張健平

(西南科技大學 制造科學與工程學院 制造過程測試技術(shù)教育部重點實驗室，四川 綿陽 621010 )

隨著互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，全球教育教學模式不斷地改革和創(chuàng)新，以期實現(xiàn)網(wǎng)絡化、數(shù)字化、個性化和終身化的教育模式，培養(yǎng)大量的創(chuàng)新型人才[1]. 與此同時，工業(yè)4.0、中國制造2025等相繼出現(xiàn)，2016年，教育部提出“新工科”建設構(gòu)想，期望高等工科教育著重培養(yǎng)6個方面的能力[2-5]：工程和科技創(chuàng)新能力；多學科和跨界領(lǐng)導力；解決復雜工程問題能力；人文和管理能力；產(chǎn)品、系統(tǒng)和過程全生命周期的系統(tǒng)工程觀；廣闊的國際視野. “新工科”高等工科教育是培養(yǎng)一批適應和引領(lǐng)新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新型工程科技人才，從而要求教學體系應通過學科深度交叉融合，加強理論與實踐深度結(jié)合，減少淺層次學習內(nèi)容，培養(yǎng)學生提升多維度工程創(chuàng)新能力和相關(guān)素質(zhì)[6-8]. 因此，2018年4月，我國教育部教技[2018]6號文件《教育信息化2.0行動計劃》提出：教育需要智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化和泛在化，應堅持信息技術(shù)與教育教學深度融合[9]. 因此，“互聯(lián)網(wǎng)+教育”是一種趨勢、一種機遇，也是一種挑戰(zhàn).

工科專業(yè)基礎(chǔ)課程既是專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程向?qū)I(yè)課程過渡的橋梁，又是專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程聯(lián)系的紐帶，為此專業(yè)基礎(chǔ)課程與基礎(chǔ)課程不同，是一門理論性和實踐性都很強的課程. 專業(yè)基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程也不一樣，其研究的對象不是特定的，而是一些具有共性的對象. 在理論上，專業(yè)基礎(chǔ)課程是運用專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程中的基本理論去解釋、透析專業(yè)知識，引導學生深入學習新理論、新技術(shù)，促使學生順利地踏上專業(yè)課程學習軌道. 在內(nèi)容設置上，它向?qū)I(yè)課傾斜，大幅度地增加信息含量，且有一定的深度和難度，這樣既可促進學生去思考、去實踐，又可激勵學生積極進取，為今后學習專業(yè)課打下良好基礎(chǔ).

專業(yè)基礎(chǔ)課程的主要特點為[10-12]：概念多、公式多；理論性強、內(nèi)容抽象、邏輯嚴密，各部分內(nèi)容相互滲透交叉；分析層次多，涉及面廣，難于理解；實踐性較強、經(jīng)驗性較強. 學生學習專業(yè)基礎(chǔ)課的主要困難是在缺乏專業(yè)生產(chǎn)知識和經(jīng)驗的前提下，基礎(chǔ)課與專業(yè)基礎(chǔ)課學習方法與習慣產(chǎn)生突變，不能及時適應. 同時，在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代背景下，各專業(yè)基礎(chǔ)課程學時在不斷地消減，從而導致課時數(shù)嚴重不足. 在以上教學困難的推動下，國內(nèi)許多教育學者結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)和“新工科”人才培養(yǎng)能力的要求，對專業(yè)基礎(chǔ)課程混合式教學模式進行了探索和研究. 孔祥宇[13]基于SPOC教學模式，應用轉(zhuǎn)變思維方式，著重抓翻轉(zhuǎn)課堂教學環(huán)節(jié)，提高學生自主學習的內(nèi)驅(qū)力和自控. 萬昆[14]根據(jù)教學法、社會交互和技術(shù)理論相結(jié)合的框架，構(gòu)建專業(yè)基礎(chǔ)課程的理論和實踐混合式教學模式，通過問卷調(diào)查表明該教學模式可促進學生學習投入和提升學習效果. 梁耀[15]根據(jù)“互聯(lián)網(wǎng)+”和慕課教學方法，構(gòu)建了機械基礎(chǔ)課程的理論和實踐的教學設計策略，制作了慕課輔助教學課件. 湯勃[16]基于“MOOC+微課”平臺，建立了課程柔性化內(nèi)容體系，通過翻轉(zhuǎn)課堂進行研討式教學，可以更方便培養(yǎng)學生的多層次實踐能力、綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力. 田愛麗[17]基于美國道爾頓制課堂教學的不足，結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+時代”，推進混合式教學模式，提高學生學習的積極性. 王勝清等[18]調(diào)查分析了2015—2016年度北京大學開設的20門專業(yè)基礎(chǔ)課程混合式教學模式的基本情況和教學組織方法，提出了教學設計的建議. 楊卉[19]基于互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)資源，針對“大學計算機基礎(chǔ)”課程，提出了“互聯(lián)網(wǎng)+”模式下課程建設的方法和思路.

