新工科背景下翻转课堂教学模式的改革实践-以“材料力学”课程为例

1、新工科背景下翻转课堂教学模式的改革实践以“材料力学”课程为例摘 要 新工科战略对工程教育教学方法提出新的要求，本研究在实践的基础上探索翻转 课堂在工程教育中的应用.研究以S大学“材料力学”课程为例，从学生学习的角度比较分析 翻转课堂和传统课堂的教学改革效果.分析发现翻转课堂提高了学生的学习投入水平、学习 收获感和学业成绩，营造了更好的课堂氛围；相关分析发现，授课方式的不同与学业成绩 呈弱相关.研究证明新工科背景下翻转课堂的教学模式具有一定的适配性，指出翻转课堂的 应用需要一定的条件，翻转课堂更适用于已有积累的优势科目，进一步的理论探索和实践 是新工科教育教学改革的必需.关键词 新工科；翻转课堂

2、；工程教育；材料力学0新工科教育教学改革随着“人工智能”、“大数据”、“云计算”等新兴信息技术的发展，将从现有产业和领 域中衍生叠加出社会经济活动的新环节、新链条、新活动形态.可以预见的是未来新产 业、新业态、新商业模式将成为国际竞争的一条新赛道.新的科技革命已经开始，许多 国家已开设布局，美、德率先提出了各自的战略规划一“工业互联网”和“工业4.0”. 中国也不甘落后，也于2016年加入华盛顿协议，适时地提出了自己的工程教育战略. 为了适应国际科技革命与产业变革，培养新一代信息技术产业人才，国内新工科建设应 运而生.新工科教育的改革方向，旨在加快工程教育改革创新，培养创新型卓越工程科 技人才

3、1-新工科对人才培养过程中教学模式的要求体现在了政策文件关于加快建设发展 新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见（以下简称意见2.0）中，文件指出工 程教育改革的方向应为：运用先进教育理念；创新教学组织模式、教学内容与方法等方 面；坚持以学生为中心.全国教育大会的精神和中国教育现代化2035也要求全国高校 应深化本科教育教学改革,关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见 文件具体指出在教学中应：合理增加学生投入学习的时间、提高自主学习时间比例、积 极发展“互联网+教育”、探索智能教育新形态、线上线下混合、推动课堂教学革命.在新工科教育教学改革中，如何结合高校自身已有的工程教育理

4、念、人才培养模式 和课程体系，将翻转课堂的教学模式引入到课堂教学过程中，是本研究探索的主题.本研 究从理论和实践入手，从学生学习的角度比较同一门课程不同教学模式所带来的差异， 为持续改进工程教育教与学的方法提供反思性经验.1翻转课堂教学模式在新工科教育中的应用翻转课堂(the flipped classroom)是当前国际国内盛行的新型教学模式，其基本的特 征是转变了传统课堂的师生角色、重新分配了课堂时间.翻转课堂的教学理念是学生先 自学有关内容，课堂中主要是学生的提问和教师回答问题、教师带领学生讨论及探讨知 识的应用，所谓“翻转”，就是与传统课堂教学的教师讲解为主的模式不同.此后，翻转 课堂

5、被推广至全世界各级各类学校，引起了一股教育变革的热潮.国内外已有大量学者将翻转课堂的教学模式应用于工程相关的课程，也有对翻转课 堂运用于工科教学的实证研究.这类研究大致可以分为两类：一类是引入翻转课堂以提 升学生某种表现，如国外运用翻转课堂增加学生的竞争性2(、参与度和互动3(;另一类 是引入单门专业课程，如国内学者张妤将翻转课堂引入“数字电子技术”课程乳许英姿 等人配合省级精品课程建设，结合工科力学课程的特点，提出了基于翻转课堂理念的几 种教学模式，并在课程教学中进行了实践以课程教学内容和目标包括知识的传授和能力的培养.工程教育的课程教学的知识主 要有通过长期工程实践而总结出来的关于工程原理

6、与规律、技能和能力等.相比起其他 专业，工程教育具有综合性强、形式多样、涉及面广、在特定的学科内呈现出关联性和 递进性、情景性(即实践性)等特点.而以信息化为代表的一系列颠覆性技术发展，更加 使工程知识应用情境细化且复杂多变，单一的解决方案无法应对工程项目的复杂情境. 工程教育知识应用的情境性正契合了建构主义的知识观和学习观，即知识是在具体情境 中被建构出来的，学生对知识的掌握依赖于当时的条件和限制.建构主义理论所倡导的 教学方法诸如：情境式教学、支架式教学、抛锚式教学、合作学习、交互式教学，都是 不同于传统课堂上以“知识传递”为目的讲授式教学，教师的角色转变为引导和促进学生 探索和学习知识的

