劉德寶，李春亮

（天津理工大學(xué) 功能材料國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，天津300384）

0 引 言

為落實(shí)習(xí)近平總書記關(guān)于教育的重要論述精神，結(jié)合《深化新時(shí)代教育評價(jià)改革總體方案》和教育部2022年工作要點(diǎn)等文件精神，促進(jìn)優(yōu)質(zhì)數(shù)字化教學(xué)資源有效利用，積極開展線上與線下、課堂與實(shí)踐等混合式教學(xué)，正成為未來教育的新常態(tài)[1-3]。線上教學(xué)可以將大量的教學(xué)資料瞬時(shí)傳輸給學(xué)生，突破時(shí)間和地域的限制，學(xué)生可以隨時(shí)隨地查看學(xué)習(xí)資料，進(jìn)行個(gè)性化學(xué)習(xí)，這是線下教學(xué)所不具備的條件[4]。傳統(tǒng)的線下教學(xué)方式由于學(xué)生注意力集中，師生之間的溝通和交流互動較多，課堂氛圍較好，容易營造良好的師生關(guān)系，有利于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。線上線下混合式教學(xué)通過有機(jī)融合線上教學(xué)和線下教學(xué)的優(yōu)勢，可以有效提高課程的授課效率。線上線下混合式教學(xué)既要有學(xué)生線上的自主學(xué)習(xí)，又要有師生面對面的集體學(xué)習(xí)。線上學(xué)習(xí)是線下學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)和前提，線下學(xué)習(xí)是線上學(xué)習(xí)的延續(xù)和提升，這兩部分教學(xué)是有機(jī)統(tǒng)一的。線上教學(xué)使教學(xué)時(shí)間與空間實(shí)現(xiàn)分離，教師教授和學(xué)生學(xué)習(xí)可以不在同一時(shí)間發(fā)生，也可以不在同一空間發(fā)生，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)活動因此會被重新建構(gòu)[5,6]。混合式教學(xué)更有利于個(gè)性化指導(dǎo)，支持個(gè)性化作業(yè)的布置，提供互動交流的平臺，提供資料存儲的空間，支持教學(xué)模式的創(chuàng)新。因此，教師由知識的傳授者變成學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者?；旌鲜浇虒W(xué)改變了教師先教、學(xué)生后學(xué)的傳統(tǒng)模式，變成了學(xué)生自學(xué)、學(xué)生互學(xué)與以學(xué)導(dǎo)教，以教導(dǎo)學(xué)的雙向互動，真正尊重了學(xué)生的主體地位[7]。

在互聯(lián)網(wǎng)+教育的背景下，線上線下混合式教學(xué)已經(jīng)成為教學(xué)的一種新范式和新常態(tài)，然而目前混合式教學(xué)在理論課堂實(shí)施較多，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐較少。提高實(shí)踐能力培養(yǎng)質(zhì)量是高校普遍關(guān)注的問題，也是實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)“教-學(xué)-做”的機(jī)械式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已逐漸對學(xué)生失去了吸引力，加之實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式單一、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及場地匱乏、專職實(shí)驗(yàn)教師師資不足等問題日益凸顯，若不進(jìn)行相應(yīng)的教學(xué)改革和創(chuàng)新，實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)應(yīng)發(fā)揮的作用將趨于弱化[8,9]。

在《材料力學(xué)性能》課程實(shí)驗(yàn)中對線上線下混合式教學(xué)模式的應(yīng)用進(jìn)行探索與實(shí)踐?！恫牧狭W(xué)性能》是從各種零件和工程結(jié)構(gòu)部件的服役條件和失效現(xiàn)象出發(fā)，提出衡量材料失效抗力的正確指標(biāo)。課程任務(wù)是了解這些指標(biāo)的物理意義、技術(shù)意義和測試方法，弄清這些指標(biāo)之間的相互關(guān)系，分析內(nèi)在因素（材料成分、組織狀態(tài)）和外在因素（應(yīng)力狀態(tài)、加載速度、溫度、環(huán)境介質(zhì)）的影響[7]。該課程是材料類、機(jī)械類專業(yè)重要課程之一，課程中每一個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)都有相應(yīng)的力學(xué)測試實(shí)驗(yàn)。因此，充分利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和信息化理念，賦予“教”與“學(xué)”新的內(nèi)涵，通過線上數(shù)字化信息資源，讓學(xué)生更加直觀地掌握實(shí)驗(yàn)原理、流程和操作等，當(dāng)回歸線下實(shí)驗(yàn)課堂，學(xué)生將碎片化知識與實(shí)驗(yàn)相融合，集中精力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，可達(dá)到更佳的學(xué)習(xí)效果。