綜上所述可知，在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代和“新工科”教育要求的推動下，專業(yè)基礎(chǔ)課程混合式教學模式得到了較好地應用，教學效果不斷地得到改善，但是在整個教學實施過程中，依然存在線上互動性差、線下參與度不強等問題. 因此，本文在學習金字塔理論、學習信息加工理論和認知負荷理論的三個理論基礎(chǔ)上，根據(jù)CDIO教學理念、OBE教學模式和“新工科”人才培養(yǎng)能力要求，結(jié)合工科專業(yè)基礎(chǔ)課程的特點，深入探索教學模式，提出教學內(nèi)容、教學方法、教學實施及教學評價等方面的構(gòu)建策略，以適應“互聯(lián)網(wǎng)+”時代背景下工科專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學需求和變化.

1 混合式教學模式的構(gòu)建

基于CDIO教學理念和OBE教學模式，以學生學習為中心，采用教師與學生對分課堂，教師精講基本概念和重難點，不盲目追求基礎(chǔ)理論的系統(tǒng)性和完整性，突出應用性和實踐性. 為此，基于“案例式問題導向教學方法”，再結(jié)合學生分組研討式學習和案例討論，進行個性化的內(nèi)化吸收，提出一個“4+3+1”教學模式的教學方法，即4個教學內(nèi)容(基本概念、重難點、計算分析和案例分析)、3個教學方法(講授教學、示范教學和案例教學)和1個最后平均學習保留率(90%)，具體的教學方法與實施構(gòu)建如圖1所示.

圖1 “4+3+1”教學模式的實施示意圖

由圖1可知，針對專業(yè)基礎(chǔ)課程的基本概念、重難點、案例導學、精講點撥和問題再生等講授教學過程，采用多媒體教學課件、動畫演示、視頻以及板書相結(jié)合的教學方法. 在計算應用的示范教學過程中，采用輪流方式抽取學生上臺板書講解計算過程，教師根據(jù)講解過程和對錯情況進行點評，記為平時成績. 在案例討論和分析的案例教學過程中，采用小組討論和講解、做中學、實際演練、相互教學和學生老師評分的教學方式，案例教學在實施過程中一般采用以下六步教學法：案例(日常生活和工程實踐的實例)導學，激發(fā)興趣→自主預習，釋疑質(zhì)疑→合作學習，釋疑質(zhì)疑→精講點撥，釋疑質(zhì)疑→應用創(chuàng)新，問題再生→達成目標，反饋提升(提高學生分析問題和解決問題能力，及創(chuàng)新能力). 最后根據(jù)案例分析情況進行評分，記為平時成績.

這個教學模式充分體現(xiàn)了以學生為中心，學生主動學習的教學學時占總學時的60%. 在整個教學實施過程中，能較好地滿足學生認識負荷要求，促進學生感性認識，有效地激發(fā)學生的學習動機和興趣，調(diào)動學生的學習主動性，達到較高的平均學習保留率. 為了驗證“4+3+1”教學模式的教學效果，在我院大平臺課程“熱工基礎(chǔ)及流體力學”進行應用和實施，詳細分析教學方法的構(gòu)建策略，提出具體教學實施方法. 以2020—2021學年第2學期，我校2018級機械設計制造及自動化專業(yè)大三學生，即機械1809、1810兩個行政班為例.

1.1 教學小組的組建

教學小組合作學習是一種富有創(chuàng)意的教學理論與方略，目前世界上許多國家普遍采用，被人們譽為近十幾年最重要和最成功的教學改革. 教學小組組建的關(guān)鍵因素是組員的合作機制[20-21]，需要著手構(gòu)建的是小組人員確定、組長選取、小組合作與競爭以及小組管理與考核等方面機制[22-23]. 因此，根據(jù)工科專業(yè)基礎(chǔ)課程的特點，結(jié)合金字塔理論、信息加工理論和認知負荷理論，提出教學小組組建策略：1) 組長的選擇：要求具有一定組織協(xié)調(diào)能力，明確規(guī)定好組長的職責；2) 組員的分配：根據(jù)教學案例內(nèi)容分配組建教學小組，一般每組人數(shù)為3～4人；3) 組內(nèi)人員的任務分配：由小組同學自己根據(jù)教學案例內(nèi)容，一起討論確定有關(guān)的學習目標和任務分解；4) 考核標準：由任課教師制訂相應的管理要求和考核標準. 例如，本課程授課的實驗班為機械1809和機械1810兩個行政班(共50人)，分成5個小組，每個小組分別由組名、組長、組員、學習目標和要求組成，部分分組情況見表1.