7、角色.而这正与翻转课堂的特点，教师角色转变、学生学习的主体性 和主动性不谋而合.随着工程教育的改革，也有一些探讨翻转课堂在工科教育中的实践 的文章回，大都是肯定翻转课堂这种模式的价值，也反思在实践中存在的问题U本研究以单门课程为例，探讨工程教育的课堂教与学的方式改革.本研究采用比较 的方式对传统课堂教学和翻转课堂教学进行研究，对比学生学习过程中的学习投入、学 习收获感、课后的满意度的差异.对比较结果进行讨论，分析两种教学模式下学生学习结 果的差异，并探索不同情境下学生学习投入、收获的相关程度.2翻转课堂教学模式在S大学的实践S大学在2005年将国际CDIO工程教育理念引入中国，从2011年开始

8、推行“以学 生学习结果为导向的一体化教学改革”（OBE）. S大学多年的CDIO和OBE工程教育改 革，使其成为中国新工科教育的代表性高校之一.这为当前的课程教学改革提供了充足 的前期准备，S大学在部分课程中采用线上线下结合的翻转课堂教学模式.S大学工学 院机械电子工程系机械设计制造与自动化专业（以下简称机电）的“材料力学”也自2019年 开始尝试采用翻转课堂进行教学.2.1教学改革的外层构建基于OBE的理念，从“培养什么人”和“如何培养人”两个基本问题出发，S大学电子 工程系以社会需求为导向，以实际工程为背景，以工程技术为主线，借鉴先进的工程教 育改革方法，参照国家通用标准和行业标准的基本要

9、求，制定了专业培养标准，设计了 一体化的课程体系.课程教学总体思路是在以下五个方面展开工作：（1）培养目标；（2）教 学大纲；（3）课程计划；（4）教与学方法；（5）保障体系（图1）.培养目标Goal教学大纲 SyllabusI培养目标Goal教学大纲 SyllabusI课程计划 CurriculumH教学方法Teaching & Learning Methods保障体系Quality Assurance1机电专业培养计划总体方案回2.2原有的教学情况在0BE课程教学改革背景下，原先的教学方法已逐步采用了建构主义的教学方法， 而非传统的以教师讲授为主的教学，S大学在教学中特别倡导的是主动学习和

10、实践的教 学方法，采用了诸如“基于项目的学习”、“基于问题的学习”、“探究式的学习”、“科研教 学融合学习”、“案例教学”、“实习与实践”等教学形式.这部分已经有不少有益的探索和 总结9-11.但在实际教学过程中，大部分课程依旧是教师在课堂上讲授理论（知识，课后 布置练习的课后作业的传统教学模式，只有一部分自主学习能力较强的学生会提前预习 参考书目、与他人交流学习心得、搜集信息来学习.实践性的项目学生疲于应付，按照 书上已有的内容进行操作，自主思考的能力并没有得到很好的锻炼.2.3 “材料力学”课程的特点材料力学（Mechanics of Materials）是机电专业基础课程.基础理论知识相

11、对成熟、内 容较少且容易直接理解，课程中的结论多来源于实证实验结果，和工程实际结合比较紧 密，而且课后习题较多且难度较高，多是应用性题目.这就要求课程要帮助学生建立整 体的专业逻辑，更多要求学生发展研究性学习能力.因此，需要将知识点与工程实际相 结合，将力学知识具体应用于工程中，注重学生的创新思维和力学建模能力的培养，学生 自主学习能力和团队合作能力.材料力学的课程教学改革就是基于本课程的特点进行.2.4 “材料力学”翻转课堂教学改革2.4.1课程教学全过程本课程教学过程包括课前设计、课堂授课、课后应用、课后评价三个部分，如图2 所示，课前设计包括预评估和课前学习，课堂授课包括深度加工和学习反

12、馈两个部分， 课后应用由实验、研讨和项目三个部分构成，课后的教学评价以学生学习为中心，包括 学生的学习投入、学习收获、教学过程中的课堂满意度和学习成绩四个部分.（基本概念认知提出间题 DMOOC学习 论坛讨论、完成习题（基本概念认知提出间题 DMOOC学习 论坛讨论、完成习题J（课前问题解析（ 课上练习I案例讨论J L教师反馈 同侪反馈JC学习投入 学习收获 学习满意度I学习成绩J2课堂教学全过程预评估在当门课程的第一节课作为整体基线测试，旨在了解学生对材料力学相关的 基本概念的认知程度，包括简单变形构件强度、刚度、稳定性；以及轴向拉伸，剪切， 扭转，弯曲以及组合变形.让教师大致了解学生的整体

