翻转课堂在系统工程课程教学中的应用探索

（青岛农业大学机电工程学院，山东 青岛 266109）

○、引言

传统的课堂教学以教师讲授为主，学生大部分以被动角色跟随教师的思路学习知识。这种教学模式能够按照拟定计划高效地传授知识，其弊端是会不同程度地抑制学生主动思考学习能力的发展，而且容易引起学生烦躁情绪，却不易激发学生的学习兴趣，从而影响学生的学习效率和学习效果。由美国学者提出的翻转课堂教学模式改变了传统教学的流程，重新调整了课堂内外时间的比例，学习的决定权由教师转向学生，一定程度上转变了师生角色定位，由学生提前借助多媒体教学资源完成知识的自学，然后在课堂上再通过问题解答、互动讨论等形式完成对知识的深入理解和切实掌握［1］。这种新型的教学模式近几年来在我国引起了教育工作者的广泛关注，许多学校开展了探索性的实践［2～5］。翻转课堂并没有一个固定的模式，乔治梅森大学的Noora Hamdan博士等研究发布的《翻转课堂白皮书》指出，“没有任何一节翻转课堂是完全相同的”［6］。本文结合笔者所担任的系统工程课程教学实践，探讨基于提升兴趣和促进主动学习为目的的翻转课堂的实施方案，为深入开展翻转课堂的研究和应用提供参考。

一、系统工程课程特点及开展翻转课堂教学的必要性

系统工程课程是面向工程类、管理类等专业大学生所开设的一门理论性和实践性兼具的专业基础课。课程以线性规划、动态规划、系统决策与对策以及系统预测等为教学内容，开展系统工程方法论、系统建模、分析与评价等知识的理论与应用学习。作为一门学科交叉性很强的课程，系统工程课程既强调数学基础理论的应用，又涉及运筹学、系统学、计算机科学、管理科学等具体专业知识。引导学生学会应用数学方法，通过理论建模解决工程项目的设计、开发、管理、实施等实际问题。

针对系统工程课程特点，国内教师在教学实践中通过改革创新，提出了一些有特色的教学方法和教学模式，旨在进一步改善教学效果［7-8］。本课程理论性强、知识跨度大，传统教学方法很容易让学生产生厌学心理，学习的积极性不高。我们在教学实践中发现，该课程教学在课堂上需要很多时间来补充回顾数学专业课程的基础理论和应用案例背景解释等，教学进度缓慢，教师讲解和学生接受知识均存在“累”的感觉。针对该课程的特点，笔者选择应用翻转课堂教学，学生在课堂前借助于教师提前备好的自学讲义、课件等资料进行学习，并针对所涉及的数学理论和专业知识有目的地进行提前补充和了解，然后带着问题进入课堂进行案例讨论和分析，在师生互动、教师答疑过程中深化知识的理解和掌握，达到更好的教学效果。可见，系统工程课程适合开展翻转课堂教学，探索该课程的翻转课堂实施方案对于更好地达到教学目的具有重要意义。

二、系统工程课程翻转课堂教学方案及内容设计

（一）课前任务设计要点

翻转课堂包括课前任务和课堂活动两个环节，两个环节同等重要。课前任务不仅仅是课前预习，还承担了传统教学课堂上的大部分任务，区别在于传统课堂教学是学生在教师讲解下学习，翻转课堂课前任务是学生课前进行自学，所需要的时间大大增加。因此，课前任务的设计对于学生能够完成和达到预期学习目标尤为重要。结合系统工程课程的特点和教学任务，本课程课前任务的设计要点如下。

1.了解学生对知识掌握的现状，有针对性地设置任务内容

对学生已经开设的前期课程和知识结构层次进行调查统计，通过口头询问或卷面测验的方式了解学生对与本课程相关知识的掌握程度。基于学生的知识掌握状况，尤其对于专业基础知识不够扎实牢固的部分，要有针对性地安排学生进行知识补充和复习回顾，结合学生所学专业和教学目标有的放矢地设计每次课前任务，合理确定课前任务的广度和深度。例如，笔者所教课程的教学对象是农业机械化工程专业的本科生，开设该课程前学生已经完成了高等数学、线性代数、概率论与数理统计等数学课程以及机械设计、C语言程序设计、农业机械化管理学等与本课程相关的专业基础课的学习。要了解学生对以上课程相关知识的掌握程度，需要预先进行测试和查问，根据需要及时增补课前任务内容，确保学习任务与学生知识掌握现状紧密衔接，教学活动顺利有效开展。

