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摘 要：本文针对“现代设计理论及方法”中优化设计理论的内容构成和教学特点，分析了引入翻转课堂教学模式的原因和主要思路，系统地阐述了基于微课技术的翻转课堂教学设计方案及实施过程。实践证明，准确把握微课特点，充分发挥翻转课堂教学模式的优势，有助于提升传统工科课程的教学效果，增强学生的学习效率。
关键词：翻转课堂;微课;教学设计;教育信息化
中图分类号：G434;G642.4 文献标识码：A 文章编号：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 students’learning efficiency.
Keywords：flipped classroom;micro-course;teaching design;education informatization
0 引 言
機械设计及其自动化专业中的“现代设计理论及方法”课程是该专业学生的一门核心课程，旨在培养学生利用一些新兴的设计理念和方法进行工程设计，使所设计的产品具有先进性、可靠性、经济性和及时性。由于该课程属于多元交叉学科，具有较强的理论性、综合性、实践性特点，在教学过程中，教师经常会发现如下教学问题：传统教学课堂比较适合向学生进行理论讲授和简单的案例介绍，大部分学生能够理解老师讲过的案例，也掌握了基础理论知识，但在指导学生进行毕业设计时，学生遇到工程设计问题时通常无法自己从整体入手将课堂所学在头脑中整合以自如应用于工程实践，理论应用实践能力不足。
1 教学中的主要问题及原因剖析
这种问题产生的原因主要是学生在传统的授课方式下更习惯被动地接受老师的知识“灌输型”教学，主动思考能力锻炼不足，从而在解决实际工程问题时，虽然明白各种理论的原理，也学过各种其他相关课程，但是不会灵活运用。因此审视以往教学内容安排，以课程中的主要部分—优化设计的教学内容为例，对工程优化设计可分四大部分：
（1）对工程问题进行正确数学模型提炼。该部分是解决优化设计的关键，非常考验学生机械设计、材料力学等先行科目的掌握程度和工程经验，但是由于课时原因这部分只能通过简单的几个实例用2个学时进行介绍，且属于灌输型讲解，学生难以深入理解并有效掌握。
（2）选择合适的优化算法。课堂上针对不同数学模型的特征详细进行了多种优化算法的原理讲解和数学算例计算，这部分内容占课时大部分，学生对原理理解较好。但是这样上课内容非常枯燥，学生的头脑中记住的是一个个孤立的算法，而工程实际中需要对多种算法进行灵活运用，这其综合运用方面，学生难以得到有效锻炼。
（3）编程调试求最优解。对常用算法安排单独课时，并利用C语言求解，这对学生掌握优化设计实现工具非常重要。但是在工程领域有很多商用优化软件更适用于处理复杂的机械优化问题，在本科教学阶段缺少课时对学生做必要的引入介绍。
（4）优化结果的分析评价。该部分依赖优化经验，在传统课堂中难以有效指导。
在以上四点的能力培养中，对应优化算法的学习可在课堂上进行综述，梳理各算法关系，而对于各算法的原理可利用互联网教学，以录制微课的方式让学生在课下进行理论学习，在课堂中增加对利用优化设计理论进行实际工程优化问题的讲解，以解决上述（1）（3）（4）部分教学内容不足的问题。同时为学生布置工程实际优化任务令其在课下完成，回到课堂进行解决方案的讲解和师生共同评价探讨，以翻转课堂的方式提高学生对实际工程问题的综合处理能力。 2 基于微课的翻转课堂教学模式的主要思路
2.1 引入翻转课堂教学模式
翻转课堂是指学生在课前利用教师准备的与教学目标相匹配的材料（如音频、视频及达标联系教材等），在音频或视频的指导下自主完成课程知识学习，课堂上主要通过“教师-学生”或“学生-学生”的互动活动进行所学知识的消化吸收，从而形成以学生自主学习为中心，教师充当教学的指导者和学习材料的提供者的模式，以促进学生专业应用能力的个性化培养[1]。
