林 鵬,王 晨,李凌云

(福州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,福州 350108)

日新月異的科技發(fā)展和不斷變革的產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)對現(xiàn)代工科人才的綜合能力素質(zhì)提出了更高的要求[1]。為了應(yīng)對新時期工科人才的培養(yǎng)要求,進(jìn)一步提升高等院校的教育質(zhì)量,教育部提出了新工科建設(shè)計劃,致力于培養(yǎng)一批工程理論知識扎實和創(chuàng)新實踐能力突出的創(chuàng)新應(yīng)用型人才[2]。有效提升工科人才培養(yǎng)質(zhì)量的一種重要方法是結(jié)合產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求以及學(xué)生的興趣愛好,在傳授學(xué)生專業(yè)理論知識的基礎(chǔ)上,全面鍛煉并提升學(xué)生的動手實踐能力[3]。因而,新工科建設(shè)高度重視高等院校的實踐教育,而實驗教學(xué)作為實踐教育的核心組成部分尤為受到重視[4]。

材料學(xué)科作為工科學(xué)科的主力軍之一,是一門以實踐為基礎(chǔ)的學(xué)科。材料力學(xué)實驗作為材料力學(xué)性能課程的實踐環(huán)節(jié),是材料學(xué)科的核心專業(yè)基礎(chǔ)實驗,可以幫助學(xué)生加深對材料力學(xué)特性的直觀理解并鞏固對力學(xué)性能知識的掌握,培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和獨(dú)立自主的實驗?zāi)芰5]。因而,材料力學(xué)實驗的教學(xué)質(zhì)量尤其重要,一直以來受到材料學(xué)科教師的重點關(guān)注。傳統(tǒng)線下的材料力學(xué)實驗教學(xué)模式存在學(xué)生預(yù)習(xí)效果不佳、實踐動手時間少和實驗成績無法準(zhǔn)確反映學(xué)生實踐能力等問題?？梢?在新工科建設(shè)背景下,為了培養(yǎng)材料學(xué)科的優(yōu)秀工程人才,對材料力學(xué)實驗進(jìn)行教學(xué)改革已經(jīng)勢在必行。

一、傳統(tǒng)線下實驗教學(xué)模式存在的問題

(一)實驗預(yù)習(xí)效果不佳

傳統(tǒng)的材料力學(xué)實驗教學(xué)模式,通常在上實驗課前會向?qū)W生發(fā)送實驗指導(dǎo)書,要求學(xué)生依照實驗指導(dǎo)書,對實驗原理、實驗儀器以及實驗步驟等進(jìn)行預(yù)習(xí),并提交預(yù)習(xí)報告。由于只有單純的實驗指導(dǎo)書,學(xué)生在預(yù)習(xí)過程中往往覺得枯燥無趣,導(dǎo)致學(xué)習(xí)積極性不高,敷衍了事,很少主動查閱相關(guān)資料以增進(jìn)知識學(xué)習(xí)。同時,在缺少多媒體教學(xué)手段的情況下,光靠實驗指導(dǎo)書無法形象生動和準(zhǔn)確客觀地傳授實驗原理和操作步驟等知識。另外,由于缺乏實驗預(yù)習(xí)的積極性,多數(shù)學(xué)生在撰寫預(yù)習(xí)報告時缺少思考理解,沒有凝練知識點,而是直接抄寫實驗指導(dǎo)書,造成預(yù)習(xí)報告同質(zhì)化非常嚴(yán)重。因而,教師無法通過預(yù)習(xí)報告的批改充分有效地了解學(xué)生的預(yù)習(xí)效果,從而無法在上實驗課時有針對性地進(jìn)行講解。

