基于雨课堂的工程热力学翻转教学研究与实践

卢志民　黄泳如　姚顺春　司广树　陆继东

［摘 要］随着“30·60”双碳目标及能源转型战略的落实推进，能源动力类专业人才培养模式改革成为部分高校的重要研究课题。从2020年起，华南理工大学AB两个专业进行了雨课堂线上教学实践，依托雨课堂的技术特性，秉承以“以学生为中心”“数据改变教学”的理念，设计了课前、课中和课后三段式教学方案，以2018级和2019级本科生为研究对象实施了混合式教学实践。结合学生期末考试成绩，利用因素分析法评价教学效果，并对相关数据进行卡方检验和回归分析，分析了课前预习和课堂测试对期末总成绩的影响。结果表明，雨课堂教学方式顯著提升了学生的学习成绩，在教师和学生的教学评价中也有良好的反馈。

［关键词］雨课堂；工程热力学；因素分析法；回归分析；教学评价

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）11-0032-05

能源是人类文明进步的基础和动力，关乎国家安全和民生。实现碳达峰、碳中和（即“30·60”双碳目标）是中国做出的重大战略决策，应对气候问题，推进能源转型和节能降耗势在必行[1]。面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求的新工科建设目标，是能源领域人才培养工作的目标和方向。

工程热力学作为能源与动力工程专业的三大专业基础课程之一，是从工程应用的角度研究能源利用及不同形式的能量相互转换规律的一门重要基础学科，是低碳节能环境下新工科学生提高科学素质的公共基础课[2]。但是长期的教学观察与分析发现，对概念抽象、知识容量大的工程热力学课程来讲，传统的讲授式教学仅仅完成了“教”的任务，在帮助学生建立批判性思维、应用专业知识发现问题及解决问题等方面存在不足，在课堂的大部分时间里，学生处于被动接受知识的状态，其学习积极性和学习效率不高。针对这个情况，需要教师改革教学方式方法，以提高学生的学习兴趣。

笔者在2020年和2021年春季学期的工程热力学课程教学中，实施了基于雨课堂的翻转教学研究与实践，按照“以学生为中心”“数据改变教学”的思想设计和实施了课前、课中、课后三段式的数据驱动“翻转”。课前，让学生开展自主预习；课中，教师辅以重点难点的讲授以及课堂练习、思考题、例题的讲解等。在此过程中，学生可以通过雨课堂与教师建立更加高效的沟通渠道，课堂内外多渠道的有效交流互动使学生获得了更好的学习体验，课堂教学效率和教学效果得到了提升。

一、基于雨课堂的工程热力学翻转课堂教学改革

（一）目前教学现状分析以及改革建议

尽管以视频为主的精品课程和网络公开课已推出多年，以“学生为中心”的教育理念也普遍得到高校和教师认同，但部分高校的执行力度还不够，导致学生的自主学习能力未见明显提高，教学质量有待提升。究其原因主要有：部分课堂教学以及视频教学着重知识灌输，缺乏师生间的交流、对话和思维碰撞；部分教师的教学与科研相互独立，科研成果没能及时转化为教学资源或课堂交流的素材，也没能实现教研与科研的相互促进；工程热力学逻辑性强，涉及的内容包括了纯理论的基础概念和知识以及各种工程实践应用，环环相扣，导致学生在学习过程中逐渐形成两极分化，部分跟不上学习进度的学生容易产生畏难情绪、逃避心理。

针对工程热力学课程的特点和“00后”本科生的特点，以及目前教学效果的评估情况，笔者设计了基于雨课堂的工程热力学翻转教学改革路线，如图1所示。

（二）翻转课堂改革和雨课堂

萨尔曼·可汗在YouTube网站上分享了私人制作的教学影片，并于2009年创建可汗学院，成为翻转教学实践的重要节点。可汗学院的教学视频突出“学习者为中心”的视角。随后，翻转课堂的影响力迅速扩展至全球许多国家，成为当下教学改革的热点话题。

雨课堂作为新型智慧教学工具，在新冠疫情期间发挥了巨大的作用，也被广大师生所熟知[3-7]，其显著的特点有易用性、互动性和数据化。基于雨课堂平台，教师可在PPT中录制语音或插入慕课视频和网络视频，向学生推送课件和课辅材料，发送更新和提醒消息。师生还可以开展实时互动，学生可以发送弹幕、投稿，教师可以组织课堂测试或者进行作业批改，还可以随机点名或者发送红包。雨课堂的全程动态数据采集功能更是便于教师深入掌握学情，可根据具体情况以及每个学生的特点做出相应的教学调整。

（三）基于雨课堂的工程热力学翻转教学改革设计

笔者根据布鲁姆的认知层次开展了翻转课堂教学，将简单的记忆、知识的理解和运用能力的培养放在课后实施，而高层次的综合运用和创新能力培养则是课堂教学重点。课前，教师根据课程内容的重难点，制作对应的雨课堂线上语音PPT或慕课视频，每周2学时，供学生进行预习使用，达到使学生掌握基础知识的目的。课中，教师用3学时的翻转教学时间进行重难点总结、课堂测试、专题讨论和习题讲解。同时，针对课前的反馈对共性问题进行集中讲解，学生则在课堂上与教师互动，并就教师提出的问题展开独立思考或小组合作讨论。课后，教师根据多年的教学经验，设计章节知识总结图，推送总结PPT给学生进行章节知识的复习、巩固。同时，利用雨课堂丰富的统计数据，对学生开展针对性辅导，对教学进行反思，不断提升教学水平。基于雨课堂的 “三段式”翻转教学设计如图2所示。

