基于在线课程的理论力学翻转课堂教学探究

摘  要：山东科技大学面向非双一流高校学生和社会学习者建设的理论力学在线开放课程坚持以学生为中心的教学设计思想，培养学生的工程应用能力和逻辑思维能力，并将在线教学与线下教学相结合进行翻转课堂教学实践改革。以动力学普遍定理综合应用教学设计实例说明翻转课堂具体的应用过程及效果。实践证明，新的线上线下结合的翻转课堂教学模式更能调动学生学习的积极性和创造性，培养学生的逻辑思维能力和解决工程问题的能力，达到传统课堂无法实现的教学效果。

关键词：在线课程；翻转课堂；理论力学；教学设计；线上线下

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）01-0131-04

Abstract： The online open course of Theoretical Mechanics in Shandong University of Science and Technology， which is for non first-class college students and social learners， adheres to the student-centered teaching design idea， cultivates students' engineering application ability and logical thinking ability， and combines online teaching with offline teaching to carry out flipped classroom teaching practice reform. The application process and effect of flipped classroom are illustrated by an example of comprehensive application teaching design of general theorem of dynamics. Practice has proved that the new online and offline flipped classroom teaching mode can better mobilize students' learning enthusiasm and creativity， cultivate students' logical thinking ability and ability to solve engineering problems， and achieve the teaching effect that can not be achieved in the traditional classroom.

Keywords： online course; flipped classroom; Theoretical Mechanics; instructional design; online and offline

随着信息技术的发展和在线课程的推广，传统的满堂灌式课堂教学模式已经不能适应现代大学生对于学习过程的要求。较80后、90后的学生，00后的学生们更加喜欢相对自由的、自主的、开放的学习环境。这样的教学环境更能激发他们学习的主动性和创造性，达到传统教学方式达不到的教学效果。同时，由于学时的压缩，线下课堂授课时间减少，而教学内容的体系结构必须完整，不能删减，这就形成了授课学时和授课内容之间的矛盾。将线上课程与网络课程相结合可以在很好解决课时问题的同时满足学生转变学习方式的需求，使理论力学课程线下学习从低阶的被动接受进升到高阶的讨论、思考和应用。

理论力学课程的特点是知识体系的完整性和逻辑推理的严密性。其理论性强、学习难度大，需要学习者具有良好的科学抽象能力、形象思维能力、数学计算能力才能学好课程。同时课程知识体系前后呼应，环环相扣，需要学习者进行大量练习才能较好地掌握和理解。这导致学生往往学习过程中力不从心，觉得课程学习难度大，容易出现畏难心理。根据理论力学课程的上述特点，山东科技大学理论与应用力学教研室面向非双一流本科高校学生和社会学习者录制了理论力学在线开放课程，并在全国大型的在线开放课程平台——智慧树运行了5个周期。

一、在线课程内容和设计特点

（一）课程注重基础理论讲解同时强化工程应用

课程主要面向非双一流重点院校和高职、高专的学生在线学习。这些院校的学生共同特点是数学和物理基础较弱，接受能力没有那么强，所以课程团队在课程设计上以所面向学生为中心，从学生的学习习惯出发，来“降低学生学习的难度”。例如：所有授课视频中的矢量都采用手写体的形式，时刻提醒学生矢量运算与标量运算的区别；在静力学部分列平衡方程时，每一个力的投影都单独添加动画，使学生了解计算过程中投影正负号的确定方法，明确计算的过程。通过引入“弦线球”“推土机推土刀受力分析”“电影打斗场景”等内容，将力学知识融入具体问题。比如在讲解质心运动定理和普遍定理综合应用时，将“隔空抓物”“左脚踩右脚上天”等电影桥段放映给同学们观看，并请他们用力学原理进行分析。此时学生的学习兴趣就会很高，他们在兴致盎然中强化工程应用，提升课程理论联系实际的高阶性。

（二）注重学生逻辑思维能力的培养和知识体系的架构

在线授课过程中，设有章总结，帮助学生梳理每章的知识点。智慧树平台在线授课中安排了见面课环节。所谓见面课就是通过在智慧教室现场直播的方式，由课程团队教师与学生在线实时互动、进行课程知识点的学习、讨论、交流。在6次见面课上，老师对静力学、运动学、动力学和全篇进行归纳、总结、重构。通过章总结、篇总结和全篇总结的方式，环环相扣，培养逻辑思维能力、形成完整的知识体系。

（三）信息技术融合，注重“实效”和“时效”

基于学习数据调控教学设计：课程在线运行中，设置课间问答、章节测验、讨论、见面课等环节，“落实”学生确实在学习，并将学习进程、效果及时反馈。课间问答是通过弹题的方式，对刚讲过的知识点进行提问，学生回答正确后才可以继续后续的学习。章节测验安排在每章的最后，对本章内容学生的掌握程度进行检测。教师根据系统平台统计的学生学习的各项数据及课程问题讨论区学生的提问等内容，在见面课上有的放矢地进行教学设计，对学生存有疑问或者感兴趣的知识点进一步进行剖析和挖掘，并将存疑较多的知识点进行重点梳理总结，在课程资料区补充各种学习资料。