1 線上教學(xué)資源與內(nèi)容設(shè)計(jì)

根據(jù)課程的教學(xué)目標(biāo)，制定線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分的教學(xué)內(nèi)容，主要包括以下內(nèi)容。

（1）實(shí)驗(yàn)室安全及實(shí)驗(yàn)操作注意事項(xiàng)。實(shí)驗(yàn)室安全的重要性不言而喻，因此要讓學(xué)生認(rèn)識忽視安全問題的嚴(yán)重性和危害性，對實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范、安全規(guī)章制度牢記于心。通過線上專門設(shè)置安全教育和力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的安全知識測試模塊，根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提前管控安全風(fēng)險(xiǎn)，充分掌握應(yīng)急措施，熟練操作應(yīng)急設(shè)備。

（2）課前學(xué)習(xí)資源。這包括實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，其中基礎(chǔ)知識是實(shí)驗(yàn)所涉及知識點(diǎn)的PPT，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料、實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)記錄與處理方法和相應(yīng)的思考題。

（3）實(shí)驗(yàn)視頻資源。材料性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示視頻資源的建設(shè)如表1所示，《材料力學(xué)性能》課程主要特點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)多，針對每種性能測試都會有相對應(yīng)的測試方法。主講教師通過自行拍攝、網(wǎng)上資源搜集等方式建立了實(shí)驗(yàn)操作的視頻演示素材庫，通過相關(guān)測試實(shí)驗(yàn)視頻的演示，講解材料性能概念與指標(biāo)，加深學(xué)生對概念的理解，掌握性能的測試方法。

表1 《材料力學(xué)性能》主要課程實(shí)驗(yàn)

（4）工程材料失效案例。案例法是課程的主要教學(xué)方式之一，因此針對材料的各種性能，收集了相關(guān)性能方面的失效和分析的典型案例，主要包括斷裂失效、電化學(xué)腐蝕失效、磨損失效及壽命預(yù)測等，提出造成材料性能失效的關(guān)鍵問題，進(jìn)一步加深學(xué)生對課程講授知識點(diǎn)內(nèi)容的理解。

（5）課程思政案例。收集了課程涉及的培養(yǎng)學(xué)生家國情懷、工程素養(yǎng)和科學(xué)精神方面的案例，如《材料力學(xué)性能》理論發(fā)展過程中的歷史淵源、相關(guān)理論在重大工程中的成功應(yīng)用、選材與用材應(yīng)遵循的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等。培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感，增強(qiáng)遵守倫理規(guī)范的自覺性，提升學(xué)生應(yīng)對工程倫理問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生造福人類、造福社會的意識。

2 教學(xué)過程組織與設(shè)計(jì)

2.1 課前線上推送課程資源自主學(xué)習(xí)

在學(xué)生開展線下實(shí)驗(yàn)前，依托線上建立的學(xué)習(xí)資源，通過布置相應(yīng)的課前任務(wù)，讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前的自主學(xué)習(xí)，主要包括實(shí)驗(yàn)室安全、實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程及注意事項(xiàng)、實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識、實(shí)驗(yàn)思考題和實(shí)驗(yàn)操作視頻。學(xué)生經(jīng)過學(xué)習(xí)課前資料，觀看實(shí)驗(yàn)操作視頻，然后進(jìn)行思考題測試。視頻可依據(jù)個(gè)人情況多次觀看，思考題測試有2次機(jī)會，以最高成績?yōu)樽罱K成績，目的是使學(xué)生充分熟悉實(shí)驗(yàn)知識。學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成相關(guān)內(nèi)容學(xué)習(xí)和考核，讓學(xué)生有充分時(shí)間學(xué)習(xí)的同時(shí)也持有緊迫感，還可以通過平臺互動或課上提出問題與教師討論。學(xué)生只有達(dá)到預(yù)習(xí)考核標(biāo)準(zhǔn)后，才能進(jìn)行線下的實(shí)驗(yàn)實(shí)操。

此外，指導(dǎo)教師也能通過在線活動獲得學(xué)生對知識的掌握情況，預(yù)測實(shí)驗(yàn)中學(xué)生遇到的難點(diǎn)，提前進(jìn)行重點(diǎn)安排?；旌鲜綄?shí)驗(yàn)教學(xué)把傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)講授通過線上形式進(jìn)行前移，給予學(xué)生充分的學(xué)習(xí)時(shí)間，盡可能讓每個(gè)學(xué)生都有較好的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)質(zhì)量，再走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，保證了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。以單向拉伸及缺口實(shí)驗(yàn)為例，學(xué)生通過線上資源可以學(xué)習(xí)單向拉伸實(shí)驗(yàn)的國家標(biāo)準(zhǔn)要求、工程應(yīng)力應(yīng)變曲線的特征階段組成、應(yīng)力應(yīng)變曲線可得到的性能參數(shù)、應(yīng)力應(yīng)變曲線所對應(yīng)的材料微觀結(jié)構(gòu)的變化以及拉伸實(shí)驗(yàn)的操作等內(nèi)容。

