教育信息化背景下基础力学的翻转课堂探索

张钧惠 衣淑娟 王福成 杨 柳 吴春东

黑龙江八一农垦大学工程学院，黑龙江 大庆 163319

近年来，随着教育信息化的发展，各高校的教学信息化进入跨越式发展阶段，除在传统的教学模式中大量引入互联网技术、多媒体技术、大数据平台等教学新模式外，为提高学生的自主学习能力、培养学生学习兴趣，国内外各大高校先后开展了基于各种教学软件和辅助APP 的翻转课堂教学研究，通过翻转课堂的教学模式加深学生对基础知识的理解，提高学生应用基础知识解决实际问题的能力。基础力学作为工科类专业的专业基础课，具有逻辑性强、对学生的数学基础及计算能力等方面要求高的特点，在以往的教学过程中多采用教师讲解为主、学生被动接受教师所授内容的形式，不利于发挥学生学习的积极性和主动性，也不利于提高学生探索问题、解决问题的能力。在基础力学的传统教学中存在着部分学生学习兴趣不浓、自学能力不强、解决实际问题能力不足等问题。为改变单纯依靠“黑板+粉笔”的传统教学模式，丰富教学内容，拓展教学空间，形成将授课内容与工程实践相结合、将教师讲授与学生自我探索相结合的新型信息化教学模式，增强学生对基础力学的学习兴趣，培养学生的自学能力，黑龙江八一农垦大学（以下简称“本校”）工程基础部开展了针对基础力学的教学改革研究，进行了基础力学部分翻转课堂的研究。

一、基础力学适合开展翻转课堂的内容的筛选

基础力学中的教学内容中存在大量定理、公式的推导，开展翻转课堂的难度较大。在本次基础力学的教学改革中,通过对基础力学的教学内容进行研究、分析、筛选，决定将以下内容引入翻转课堂。

（一）平面任意力系的简化与平衡

平面任意力系的简化是应用力的平移定理将力系中的各个力向简化中心平移，得到一个平面汇交力系与一个平面力偶力系。以前期学生对平面汇交力系和平面力偶力系的合成与平衡的学习和理解为基础，展开平面任意力系的简化与平衡的翻转课堂。在翻转课堂教学的过程中，要重点引导学生将之前所学的两个特殊的平面力系的相关知识应用到新知识的学习和理解过程中，以提高学生举一反三的能力。

（二）刚体平面运动的分解、简化及平面图形上各点速度的基点法

可通过对刚体平行移动和定轴转动的概念及在两种运动中刚体上各点的运动轨迹、速度和加速度等的研究，让学生基本掌握研究刚体运动分析的方法；可通过点的合成运动的学习，让学生对点的速度分析和加速度分析方法充分理解并能熟练应用其解题。在此基础上，可展开对刚体平面运动分解和简化以及平面图形上各点速度基点法的翻转课堂，引导学生应用刚体的简单运动和点的合成运动的相关知识对刚体的平面运动进行分解和简化，重点强调对绝对运动、相对运动和牵连运动的理解及三种运动中速度与加速度的分析。

（三）剪切的实用计算与挤压的实用计算

剪切变形的内力计算较简单，且剪切的实用计算和挤压的实用计算与轴向拉伸（压缩）变形的强度计算方法、计算公式结构均相似，可以引导学生在熟练掌握轴向拉伸（压缩）变形相关内容的基础上自学，形成自己的交流讨论思路并实现翻转课堂。

（四）扭转变形时横截面的内力及内力图

轴向拉伸（压缩）变形中详细讲解了应用截面法计算杆件内力、绘制内力图的步骤及注意事项，且扭转变形与轴向拉伸（压缩）变形的内力计算方法及内力图的绘制过程类似，学生应具备应用已学知识解决新问题的能力，因此可对扭转变形的内力计算及内力图绘制开展翻转课堂探索，引导学生通过课前查阅电子资料、视频自主学习，并将所学内容进行梳理。