表1 部分分組情況

1.2 教學案例的選取

案例選取是案例式問題導向教學模式成功實施的首要任務. 教師能否選擇恰當?shù)陌咐萍s著教學效果，需精選出具有典型性、代表性以及揭示所學理論知識點的案例. 針對工科專業(yè)基礎(chǔ)課程教學特點和課程性質(zhì)，教學案例一般遵循以下幾個基本原則進行選?。?) 創(chuàng)設問題情境原則：通過教學案例引導學生運用所學習的理論知識，去分析情境中的實際問題. 2) 堅持學生主體原則： “教師搭臺，學生唱戲”是案例教學的主要特征，即學生作為唱戲者，是演員，是主體，教師則是一出戲的“導演”.3) 激勵共同參與原則：教學案例盡可能做到淡化差別，彌合不同，善于創(chuàng)設一個和諧民主的課堂氛圍，激勵所有學生參與到課堂討論中來.4) 拓展探索空間原則：案例教學的具體內(nèi)容、形式和結(jié)論一般都不具有唯一性，鼓勵排除固執(zhí)己見的與眾不同，養(yǎng)成創(chuàng)造性人格，形成敢于創(chuàng)新的思維品格. 根據(jù)以上基本原則，“熱工基礎(chǔ)及流體力學”課程選取了具有典型性和代表性的7個導學案例，見表2.

表2 教學案例

1.3 教學評價的構(gòu)建

根據(jù)CDIO教學模式，遵循發(fā)展性、全面性和客觀性原則，本課程采用結(jié)構(gòu)評分方法進行考核，主要分成形成性評價、終結(jié)性評價和綜合能力評價三個層次的綜合教學考核，每一層次有獨立的評判指標，具體指標見表3.

由表3可知，整個結(jié)構(gòu)評分由形成性評價(30%)+終結(jié)性評價(50%)+綜合能力評價(20%)組成，其中“形成性評價+綜合能力評價”兩項成績占總成績50%. 為了更好地實施這兩項評價，本課程運用“雨課堂”APP對參與課程的課前預習、線上學習和討論交流等全過程進行線上記錄. 同時把相關(guān)信息及時反饋給學生和老師，方便學生隨時了解自己的學習情況，隨時調(diào)整學習狀態(tài)，也方便老師了解學生的學習情況，隨時調(diào)整教學方法和教學設計. 因此，可以更好地激發(fā)學生的學習積極性，幫助學生有效調(diào)控自己的學習過程，使學生獲得成就感，增強自信心，提高教學效果.

表3 結(jié)構(gòu)評分表

2 教學實踐與效果分析

2.1 教學模式的實踐應用

2.1.1 實踐對象

實踐依托我院大品牌課程“熱工基礎(chǔ)及流體力學”進行，該課程旨在為專業(yè)理論和技能學習奠定必要的熱力學、流體力學和傳熱學的相關(guān)基礎(chǔ)，是一門典型的專業(yè)基礎(chǔ)課程. 課程共計36學時，每周2學時. 選取2020—2021學年第2學期，面向我校2018級機械設計制造及自動化專業(yè)大三學生，即機械1807—1810四個行政班，共107人作為研究對象；其中，對照班57人(機械1807、1808，傳統(tǒng)“講授式”教學模式)，實驗班50人(機械1809、1810，混合式教學模式). 所有學生在參與準實驗之前學習了同樣的基礎(chǔ)課程，學生的學習能力起點水平相當，而且學生并不知曉實驗的存在.

2.1.2 教學模式的實踐應用

在整個教學過程中，通過錄像、投影、動畫、多媒體課件等教學硬件，結(jié)合教學“雨課堂”APP對整個教學過程進行管理和實施，如圖2所示.

