基于软件仿真的实验课线上“翻转课堂”教学实践及评价
作者：王洪昌 蒋莲 陈宇 徐明沁
来源：《江苏理工学院学报》2021年第04期
摘 要：以全日制本科“机械设计制造及其自动化”专业选修课“机械动力学”的实验教学为例，开展了线上“软件仿真实验+翻转课堂”的教学实践活动。以将学生学习压力降至较低或中等唤起水平为原则，设计了实验教学内容;以“腾讯会议”为直播教学平台，设计了由教学准备、线上翻转课堂、课后工作三部分构成的教学模式;采用单一整体评估法就学生对授课的满意度进行了调查。结果表明：与传统的实验教学相比，该教学模式能大大缩短学生的实验时间，基本达到了预期教学效果。
kebab 关键词：软件仿真;线上教学;翻转课堂;实验教学
gg是什么意思 中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：2095-7394（2021）04-0116-06
“翻转课堂”是将传统课堂师生之间面对面授课，改为课前学生在家或宿舍观看教学视频，课堂上师生探索、讨论、解决问题的教学形式。它将教学活动的中心由教师转变为学生，真正体现和实践了“以学生为本”的教育思想。有研究认为，翻转课堂将在如下方面改变学生的学习行为：“颠倒”的学习流程和独有的“碎片化”学习方式，将有助于学生深度学习;个人学习与集体学习相结合，学生之间相互帮助，学生被赋予强烈的责任感，能促进其学习进步;学生自主选择学习策略与进度，推进了学生个性化学习的实践[1]。
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近年来，随着翻转课堂在国内的广泛实践，关于这方面的研究也逐渐丰富。吴仁英[1]、容梅[2]等从宏观角度对教师实施翻转课堂所面临的教学理念、知能结构、角色定位，以及工作负荷进行了阐述;郝兴伟[3]、邓笛[4]、吴硕[5]等则基于翻转课堂从课程实施者的视角对所授课程的教学平台、教学方法，以及对学生的引导和督促等方面进行了研究;于文浩[6]从学生角度以双因素理论为框架，对翻转课堂的满意因素和不满意因素进行了调研，并以此作为课程持续改进和优化的依据;黄琰等[7]将翻转课堂教学模式引入“多媒体教学平台的使用与维护”课程的实验教学中，发现翻转课堂能有效提高学生的学习积极性及学习效率;石端银等[8]针对目前高校数学实验课教学过程中存在的问题，提出在CDIO背景下开展翻转课堂的教学尝试，并进行了相关教学改革，实现了以学生为本的深度教学目标。
从已有文献看，针对高校工科专业实验课程的“线上翻转课堂”教学实践与研究较少。笔者以全日制本科“机械设计制造及其自动化”专业（以下简称“机制”专业）的选修课“机械动力学”的实验教学为例，以将学生学习压力降至较低或中等唤起水平为原则，设计了实验内容;以腾讯会议为直播教学平台，设计了由教学准备、线上翻转课堂、课后工作三部分构成的课程教学模式，开展了线上“软件仿真实验+翻转课堂”的教学实践活动。在此基础上，采用整体评估法对课程实施过程中学生的满意度进行了调查与分析。multiply是什么意思
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“机械动力学”是江苏理工学院机制专业的一门专业选修课，是2018年起开设的一门新课;课程为12周，每周2节，共24个课时;其中，实验课程为2周，共4课时。参加本次课程学习的是大二下学期两个班级的学生，共85人;其中，男生82人、女生3人。课程涉及的基础理论知识非常广，大量理论来源于力学、数学等基础课，所包含的知识点与多门专业课存在交集。庞大复杂的知识体系，使得该课程的理论教学内容抽象、深奥晦涩。因此，设计合理的实验课程方案，使学生对课程有一个整体、系统的认知，对于正确理解和掌握课程的知识要点，并把知识转化为解决实际问题的能力至关重要。
机械结构的模态分析是动力学分析的基础，是机械动力学课程的经典实验项目。常用的分析方法有两种：有限元软件计算法和实验测量法。实验法是通过实验测量得到结构的频响函数矩阵，并运用参数预估法，从实验数据中拟合得出机械结构的模态参数。以往实验教学的效果一直不太理想，原因是：一方面，学校实验设备少（只有1台），学生人数多;另一方面，实验对操作技能要求较高，学生如果不经过训练，很难在规定的时间内获得有效实验数据。因此，实验课程一直停留在演示性实验阶段。有限元软件计算法是利用软