2.2 線下實(shí)驗(yàn)課設(shè)計(jì)與實(shí)施

通過線上學(xué)習(xí)，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)所涉及的原理知識、實(shí)驗(yàn)步驟和方法有了一定的了解和掌握。線下教學(xué)過程中，教師針對學(xué)生在線學(xué)習(xí)反饋的共性問題進(jìn)行查缺補(bǔ)漏和針對性指導(dǎo)，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動，組織學(xué)生把在線所學(xué)到的基礎(chǔ)知識和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行運(yùn)用和鞏固，可以實(shí)現(xiàn)更加高級的教學(xué)目標(biāo)。具體實(shí)施過程可借助雨課堂等工具進(jìn)行輔助教學(xué)，進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)合作和互動。每個(gè)互動都要有明確的目標(biāo)，互動的所有方式為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)而設(shè)計(jì)，綜合采用提問、辯論、討論、調(diào)查、測試等互動形式，增加互動的趣味性和實(shí)用性。例如在單向靜拉伸實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置涉及材料機(jī)理、引伸計(jì)的作用原理、拉伸曲線的特性討論、斷口宏微觀形貌的分析等，需要學(xué)生分組討論和合作研討。因此，線下實(shí)驗(yàn)包括預(yù)習(xí)成果的反饋、分組合作實(shí)驗(yàn)、總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果、核心要點(diǎn)凝練和隨堂測試等環(huán)節(jié)，指導(dǎo)教師可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)前大量的講授和解說時(shí)間，把時(shí)間用在分組教學(xué)指導(dǎo)、引導(dǎo)和點(diǎn)評等方面。

2.3 實(shí)驗(yàn)課后鞏固與評估

實(shí)驗(yàn)后學(xué)生通過回答思考題，對實(shí)驗(yàn)涉及的知識點(diǎn)進(jìn)一步加深理解。教師結(jié)合學(xué)生的實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、思考題解答等內(nèi)容對學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評價(jià)和教學(xué)反思。由于采用了信息化方式，可以基于全過程數(shù)據(jù)鏈的采集，對學(xué)生學(xué)習(xí)效果及能力進(jìn)行評價(jià)，包括課前線上的測試成績與實(shí)驗(yàn)過程操作表現(xiàn)、團(tuán)隊(duì)合作表現(xiàn)、數(shù)據(jù)記錄與分析、實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績等線下成績。最終學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績的構(gòu)成為線上（30%）+實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)（20%）+實(shí)驗(yàn)報(bào)告（50%），形成了基于全過程數(shù)據(jù)鏈的學(xué)生成績評價(jià)。

3 教學(xué)效果分析

3.1 線上學(xué)習(xí)效果分析

通過對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的分析，實(shí)驗(yàn)前的線上學(xué)習(xí)可以讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)的理論知識、安全知識、操作流程和操作規(guī)范，尊重學(xué)生的主體地位。學(xué)生通過多次觀看視頻和回答思考題，了解實(shí)驗(yàn)的具體要求，更符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，也能將課外科學(xué)知識帶進(jìn)課堂，拓展學(xué)生視野，增加學(xué)習(xí)的深度，并且培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、信息化學(xué)習(xí)的能力，同時(shí)消除了學(xué)生在傳統(tǒng)課堂上不敢發(fā)言表達(dá)自己觀點(diǎn)的不自信的心理。線上學(xué)習(xí)還能讓學(xué)生能夠進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作、對仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和結(jié)果進(jìn)行初步分析。但也存在部分學(xué)生不認(rèn)真自學(xué)，沒有達(dá)到實(shí)驗(yàn)前應(yīng)具備的條件，這部分學(xué)生將不允許進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段，只有真正達(dá)到預(yù)習(xí)要求后才能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