圖2 基于“雨課堂”APP的課程教學管理

課程管理“雨課堂”APP在整個教學過程中具體應用如下：

第一，導學案例、預習視頻、作業(yè)和自測題等教學資料的推送. 通過“雨課堂”APP做成手機PPT推送給每位同學，規(guī)定完成時間，迫使學生按時完成導學案例，以確保少課時課堂教學質(zhì)量. 部分導學案例和預習視頻發(fā)布情況如圖3所示.

圖3 導學案例和預習視頻推送方法

第二，教學內(nèi)容重點和難點課堂教學. 根據(jù)每個知識點，提煉出重點和難點，通過“雨課堂”APP進行課堂講解或推送“愛課程”相關(guān)理論教學，方便學生課程討論和回答問題，提高學生課堂學習的積極性. 部分“雨課堂”APP中具體學習情況，如圖4所示.

圖4 課堂學習情況之一

第三，討論與交流. 學生可在“雨課堂”APP討論區(qū)進行相互交流，同時任課教師也可以和學生一起討論和交流. 學生討論與交流內(nèi)容如圖5所示.

圖5 學生討論與交流的內(nèi)容

2.2 教學效果的分析

2.2.1 混式教學效果

課程結(jié)束后，利用“問卷網(wǎng)”建立了“熱工基礎(chǔ)及流體力學”混合式教學效果調(diào)查問卷，實驗班所有同學都參與了問卷調(diào)查，就教學能力培養(yǎng)和滿意度兩方面調(diào)查分析“4+3+1”混合式教學模式的實施效果，數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如圖6和圖7所示.

圖6 教學能力培養(yǎng)的評價

由圖6可以看出，92%的學生認為能夠促進知識的深入學習和技能的熟練掌握，說明預習視頻、作業(yè)和自測題等教學資料線上推送方法有效，學習難度適中，能夠有效地開展課堂重難點的學習，也有助于學生隨時隨地查找自己的知識盲區(qū)，調(diào)整學習進度、改進學習方法，提高自主學習的效率.

90%的學生認為可以拓展視野為將來的學習和就業(yè)奠定基礎(chǔ)，表明導學案例線上線下混合教學方法效果明顯，很好地實現(xiàn)了案例點撥和問題再生，使課程教學內(nèi)容得到了延伸.

88%的學生認為可以提高自主學習能力，溝通交流和表達能力，很好地反映出線上自主視頻學習、自主測試、案例分析及小組討論起到了較好的作用，較好地實現(xiàn)了“做中學、實際演練、相互教學”的教學，有利于培養(yǎng)學生的個體理性判斷和表達能力.

86%的學生認為可以提高分析、解決實際問題的能力，表明線上討論合作學習、釋疑質(zhì)疑，線下精講點撥、釋疑質(zhì)疑，有利于培養(yǎng)學生應用創(chuàng)新和問題再生能力. 總之，線上線下“4+3+1”混合式模式可以培養(yǎng)學生的多方面能力，增強學習效果.

由圖7可知，學生們對本課程混合式教學模式知識學習、技能掌握以及教學模式的滿意度達90%以上. 這說明線上線下“4+3+1”混合式模式下教師可以更方便地提供形式多樣、內(nèi)容豐富的學習資源，較好地滿足學生的需求，調(diào)動學生的積極性，同時學生遇到的問題可以通過線上討論、線下交流得到及時解決，有助于進一步進行探索，提高了學生的滿意度.

圖7 混合式教學模式滿意程度的評價

2.2.2 線上學習行為分析

按“學習時長:課程討論:在線測試、案例分析=3:3:4”評價標準，將線上學習行為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成百分制分數(shù)，分析線上學習行為與學習效果的相關(guān)性. 通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，線上學習成績平均分為80.75，最高成績?yōu)?00，最低成績?yōu)?8.89. 91.5%的學生完成了全部線上課前預習視頻，其中22.5%的學生重復學習相關(guān)教學視頻；63.1%的學生頻繁參與課程討論，包括線上測試、案例分析討論交流等；88.5%的同學認真完成了在線測試和案例分析.

通過以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看到，絕大多數(shù)學生能夠完成相關(guān)的學習任務，但主動探究討論交流和重復學習的能力欠缺，老師需進一步提高這方面的教學能力，精心設計線上線下鏈接的教學活動，引導積極性差的學生參與課程討論和交流，激發(fā)學生的學習動機和興趣，調(diào)動學生的學習主動性.

混合式教學模式下的線上學習行為與期末卷面成績之間的相關(guān)性如表2所示.

