席睿 許蘭貴 吳林峰 韓林山

摘 ?要：本文針對“現(xiàn)代設(shè)計理論及方法”中優(yōu)化設(shè)計理論的內(nèi)容構(gòu)成和教學(xué)特點，分析了引入翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的原因和主要思路，系統(tǒng)地闡述了基于微課技術(shù)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)計方案及實施過程。實踐證明，準(zhǔn)確把握微課特點，充分發(fā)揮翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的優(yōu)勢，有助于提升傳統(tǒng)工科課程的教學(xué)效果，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

關(guān)鍵詞：翻轉(zhuǎn)課堂;微課;教學(xué)設(shè)計;教育信息化

中圖分類號：G434;G642.4 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）13-0149-03

Research on the Application of Flipped Classroom Teaching Based on Micro-course

——Take the Teaching of “Modern Design Theory and Methodology” as an Example

XI Rui，XU Langui，WU Linfeng，HAN Linshan

（North China University of Water Resources and Electric Power，School of Mechanical Engineering，Zhengzhou ?450045，China）

Abstract：According to the structure and teaching characteristics of optimum design theory class in “Modern Design Theory and Methodology”，the study demonstrates the necessity and method to introduce flipped classroom teaching mode，and systematically analyses how to design and process flipped classroom teaching on the basis of micro-course technology. Practice has proved that accurately grasping the characteristics of micro-courses and giving full play to the advantages of flipped classroom teaching mode can help to improve the teaching effect of traditional engineering courses and enhance studentslearning efficiency.

Keywords：flipped classroom;micro-course;teaching design;education informatization

0 ?引 ?言

機(jī)械設(shè)計及其自動化專業(yè)中的“現(xiàn)代設(shè)計理論及方法”課程是該專業(yè)學(xué)生的一門核心課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生利用一些新興的設(shè)計理念和方法進(jìn)行工程設(shè)計，使所設(shè)計的產(chǎn)品具有先進(jìn)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和及時性。由于該課程屬于多元交叉學(xué)科，具有較強(qiáng)的理論性、綜合性、實踐性特點，在教學(xué)過程中，教師經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)如下教學(xué)問題：傳統(tǒng)教學(xué)課堂比較適合向?qū)W生進(jìn)行理論講授和簡單的案例介紹，大部分學(xué)生能夠理解老師講過的案例，也掌握了基礎(chǔ)理論知識，但在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計時，學(xué)生遇到工程設(shè)計問題時通常無法自己從整體入手將課堂所學(xué)在頭腦中整合以自如應(yīng)用于工程實踐，理論應(yīng)用實踐能力不足。

1 ?教學(xué)中的主要問題及原因剖析

這種問題產(chǎn)生的原因主要是學(xué)生在傳統(tǒng)的授課方式下更習(xí)慣被動地接受老師的知識“灌輸型”教學(xué)，主動思考能力鍛煉不足，從而在解決實際工程問題時，雖然明白各種理論的原理，也學(xué)過各種其他相關(guān)課程，但是不會靈活運(yùn)用。因此審視以往教學(xué)內(nèi)容安排，以課程中的主要部分—優(yōu)化設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容為例，對工程優(yōu)化設(shè)計可分四大部分：

（1）對工程問題進(jìn)行正確數(shù)學(xué)模型提煉。該部分是解決優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵，非?？简瀸W(xué)生機(jī)械設(shè)計、材料力學(xué)等先行科目的掌握程度和工程經(jīng)驗，但是由于課時原因這部分只能通過簡單的幾個實例用2個學(xué)時進(jìn)行介紹，且屬于灌輸型講解，學(xué)生難以深入理解并有效掌握。

（2）選擇合適的優(yōu)化算法。課堂上針對不同數(shù)學(xué)模型的特征詳細(xì)進(jìn)行了多種優(yōu)化算法的原理講解和數(shù)學(xué)算例計算，這部分內(nèi)容占課時大部分，學(xué)生對原理理解較好。但是這樣上課內(nèi)容非?？菰?，學(xué)生的頭腦中記住的是一個個孤立的算法，而工程實際中需要對多種算法進(jìn)行靈活運(yùn)用，這其綜合運(yùn)用方面，學(xué)生難以得到有效鍛煉。