2.资料形式丰富多样，激发学生自学兴趣

随着信息化和网络化技术的发展，现代化的教育手段和教学资料已变得丰富多样，在此背景下，学生课前任务的资料不再只是枯燥乏味的文本模式，教师要善于利用现代多媒体教育技术将知识以图文、音像、动画等形式传递给学生。从技术上讲，形式多样的资料不仅能传播教学信息，同时给学生多种感官刺激，使知识传递更具有直观性和感染力，能够引起学生自学的兴趣，提高学生学习的积极性和主动性，提升学生学习效率，有效促进学生更快、更好地掌握课前任务。另外，多种资料形式可使学生依据自己的接受能力，灵活地掌握学习进度与完成学习任务。

3.内容结构设置合理，循序渐进，科学引导

针对系统工程课程知识交叉性强、理论性与实践性兼具的特点，科学合理地设置课前任务的内容结构可以更好地引导学生高效理解和掌握任务知识，达到预期任务要求。笔者结合教学实践总结出该课程课前任务的内容结构模式：选择一个典型的应用案例作为主线，围绕该案例的解决或解答方案列举基础概念、基本原理等知识点，以此案例为核心举一反三，延伸理解其他应用案例。另外，系统工程课程案例的解答几乎都需要高等数学、矩阵论以及概率统计等数学基础理论的支持，本着“即用即补”的原则，每次设计学习任务都适当选择案例应用到的少量数学知识进行回顾复习。这种以应用案例为中心设置学习任务的结构模式具有鲜明的目的性，理论知识与实际应用紧密结合，可激发学生的探索欲望，加强学生对知识的理解深刻性。

（二）课前任务设计实例

现以该课程“动态规划——多阶段决策问题”这个内容为例来展示翻转课堂课前任务设置情况。这个内容的教学要求是理解动态规划的基本原理和基本概念，掌握解决多阶段决策过程最优化问题的数学方法。根据以上设计要点，我们将这个内容的课前任务设计如下。

1.应用案例选择

多阶段决策问题的动态规划办法在实际生产和生活中有许多应用案例，如“最短路径问题”“资源分配问题”“设备更新问题”等，其中“最短路径问题”能够比较全面地反映动态规划的原理内涵，而且与实际生活关联密切，易引起学生兴趣。因此，本任务选择学生比较关心的“旅游城市最短路径问题”作为典型应用案例，以该案例的数学建模和求解过程为线索，逐步引出各相关知识点。

2.任务知识点设置

最短路径问题通常以网络图的形式来表示，结合本案例所绘制的一个四阶段城市路线网络图提出并解释“阶段、状态、决策、策略、状态转移方程、指标函数与最优指标函数”等基本概念，学生更容易理解和掌握。分别利用逆序算法、顺序算法和标号法来求解最短路径问题案例，根据求解过程和计算式子总结归纳出动态规划基本方程以及建模步骤和基本算法；利用所求解的最短路径来解释“一最优策略的子策略总是最优的”最优化原理。至此，本次学习任务所要求的诸多基本概念、理论方程和基本原理均在求解案例的过程中被逐步引出和做出解释，可见，案例化学习有利于将抽象的理论具体化，将复杂的问题简单化。为巩固所学理论，达到举一反三的目的，笔者在任务作业中通过引入另一相似案例，由学生应用动态规划基本方程和基本算法分别以手工、计算机编程这两种方法来求解最优化问题，以此加深对知识的理解和掌握。

3.任务资料形式多样化

本着资料形式多样化的原则，本次任务资料主要包括主讲电子教案和辅助参考资料两部分。主讲电子教案是笔者录制的对该章节主要知识点进行详细讲解的视频；辅助参考资料包括介绍动态规划基本概念、基本原理、基本方程的文字资料1份，关于“最短路径问题”应用实例的论文3篇，最短路径智力游戏介绍1份，并提供参考教材、国内精品课程、参考网络资源链接等。