（五）扭转变形、弯曲变形时的强度计算

扭转变形和弯曲变形的强度条件的推导过程较复杂，且涉及的知识面较广，暂不适宜进行翻转课堂，但应用强度条件进行强度计算主要包括强度校核、设计截面尺寸及确定许可载荷，与轴向拉伸（压缩）变形的强度条件应用方式类似，可引导学生通过自学掌握扭转变形和弯曲变形的强度条件应用，培养学生对已掌握知识进行举一反三和知识迁移的能力。

由于基础力学自身逻辑性强、比较抽象、公式推导复杂等特点，且基础力学翻转课堂还处于起步阶段，本次针对基础力学的教学改革研究仅对以上部分内容尝试采用翻转课堂模式，并根据教学效果，决定今后本校基础力学翻转课堂的深度和广度。

二、翻转课堂教学前的准备

（一）分组

在基础力学课程开课时，向学生详细介绍本门课程的授课模式：教师讲授+翻转课堂。开学两周内通过课堂表现和课后作业情况对班级学生的学习状况进行综合把握，充分了解每位学生的学习状态和对基础力学教学内容的接受情况，两周后根据学生的自我报名、教师观察和章节测验结果对学生进行分组，每组4～5 人，且尽量保证每组内至少有一名学生对基础力学的学习效果较好，能够在小组内形成互帮互助、协同共进的学习氛围。

（二）翻转课堂学习指导

翻转课堂前两周布置自学任务，通过云班课APP 推送相关的自学电子资料和MOOC 视频，学生可在第一周内根据教材、教师推送内容、自主查阅网络优质资源等进行自学，对相关知识点进行梳理，并对自己的疑问进行记录。第二周进行组内互相讨论，然后解决问题，保证每位学生熟练掌握翻转课堂的内容，并能向本组学生进行讲解、演示。在准备过程中，若存在组内解决不了的问题，可借助云班课的轻直播或班级的基础力学学习群与教师、其他组学生进行讨论，这样可以使教师实时掌握学生的自学情况及自学中存在的问题，最终完成翻转课堂的所有准备工作。

三、部分翻转课堂的实施

（一）随机选出主讲人

由于课时限制，每次翻转课堂内容仅抽取两组学生进行讲解。为保证全班学生均能积极参与课前学习与准备，进行翻转课堂的小组通过课前随机抽签选出，并在小组内随机抽签选出本组主讲学生，主讲学生的演示、讲解效果决定本组的基本分。

（二）翻转课堂演示、讲解

根据翻转课堂的内容量，每次翻转课堂演示、讲解的时间规定为20 至30 分钟，各组可根据准备情况采取板书、PPT 演示、动画播放等形式进行展示，主讲人讲解完毕后本组其他学生可适当进行补充。图1展示了工学08-Ⅱ19（4）班的学生对扭转变形时横截面上的内力及内力图进行翻转课堂学习的现场。

（三）其他组提出问题

其他组学生可根据主讲组的讲解情况及自身对自学内容的理解提出问题，主讲组成员集中回答同学们提出的问题，其他组提出的问题与本节内容的相关性和主讲组回答问题的准确性决定提问环节各组的得分情况。

（四）教师总结

综合考虑课前线上讨论情况、主讲组的讲解演示及其他组同学的提问情况，教师对两个主讲组给出点评，并对该部分自学内容的重难点进行强调和必要的补充。例如在对扭转变形概述以及扭转变形时横截面上的内力、内力图部分的翻转课堂教学过程中，应将横截面上内力的计算及内力图的绘制作为重点学习内容，6 组同学仅对扭矩的计算做了详细的讲解，但对扭矩图的绘制过程的讲解较粗糙。因此，教师在进行总结时须重点强调扭矩图的绘制过程及其特点，并与轴力图的特点进行对比，加深学生对该部分内容的理解。

