劉雅靜， 史成坤， 陳嬌嬌

(北京航空航天大學(xué) 北航學(xué)院，北京 100083)

實驗教學(xué)模式的改革對高校人才培養(yǎng)起著重要的作用。機(jī)械制造基礎(chǔ)作為一門來源于實踐的課程，其實驗環(huán)節(jié)一直必不可少。在傳統(tǒng)的教學(xué)實踐中，面臨一些具體矛盾，導(dǎo)致實驗環(huán)節(jié)的教學(xué)效果會打折扣，未能完全發(fā)揮其應(yīng)有的作用[1-3]。例如，小班化教學(xué)、自主選課模式等減少學(xué)生的統(tǒng)一時間，影響實驗進(jìn)度，無法保證實驗與理論課程同步；實驗預(yù)習(xí)中，學(xué)生只能依靠教材去了解實驗的相關(guān)知識，很難對實驗形成深刻的認(rèn)識；實驗指導(dǎo)書等紙版載體單一，實驗指導(dǎo)效果差；有限的課時加上學(xué)生被動的學(xué)習(xí)狀態(tài)，很難實現(xiàn)最佳教學(xué)效果。實驗課程與理論課程不同之處在于需要實驗場地、儀器設(shè)備、實驗材料等硬件設(shè)施, 更重要的是需要培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、分析思維能力和團(tuán)隊協(xié)作能力，這在單一的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中無法實現(xiàn)，使“互聯(lián)網(wǎng)+”實驗教學(xué)成為難題[4]。

針對上述問題，北京航空航天大學(xué)工程訓(xùn)練中心基礎(chǔ)實驗教學(xué)部建設(shè)了線上習(xí)題庫和數(shù)據(jù)提交及評分系統(tǒng)，還制作了一系列的操作視頻微課，在機(jī)械制造基礎(chǔ)實驗課程中開展線上+線下混合式教學(xué)。這種混合式教學(xué)可實現(xiàn)現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)線上教學(xué)與傳統(tǒng)課堂教學(xué)的優(yōu)勢互補(bǔ)，豐富課堂形式、充實實驗內(nèi)容，在有限的實驗課時內(nèi)讓學(xué)生充分掌握加工工藝和測量方法的基本原理和實驗技能，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力和解決問題的能力[3-10]。

一、線上+線下混合教學(xué)模式建立

(一)以微課為基礎(chǔ)搭建線上平臺

1. 結(jié)構(gòu)化微課內(nèi)容設(shè)計

在結(jié)構(gòu)化微課設(shè)計中，如圖1所示，不僅要注重技術(shù)與設(shè)計的結(jié)合[11]，還需綜合考量微課對預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)等教學(xué)環(huán)節(jié)及其在開展翻轉(zhuǎn)課堂中的作用。例如，預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)的重點是理解實驗原理，了解儀器構(gòu)造，掌握儀器操作步驟、讀數(shù)方法等；復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)的重點則是實驗報告中數(shù)據(jù)處理、合格判定、誤差分析中存在的普遍問題以及課后思考題的詳細(xì)解答等。

圖1 微課結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過篩選該門課程的教學(xué)內(nèi)容，可將機(jī)械制造基礎(chǔ)[12]實驗拆分為互換性測量、冷加工基礎(chǔ)、熱加工基礎(chǔ)三個模塊，這三個模塊可以涵蓋目前所有實驗內(nèi)容。

例如，互換性測量模塊，按公差類型將其劃分為尺寸誤差測量、形狀誤差測量和位置誤差測量，選擇具有代表性的幾何特征作為測量項目，結(jié)合實驗設(shè)備特點，選擇適合的零件作為載體，進(jìn)行微視頻的制作。視頻圍繞知識點展開，詳細(xì)講解誤差的內(nèi)涵、影響、測量原理、設(shè)備使用方法和合格性判定規(guī)則等。

圖2展示了部分微課的視頻截屏。每門微課都由四部分組成，即知識點講解、設(shè)備介紹、操作演示和結(jié)論分析；時長為5～10分鐘，盡量做到短小精煉，重點突出。其中，知識點講解部分采用“PPT+圖片+動畫”相結(jié)合的方式來呈現(xiàn)，主要圍繞具體知識點展開，講解相關(guān)公差的標(biāo)注、定義、含義、原則、應(yīng)用場合等；設(shè)備介紹部分主要采用“視頻+動畫+圖片”相結(jié)合的方式予以展開，具體講解工具、量具、儀器的內(nèi)部構(gòu)造、測量原理、讀數(shù)方法以及測量項目的被測要素、基準(zhǔn)要素在儀器上的體現(xiàn)方法等；操作演示部分主要采用“視頻+字幕+圖片制作”的方式詳細(xì)演示實驗方法和操作步驟，以便學(xué)生們能正確掌握實驗設(shè)備的使用方法和操作步驟，順利完成復(fù)現(xiàn)性實驗，獲得相關(guān)實驗數(shù)據(jù)；結(jié)論分析部分仍然采用“PPT+圖片+動畫”的方式來呈現(xiàn)，講解實驗數(shù)據(jù)的處理方法、合格性判定原則、誤差產(chǎn)生的原因及影響等，既能達(dá)到理論指導(dǎo)實踐和實驗論證理論的實驗?zāi)康模部梢酝ㄟ^實驗使學(xué)生能夠觸類旁通，掌握此類公差的測量方法。