(二)實驗時間少,實驗教學(xué)效果一般

在各高等院校,材料力學(xué)實驗作為專業(yè)基礎(chǔ)實驗課,與理論課一樣都有固定的學(xué)分學(xué)時,因而在傳統(tǒng)線下的實際教學(xué)過程中會面臨教師教學(xué)時間短和學(xué)生動手實踐時間不足的問題。首先,由于學(xué)生普遍預(yù)習(xí)效果不佳,教師在線下教學(xué)時需要花較多時間全面詳細(xì)地講解實驗原理和儀器操作,造成實驗時間更加緊張。其次,材料力學(xué)實驗所用到的實驗儀器多數(shù)為萬能材料試驗機(jī)等大型儀器,受限于經(jīng)費(fèi)和實驗室面積不足,很多高校的實驗儀器臺套數(shù)會相對不足[6]。面臨有限的學(xué)時和儀器臺套數(shù),學(xué)生實驗時只能按照分組進(jìn)行,導(dǎo)致每個學(xué)生的實操時間更短,而且容易出現(xiàn)部分學(xué)生完全依賴同組學(xué)生,自己全程“打醬油”的情況。再者,為了在有限學(xué)時內(nèi)進(jìn)行更多次實驗,部分實驗參數(shù)無法完全按照理論或國標(biāo)設(shè)置,導(dǎo)致實驗結(jié)果偏離理論值較多,影響后續(xù)的實驗數(shù)據(jù)處理和分析。例如,在材料靜拉伸實驗的實際教學(xué)中,為了節(jié)省時間,拉伸速率會設(shè)置比國標(biāo)稍快,導(dǎo)致實驗數(shù)據(jù)以及應(yīng)力應(yīng)變曲線增加了一項誤差項。最后,由于包含教師的詳盡講解,每次實驗課通常需要至少半天的連續(xù)課時,這也造成了排課困難。以上這些情況,造成學(xué)生上實驗課時,只顧趕著做實驗,無法充分理解教師的講解,無法及時發(fā)現(xiàn)、分析和解決實驗中的問題,而且也會因缺乏師生之間的溝通,從而使得整體的實驗教學(xué)效果不佳。

(三)成績評價機(jī)制不夠完善

以往材料力學(xué)實驗的成績評價主要由預(yù)習(xí)、過程操作和實驗報告三個部分的成績構(gòu)成。由于多數(shù)學(xué)生的預(yù)習(xí)效果不佳且預(yù)習(xí)報告同質(zhì)化嚴(yán)重,僅通過預(yù)習(xí)報告成績無法準(zhǔn)確反映學(xué)生的預(yù)習(xí)效果。材料力學(xué)實驗作為專業(yè)基礎(chǔ)實驗,注重學(xué)生的實際操作能力,其過程操作成績尤其重要。但是,傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的過程操作成績往往只能體現(xiàn)小組的整體操作情況,無法精確客觀地反映每個學(xué)生的實驗操作能力。實驗報告成績通常在整個成績構(gòu)成中占比最高,足見其重要性。分組實驗造成實驗結(jié)果數(shù)據(jù)偏少,同組學(xué)生對同一數(shù)據(jù)分析容易同質(zhì)化,甚至出現(xiàn)抄襲報告的情況。因而,傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的實驗報告成績無法準(zhǔn)確客觀地反映每個學(xué)生的數(shù)據(jù)處理和分析能力。

二、運(yùn)行線上線下混合式教學(xué)模式的必要性

近年來,由于傳統(tǒng)材料力學(xué)實驗教學(xué)模式已經(jīng)無法滿足新工科人才培養(yǎng)的需求,教育工作者利用先進(jìn)的信息化技術(shù)開發(fā)出翻轉(zhuǎn)課堂、幕課、虛擬仿真和線上線下混合式等新型的教學(xué)模式。其中,線上線下混合式教學(xué)模式實現(xiàn)線上學(xué)習(xí)和線下實踐的有機(jī)互補(bǔ)和深度融合,在實驗教學(xué)方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢,有效地提高了實驗教學(xué)質(zhì)量[7]?；旌鲜綄嶒灲虒W(xué)模式注重學(xué)生為主體,能夠充分調(diào)動學(xué)生的主觀積極性,有效提升學(xué)習(xí)效率,強(qiáng)化鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維以及主動解決問題的能力[8]?；旌鲜綄嶒灲虒W(xué)模式下,教師充分利用多媒體技術(shù)進(jìn)行教學(xué),主要發(fā)揮啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)以及對學(xué)生學(xué)習(xí)過程進(jìn)行監(jiān)控的職能[9]。學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度,充分利用好碎片化時間合理安排學(xué)習(xí),有效保證實驗課程的學(xué)習(xí)時長。另外,學(xué)生可以根據(jù)理論知識和實驗操作的掌握程度,在線上反復(fù)進(jìn)行視頻課件學(xué)習(xí)和虛擬仿真操作練習(xí),提升實驗理論學(xué)習(xí)質(zhì)量和實驗操作能力。此外,由于學(xué)生可以錯峰選擇線下實驗時間,因而可以有效解決實驗室面積和儀器臺套數(shù)不足的問題。