（3）編程調(diào)試求最優(yōu)解。對常用算法安排單獨課時，并利用C語言求解，這對學(xué)生掌握優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)工具非常重要。但是在工程領(lǐng)域有很多商用優(yōu)化軟件更適用于處理復(fù)雜的機(jī)械優(yōu)化問題，在本科教學(xué)階段缺少課時對學(xué)生做必要的引入介紹。

（4）優(yōu)化結(jié)果的分析評價。該部分依賴優(yōu)化經(jīng)驗，在傳統(tǒng)課堂中難以有效指導(dǎo)。

在以上四點的能力培養(yǎng)中，對應(yīng)優(yōu)化算法的學(xué)習(xí)可在課堂上進(jìn)行綜述，梳理各算法關(guān)系，而對于各算法的原理可利用互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)，以錄制微課的方式讓學(xué)生在課下進(jìn)行理論學(xué)習(xí)，在課堂中增加對利用優(yōu)化設(shè)計理論進(jìn)行實際工程優(yōu)化問題的講解，以解決上述（1）（3）（4）部分教學(xué)內(nèi)容不足的問題。同時為學(xué)生布置工程實際優(yōu)化任務(wù)令其在課下完成，回到課堂進(jìn)行解決方案的講解和師生共同評價探討，以翻轉(zhuǎn)課堂的方式提高學(xué)生對實際工程問題的綜合處理能力。

2 ?基于微課的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的主要思路

2.1 ?引入翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式

翻轉(zhuǎn)課堂是指學(xué)生在課前利用教師準(zhǔn)備的與教學(xué)目標(biāo)相匹配的材料（如音頻、視頻及達(dá)標(biāo)聯(lián)系教材等），在音頻或視頻的指導(dǎo)下自主完成課程知識學(xué)習(xí)，課堂上主要通過“教師-學(xué)生”或“學(xué)生-學(xué)生”的互動活動進(jìn)行所學(xué)知識的消化吸收，從而形成以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為中心，教師充當(dāng)教學(xué)的指導(dǎo)者和學(xué)習(xí)材料的提供者的模式，以促進(jìn)學(xué)生專業(yè)應(yīng)用能力的個性化培養(yǎng)[1]。

在本科目的教學(xué)中，教師可以采用翻轉(zhuǎn)課堂的方式提高學(xué)生對實際工程問題的綜合處理能力，課堂上先完成必要的教學(xué)如應(yīng)用概述，優(yōu)化實例完成步驟介紹，優(yōu)化算法的綜述，而具體的各類算法原理和軟件實操小案例以微課的方式令學(xué)生在課下完成。之后為學(xué)生布置工程實際優(yōu)化任務(wù)，讓學(xué)生回到課堂進(jìn)行優(yōu)化解決方案的講解（提取數(shù)學(xué)模型的思路、優(yōu)化算法的選擇和編程過程），師生共同評價探討，以翻轉(zhuǎn)課堂的方式提高學(xué)生對實際工程問題的綜合處理能力。

為學(xué)生布置優(yōu)化案例任務(wù)不僅將學(xué)生的學(xué)習(xí)模式由被動接收轉(zhuǎn)為主動學(xué)習(xí)，而且微課的采用將傳統(tǒng)模式中教師花費(fèi)大量時間在課上講授的算法原理移到課余時間由學(xué)生自主完成，課上留下了充足的時間用于展開基于實際應(yīng)用問題的互動，一方面有助于學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的深入理解，另一方面為學(xué)生提供了解決工程實際優(yōu)化問題的機(jī)會。

