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摘要：目前，工科高等院校的理论力学教学面临教学课时紧和教学方法单一的突出问题，本文基于SPOC+翻转课堂平台，开展了工科理论力学研究式教学实践。同时，针对海上风力发电机力学分析课题，进行了研究式教学活动。针对一个学期的教学实践，通过与传统教学班级的比较，发现这种混合教学模式具有显著的可行性，并取得了良好的教学效果。采用混合式教学班级的学生期末总评成绩明显优于普通教学班，研究式学习也培养了学生对力学问题的建模能力、分析能力和自学能力。
关键词：理论力学；SPOC+；翻转课堂；混合教学模式；研究式学习
本文引用格式：席仁强，等.基于SPOC+翻转课堂的理论力学研究式教学实践[J].教育现代化,2020,7(52):12-15.
Research Teaching Practice of Theoretical Mechanics Based on SPOC+Flipped Classroom
XI Ren-qiang,CHENG Mei-ling,JIANG Xue-dong
(Changzhou University,Changzhou Jiangsu)
Abstract:At present,the teaching of theoretical mechanics in engineering colleges and universities is facing the prominent problems of tight teaching hours and single teaching methods.Based on SPOC+flipped classroom platform,the research-based teaching practice of engineering theoretical mechanics is carried out.At the same time,research teaching activities are carried out for the mechanical analysis of offshore wind turbine.According to the teaching practice of one semester,through the comparison with the traditional teaching class,it is found that this mixed teaching mode has significant feasibility and achieved good teaching effect.The students'ability of problem-based learning and research-based teaching is better than that of general class.
Key words:Theoretical mechanics;SPOC+;Flipped classroom;Mixed teaching mode;Research-based learning
一 引言
理论力学课程是能源、机械等专业的重要基础课程。然而，随着知识更新速度的加快，本科生学习的课程越来越多，专业基础课的教学课时也愈发紧张。据调查，大部分高校的理论力学课时处于偏紧的状态[1-3]。同时，随着新一轮专业认证的开展，本科教育的核心目标从知识传授转向能力培养，理论力学教学需要培养学生分析工程问题、解决工程问题和坚持终身学习的能力。随着移动互联网时代的到来，各类移动终端和网络软件被广泛用于学习。通过这些平台，学习者能利用碎片化时间，将学习时长从课堂教学的有限学时延拓到整个开课进程。中，“SPOC+翻转课堂”混合式教学具备传统教学师生交流的便捷性和现代网络技术的实时性，自诞生之日起，便表现出极强的生命力[4,5]。
SPOC(small private online course)直译为“小规模限制性在线课程”，以互联网为交互媒介，具有在线授课、在线学习和线下交互的天然优势 。