鑒于混合式教學(xué)模式可以有效解決傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的不足,我院對材料力學(xué)實驗進(jìn)行線上線下混合式教學(xué)模式的探索和實踐。其中,線上教學(xué)主要包括實驗理論的幕課教學(xué)和實驗操作的虛擬仿真教學(xué)。線下教學(xué)則主要為實驗室里的實踐操作教學(xué)。

三、線上線下混合式教學(xué)模式的開展

(一)實驗理論的幕課教學(xué)

幕課是大規(guī)模開放在線課程的音譯,它基于開放共享的互聯(lián)網(wǎng)平臺,利用信息化技術(shù),將線上教學(xué)資源和師生互動有機(jī)結(jié)合起來,充分實現(xiàn)教育資源的效益最大化[10]。我院材料力學(xué)實驗的幕課教學(xué)以在線視頻教學(xué)為主,師生互動溝通交流為輔。幕課教學(xué)內(nèi)容主要分為三個部分,分別為實驗理論、實驗操作以及實驗數(shù)據(jù)處理及分析。

1.實驗理論部分主要包括實驗?zāi)康摹嶒炘砗蛯嶒瀮x器介紹,以教師講解PPT的視頻向?qū)W生展示。實驗?zāi)康暮蛯嶒炘沓藢嶒烅椖康脑O(shè)置目的及工作原理進(jìn)行詳細(xì)講解,同時也會對該實驗項目涉及的專業(yè)理論知識進(jìn)行關(guān)聯(lián)教學(xué)。從而使學(xué)生更清晰地了解實驗項目的設(shè)置內(nèi)涵,同時更深入地理解和掌握實驗的工作原理。實驗儀器介紹涵蓋整個實驗項目的相關(guān)儀器。同時,不局限于實驗室里現(xiàn)有的實驗儀器,同類型的其他型號也會介紹,并對比優(yōu)缺點。另外,隨著電氣自動化的高速發(fā)展,許多實驗儀器都具有自動化功能。這些儀器在給予實驗便利的同時,也給學(xué)生了解其工作原理造成困擾。因而,在介紹現(xiàn)有自動化儀器時,會對原先基礎(chǔ)型進(jìn)行對比講解,方便學(xué)生深入掌握此類儀器的工作原理。

2.實驗操作部分主要講解試樣制備、儀器操作步驟和注意事項等,以教師完整的實驗操作視頻向?qū)W生展示。其中,試樣制備注重國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的講解,儀器操作步驟注重實驗參數(shù)設(shè)置和操作規(guī)范性的講解,注意事項注重儀器閾值保護(hù)和實驗人員人身安全保護(hù)的講解。

3.實驗數(shù)據(jù)處理及分析部分主要講解實驗數(shù)據(jù)的獲取、處理和分析方法,以教師講解PPT的視頻向?qū)W生展示。這部分內(nèi)容在講解實驗數(shù)據(jù)的獲取和處理方法的基礎(chǔ)上,更重要的是傳授學(xué)生如何進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,尤其誤差分析,引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮主觀能動性,發(fā)現(xiàn)和解決實驗過程中的各種問題。