在本科目的教学中，教师可以采用翻转课堂的方式提高学生对实际工程问题的综合处理能力，课堂上先完成必要的教学如应用概述，优化实例完成步骤介绍，优化算法的综述，而具体的各类算法原理和软件实操小案例以微课的方式令学生在课下完成。之后为学生布置工程实际优化任务，让学生回到课堂进行优化解决方案的讲解（提取数学模型的思路、优化算法的选择和编程过程），师生共同评价探讨，以翻转课堂的方式提高学生对实际工程问题的综合处理能力。
为学生布置优化案例任务不仅将学生的学习模式由被动接收转为主动学习，而且微课的采用将传统模式中教师花费大量时间在课上讲授的算法原理移到课余时间由学生自主完成，课上留下了充足的时间用于展开基于实际应用问题的互动，一方面有助于学生对所学内容的深入理解，另一方面为学生提供了解决工程实际优化问题的机会。
2.2 借助微课扩充学生的学习时间
“微课”是一种对传统课程知识点进行有效提炼后形成的短小精悍、指向明确的网络课程。微课通常时程很短，仅针对传统课堂中的一两个知识点进行教学。这些知识点往往是传统课堂中的重点、难点和学生常见疑点。在5分钟-10分钟的时间内，微课教师需要围绕有限的主题，从背景、概念、方法、效果等方面进行重点突出、短促有力的讲解。这要求教师的选题应当具备很强的针对性和代表性，教学内容必须提纲挈领，以满足微课资源容量较小、便于传播、指向性强等特点，使学生通过微课能够迅速抓住课程的重要知识背景和主要知识点。然而，正因为微课的这些特点，使其不能完全替代传统课程的完整性和贯通性，容易造成课程碎片化倾向，必须通过与传统课程和实践课程的结合，保证学生课程培训的完整度。对于优化设计理论部分的知识讲授而言，内容多且具有一定的体系性，非常适合将各类具体算法原理制作成微课令学生课下进行学习，而在课堂上只讨论不同算法的应用。
基于微课的课程教学模式，将传统教学与翻转课堂的特点相结合，课堂上以学生讨论互动为主，教师全程起主导和解惑作用。因为微课使得课前、课后的时间和空间得以延展。教与学的互动性从有形空间拓展到无形空间[2]。
3 基于微课教学设计及应用
3.1 微课内容设计
在微课内容的选择上应选择独立性较强且内容适合在5分钟-10分钟内讲完的知识点，以优化算法的讲述内容为例[3]：
（1）每一种算法的介绍都应该首先说明其归属的算法体系及其工程应用背景;
（2）需指明其適合哪种类型的数学模型;
（3）对算法原理进行概述;
（4）对求解过程进行讲解;
（5）算法特点总结;
（6）数学例题应用或者工程应用效果评价。
在资源的准备上应注意每种算法的安排应由简入繁、有概述有详述，有引例有总结。这就需要教师精心分解好各部分内容，准备好PPT动画和讲稿等资源，并将其制作成为校园网络平台上的资源。
3.2 微课信息设计
微课信息设计主要包括选题来源、教学目标、教学重难点、教学对象、教学用途、时间[4]。以优化设计理论中黄金分割法的微课视频为例，微课信息设计具体如表1所示。
3.3 学习任务单设计
学习任务单主要是为辅助完成教学目标而设计的，即学生通过观看教学视频能够了解、熟悉并掌握的知识点，为翻转 课堂的有效实施奠定坚实的基础[5]。任务单设计如表2所示。
4 基于微课的翻转课堂教学实施过程
对于“现代设计理论及方法”课程中优化算法部分的教学采用传统教学与翻转课堂相结合的教学方式。
4.1 教学过程安排
优化设计部分的学习，首先应基于传统课堂授课对优化设计的理念进行概述，使学生明确优化设计的概念、优化设计的知识体系、优化设计的步骤，并结合若干实例明确一个工程问题的完整优化过程。之后将各种优化算法加以概述，使学生大概明晰算法的分类和在整个优化过程中的地位。
对于算法的掌握则通过微课进行，教师给予学生微课资源的简介和学习顺序，并布置阶段性任务令学生课下完成，并通过QQ、微信或网络平台答疑掌握学生的学习情况，之后再回到课堂进行课程小结和共同探讨。
对较为复杂的工程问题可在学生对优化算法和上机编程环节学习之后进行，教师可事先准备一定难度的工程优化实例作为引例，此部分着重与优化软件工具结合以使学生了解工程问题的数学模型的具体建立过程和在软件中的设置。之后学生将课下自行完成一个工程问题从优化方案的提出—数学模型的逐步建立—合适的算法选择—求解—优化结果的评价。随后的课堂将进行翻转，由学生来讲解自己的优化项目，使其完整掌握对工程问题进行优化的能力。