圖2 微課視頻截屏(示例)

2. 搭建線上平臺

利用北航云盤、校課程中心、QQ群、微信群、問卷星等工具搭建線上環(huán)境，如圖3所示，建立以微課為載體，以學(xué)生為中心的線上師生互動學(xué)習(xí)平臺，并充分利用線上平臺的靈活性和個性化優(yōu)勢，把控整體教學(xué)質(zhì)量。

圖3 線上平臺截屏(示例)

具體搭建過程如圖4所示。第一步，將實驗教學(xué)微課以及該門課程的教學(xué)大綱、教案、實驗指導(dǎo)書和實驗報告等相關(guān)資料上傳至北航云盤和校課程中心。第二步，更新文字版實驗指導(dǎo)書，將視頻二維碼插入文字版實驗指導(dǎo)書中，彌補(bǔ)傳統(tǒng)紙版實驗指導(dǎo)書載體的不足。學(xué)生通過手機(jī)輕輕一掃，即可獲得配套的視頻資源。第三步，在校課程中心上發(fā)布預(yù)習(xí)測驗、設(shè)立討論區(qū)，學(xué)生在預(yù)習(xí)過程中遇到困難可及時在討論區(qū)與教師進(jìn)行溝通交流。第四步，通過微信群、QQ群和郵箱等發(fā)布公告和任務(wù)，保障課程有序運行。第五步，預(yù)習(xí)測驗成績合格后，學(xué)生可進(jìn)行實驗預(yù)約，在問卷星上發(fā)放、回收實驗預(yù)約問卷，實現(xiàn)教師對學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度的跟蹤與評價。

張亞恒等[26]選用歐拉雙流體模型，揭示了振動流化床氣泡尺寸、氣泡上升速率沿高度分布和床層壓力脈動信號周期性變化特征規(guī)律。結(jié)果表明：普通流化床氣泡尺寸分布比較均勻，大氣泡較少，氣泡直徑隨著床層高度增加而增大；振動流化床氣泡分布不均勻，大氣泡較多；在氣泡上升初期，氣泡直徑不斷變大，氣泡上升速度不斷增大，上升后期，氣泡上升速度不斷減小，床層壓力脈動信號的周期性明顯增強(qiáng)。

圖4 線上平臺搭建及各自職能

(二)結(jié)合線上平臺建立線下環(huán)境

線下環(huán)境是指傳統(tǒng)的課堂、實驗室，包括硬件條件和師資條件。教學(xué)中，由于有了線上微課資源與平臺以及預(yù)習(xí)測驗的要求，學(xué)生不再過分依賴課堂講解，而是帶著預(yù)習(xí)好的知識儲備進(jìn)入實驗室，他們已經(jīng)了解了實驗原理和實驗要點。因此，在線下課堂教學(xué)中要摒棄過去傳統(tǒng)課堂的教學(xué)設(shè)計，不需把實驗的基本理論、基本原理、實驗儀器、實驗步驟及實驗安全規(guī)定重新講一遍。此外，每次線下授課內(nèi)容還需根據(jù)線上的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。

線下環(huán)境支持的機(jī)械制造基礎(chǔ)實驗包括復(fù)現(xiàn)性實驗和設(shè)計性實驗。復(fù)現(xiàn)性實驗是指學(xué)生按照微課的操作方法和步驟進(jìn)行實驗，得到實驗數(shù)據(jù)的實驗。設(shè)計性實驗是指在復(fù)現(xiàn)性實驗的測量項目和方法基礎(chǔ)上學(xué)生進(jìn)行的拓展性實驗，如復(fù)現(xiàn)性實驗做了圓跳動誤差的測量，要求學(xué)生自己設(shè)計全跳動誤差的測量等。設(shè)計性實驗與復(fù)現(xiàn)性實驗的內(nèi)容及知識點相關(guān)，所采用的方法和儀器互通。

在線上環(huán)境的支持下，線下復(fù)現(xiàn)性實驗的內(nèi)容減少，設(shè)計性實驗的內(nèi)容逐步提高。教師的角色也由“授人以魚”向“授人以漁”轉(zhuǎn)變，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識的深入挖掘。