13、水平和个体差异.此外第一节课 还需告知学生教学大纲、课程流程安排和教与学的形式等基本要素.课前学习的流程为教师提出探究性问题一理论性知识的MOOC学习一MOOC 论坛内参与互动一校内课程论坛讨论与答疑一完成问题并上传校内论坛由教师批阅 解答.课堂授课环节的90分钟包含以下活动：课前习题结果答疑反馈一独自进行习题 练习一教师反馈一快速结对活动/反思性小组研讨汇报一同侪反馈一教师反馈 与总结一提出探究性问题.课后应用环节包括实验及实践、项目三个部分，其中实验在课内占8学时，课外约 16学时；项目在课内占2学时，课外约占8学时.如表1所示，实验部分分为四个必 选，一个自选实验.实验报告为考核的唯一依

14、据，必须包括实验方法及过程、数据的整 理和曲线绘制、结果讨论、得出合理解释.实践环节项目名称为“你身边的材料力学”，考 核依据为报告和现场演示，包括问题的提出、分析过程、结果解释、分工与个人心得.表1实验与实践汇总表（号实验名称课时数实验一金属材料的拉伸和压缩试验2实验二金属材料的弹性模量测定试验2实验三金属材料的圆轴扭转试验2实验四梁弯曲正应力电测试验2实验五自选电测实验2（自选）实践一你身边的材料力学22.4.2 “材料力学”课程翻转课堂教学与改革前的课堂教学模式（传统课堂）对比，从学生的角度，二者不同之处如表2 所示.问题驱动与互动是贯穿翻转课堂学习环境的两条主线.（1）课前教师提出的问

15、题由教 师根据已有授课经验和参考其他课程参考书目提出.问题难度适中，需要仔细学习理论 知识，引发思考，自发查询资料才可解答，使学生对问题体验到某种程度的不确定性， 激发学生的探究欲望是其主要目的.课堂上授课教师对课前问题做回顾之后，再次抛出 需要完成的习题，用以检测课前理论知识学习的完成程度.之后再次选取案例，考虑教 学的重点和难点并兼顾学生的能力和水平，同时也要将课程培养学生的素质目标考虑在 内.案例分两类，一类是教师在课堂上提出讨论的案例问题，给学生时间进行结对分享; 一类为在课前24到36小时在校内课程论坛上发布反思性分组需汇报的问题.一组由四 五名学生组成的小组负责对指定的阅读材料进行

16、总结和解释.（2）互动包括同侪互动和 师生互动，并且是自主和个性化的.通过MOOC论坛与众多MOOC学习者互动；校内 课程论坛同教师和同侪互动；课堂上与授课老师和同学的互动；课后研讨中、实验和实 践互动.增加学生的学习投入度、锻炼自主学习能力、对知识的深度加工是翻转课堂教学改 革的目的.（1）课前的理论知识剥离和解决探究性问题相较于之前所要求的课前预习，将原 先的课后习题翻转到课堂上完成，有效监督和集体环境能让学生投入更多精力，减少在 完成作业时的应付和抄袭的情况，旨在增加学生行为与认知层面的投入.MOOC视频 材料由教师挑选，学生可以在任何时间通过计算机或联网设备访问该课程.学生可以暂 停、

17、倒带和快进视频，这使学生能够按照自己的节奏学习和熟悉内容，锻炼学生的自主 学习能力.在整个教学过程中，学生需要自主思考教师提出的问题，自主答题、自主提 问，课上课下自主寻找伙伴，自主沟通.（3）深度加工包括基于问题的学习（课前），教 师与同伴反馈（课堂），课后项目式实践课程（课后）.表2从学生的角度，对翻转课堂与传统课堂对比翻转课堂传统课堂课前设计对理论知识进行学习、解决探究性问题预习课堂活动习题练习、结对活动、汇报与讨论、得到反馈与总结接受理论知识授课、汇报与讨论课后应用实验与实践应用、接受指导与监督习题练习、实验与实践应用课后评价学习投入、学习收获、学习满意度、学习成绩对教师的教学内容等进