4.2 过程考核方法
根据“现代设计理论及方法”课程的学时数，对微课程视频列表对应的教学内容进行重组，如优化部分总共涉及五大类算法，对不同类的算法设置分别计分得出算法微课学习总分，工程优化任务单独计分。
这两部分总计100分的过程考核成绩，结合考试课最终的卷面考核一起折合成总分，将原先的最终考试压力平摊在日常的学习中，学生也能在任务完成的过程中体验到成就感。
5 教学感言
在建设“新工科”背景下，教师的教学内容不应再局限于传统课堂基于课本的教学，而是应该立足工程应用实际，加强培养学生理论结合实践的能力。同时应紧跟时代，积极采用“翻转课堂”等新兴的教学理念，不断适应信息化大潮所造就的“微课”这种新型教学方式的教学改革，对传统工科教学进行“升级改造”。
（1）在教学中引入“翻转课堂”和微课教学可以充分拓宽学生学习的广度和深度，提高学生学习的自主性，并通过讨论和学习报告使老师可以有效掌握学生的学习情况，并及时将指导内容传达给学生。
（2）学生的学习不再依赖于课堂教学，通过微课视频，学生可以根据自己的学习情况，有针对性地控制微课播放进度，必要时可反复观看，强化了学习效果，节省了课堂时间。
（3）基于微课的“翻转课堂”教学模式打破了传统工科教学枯燥、学生容易疲劳的现状，激发了学生主动学习的兴趣，活跃了课堂气氛。
参考文献：
[1] 倪红军，周巧扣，李霞，等.基于翻转课堂模式的Android应用开发课程建设 [J].计算机教育，2015（20）：88-91.
[2] 李雪峰，刘海涛.微课促进翻转课堂的课程教学改革实践研究 [J].中国教育信息化，2019（6）：48-51.
[3] 吴云，王淑芳.基于翻转课堂的《汽车电气设备》微课教学设计研究 [J].汽车实用技术，2019（3）：212-213.
[4] 刘春玲.基于翻转课堂的中学化学微课的教学设计研究 [D].四川：西华师范大学，2015.
[5] 昂娟，俞欣，水淼.基于翻转课堂的微课设计策略探析 [J].重庆科技学院学报，2014（12）：161-166.
作者简介：席睿（1985-），女，汉族，河南卫辉人，博士研究生，讲师，主要研究方向：精密机械设计及优化方面的教学和科研。
关键词：翻转课堂;微课;教学设计;教育信息化
中图分类号：G434;G642.4 文献标识码：A 文章编号：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 students’learning efficiency.
Keywords：flipped classroom;micro-course;teaching design;education informatization
0 引 言
機械设计及其自动化专业中的“现代设计理论及方法”课程是该专业学生的一门核心课程，旨在培养学生利用一些新兴的设计理念和方法进行工程设计，使所设计的产品具有先进性、可靠性、经济性和及时性。由于该课程属于多元交叉学科，具有较强的理论性、综合性、实践性特点，在教学过程中，教师经常会发现如下教学问题：传统教学课堂比较适合向学生进行理论讲授和简单的案例介绍，大部分学生能够理解老师讲过的案例，也掌握了基础理论知识，但在指导学生进行毕业设计时，学生遇到工程设计问题时通常无法自己从整体入手将课堂所学在头脑中整合以自如应用于工程实践，理论应用实践能力不足。
1 教学中的主要问题及原因剖析
这种问题产生的原因主要是学生在传统的授课方式下更习惯被动地接受老师的知识“灌输型”教学，主动思考能力锻炼不足，从而在解决实际工程问题时，虽然明白各种理论的原理，也学过各种其他相关课程，但是不会灵活运用。因此审视以往教学内容安排，以课程中的主要部分—优化设计的教学内容为例，对工程优化设计可分四大部分：
（1）对工程问题进行正确数学模型提炼。该部分是解决优化设计的关键，非常考验学生机械设计、材料力学等先行科目的掌握程度和工程经验，但是由于课时原因这部分只能通过简单的几个实例用2个学时进行介绍，且属于灌输型讲解，学生难以深入理解并有效掌握。