2.2 ?借助微課擴(kuò)充學(xué)生的學(xué)習(xí)時間

“微課”是一種對傳統(tǒng)課程知識點進(jìn)行有效提煉后形成的短小精悍、指向明確的網(wǎng)絡(luò)課程。微課通常時程很短，僅針對傳統(tǒng)課堂中的一兩個知識點進(jìn)行教學(xué)。這些知識點往往是傳統(tǒng)課堂中的重點、難點和學(xué)生常見疑點。在5分鐘-10分鐘的時間內(nèi)，微課教師需要圍繞有限的主題，從背景、概念、方法、效果等方面進(jìn)行重點突出、短促有力的講解。這要求教師的選題應(yīng)當(dāng)具備很強(qiáng)的針對性和代表性，教學(xué)內(nèi)容必須提綱挈領(lǐng)，以滿足微課資源容量較小、便于傳播、指向性強(qiáng)等特點，使學(xué)生通過微課能夠迅速抓住課程的重要知識背景和主要知識點。然而，正因為微課的這些特點，使其不能完全替代傳統(tǒng)課程的完整性和貫通性，容易造成課程碎片化傾向，必須通過與傳統(tǒng)課程和實踐課程的結(jié)合，保證學(xué)生課程培訓(xùn)的完整度。對于優(yōu)化設(shè)計理論部分的知識講授而言，內(nèi)容多且具有一定的體系性，非常適合將各類具體算法原理制作成微課令學(xué)生課下進(jìn)行學(xué)習(xí)，而在課堂上只討論不同算法的應(yīng)用。

基于微課的課程教學(xué)模式，將傳統(tǒng)教學(xué)與翻轉(zhuǎn)課堂的特點相結(jié)合，課堂上以學(xué)生討論互動為主，教師全程起主導(dǎo)和解惑作用。因為微課使得課前、課后的時間和空間得以延展。教與學(xué)的互動性從有形空間拓展到無形空間[2]。

3 ?基于微課教學(xué)設(shè)計及應(yīng)用

3.1 ?微課內(nèi)容設(shè)計

在微課內(nèi)容的選擇上應(yīng)選擇獨立性較強(qiáng)且內(nèi)容適合在5分鐘-10分鐘內(nèi)講完的知識點，以優(yōu)化算法的講述內(nèi)容為例[3]：

（1）每一種算法的介紹都應(yīng)該首先說明其歸屬的算法體系及其工程應(yīng)用背景;

（2）需指明其適合哪種類型的數(shù)學(xué)模型;

（3）對算法原理進(jìn)行概述;

（4）對求解過程進(jìn)行講解;

（5）算法特點總結(jié);

（6）數(shù)學(xué)例題應(yīng)用或者工程應(yīng)用效果評價。

在資源的準(zhǔn)備上應(yīng)注意每種算法的安排應(yīng)由簡入繁、有概述有詳述，有引例有總結(jié)。這就需要教師精心分解好各部分內(nèi)容，準(zhǔn)備好PPT動畫和講稿等資源，并將其制作成為校園網(wǎng)絡(luò)平臺上的資源。

3.2 ?微課信息設(shè)計

微課信息設(shè)計主要包括選題來源、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重難點、教學(xué)對象、教學(xué)用途、時間[4]。以優(yōu)化設(shè)計理論中黃金分割法的微課視頻為例，微課信息設(shè)計具體如表1所示。

3.3 ?學(xué)習(xí)任務(wù)單設(shè)計

學(xué)習(xí)任務(wù)單主要是為輔助完成教學(xué)目標(biāo)而設(shè)計的，即學(xué)生通過觀看教學(xué)視頻能夠了解、熟悉并掌握的知識點，為翻轉(zhuǎn) 課堂的有效實施奠定堅實的基礎(chǔ)[5]。任務(wù)單設(shè)計如表2所示。

4 ?基于微課的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)實施過程

對于“現(xiàn)代設(shè)計理論及方法”課程中優(yōu)化算法部分的教學(xué)采用傳統(tǒng)教學(xué)與翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合的教學(xué)方式。