二、線上+線下混合教學(xué)模式的學(xué)習(xí)流程

圖5展示的是線上+線下混合實驗教學(xué)模式中，學(xué)生的學(xué)習(xí)流程。

圖5 線上+線下混合實驗教學(xué)模式

線上+線下混合教學(xué)模式的學(xué)習(xí)流程為：課前，教師通過線上平臺對實驗學(xué)生調(diào)查其課表，確定可以安排實驗的時間，反饋給學(xué)生；學(xué)生再根據(jù)個人情況選實驗課(學(xué)生可以靈活選擇是按規(guī)定時間上課還是單獨預(yù)約時間上課)。這個過程通常需要反復(fù)溝通。課表確定后，學(xué)生登錄北航云盤或校課程中心下載實驗微課和其他實驗資料進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，完成線上預(yù)習(xí)與自測。教師同步進(jìn)行線上督學(xué)，及時關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)動態(tài)。線下實驗課堂上，教師用少量時間根據(jù)測驗情況重點講解集中問題并進(jìn)行現(xiàn)場答疑，大部分時間留給學(xué)生用于回顧微課，并快速完成復(fù)現(xiàn)性實驗和開展設(shè)計性實驗。課后，學(xué)生在線上平臺展開討論，教師線上進(jìn)行答疑、點評，學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和總結(jié)，完成實驗報告并上傳至平臺。

三、線上+線下混合教學(xué)模式的實踐效果

(一)線上+線下混合教學(xué)模式實踐

線上+線下混合式教學(xué)模式自2019年春季學(xué)期開始投入使用。經(jīng)過30輪次的實驗教學(xué)，已有543人下載了微課作為學(xué)習(xí)的教輔資料(下載率達(dá)98%)。86人采用線上+線下混合教學(xué)模式完成實驗，教學(xué)效果和教學(xué)管理方面都有明顯改善。

筆者也對相關(guān)教師進(jìn)行了訪談，他們認(rèn)為，“利用微課開展翻轉(zhuǎn)課堂能夠在不增加課時的情況下延展實驗內(nèi)容”“設(shè)計性實驗的引入使機(jī)械制造基礎(chǔ)實驗不止步于理論驗證層面上”“線上平臺是很好的教學(xué)支撐”“能有效彌補(bǔ)溝通不足，互動、點評能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)生興趣和主動性”。

(二)線上+線下混合教學(xué)模式問卷調(diào)查分析

筆者對某高校某院系138名學(xué)生進(jìn)行了不記名問卷調(diào)查，回收有效問卷120份。

學(xué)生認(rèn)為微課對于實驗各環(huán)節(jié)的指導(dǎo)作用調(diào)查結(jié)果如圖6所示。實驗預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)選擇“大”和“較大”的人數(shù)占比之和為91.66%，實驗操作環(huán)節(jié)選擇“大”和“較大”的人數(shù)占比之和為91.67%，完成實驗報告環(huán)節(jié)選擇“大”和“較大”的人數(shù)占比之和為75.00%。

圖6 微課對于實驗各環(huán)節(jié)的指導(dǎo)作用調(diào)查結(jié)果

學(xué)生對現(xiàn)在開展的線上+線下混合模式實驗課的認(rèn)同情況調(diào)查結(jié)果顯示，選擇“很滿意”和“滿意”的人數(shù)占比之和為93.33%，如圖7所示。

圖7 線上+線下混合模式實驗課的認(rèn)同度調(diào)查結(jié)果

此外，對混合式實驗?zāi)Ｊ娇赏茝V的價值也開展了調(diào)查。如表1所示，87.50%的學(xué)生表示如果同時開線下和線上+線下兩種模式實驗，更愿意選擇線上+線下模式；88.33%的學(xué)生認(rèn)為微課可以完全或部分代替實驗課上教師的面授集中講解；目前，學(xué)校分校區(qū)只有沒有條件按時實驗的學(xué)生采用線上+線下模式實驗，91.07%的學(xué)生認(rèn)為這種實驗?zāi)Ｊ娇梢韵蚋嗟膶W(xué)生推廣；92.86%的學(xué)生認(rèn)為微課作為實驗操作指南可以借鑒到更多的類似需要操作設(shè)備的實驗課(如工程材料實驗、大學(xué)物理實驗等)。

表1 線上+線下教學(xué)模式推廣問卷調(diào)查結(jié)果

四、結(jié)論與展望

針對傳統(tǒng)《機(jī)械制造基礎(chǔ)》實驗課程的弊端，構(gòu)建了線上+線下混合教學(xué)模式。該模式應(yīng)用“微課+課程中心+實驗室”等工具建立了實驗課程，并通過“教師課前線上導(dǎo)學(xué)—學(xué)生利用線上平臺預(yù)習(xí)和練習(xí)—線下師生實驗室操作—課后綜合考評與答疑”的步驟展開教學(xué)。

通過多輪次的教學(xué)實踐與教學(xué)反饋可知，線上+線下混合教學(xué)模式在學(xué)校機(jī)械制造基礎(chǔ)實驗教學(xué)中取得了較明顯的教學(xué)效果，不僅豐富了課堂形式、充實了實驗內(nèi)容，還節(jié)約了課堂講解和操作演示的時間，使學(xué)生有更多時間開展自主實驗或探究實驗，為學(xué)生提供了“互聯(lián)網(wǎng)+”教育模式下主動學(xué)習(xí)的新路徑。