18、行评价3从学生学习的角度讨论翻转课堂的教学改革基于准实验调查本研究采用准实验调查的形式，对改革后的翻转课堂教学模式和未进行改革的模式 进行了同一套标准的比较，比较的指标包括学生的投入度、学生对课堂的满意度、学习 收获、课堂氛围、学习成绩结果讨论教学改革的效果.准实验的被试学生修读同一门课程，学生来自同一专业同一年级，学生在修此课程 之前学习了同样的前置课程（大学物理、高等数学、理论力学），在学习“材料力学”课 程时学生可以自由选择不同的授课教师，两个教学班由两位水平相当的教师进行授课， 同一套教学大纲和评分准则，期末考试采用了统一试卷和匿名评卷.在完全自然的情况 下进行，通过期末问卷调查方式收

19、集信息.课程后发放问卷进行调查，本研究采用的问卷是“中国大学生学习性投入调查 (NSSE_China)”，引入学习收获、学习满意度、课堂氛围、自主学习时间等分量表凹.其 中，学习投入分量表、学习收获、课堂氛围分量表采用李克特四点计分法，学习满意度 分量表采用七点计分法.数据分析工具为SPSS18.0,本次调查信效度检验克隆巴赫a系 数为0.943,具有良好的信度.学习投入量表KMO取样适切性量数为0.738,课堂氛围 KMO为0.721,课堂满意度为0.927,学习收获量表为0.929,各分量表均具有良好的 结构效度.在课程结束时，分别在翻转课堂和传统课堂二个授课班当场发放问卷，学生 填写后收

20、回，剔除无效问卷，实验班回收有效问卷42份，对照组回收有效问卷56份， 问卷有效率约为80%.3.1学习投入翻转课堂与传统教学两个班级学生在学习投入各个维度得分差异分析如(表3)所 示，包括行为投入、认知投入和情感投入3个方面.其理论平均值为2.5.各个维度统计 中，无论是传统授课方式还是翻转课堂授课方式，其理论均值均高于2.5,表明两种授 课方式都较好地促进了学生的学习投入.从数据可以看出，翻转课堂班的学习投入总得 分略高于传统教学班(Mean = 2.659$2.648).传统教学班的学习投入除了行为投入维度 均值得分高于翻转课堂(Mean=2.5822.526)外，其他学习投入维度均低于

21、翻转课堂.但 学习投入维度的均值差异均未到达显著差异水平.表3翻转课堂班与传统教学班在学习投入分析维度-翻转教学传统教学-!均值标准差均值标准差学习投入2.6590.3692.6480.4020.1460.884行为投入2.5260.4122.5820.482-0.5930.556认知投入2.7680.5152.6850.4780.7960.428情感投入2.8810.4042.7860.3611.1880.2383.2课堂氛围、学习收获和学习满意度引入课堂氛围量表旨在了解课堂上整体氛围是活跃、和谐的还是单调、乏味的，是 包容、鼓励性的还是沉闷、压抑的.调查数据分析结果(表4)显示翻转课堂的课

22、堂氛围 均值高于传统课堂(Mean = 3.2563.112).学生自我陈述的学习收获是衡量学生学习成 效和教学质量的主要依据，满意度反映了学生对课堂授课方式的主观评价，在这两个 维度上，调查分析的结果表明，翻转课堂的学生感觉自己收获了更多的知识和能力成 长(Mean =2.718 2.663).但是，传统课堂的学生对整个学习过程显得更满意一点 (Mean=5.0964.963).两种授课方式在3个维度上的差异未达到显著性水平.3.3学习动力、同学关系、课外学习时间教学改革的目的之一在于锻炼学生的自主学习能力，在教学设计中将互动作为整个 教学过程的主线，旨在促进同学关系和谐发展，锻炼团队合作能

23、力.本研究在调查量表 中加入课外学习时间、自陈学习动力、课程教学在多大程度上激发努力、同学关系等问 题，用以衡量教学改革在这些方面的影响.运用独立样本T检验得结果如(表5)所示，翻 转课堂的学生在学习动力(Mean=4.924.83)和同学关系(Mean=5.805.74)两个指标 略微高于传统授课的学生.传统授课方式增加了学生的课外学习时间(Mean=2.932.89) 且更加激发了学生的努力(Mean=4.90 4.67).表4翻转课堂班与传统教学班在课堂氛围、学习收获和课堂满意度等指标的比较分析维度-翻转课堂传统课堂均值标准差均值标准差课堂氛围3.2560.6233.1120.4941.