教師在慕課教學(xué)視頻中設(shè)置了若干問答題,學(xué)生只有回答正確方可繼續(xù)觀看視頻。這樣一方面能夠加強(qiáng)學(xué)生對該部分知識點的掌握,另一方面也可以有效監(jiān)督學(xué)生的學(xué)習(xí)。同時,教師在教學(xué)視頻后面布置課堂作業(yè),可以進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)。另外,教師對整個實驗項目設(shè)置考核環(huán)節(jié),學(xué)生只有考核通過方可進(jìn)行后續(xù)學(xué)習(xí)。此外,慕課系統(tǒng)擁有互動討論交流區(qū),方便學(xué)生與教師進(jìn)行溝通交流,從而及時排除學(xué)習(xí)困擾,提升學(xué)習(xí)積極性和效率。

(二)實驗操作的虛擬仿真教學(xué)

隨著計算機(jī)信息技術(shù)的飛速發(fā)展,虛擬現(xiàn)實技術(shù)日益成熟,它是一種融合多媒體、人機(jī)交互、立體顯示和仿真等多種信息技術(shù)的綜合計算機(jī)技術(shù)[11]?；谔摂M現(xiàn)實技術(shù)和專業(yè)工程技術(shù)知識,人們開發(fā)了一系列專業(yè)的虛擬仿真實驗。虛擬仿真實驗可以打破時間和空間的限制,讓學(xué)生可以充分利用碎片化時間進(jìn)行實驗操作訓(xùn)練,從而使實驗技能水平得到充分鍛煉和提升。另外,虛擬仿真實驗還能夠解決儀器臺套數(shù)不足、昂貴高端儀器較難開展實驗教學(xué)和實驗室面積不足等傳統(tǒng)線下實驗教學(xué)面臨的困難。我院基于材料力學(xué)實驗的專業(yè)知識,利用虛擬現(xiàn)實技術(shù),開發(fā)了一套材料力學(xué)虛擬仿真實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括材料力學(xué)實驗的三個主要實驗,分別為材料的靜拉伸、材料的彎曲和材料的硬度虛擬仿真實驗。該系統(tǒng)具有考核功能,每個實驗項目只有通過完整的虛擬仿真操作考核,才可以申請線下的實驗實踐。該系統(tǒng)用于材料力學(xué)實驗的虛擬仿真教學(xué)具有以下獨(dú)特的優(yōu)勢。

1.材料力學(xué)實驗虛擬仿真系統(tǒng)可以實現(xiàn)實驗過程的實時仿真,使學(xué)生可以直觀了解各實驗的關(guān)鍵曲線和操作節(jié)點。在材料的靜拉伸虛擬仿真實驗中,可以實時觀察應(yīng)力—應(yīng)變曲線各拉伸階段的變化,依次為彈性階段、屈服階段、塑性變形階段和斷裂階段。在材料的彎曲虛擬仿真實驗中,同樣可以實時觀察彎曲力—撓度曲線,掌握彎曲力隨彎曲撓度的變化情況。在材料的硬度虛擬仿真實驗中,可以實時看到布氏、洛氏和維氏硬度各自加載、保載和卸載的實時情況,熟悉各種硬度計施加載荷的關(guān)鍵操作節(jié)點。

2.在材料力學(xué)實驗虛擬仿真系統(tǒng)上,學(xué)生可以練習(xí)實驗項目的全部操作環(huán)節(jié),包括試樣準(zhǔn)備、儀器參數(shù)設(shè)置、儀器運(yùn)行操作和實驗數(shù)據(jù)獲取等,從而有效地鍛煉了實驗操作技能。例如,在材料的靜拉伸和材料的彎曲虛擬仿真實驗中,學(xué)生可以依次操作試樣原始尺寸測量、試樣夾持或放置、萬能試驗機(jī)軟件參數(shù)設(shè)置、試驗機(jī)程控運(yùn)行、實驗結(jié)果數(shù)據(jù)保存及獲取、實驗后取樣及尺寸測量等整個實驗環(huán)節(jié)。在材料的硬度虛擬仿真實驗中,學(xué)生同樣可以依次操作硬度計參數(shù)選擇、標(biāo)準(zhǔn)塊硬度較準(zhǔn)、預(yù)載荷施加、主載荷施加、保荷、卸荷以及硬度讀取記錄等整個實驗環(huán)節(jié)。