（五）随堂测验

为充分了解学生对翻转课堂部分内容的掌握情况，教师要设计有针对性的随堂测验，并根据测验结果布置课后作业，让学生对翻转课堂的内容进行巩固练习。

四、翻转课堂教学效果评价

对翻转课堂教学效果的评价采取全过程考评的形式，主要包括：课前准备评价、翻转课堂现场演示评价及课后检测三部分。

课前准备包括教师推送资料、视频的学习质量及自主查阅资料的数量和质量，占比为25%；翻转课堂现场演示评价主要考虑主讲人讲解演示过程中对知识点的把握和理解是否准确、演示过程中演示手段是否多样、生动及讲解过程中的仪态仪表等，占比为50%；课后检测主要考查本组学生在课后作业及单元检测中对本部分内容的掌握程度，占比为25%。具体标准见表1。

教师根据翻转课堂的教学效果评价结果，尤其是学生的随堂测验、课后作业和单元检测中反映出的学生掌握不牢的知识点，要及时进行查漏补缺，确保学生对本部分知识点全面掌握，强化翻转课堂的教学效果。

五、基础力学部分翻转课堂的优点与存在的问题

在基础力学的教学过程中引入部分翻转课堂，较传统的基础力学教学模式具有明显优势，主要表现为：

首先，在基础力学教学过程中引入部分翻转课堂，可有效激发学生自主学习基础力学类课程的主动性，学生在基础力学课程的学习中投入时间明显增多，对知识点的独立思考和讨论明显深入，有利于夯实本校学生的力学基础。

其次，为顺利实现翻转课堂，学生不仅需要学习教师上传的学习资料，还需要通过网络查阅大量资料，观看优质MOOC 资源，在此过程中增强了学生利用网络资源进行自我提升的能力。

再次，在分组学习中，学生需要在自主学习的基础上，加强与本组同学的交流和讨论。教师可通过组内分享的方式为学生搭建表达自己观点和了解同学学习方法的平台，有利于学生学习方法的优化，同时增进学生间的了解，增强本组学生间的团队协作意识和集体荣誉感。

最后，在学生进行翻转课堂教学的过程中，为能够形象、透彻地讲解演示知识点，学生需要充分发挥想象力，大胆创新讲解演示形式，部分学生应用计算机制作了多媒体课件进行演示，增强了学生应用信息技术的能力，同时培养了学生的创新精神。

对本校教师和学生而言，基础力学的部分翻转课堂是一项新的授课模式，在具体的实施过程中存在一定问题：

一是教师和学生对基础力学部分翻转课堂的教学模式的接受程度有待提高。尤其是长期以来基础力学的教学一直采取教师教授、学生被动接受的教学模式，在进行基础力学的翻转课堂的过程中，教师和学生均表现不适应，如：改革初期学生对翻转课堂不理解，更不知道如何进行课前准备。

二是学生进行演示讲解的形式有待创新。在翻转课堂学习初期，学生大多采用纯板书的形式进行讲解，反映出学生对信息化手段的应用意识还有待提高。教师需引导学生进行PPT、动画演示及实物演示等多种形式的展示尝试，逐步培养学生应用信息化手段的能力。

三是在进行翻转课堂学习的过程中，部分学生表现出表达不流畅、不能自信地展现自己最优状态的问题，需要给学生创造更多在公共场合表现自己的机会，不断提高学生的表达能力，为学生今后的学习和就业提供帮助。

六、结语

在基础力学的教学过程中部分采用翻转课堂模式，可有效提高学生学习基础力学课程的积极性，提升基础力学的教学信息化水平，较传统教学模式具有显著的优势。但在具体的教学实施过程中仍有很多问题亟须解决，在今后的教学中本校工程基础部将继续深化改革，进一步提高教学信息化程度，提升基础力学部分翻转课堂的教学效果，不断提高学生的自主学习能力、创新能力、团队协作能力与解决工程实际问题等综合素质。