3.2 線下實(shí)操課堂效果

通過線上的前置學(xué)習(xí)，學(xué)生在實(shí)操前已經(jīng)掌握了實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)和操作步驟，因此課上教師只需簡要說明實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和重點(diǎn)，便可指導(dǎo)學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)。由于學(xué)生實(shí)驗(yàn)前的充足準(zhǔn)備，提高了實(shí)驗(yàn)效率和實(shí)驗(yàn)成功率，且在實(shí)驗(yàn)期間學(xué)生能主動思考問題，分析總結(jié)失敗原因。雖然學(xué)生要花費(fèi)一定的時(shí)間和精力進(jìn)行線上學(xué)習(xí)，但節(jié)省實(shí)操的時(shí)間，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)緊張、師資緊張和臺套數(shù)緊張的問題。教師有更充足時(shí)間多角度、多維度組織學(xué)生分組探究、翻轉(zhuǎn)課堂，同時(shí)還可以讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課堂上積極研討和頭腦風(fēng)暴。例如材料靜拉伸實(shí)驗(yàn)中，比較不同組學(xué)生的數(shù)據(jù)，分析不同材料應(yīng)力應(yīng)變曲線的特點(diǎn)，找出拉伸斷口的形貌特征與材料特性之間的關(guān)系以及材料彈性、屈服、塑性、應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)、斷裂韌性指標(biāo)的工程意義等相關(guān)聯(lián)的知識點(diǎn)。

3.3 形成性評價(jià)分析

為了對線上線下混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果進(jìn)行評價(jià)和分析，選擇2個(gè)教學(xué)班分別采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法（對照組）和線上線下混合式教學(xué)方法（實(shí)驗(yàn)組）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過實(shí)驗(yàn)成績法和調(diào)查問卷2種方式進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)成績法對照結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)成績法對照結(jié)果

從表2可以看出，實(shí)驗(yàn)組和對照組的實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)成績相差不大，而實(shí)驗(yàn)組的預(yù)習(xí)內(nèi)容要多于對照組，不僅需觀看虛擬仿真實(shí)驗(yàn)視頻，還有思考題的回答和測試，對照組預(yù)習(xí)內(nèi)容較少，僅包含實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的預(yù)習(xí)。因此，實(shí)驗(yàn)組在預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)所花費(fèi)的時(shí)間一般是對照組的2～3倍。從實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績來看，實(shí)驗(yàn)組高于對照組，說明線上的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)通過多種資源的傳遞和測試，讓學(xué)生實(shí)驗(yàn)前有壓力、帶任務(wù)去學(xué)習(xí)，有利于學(xué)生對實(shí)驗(yàn)知識點(diǎn)的理解、提高實(shí)驗(yàn)操作的成功率和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫質(zhì)量。而且經(jīng)過線上預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)的課前講授、實(shí)驗(yàn)示范、實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間大幅減少，學(xué)生有充足的時(shí)間進(jìn)行研討、交流，有利于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力和增加課堂的活躍度。

表3所示為實(shí)驗(yàn)組和對照組調(diào)查問卷結(jié)果，大部分學(xué)生認(rèn)為線上線下混合式教學(xué)在《材料力學(xué)性能》實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用可以提高其各項(xiàng)能力，特別是自主學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和實(shí)驗(yàn)操作能力。相對而言，創(chuàng)新能力、分析問題和解決問題能力提高并不明顯。由于課程實(shí)驗(yàn)主要是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，并不屬于前沿創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，對創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有限。加上學(xué)生實(shí)驗(yàn)課時(shí)有限，沒有形成綜合化、系列化實(shí)驗(yàn)，參與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析僅限于課堂實(shí)驗(yàn)，因此對分析問題和解決問題能力培養(yǎng)不充分。今后應(yīng)結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，加強(qiáng)科研成果轉(zhuǎn)化系統(tǒng)性思維的課外實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，并鼓勵(lì)學(xué)生參與教師科研課題。

表3 問卷調(diào)查法對照結(jié)果

4 結(jié)束語

線上線下混合式實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ接蓚鹘y(tǒng)的教師先演示、學(xué)生后學(xué)模式，變成了學(xué)生自學(xué)、學(xué)生互學(xué)與以學(xué)導(dǎo)教、以教導(dǎo)學(xué)的雙向互動模式。通過課前的線上資源和信息化方式的結(jié)合使用，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模教學(xué)、碎片化學(xué)習(xí)，不受時(shí)間和空間限制，可重復(fù)性地學(xué)習(xí)，因此學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性得到加強(qiáng)。線上教學(xué)還可以在課后鞏固實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)成果，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行討論改進(jìn)，更加有利于核心素養(yǎng)培育，彰顯育人價(jià)值。基于全過程數(shù)據(jù)鏈對學(xué)生進(jìn)行及時(shí)地學(xué)習(xí)反饋，讓教學(xué)活動更加具有針對性，不但讓學(xué)生學(xué)得清楚，而且讓教師教得明白。以上這些優(yōu)勢對建設(shè)具有高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)性的線上線下混合式實(shí)驗(yàn)課有強(qiáng)大的支撐作用，但對線上教學(xué)中存在學(xué)生匿名學(xué)習(xí)、關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)不充分、對學(xué)生的約束性不強(qiáng)以及學(xué)習(xí)效果差異大等問題需要進(jìn)一步完善和改進(jìn)。