24、2040.232学习收获2.7180.5682.6630.6870.4120.682学习满意度4.9631.5825.0961.353-0.4340.665表5翻转课堂班与传统教学班在学习动力、激发努力、同学关系和课外学习时间等指标的比较分析维度翻转课堂传统课堂-!均值标准差均值标准差学习动力4.920.8624.830.9350.4150.653激发努力4.670.9664.901.031-1.1040.273同学关系5.801.1725.741.3800.2160.829课外学习时间2.891.1652.930.985-0.1430.8863.4学习成绩课程期末考试以开卷形式进行，学生可以

25、自带教材和其他参考资料，试卷由专家命 题，主要测评学生对所学知识的理解水平，运用知识分析和解决问题的能力.翻转课堂 班(42人)和传统教学班(71人)学生考试成绩各分数段人数分布如表6.表6翻转课堂与传统课堂期末考试成绩等级分布，平均值大小优秀(90-100)良好(80-89)一般(60-79)及格(45-60)未及格均值翻转214185373.286传统6142421665.957两个班级期末成绩各等级人数所占比例如图3：翻转课堂优秀率为5%,传统课堂 优秀率为8%，翻转课堂的良好和一般率高于传统课堂，进一步两个班级成绩进行独立 样本T检验，结果显示翻转课堂平均成绩高于传统课堂(mean =

26、 73.285765.9577)，二 者之间存在显著性差异，！=2.210, 0.05=0.029,效应大小为d=7.328.相关分析结果 显示，教学方式与学习成绩成0.202的微弱相关.4研究结果及讨论4.1新工科背景下翻转课堂的教学模式与工程教育具有一定的适配性从理论上来看，工业4.0的发展滋生了政策性的新工科的战略计划，新工科教育要 求高等院校的课堂教学更加重视学生自主探究，培养自主学习能力.在不增加正式课堂 授课时间的基础上，提升学生的学习投入度，需要与时俱进，积极推进“互联网+ ”和3翻转课堂与传统课堂期末成绩等级分布智能教育新方法.工程知识的复杂建构性要求授课过程中需要理论与实践结

27、合，学生要具有主动求 变和积极团结参与的特质以适应不断快速革新的科学技术，这实质上是对学生的“增 负”，他们需要学习的不仅是教科书上陈旧的理论知识和计算方法，更需要锻炼自主学 习能力、团队合作能力和迁移能力.翻转课堂正是授课教师应对这一新背景下的优质选 择，将理论知识用网络视频的形式，课前即让学生自学.这并不是对教师的“减负”，而 是要求教师转变角色，做好一个引导者的角色.从s大学实践结果调查来看，翻转课堂教学模式在工程教育中有一定的适应性， 表现在翻转课堂学生学习投入更高(2.659A2.648)、课堂氛围(3.256$3.112)和学习收 获更好(2.718$2.663)、学习动力更大(4

28、.92$4.83)、学习成绩良好和一般也即合格率 高(73.2857$65.9577).这反映出翻转课堂的应用有利于培养学生的自主学习、自主管 ;、合作学习等方面的能力.4.2翻转课堂在新工科教育中部分提高了课程教学的质量每一次工程教育理念的转变意味着一套新的培养体系的重新构建，从“大工程教育; 念”到CDIO和OBE,再到最新的创客运动，大到宏观层面的国家政策，小到每一门具 体课程的教学方法都可能面临相应的调整.从高校层面来看，在微观层面的课程教学改 革需要加强对新教育理念的认识、重视对教师和学生以及教学管理层的培训.S大学的翻转课堂教学的实践研究在已有的CDIO和OBE改革的成果上，考虑了

29、 现有教学情况存在的问题和特定课程的特点，设计了课堂教学全过程流程图.在教学设 计中着重增加原授课方式中所欠缺的以问题为中心、师生互动和同侪互动的内容.教学 改革的目的是增加学生的学习投入度、锻炼自主学习能力、对知识的深度加工.在对S大学工学院教师的访谈中，我们发现，进行翻转课堂教学需要学习翻转课 堂课程大纲的编写、设定可测量的学习结果指标.因此，在翻转课堂的实践中需要配合 进行高度统一的学生评教问卷来保证课程教学的质量.在实际操作过程中，教师的知识 背景和授课经验也对教学结果有影响.并非所有的老师都愿意采用翻转课堂的形式、也 并非所有的学生都喜欢翻转课堂的形式，这从S大学的调查中也可以看出(学生对传统 课堂的满意度更高Mean = 5.096$4.963；传统教学班的学生行为投入高于翻转课堂的 Mean = 2.582$2.526).虽然翻转课堂学生成绩比传统课堂的高，但是成绩与评价方式有 关.所以，对翻转课堂这股热潮应理性看待，并非所有的课程都适合采用翻转课堂的形 式，应充分考虑其引入课堂是否有现实的必要性和可行性.4.3新工科教育中翻转课堂模式适用于有优势的科目前面提到，并非所有的课程都适合采用翻转课堂的模式.在工科教