同时，授课机构可以根据学习者的特征，定制个性化的教学目标、教学内容，综合了在线课程的传播优势、受众的特殊性和交流的便捷性。因此，SPOC课程是以MOOC为基础，融入授课机构特色的线上、线下课堂教学模式。不同于MOOC大规模、开放化的教学形式，通常SPOC课程会对学习者的人数施加限制，因此，其更加适合于高校开展专业课程的小班化教学。在这种教学模式下，教师还可以开展“翻转课堂”等学生中心型教学活动。这种教学活动由课堂内的小组互动学习以及课后运用计算机学习两部分组成。SPOC+翻转课堂教学模式能够充分融合线上视频教学与线下课堂教学，改变了传统的教师中心型单向、封闭的教学模式，促成了个性化的学生中心型学习模式，推动混合式教学和参与式学习的融合，实现课堂翻转、教学相长，重构教学流程，从而提高教学质量[7,8]。
本教学团队以学校SPOC课程建设为契机，在能源类专业的理论力学教学中采取了SPOC+翻转课堂教学模式，本文主要总结了研究项目导引教学法的设计、实践活动，并简单探讨了混合式教学模式的实施效果。
二 理论力学教学存在的主要问题
根据最新版的《高等学校工科基础课程教学基本要求》的规定，能源类专业的理论力学教学应满足B类要求，其教学基本内容包括基本部分和专题部分[9]。基本部分建议56学时完成，专题部分则建议安排8学时的时间。同时，教指委还要求加强实践性教学环节，建议设置适当比例的习题课、讨论课及其他实践性教学环节；并加强学生根据力学基本原理建立相应数学模型的建模能力、具有对实际问题的分析能力和自学能力。
然而，工科高校理论力学教学学时比较紧张，大部分院校通过减少了课程内容以适应学时的约束。主要通过下面几种方式：第一，整章、整节删除，例如：静力学部分不讲空间力系的简化及平衡条件；第二，降低讲解深度，以保持内容相对完整性，例如：运动学综合部分不讲牵连运动为平面运动的速度和加速度合成定理应用；第三，模块化，由选课学院自由组合，以满足专业后续课程的需求，例如：材料类专业仅讲授静力学和运动学部分。这些做法都存在明确的弊端：直接删除章节会破坏学科体系的完整性与系统性；降低讲课难度导致授课不深入，不利于培养创新型人才，有害于学生的长远发展；课程模块化，由选课学院组合会造成一门课程内容五花八门，并导致知识点缺乏系统性。
受课时的制约，工科院校的理论力学教学主要以经典内容为主，工科理论力学课程教学已经落后于现代工业的需要，不能反映相关学科的发展特征。为完成大纲规定的教学任务，大部分教师偏重于具体知识点的讲解，通过笔试进行课程考核，根据期末考试成绩评价学生理论力学课程的学习情况，缺乏全面性。这种考核形式下，教师难以把握学生的实际学习情况，无法及时有效的处理学生的问题。同时，理论力学教学模式较单一，以教师课堂讲授、学生完成作业为主，近年来，尽管有现代化教学手段的应用，但仍然以填鸭式、灌输式的传统讲授式教学方法为主，甚至还有赶进度的情况。这些问题导致学生的课堂表现消极，近年来学生课上忙于玩手游的报道也时常见诸媒体，更为突出的是缺少培养学生自主学习、动手能力和创新能力。普遍存在学生对理论力学课程缺乏兴趣，课堂回答问题迟钝、课后作业应付了事，也客观上造成了理论力学课程不及格率偏高。显然，传统教学模式难以调动学习者的主动性，学生只是简单、机械的记忆知识，开展浅层次的知识学习，没有扩展知识的内涵和外延。因此，仅依靠传统课堂教学，难以完成知识内化、素质提升的本科生培养目标，改革和调整目前的理论力学教学是工科院校培养本科生能力的重要任务。基于现代信息技术的多维互动教学、MOOC共享教学亟待全面实践和应用[10]。
因此，理论力学课程教学存在一系列问题，难以满足工科教育培养目标的要求和工业界对本科生的需求。教育实践表明，理论力学教育在培养学生工程素质、工程思维方法及工程科学研究能力，以及培养创新人才方面具有无法替代的作用。因此，采用“SPOC+翻转课堂”混合教学模式，尝试改善理论力学课程现状、解决上述主要问题。
三 混合式教学设计
为消除应试教育的各种不利影响，课程考核以学生综合能力评价为核心，考虑过程化学习情况。目前，SPOC课程网站能够观看教学视频、开展在线互动，具有网络、移动端互动平台，线上线下活动(课堂签到、抢答、问卷及线上测验、小组讨论等)、学习情况统计、在线答疑区、公告通知、在线测验等功能模块。SPOC课程的这些功能为降低期末考试分数的比重、综合评价整个教学过程提供了可行性。表1为采用在线平台教学，学生平时成绩生成比重，显然，SPOC课程对学习者学习过程的考核更加明确，且具有可操作性。因此，采用SPOC+翻转课堂教学模式，能够综合形成性和总结性评价，涵盖整个学习过程，包括课前预习、随堂测试、讨论区贡献度，章节作业、小组讨论、小组互评、教师点评、期末考试等内容。