即时在线答疑创设网络“实体课堂”：章节测验的所有题目都是客观题包括选择和判断两种题型。学生完成测试提交后可以即时查看自己的测验成绩。对于做错的题目如果不知道如何正确求解，可以在课程讨论区发问。讨论区的同学和老师都可以对问题进行回答（例如课程运行第2周期讨论区发帖数为23 726次，第3周期教师发帖数376次）。这种时效性创建了一种沉浸式的学习环境。

（四）课程学习过程的设置具有一定的挑战度，有利于积极向上价值观塑造

课程运行中设置了“学习习惯分”（占总成绩的15%），要求学生克服懒散的定势、合理安排好学习计划、逐步养成良好的学习习惯。对于普通高等学校的很多同学来说要很好完成上述的学习工作具有一定的挑战度。同时良好的学习习惯可以培养自律、向上的品质，形成正确的价值观。

二、在线课程应用情况

理论力学在线课程在山东科技大学实体班教学过程中获得了较好的应用。课程团队主讲教师通过将在线课与课堂教学有机融合，实施了案例启发式、知识体系的构建式、思维导图式发散性思维等多种教学方法和手段，有效提升了学生的学习兴趣和逻辑思维能力，强化了学生的研究型学习能力。多维模式教学重视学生全过程学习能力的培养，其效果要远好于传统课堂教学。线上学习和教学资源与课堂教学同步，教师可以根据在线学习数据及时掌握学生状态和存在的问题，有目的地安排下一步的教学工作，真正做到教学相长。目前，课程期末考试成绩占比60％，平时成绩占比40％。平时成绩的40％包括在线课学习成绩80％、课堂讨论成绩10％、线下作业成绩10％等几部分。将过程性评价贯穿于课前、课中和课后三个教学阶段，构建了过程性评价+结果性评价两级评价体系，实现了学生学习全过程的可测可控。

理论力学在线开放课程自2019年2月20日在智慧树平台开课，每学期开设１期，至2020年12月开设4期。先后有山东农业大学、贵州民族大学、青岛农业大学、青岛科技大学、山东交通学院及郑州科技学院等35所学校的师生通过平台注册学习，高校及社会学习者选课人数已达到1.06万人。新冠肺炎疫情期间有19所学校的2 856名的高校学生和社会学习者选择本课程进行学习，授课教师提供了全方位的在线教学服务（包括课程资料更新、在线答疑等），很好地发挥了网络共享课程的作用。

使用过的高校师生普遍反映主讲教师讲解清楚、网上资源丰富多样、教学内容生动、工程案例典型、可以作为本校学习该课程的补充和参考、适合作为翻转课堂的线上资源。2021年3月，理论力学课程获得2021春季学期智慧树网“特色高校精品课程”。

三、翻转课堂教学设计范例

现就山东科技大学理论与应用力学教研室应用在线开放课程进行翻转课堂教学经验介绍如下。线上线下混合式翻转课堂教学的具体过程如图1所示。具体为线上线下两条学习主线，互相补充，“教”“学”相长。

线上主线：教师在线上发布学习任务，学生在线观看学习视频，学习新知识点。由于每个知识点的内容时长一般小于15分钟，所以学生可以自主灵活地安排学习时间。完成学习后，通过课后测验检验自己掌握的程度。如果有做错的题目经钻研解决不了，就进入课程讨论区发布疑问。在讨论区中，本校同学、外校学生、本校老师、外校老师和社会学习者形成了一个学习共同体。这个共同体中的所有人都可以看到该同学发布的问题。该同学的问题可能是其他学习者没有思考过的，进而引起这个学习共同体的集体思考讨论，最终解决这个问题。通过这样一个互动讨论的环节，可以带动整个学习群体的思考，从而共同提升。此外，学生通过测验发现问题后，还可以在线下的翻转课堂中，与任课老师和本班同学进行交流和讨论，解决自己的问题。

线下主线：在线下课堂教学中，老师根据学生在线学习的章节测验结果及互动讨论区中学生提出的问题，有的放矢地设置教学情境，提出问题，并借助网络平台发布问题、提问学生或者进行头脑风暴等教学活动。与传统课堂的提问相比，利用系统平台可以即时统计学生投票的结果，了解本班所有同学的掌握情况。由统计结果一目了然看到学生们的回答情况，甚至细致到每一个同学的对错都可以看到。有了这些数据，教师可以灵活调整教学方案。

在线上和线下两条主线中，教师可以根据线上互动讨论区和线下课堂同学们的反馈情况归纳总结很多同学掌握起来有困难的知识点，制作成教学辅助资料，上传到课程资料区，供学生反复学习使用。智慧树网山东科技大学理论力学课程资料区中已上传119个非视频资源还有视频资料，包括科氏加速度如何确定指向、加速度合成定理如何利用投影的方法计算要求的未知量、力矩转向确定方法等内容。

四、普遍定理综合应用翻转课程教学设计案例

以普遍定理综合应用的翻转课堂教学设计为例说明翻转课堂的教学过程。

（一）教学目标

考察学生能否灵活运用质心运动定理、相对于质心的动量矩定理、动能定理等对具体的受力和运动之间的关系进行分析；能够灵活应用基本力学原理，对实际工程问题进行分析；采用小组讨论、讲解、论证的方式进行。

（二）课前准备

布置学生在线学习完成动量定理、动量矩定理和动能定理及普遍定理综合应用的内容。学生课前完成相关学习后，教师得到的反馈是：（1）动量、动量矩和动能的计算还不能灵活应用；（2）什么时候用哪个定理解题还不是很清楚。