件（如ANSYS）通过结构的质量和刚度矩阵来计算结构的模态。该方法的优点是可以通过修改结构参数重复计算系统模态，通过分析模态结果的变化规律，更加科学、深入地理解结构系统的模态特性。
基于此，结合疫情期间无法开展线下实验教学的情況，笔者以该校机械工程类本科专业课程“机械动力学”的实验教学为例，进行了线上翻转课堂的教学探索。
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2 教学设计
2.1 内容设计
实验内容的设计至关重要，它是提高学生学习兴趣、激发学生学习热情的基础。考虑课程的性质，并参考已有的研究[9]，确定了实验内容的总体设计原则：将学生学习压力降至较低唤起水平，使其大脑能够顺利被激活，能够整合较大范围的材料，理解更广泛的关系和理论，并进行认知思考，最终获得良好的学习效果。依据此原则，结合学生所在专业，设计了“各种结构参数对圆盘-轴承系统模态性能的影响及原因”的分析实验。
专四作文模板及句型 问题的描述：如图1所示，有一圆盘-轴承系统，支撑轴的直径为[d]，长度为[L]，其中
部有一圆盘，圆盘的直径为[D]，宽度为[H]，两端采用滚动轴承支承，设轴承的支承刚度为[k]。
将班级学生分成5组，分别计算指定结构参数值的改变对该系统前5阶模态特性的影响;对数据处理后，再对现象进行解释。为了保证教学效果，给每个小组设计了一定深度的问题，对学生的自学过程加以引导和督促。比如，请解释当轴直径较小时，随着d的增大，轴系固有频率会随之增大;但当[d]大到某一临界值后，随着[d]的增大，轴系固有频率会随之减小。一般来讲，增大支承轴承刚度，系统的固有频率会随之增加，请解释为什么随着刚度值变大到某一临界值时，轴系的固有频率将不再发生变化。
以轮盘直径[D]的变化对系统模态特性的影响为例进行说明。课程理论教学告诉学生任何系统的固有频率计算公式为：[ω=k/m0.5]。从该公式看，随着轮盘质量的增大，系统的固有频率值会降低;而实际计算却发现，只有奇数固有频率值降低，偶数固有频率值基本不变。这其中的原因可以通过实验得到的振型图（图2）来解释。如图2所示，1阶振型中圆盘参与了振动，而2阶振型中圆盘并未参与振动;所以，改变圆盘直径所引起的质量增加只会影响系统奇数固有频率，而对偶数固有频率的影响可以忽略不计。可见，这些引导问题
能够对学生的学习起到提纲挈领的作用，有助于其掌握核心知识点。此外，带着问题学习，有利于学生独立思考能力的培养，以及对理论知识的深度理解[5]。
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value 2.2 教学模式
实验课程教学以“腾讯会议”作为直播平台，翻转课堂教学模式如图3所示：由教学准备、线上翻转课堂、课后工作三个部分构成。
2.2.1 教学准备
大二学生尚未学习ANSYS软件，因此教师要事先利用软件参数化建模分析，制作出精简的命令流（一个文本文件）;借助线上教学平台“腾讯会议”中的屏幕共享，对打开命令流文件、更改分析对象的结构参数、运行命令流、通过ANSYS软件读取计算结果等一一演示。另外，为了达到良好的教学效果，教师可以再次串讲实验涉及的知识点，辅以在线答疑，鼓励学生自主开展学习活动。演示教学过程大约需要30 min。
由于命令流是由教师提供，学生可通过记事本打开该文件，修改具体结构参数后，拷贝到ANSYS软件中运行就可以，从而保证了计算数据的正确性。相较于传统实验室做实验，
学生所需的时间大大减少，仅需原来的1/4甚至更少。此时，学生的重点任务是将结构数据的变化对系统动力学特性的影响记录下来，并做成图表，再根据课本所学知识对现象进行分析与解释。
2.2.2 线上翻转课堂
课下导学。通过网络平台“腾讯会议”或QQ群，学生以小组为单位进行ANSYS软件计算与数据共享。其间，学生遇到问题可以通过独立思考、相互交流、查阅文献、共同研讨等方式解决，也可以与教师一对一或一对多交流。教师的参与不仅可以及时了解学生课前学习情况，还可以对学生提出的疑难问题归类、整理，并针对学生遇到的问题进行点拨或精讲。
翻转课堂。翻转课堂的实施分为三个步骤：（1）学生讲解。通过“腾讯会议”平台，学生以小组为单位，选出一名学生作为主要发言人，讲述小组所分析的结构参数变化对系统模态特性的影响及其原因。（2）提问与回答。讲述结束后，接受老师和全班其他同学的提问，小组成员独立或集体讨论后做出回答。（3）教师总结。所有小组讲述结束后，教师针对各种结构参数对系统模态特性的影响进行归纳与总结，对学生讲解错误的地方或提出的
疑难问题进行归类、分析、讲解。