4.1 ?教學(xué)過程安排

優(yōu)化設(shè)計部分的學(xué)習(xí)，首先應(yīng)基于傳統(tǒng)課堂授課對優(yōu)化設(shè)計的理念進(jìn)行概述，使學(xué)生明確優(yōu)化設(shè)計的概念、優(yōu)化設(shè)計的知識體系、優(yōu)化設(shè)計的步驟，并結(jié)合若干實例明確一個工程問題的完整優(yōu)化過程。之后將各種優(yōu)化算法加以概述，使學(xué)生大概明晰算法的分類和在整個優(yōu)化過程中的地位。

對于算法的掌握則通過微課進(jìn)行，教師給予學(xué)生微課資源的簡介和學(xué)習(xí)順序，并布置階段性任務(wù)令學(xué)生課下完成，并通過QQ、微信或網(wǎng)絡(luò)平臺答疑掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，之后再回到課堂進(jìn)行課程小結(jié)和共同探討。

對較為復(fù)雜的工程問題可在學(xué)生對優(yōu)化算法和上機(jī)編程環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)之后進(jìn)行，教師可事先準(zhǔn)備一定難度的工程優(yōu)化實例作為引例，此部分著重與優(yōu)化軟件工具結(jié)合以使學(xué)生了解工程問題的數(shù)學(xué)模型的具體建立過程和在軟件中的設(shè)置。之后學(xué)生將課下自行完成一個工程問題從優(yōu)化方案的提出—數(shù)學(xué)模型的逐步建立—合適的算法選擇—求解—優(yōu)化結(jié)果的評價。隨后的課堂將進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，由學(xué)生來講解自己的優(yōu)化項目，使其完整掌握對工程問題進(jìn)行優(yōu)化的能力。

4.2 ?過程考核方法

根據(jù)“現(xiàn)代設(shè)計理論及方法”課程的學(xué)時數(shù)，對微課程視頻列表對應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重組，如優(yōu)化部分總共涉及五大類算法，對不同類的算法設(shè)置分別計分得出算法微課學(xué)習(xí)總分，工程優(yōu)化任務(wù)單獨計分。

這兩部分總計100分的過程考核成績，結(jié)合考試課最終的卷面考核一起折合成總分，將原先的最終考試壓力平攤在日常的學(xué)習(xí)中，學(xué)生也能在任務(wù)完成的過程中體驗到成就感。

5 ?教學(xué)感言

在建設(shè)“新工科”背景下，教師的教學(xué)內(nèi)容不應(yīng)再局限于傳統(tǒng)課堂基于課本的教學(xué)，而是應(yīng)該立足工程應(yīng)用實際，加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生理論結(jié)合實踐的能力。同時應(yīng)緊跟時代，積極采用“翻轉(zhuǎn)課堂”等新興的教學(xué)理念，不斷適應(yīng)信息化大潮所造就的“微課”這種新型教學(xué)方式的教學(xué)改革，對傳統(tǒng)工科教學(xué)進(jìn)行“升級改造”。

（1）在教學(xué)中引入“翻轉(zhuǎn)課堂”和微課教學(xué)可以充分拓寬學(xué)生學(xué)習(xí)的廣度和深度，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，并通過討論和學(xué)習(xí)報告使老師可以有效掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并及時將指導(dǎo)內(nèi)容傳達(dá)給學(xué)生。

（2）學(xué)生的學(xué)習(xí)不再依賴于課堂教學(xué)，通過微課視頻，學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況，有針對性地控制微課播放進(jìn)度，必要時可反復(fù)觀看，強(qiáng)化了學(xué)習(xí)效果，節(jié)省了課堂時間。

（3）基于微課的“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式打破了傳統(tǒng)工科教學(xué)枯燥、學(xué)生容易疲勞的現(xiàn)狀，激發(fā)了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣，活躍了課堂氣氛。

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作者簡介：席睿（1985-），女，漢族，河南衛(wèi)輝人，博士研究生，講師，主要研究方向：精密機(jī)械設(shè)計及優(yōu)化方面的教學(xué)和科研。