作业任务：通过自学动态规划基本算法，利用C语言编写典型案例程序代码，并通过计算机程序运行求解最佳路径。

（三）课堂活动设计

翻转教学的课堂活动设计要体现“以学生为中心”的理念。基于此，课堂活动的开展主要包括讨论互动、学生讲课、教师总结点评等环节。教师是课堂活动的导演和策划者，主导着活动的进行，但课堂活动的主角是学生，教师要准确把握自己的角色定位，作为辅助者引导和掌握课堂活动各环节开展的时间和方向。

1.讨论互动

讨论互动包括生生互动和师生互动。生生互动的开展形式是小组讨论，小组人数不宜过多，为便于两两组队讨论，每组人数一般为偶数，考虑到现在每个教学班通常为30～40人，因此每小组以6人或8人为宜，每个教学班一般有5个小组。小组讨论是在完成课前任务的前提下展开的讨论互动，讨论内容是围绕本次学习任务中的重点、难点所列举的问题，为学生课堂讨论提供充分的思考时间，具体主题由教师在课前任务中提出。为了增加每位学生的发言时间，在小组集体讨论前，先开展小组内两两组队讨论，然后再进行集体讨论。学生在倾听、发言、相互质疑甚至争论的过程中实际上就是对知识的思考和探索，通过学生间的思维碰撞和信息交流，会有利于学生加深对问题的认识和理解，同时还有利于培养学生的批判性思维和创造性思维。

师生互动分为参与性互动和指导性互动。参与性互动是教师直接以小组成员身份参与到小组讨论中，与学生平等地发表个人见解。指导性互动则是教师在生生互动的基础上，针对每个小组存在的问题进行个性化答疑，是小组互动的有益补充和指导，有利于提高学生的整体学习效果。

2.学生讲课

学生走上讲台讲课是师生角色转换的一种重要体现形式。每次任务案例选择一个小组代表讲课，小组则推选一名学生代表来完成。讲课内容是围绕本次学习任务的重点选题，例如“最短路径问题”任务，可选择“最短旅游路线”案例的解决方案的建模和解答过程，或者以该案例的计算机编程算法设计和代码实现为教学内容。教案则由小组共同设计，教师和其他组学生则作为听课者，他们可在听完后提出问题，与讲课小组互动。学生参与讲课的方式可极大激发学生的积极性，“教是最好的学”，学生在备课过程中会去主动查阅资料，做精心准备，能够真正理解和掌握知识点，而且这种体验式的讲课方式必将会增强学生的自信心，并使学生印象深刻。听课的学生也会在这种带有新鲜感的学习模式下更加集中精力，获得更好的听课效果。此外，通过这样的师生角色互换，可让学生换位思考，理解并尊重老师的工作。

3.教师点评

教师点评环节是课堂结束前教师对本次教学任务的系统疏导和归纳总结，该环节对于保障翻转课堂教学质量非常重要，不可或缺。尽管翻转课堂模式学习决定权由教师转向学生，但教师是整个学习过程的策划组织者，设计和制定了课前任务，并参与引导了课堂活动的讨论，因此，教师对学生学习效果和存在的问题最为了解。学生经过自主式课前任务学习、课堂讨论、学生讲课等环节后，能够较好地完成课程教学任务和目标，但学生毕竟受到知识量和经验不足所限，难免出现一些错误和不足，教师针对学生教课中和小组讨论中存在的问题进行集中点拨、纠正和补充说明，对整堂课的知识进行系统梳理，强化本节课的重点、难点，引导学生完成知识的内化和升华。

三、结语

翻转课堂的成功与否取决于诸多因素的协调组合情况，它基于传统被动学习向主动学习转变，需要针对具体的课程特点，精心制定与课程相适应的教学内容，借助合理有效的教学环境，系统开展教学过程。翻转课堂教学模式可以充分调动学生学习的主动性和积极性，让学生带着问题、有的放矢地进行课程学习，获得更佳的学习效果。当然，尽管翻转课堂具有种种优势，但由于它还处于发展的初期，实施过程中也存在一些问题，比如它要求教师具备较高的教育技术运用能力和信息技术素养，还要求学生自觉完成课前任务。翻转课堂模式还需要教育工作者在长期的教学改革实践中不断探索，针对存在问题寻求解决方案，不断完善。