3.材料力學(xué)實驗虛擬仿真系統(tǒng)具有自動糾錯功能,輔助學(xué)生進(jìn)行正確的實驗操作學(xué)習(xí)。學(xué)生在進(jìn)行仿真實驗操作時,若某個參數(shù)設(shè)置或儀器操作明顯偏差出錯,仿真系統(tǒng)會通過交互模塊自動提示錯誤,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行正確的設(shè)置和操作,從而實現(xiàn)準(zhǔn)確有效的實驗操作教學(xué)。例如,在材料的靜拉伸虛擬仿真實驗中,裝夾拉伸試樣的旋轉(zhuǎn)方向錯誤時,系統(tǒng)會提醒出錯并給出正確旋轉(zhuǎn)方向的引導(dǎo)提示。在材料的硬度虛擬仿真實驗中,當(dāng)硬度載荷設(shè)置與試樣不匹配時,系統(tǒng)會提示載荷設(shè)置不合理并引導(dǎo)選擇適合的載荷。

(三)線下實踐教學(xué)的實施

有別于傳統(tǒng)線下集中式實驗教學(xué),材料力學(xué)實驗混合式教學(xué)模式的線下實驗教學(xué)采用分批式實驗教學(xué),可以有效地增加學(xué)生實踐動手的時間。實驗教師根據(jù)實驗室的排課情況,制定出一系列可以進(jìn)行線下實驗的時間批次。學(xué)生經(jīng)過線上實驗理論的幕課學(xué)習(xí)和虛擬仿真的實驗操作鍛煉并考核通過后,可以結(jié)合自身空閑時間和實驗室的排課時間表,選定相應(yīng)批次進(jìn)行線下實驗實踐。

線下教學(xué)時,教師在學(xué)生實踐操作前,會再次強(qiáng)調(diào)實驗室和實驗儀器的安全注意事項,然后根據(jù)線上考核情況,對學(xué)生掌握較薄弱部分進(jìn)行有針對性地加強(qiáng)講解和指導(dǎo)。另外,實驗操作時以學(xué)生操作為主體,鍛煉學(xué)生的自主實驗?zāi)芰?教師主要起問題引導(dǎo)、安全監(jiān)控和過程記錄的作用。其中,問題引導(dǎo)主要啟發(fā)學(xué)生結(jié)合專業(yè)理論知識對實驗中各個關(guān)鍵操作勤加思考,鍛煉學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)問題、解決問題以及理論結(jié)合實踐的能力。安全監(jiān)控主要關(guān)注學(xué)生的個人防護(hù)措施、儀器閾值設(shè)置和儀器操作等是否安全規(guī)范,碰到可能存在的操作安全隱患要及時處理,保障學(xué)生的人身安全以及儀器安全。過程記錄需要詳實記錄學(xué)生的實驗操作表現(xiàn),以便作出全面的過程考核評價。

(四)完善實驗考核機(jī)制

學(xué)生實驗成績的合理性評價是線上線下混合式實驗教學(xué)模式順利開展的重要組成部分。為了避免實驗成績評價的片面性和主觀性,合理的實驗成績考核機(jī)制需要綜合考慮評價數(shù)量和評價效果[12]?；旌鲜浇虒W(xué)模式下,材料力學(xué)實驗的實驗成績構(gòu)成包括預(yù)習(xí)成績、虛擬仿真操作成績、線下實驗操作成績和實驗報告成績。其中,預(yù)習(xí)成績包括線上幕課考核成績和預(yù)習(xí)報告成績,通過增加慕課學(xué)習(xí)效果的考核,更加全面地反映學(xué)生的預(yù)習(xí)效果。實驗操作技能考核通過虛擬仿真操作成績和線下實驗操作成績來綜合呈現(xiàn)。由于實行分批式線下實驗,學(xué)生的個人實踐動手時間得到保障,其線下實驗操作成績能夠代表學(xué)生本人的真實情況,并且通過增加虛擬仿真操作考核,因而能夠更詳細(xì)地反映學(xué)生對實驗儀器操作的掌握情況。同樣基于更多的實踐動手時間,學(xué)生可以獲取更多的實驗數(shù)據(jù),在撰寫實驗報告時可以避免同質(zhì)化現(xiàn)象,更真實地反映學(xué)生獨(dú)立處理和分析實驗數(shù)據(jù)的能力。另外,合理全面的實驗考核機(jī)制可以有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力,提升學(xué)生獨(dú)立自主的實驗實踐能力。