（2）选择合适的优化算法。课堂上针对不同数学模型的特征详细进行了多种优化算法的原理讲解和数学算例计算，这部分内容占课时大部分，学生对原理理解较好。但是这样上课内容非常枯燥，学生的头脑中记住的是一个个孤立的算法，而工程实际中需要对多种算法进行灵活运用，这其综合运用方面，学生难以得到有效锻炼。
（3）编程调试求最优解。对常用算法安排单独课时，并利用C语言求解，这对学生掌握优化设计实现工具非常重要。但是在工程领域有很多商用优化软件更适用于处理复杂的机械优化问题，在本科教学阶段缺少课时对学生做必要的引入介绍。
（4）优化结果的分析评价。该部分依赖优化经验，在传统课堂中难以有效指导。
在以上四点的能力培养中，对应优化算法的学习可在课堂上进行综述，梳理各算法关系，而对于各算法的原理可利用互联网教学，以录制微课的方式让学生在课下进行理论学习，在课堂中增加对利用优化设计理论进行实际工程优化问题的讲解，以解决上述（1）（3）（4）部分教学内容不足的问题。同时为学生布置工程实际优化任务令其在课下完成，回到课堂进行解决方案的讲解和师生共同评价探讨，以翻转课堂的方式提高学生对实际工程问题的综合处理能力。 2 基于微课的翻转课堂教学模式的主要思路
2.1 引入翻转课堂教学模式
翻转课堂是指学生在课前利用教师准备的与教学目标相匹配的材料（如音频、视频及达标联系教材等），在音频或视频的指导下自主完成课程知识学习，课堂上主要通过“教师-学生”或“学生-学生”的互动活动进行所学知识的消化吸收，从而形成以学生自主学习为中心，教师充当教学的指导者和学习材料的提供者的模式，以促进学生专业应用能力的个性化培养[1]。
在本科目的教学中，教师可以采用翻转课堂的方式提高学生对实际工程问题的综合处理能力，课堂上先完成必要的教学如应用概述，优化实例完成步骤介绍，优化算法的综述，而具体的各类算法原理和软件实操小案例以微课的方式令学生在课下完成。之后为学生布置工程实际优化任务，让学生回到课堂进行优化解决方案的讲解（提取数学模型的思路、优化算法的选择和编程过程），师生共同评价探讨，以翻转课堂的方式提高学生对实际工程问题的综合处理能力。
为学生布置优化案例任务不仅将学生的学习模式由被动接收转为主动学习，而且微课的采用将传统模式中教师花费大量时间在课上讲授的算法原理移到课余时间由学生自主完成，课上留下了充足的时间用于展开基于实际应用问题的互动，一方面有助于学生对所学内容的深入理解，另一方面为学生提供了解决工程实际优化问题的机会。
2.2 借助微课扩充学生的学习时间
“微课”是一种对传统课程知识点进行有效提炼后形成的短小精悍、指向明确的网络课程。微课通常时程很短，仅针对传统课堂中的一两个知识点进行教学。这些知识点往往是传统课堂中的重点、难点和学生常见疑点。在5分钟-10分钟的时间内，微课教师需要围绕有限的主题，从背景、概念、方法、效果等方面进行重点突出、短促有力的讲解。这要求教师的选题应当具备很强的针对性和代表性，教学内容必须提纲挈领，以满足微课资源容量较小、便于传播、指向性强等特点，使学生通过微课能够迅速抓住课程的重要知识背景和主要知识点。然而，正因为微课的这些特点，使其不能完全替代传统课程的完整性和贯通性，容易造成课程碎片化倾向，必须通过与传统课程和实践课程的结合，保证学生课程培训的完整度。对于优化设计理论部分的知识讲授而言，内容多且具有一定的体系性，非常适合将各类具体算法原理制作成微课令学生课下进行学习，而在课堂上只讨论不同算法的应用。
基于微课的课程教学模式，将传统教学与翻转课堂的特点相结合，课堂上以学生讨论互动为主，教师全程起主导和解惑作用。因为微课使得课前、课后的时间和空间得以延展。教与学的互动性从有形空间拓展到无形空间[2]。
3 基于微课教学设计及应用
3.1 微课内容设计
在微课内容的选择上应选择独立性较强且内容适合在5分钟-10分钟内讲完的知识点，以优化算法的讲述内容为例[3]：
（1）每一种算法的介绍都应该首先说明其归属的算法体系及其工程应用背景;
（2）需指明其適合哪种类型的数学模型;
（3）对算法原理进行概述;
