时调整教学内容，学生也可及时了解其学习情况。在课堂讨论及课后的拓展训练环节，我们更注重学生的课堂互动参与度、课程论文的实施过程和完成度，结合小组评价及组内评价量表建立多元化评价机制。以课程论文的写作为例（评分量表如表2）。在课程开始的三周内，教师把课程论文的题目发布给各个小组，要求学生查阅资料，对论文选题的认识及所需知识储备进行梳理;于课程进行到半程时提交开题报告;到课程结束时，要求学生提交论文报告，在课堂上答辩。这样使论文的选题、开题、框架构建、查阅资料、写作和答辩等一整套程序都能按部就班地完成，从而提升学生解决问题的能力及写作交流、团队协作的能力。

多元化评价和过程性考核消除了学生平时松懈、期末考试前临时抱佛脚的心理，同时也满足了不同学习层次、兴趣和特长的学生的学习需要。这样既肯定了思想活跃、参与度高的学生的努力和付出，又调动了基础差的学生的学习积极性。

三、结语

理论力学教学改革是一个持续的探索过程，在做好充分预案的基础上要勇于尝试。翻转课堂特别强调学生的学习自主性，强调教师对学生的启发与引导是激发学生学习兴趣、达到创新型人才培养要求的一个重要授课手段。要从创新型人才培养的教学目标出发对教学内容进行分解、再设计，要注重对学生学习过程的考核和评价，充分发挥翻转课堂的优势。实践结果表明，学生的学习主动性提高了，沟通协作能力增强了，创新思维也得到了一定的培养。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 郝兴伟，张强.翻转课堂教学：经验与趋势[J].中国大学教学，2015（10）：65-67+48.

[2] 鲍崇高，张健，赵欣，等.改革课堂教学模式，提升基础课程教学质量[J].中国大学教学，2017（3）：59-62.

[3] 张国辉.运用网络教学平台构建混合课堂教学的探索[J].大学教育，2018（1）：141-143.

[4] 申大魁，刘峰贵.促进本科生深度学习的翻转课堂教学模式研究[J].大学教育，2018（3）：141-143.

[5] 白逸仙.建构主义学习理论与创业型工程人才培养：英美高校人才培养模式变革的案例研究[J].高等工程教育研究，2014（5）：46-51.

[6] 鄭庆华.“四位一体”创新人才培养模式的探索与实践[J].中国大学教学，2016（10）：19-23+30.

[责任编辑：庞丹丹]