四、線上線下混合式教學(xué)模式的成效

材料力學(xué)實驗采用線上線下混合式教學(xué)模式,相比傳統(tǒng)線下集中式的實驗教學(xué)模式,在學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、實驗技能、分析解決問題的能力以及實驗成績等方面取得了顯著的提升。線上幕課以及虛擬仿真的有趣性和直觀性使得學(xué)生自主學(xué)習(xí)的動力更足,更愿意主動利用好空閑時間去學(xué)習(xí)和探索。依次通過幕課理論學(xué)習(xí)、虛擬仿真訓(xùn)練以及線下實踐操作鍛煉,理論結(jié)合實踐,學(xué)生的實驗技能得到層層遞進(jìn)式訓(xùn)練,獲得了顯著提升。

慕課和虛擬仿真中所設(shè)計的題目以及線下實驗中教師所引導(dǎo)的問題思考,有效地鍛煉了學(xué)生在實踐過程中發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力。由于學(xué)生自主學(xué)習(xí)的成效較好,相應(yīng)的預(yù)習(xí)報告和實驗報告的同質(zhì)化現(xiàn)象大為減少,對實驗數(shù)據(jù)的處理和分析水平明顯提升,整體的報告質(zhì)量同步提升。基于各個環(huán)節(jié)的全面提升,造就了整個實驗成績相比傳統(tǒng)集中式線下實驗教學(xué)有了明顯的提高。另外,從線上的互動討論交流區(qū)、線下實驗時的溝通以及課程結(jié)束后的交流發(fā)現(xiàn),學(xué)生對材料力學(xué)實驗線上線下混合式教學(xué)模式的認(rèn)可度較高,普遍認(rèn)為該模式下主動學(xué)習(xí)的意愿更強(qiáng),實驗知識的掌握更扎實,實踐動手的時間更充足以及實驗技能掌握的更牢固。

五、結(jié)語

本文基于線上線下混合式教學(xué)模式對材料力學(xué)實驗進(jìn)行教學(xué)改革實踐和探索。線上教學(xué)依托于幕課和虛擬仿真學(xué)習(xí),線下采用分批式實驗教學(xué)。慕課豐富全面的在線視頻改變了枯燥的學(xué)習(xí)方式,提升了學(xué)生學(xué)習(xí)實驗理論知識的積極性。線上虛擬仿真系統(tǒng)的直觀性、實時仿真性、實驗操作全面覆蓋性和自動糾錯功能,使學(xué)生可以直觀全面并正確地理解和熟悉實驗操作過程。線下分批式實驗教學(xué)可以有效增加學(xué)生的實驗操作時間,實現(xiàn)學(xué)生自主操作為主體,教師引導(dǎo)和監(jiān)控為輔的良好教學(xué)氛圍。另外,混合式教學(xué)模式引入合理的實驗考核機(jī)制,全面客觀地反映出學(xué)生的實驗實踐能力,為后續(xù)實驗教學(xué)的持續(xù)改革提供數(shù)據(jù)保障?？傮w上,通過混合式教學(xué)模式改革,有效地解決了傳統(tǒng)教學(xué)模式預(yù)習(xí)效果不佳、實驗時間不足和實驗報告同質(zhì)化等問題,促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性,鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力,提升學(xué)生的實驗創(chuàng)新能力,從而為培養(yǎng)具有豐富工程實踐能力的新工科人才作出貢獻(xiàn)。