（4）对求解过程进行讲解;
（5）算法特点总结;
（6）数学例题应用或者工程应用效果评价。
在资源的准备上应注意每种算法的安排应由简入繁、有概述有详述，有引例有总结。这就需要教师精心分解好各部分内容，准备好PPT动画和讲稿等资源，并将其制作成为校园网络平台上的资源。
3.2 微课信息设计
微课信息设计主要包括选题来源、教学目标、教学重难点、教学对象、教学用途、时间[4]。以优化设计理论中黄金分割法的微课视频为例，微课信息设计具体如表1所示。
3.3 学习任务单设计
学习任务单主要是为辅助完成教学目标而设计的，即学生通过观看教学视频能够了解、熟悉并掌握的知识点，为翻转 课堂的有效实施奠定坚实的基础[5]。任务单设计如表2所示。
4 基于微课的翻转课堂教学实施过程
对于“现代设计理论及方法”课程中优化算法部分的教学采用传统教学与翻转课堂相结合的教学方式。
4.1 教学过程安排
优化设计部分的学习，首先应基于传统课堂授课对优化设计的理念进行概述，使学生明确优化设计的概念、优化设计的知识体系、优化设计的步骤，并结合若干实例明确一个工程问题的完整优化过程。之后将各种优化算法加以概述，使学生大概明晰算法的分类和在整个优化过程中的地位。
对于算法的掌握则通过微课进行，教师给予学生微课资源的简介和学习顺序，并布置阶段性任务令学生课下完成，并通过QQ、微信或网络平台答疑掌握学生的学习情况，之后再回到课堂进行课程小结和共同探讨。
对较为复杂的工程问题可在学生对优化算法和上机编程环节学习之后进行，教师可事先准备一定难度的工程优化实例作为引例，此部分着重与优化软件工具结合以使学生了解工程问题的数学模型的具体建立过程和在软件中的设置。之后学生将课下自行完成一个工程问题从优化方案的提出—数学模型的逐步建立—合适的算法选择—求解—优化结果的评价。随后的课堂将进行翻转，由学生来讲解自己的优化项目，使其完整掌握对工程问题进行优化的能力。
4.2 过程考核方法
根据“现代设计理论及方法”课程的学时数，对微课程视频列表对应的教学内容进行重组，如优化部分总共涉及五大类算法，对不同类的算法设置分别计分得出算法微课学习总分，工程优化任务单独计分。
这两部分总计100分的过程考核成绩，结合考试课最终的卷面考核一起折合成总分，将原先的最终考试压力平摊在日常的学习中，学生也能在任务完成的过程中体验到成就感。
5 教学感言
在建设“新工科”背景下，教师的教学内容不应再局限于传统课堂基于课本的教学，而是应该立足工程应用实际，加强培养学生理论结合实践的能力。同时应紧跟时代，积极采用“翻转课堂”等新兴的教学理念，不断适应信息化大潮所造就的“微课”这种新型教学方式的教学改革，对传统工科教学进行“升级改造”。
（1）在教学中引入“翻转课堂”和微课教学可以充分拓宽学生学习的广度和深度，提高学生学习的自主性，并通过讨论和学习报告使老师可以有效掌握学生的学习情况，并及时将指导内容传达给学生。
（2）学生的学习不再依赖于课堂教学，通过微课视频，学生可以根据自己的学习情况，有针对性地控制微课播放进度，必要时可反复观看，强化了学习效果，节省了课堂时间。
（3）基于微课的“翻转课堂”教学模式打破了传统工科教学枯燥、学生容易疲劳的现状，激发了学生主动学习的兴趣，活跃了课堂气氛。
参考文献：
[1] 倪红军，周巧扣，李霞，等.基于翻转课堂模式的Android应用开发课程建设 [J].计算机教育，2015（20）：88-91.
[2] 李雪峰，刘海涛.微课促进翻转课堂的课程教学改革实践研究 [J].中国教育信息化，2019（6）：48-51.
[3] 吴云，王淑芳.基于翻转课堂的《汽车电气设备》微课教学设计研究 [J].汽车实用技术，2019（3）：212-213.
[4] 刘春玲.基于翻转课堂的中学化学微课的教学设计研究 [D].四川：西华师范大学，2015.
[5] 昂娟，俞欣，水淼.基于翻转课堂的微课设计策略探析 [J].重庆科技学院学报，2014（12）：161-166.
作者简介：席睿（1985-），女，汉族，河南卫辉人，博士研究生，讲师，主要研究方向：精密机械设计及优化方面的教学和科研。