为开展翻转课堂教学，对于教学班级进行分组。全班共30名学生，分为5组，每组6人。翻转课堂流程为：(1)小组准备阶段：要求各小组完成所选题目的分析、计算；(2)讲解答辩阶段：各小组选派一名代表，向全班同学讲授分析模型、方法和结论，计时10分钟，讲解要提供PPT文件；然后，由听课同学提出问题、讲授同学回答，计时10分钟；(3)点评评分阶段：由任课教师点评，计时5分钟，同时，由各小组互评分数，满分为100分，取平均分，以10%的比例计入期末总评成绩。“SPOC+翻转课堂”不仅提供了一种教学平台，能够开展多种模式的知识探索过程，通过小组学习讨论，逐渐形成相对固定的学习社区，不同的社区之间通过讲解、答辩又进一步推动了知识的深度学习。
根据本专业的培养方案，为锻炼学生建模能力、分析能力和自学能力，反转课堂选题针对海上风力发电机动力学分析确定了数个研究课题，由学生开展研究式学习。具体为：静力学、运动学和动力学的习题课环节各设置一次翻转课堂，如表2所示。这三个选题分别针对静力学、运动学和动力学的综合应用，在相关内容学习完成后进行。静力学课题针对单桩式海上风机，要求计算叶片翼根、偏航系统轴承和转换平台三个位置处的约束力。运动学课题，要求学生根据叶轮转速和传动系统传动比，分析电机转速；根据塔顶运动和叶片振动，分析叶片相对于塔底固定参考系的绝对运动，以考察学生对刚体定轴转动、传动系数，点的合成运动等运动学核心知识点的掌握与应用。动力学课题则针对传动系统，根据FAST软件计算得到的气动荷载，根据叶轮、低速轴、高速轴及电机转子转动惯量及约束情况，确定转子转速及轴承约束力。为计算风荷载，向学生提供了FAST软件及相关用户手册，由学生自学。答辩过程表明：学生在学习软件操作时，基本能够完成任务。为了区别，针对NREL 5 MW海上风机，分别考虑平均风速等于7、11、15、19和23 m/s。
四 混合式教学效果分析
总评成绩由平时成绩、反转课堂成绩和期末考试成绩两部分组成，如图2所示。平时成绩占总评成绩的30%，按照表1所列权重确定；反转课堂成绩占总评成绩的10%，根据本文第二部分的方法评定；期末考试采用线下笔试，占总评成绩的60%。为了检验效果，采用了与传统教学班相同的试卷。混合式教学实践的班级共有30名学生，图3是期末总评成绩，显然，其满足正态分布，平均值为76.8分，标准差为7.9分。
表3是两种教学模式班级的期末考试成绩，混合式教学班平均成绩为70.6分，标准差为8.1分。传统教学班平均成绩为55分，标准差为12.4分。显然，混合式教学班级的平均成绩显著高于传统教学班级，标准差小于传统教学班。因此，从期末笔试成绩看，混合式教学模式优于传统教学。原因在于：通过混合式教学可以延长学生的学习时长，解决学时过短的问题；SPOC平台便于师生间的交流，尤其是通过讨论环节，加强了学生对相关内容的理解；此外，研究式学习也促进了学生对相关原理、方法的掌握与应用。
因此，SPOC+翻转课堂教学模式融合了过程学习与能力培养，教师能够根据学习者的专业和基础情况，针对研究课题设置教学活动，建立讨论组，通过研究式学习，促成学生的合作讨论，并在解决问题中形成学习共同体，实现深层次的知识学习，培养学生分析并解决问题的核心能力。理论力学教学中常见的现象是学生课堂、作业表现很好，一旦遇到实际问题，顿时无从下手。通过研究式学习实践，非常有利于培养学生解决为题的能力。而且，采用线上教学模式，通过各种移动客户端进行实时交流，还能够消除学生在课堂上发言的紧张感，以便学生在轻松的环境中表达自己的观点和思路，教师仅在学生求助或者讨论出现系统性错误时介入予以引导。
五 结论
针对工科院校理论力学教学的一些突出问题，采用SPOC+翻转课堂，进行了教学模式的探讨。在翻转课堂环节，结合能源类专业特点，针对海上风力发电确定研究项目，开展了研究式学习。实践表明。
1.SPOC+翻转课堂教学实模式在理论力学教学中具有可行性和良好的实践效果，能顾延长学生的学习时间，提高学习成绩。
2.研究式学习能够培养学生自学能力、建模能力和分析能力，是理论力学教学培养学生能力的重要方法。
参考文献
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