表2 線上學習行為與期末卷面成績的相關(guān)分析

從表2中可以看出，線上學習行為與期末卷面成績?yōu)檎嚓P(guān)性，表明學生線上自主學習效果對學生學習質(zhì)量影響較大. 線上測試、案例分析與期末成績的相關(guān)性最大(R=0.849)，說明在線測試和案例分析有助于學生深刻地理解課程內(nèi)容，強化了課程教學內(nèi)容的重點和難點. 線上學習時長與期末成績的相關(guān)性次之(R=0.833)，表明線上反復學習相關(guān)視頻有助于學生加深對所學知識的理解，起到了督促改進學習方法的作用. 因此，線上線下混合式學習有助于培養(yǎng)學生自主學習的能力，在提高學習成績方面起到了積極作用.

2.2.3 學習成效對比分析

為了進一步比較分析混合式教學與傳統(tǒng)式教學的教學效果差異性，選擇筆者教授的同專業(yè)同基礎(chǔ)的班級(機械1807、1808)作為對照班級. 根據(jù)2020—2021學年第2學期期末卷面成績進行對比分析，其分析結(jié)果如表3和圖8所示.

表3 混合式教學與傳統(tǒng)教學期末卷面成績的統(tǒng)計分析

由表3可以看出，與傳統(tǒng)教學模式相比，混合式教學模式最高分、最低分和平均分都得到了提高，其中最高分為94分，最低分為44分，平均分為68.34分，分別提高了5.4%、40.9%和9.6%，特別是最低分遠遠高于傳統(tǒng)式教學模式，提高率達到40.9%. 除此之外，混合式教學模式卷面成績的標準差變小，表明混合式教學的學生成績更為均勻，兩極分化的情況有所改善.

由圖8可以看出，與傳統(tǒng)教學模式相比，100～90分和89～80分兩個區(qū)域內(nèi)學生人數(shù)所占總?cè)藬?shù)的比例大幅度增加，其中100～90分由0%提高到4%，提高了100%；89～80分由8.8%提高到18%，提高了51.27%；79～70分區(qū)域內(nèi)學生人數(shù)所占總?cè)藬?shù)的比例基本不變. 而69～60分和59分及其以下兩個區(qū)域內(nèi)學生人數(shù)所占總?cè)藬?shù)的比例大幅度減小，其中69～60分由31.6%減小為24%，減小了31.58%；59分及其以下由8.8%減小到6.0%，減小了46.2%. 因此，混合式教學模式可促進一半以上的學生成績達到良好，且大大減少了不及格的學生人數(shù)，從而大幅度地提高了本課程的教學效果.

圖8 混合式教學與傳統(tǒng)教學期末卷面成績對比. 圖中橫軸數(shù)字代表不同分段，1：100～90分；2：89～80分；3：79～70分；4：69～60分；5：59分及以下

在此基礎(chǔ)上，進一步統(tǒng)計分析了兩種教學模式下學生期末考試知識點的得分率分布情況，如圖9所示.

圖9 混合式教學與傳統(tǒng)教學期末知識點得分率對比

由圖9可以看出，混合式教學模式在工程熱力學、流體力學、傳熱學三大部分的基本概念、計算分析和工程應用等方面的掌握程度都不同程度地得到了提升. 在基本概念方面，平均得分率提高了7.15%，表明在該教學模式下，基本概念部分的教學更為精準，通過課前預習視頻學習、課堂二次推送測試、線上達標自測等手段可以提高學生對概念的理解程度. 在計算分析方面，平均得分率提高了10.33%，反映了在線視頻的反復學習、線上討論交流、線下案例點撥和問題再生可以激勵學生深入理解并實現(xiàn)知識的貫通，有助于學生計算分析能力的提高. 在工程應用方面，平均得分率提高了13.65%，說明在該教學模式下，學生應用知識解決問題的能力得到了提升，更加有助于學生“分析”“綜合”等高階思維能力的提升.

3 結(jié)論

本文基于CDIO教育理念和OBE教學模式，結(jié)合學習金字塔理論、學習信息加工理論和認知負荷理論，針對工科專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學瓶頸，提出了“4+3+1”線上線下混合式教學模式. 在教學實施過程中，大約92%的學生認為該教學模式能夠促進知識的深入學習和技能的熟練掌握，拓展視野，提高自主學習能力以及分析、解決實際問題的能力，滿意度達90%. 該線上線下混合式教學模式充分體現(xiàn)了以學生為中心，滿足學生認知負荷的要求，促進學生的感性認識，有效地激發(fā)學生的學習動機和興趣，調(diào)動學生的主動性，較好地解決了線上互動性差、線下參與度不強等問題.