（四）实施情况

本次教学改革实施时间为2020年和2021年春季学期，对象分别为2018级A专业1班学生（18人）、B专业1班学生（28人）和2019级A专业1班学生（20人）、B专业2班学生（35人）。为更好地体现教学改革成效，2020年以2018级B专业2班（34人）作为参考班，2021年以2019级B专业1班（35人）作为参考班，基于此，笔者对教改班与参考班的期末考试成绩进行了对比。

同时，笔者根据教改班学生的期末考试总成绩以及各题成绩对教学效果进行了评价，同时对各章节知识点进行了数据回归分析。选取雨课堂分数、PPT观看总页数、各章PPT观看页数与学生期末考试成绩、各题成绩进行相关性分析。为了更好地了解学生期末考试成绩与PPT总页数、雨课堂分数之间的线性关系，笔者使用origin软件绘制散点图并进行线性拟合，得到Pearson相关系数并比较各变量与期末考试成绩的相关程度。2020年春季学期，除了雨课堂外，笔者还使用SPOC开展教学工作，因此还计算了SPOC视频时间、测试成绩以及课堂分数与期末考试成绩的相关系数。

为了更直观地对比两个年级成绩数据之间的相关性系数，笔者对期末考试成绩与雨课堂分数、PPT观看页数进行相关性分析，通过颜色深浅、圆圈大小直接地描述了各数据之间的相关性，实现数据的可视化。

二、实施效果以及统计分析

（一）教改班与参考班期末考试成绩对比

教改班与参考班的工程热力学期末考试平均分如图3所示。从中可以看出A专业的成绩均比同年级B专业低，这与该专业高考招生分数较低，即与学生基础有关。但同一年级的B专业是随机分班的，通过比较可以看出，2018级B专业1班（教改班）期末考试的平均分比2018级B专业2班（参考班）高了3.7分；2019级B专业2班（教改班）期末考试的平均分比2019级B专业1班（参考班）高了7.1分，由此可以看出，教学改革取得了一定的成效。

（二）平台记录学习数据与学生期末考试成绩的关系

4个教改班期末考试成绩、PPT页数、雨课堂分数等数据之间的相关性矩阵如表1所示。期末考试成绩与PPT观看页数、雨课堂分数之间均有一定的相关性。通过对比各班相关性矩阵的第一行发现，相对于雨课堂分数，期末考试成绩与PPT页数有更强的相关性；对比2018级两个班的相关性矩阵发现，PPT观看页数与SPOC测试及分数之间也有较强的相关性。

教师在教学过程中通过课件观看情况与课后练习完成情况调整各班教学内容和方式，根据数据对学生学习状态和效果进行跟踪，及时了解学生情况并做出调整。

（三）期末考试各章考查重点与PPT对应章节课件观看页数的关系

除了从整体角度分析总分与各因素的相关关系，笔者还对各题得分与各章PPT观看页数进行了相关性分析，如表2所示。从总分与PPT总页数相关性系数更高的A专业的两个班级的相关性距阵来看，不管是判断题（2018级前5列）、简答题（2018级6～8列、2019级前4列），还是计算题（均为倒数5列），对应章节PPT观看页数与对应内容的得分均有一定的正相关。但是其中关于第六章内容的得分情况与该章PPT观看页数没有正相关关系，主要原因是教师仅对该章的前4节内容进行了讲授和考查。而在总分与PPT观看页数相关性比较弱的B专业班级，其各题得分与PPT页数没有必然的相关性。原因在于B专业班级可能有更多的学生有考前复习的习惯，因此该数据没有反映在PPT页数里。

总的来说，通过相关性矩阵可以看出，通过PPT页数、雨课堂分数，能很好地预测期末考试成绩，两者与期末考试成绩的相关性最高达到0.72和0.53，教学效果得到了提高。但不同年份以及不同班级的效果有所不同，还需要进一步研究。

三、讨论

（一）工程热力学多元化混合式教学

混合式教学是一种新颖的教学模式，将传统课堂、网络课堂、翻转课堂、个性化指导等的优势融为一体，能极大地提升学生的上课效率。传统课堂以教师的教为中心，难以根据学生的不同学习速度、注意力集中程度以及对重难点的理解情况进行教学调整。而雨课堂以及SPOC则是以学生的学为中心，一方面，学生可以根据自身情况选择播放速度或重看；另一方面，教师可以根据学生参与学习的时长以及课堂的提问和测试情况，有针对性地对重难点进行讲解，及时掌握学情，根据学生的反馈进行教学调整等。虽然传统教学也可以增加设问和课堂提问的环节，但在数据记录方面不及雨课堂等新型的教学工具高效。

在雨课堂和SPOC相结合的混合式教学模式中，教师指导目的性明确，学生学习针对性强，教学效率得到了提高。由于减少了教师的课堂授课时间，其可以将精力和时间更多地用在学情的总结、回顾以及学生的个性化指导教学上。学生在自学过程中遇到疑问，可以通过雨课堂重看课件或者向教师提问。

（二）基于雨课堂的翻转课堂教学改革的继续改进方向

目前，笔者任教的班级人数较多（ 70人左右），课堂上的讨论教学较少，课堂测试以客观题为主。在后续的教学改革中，将开展小班教学，以讨论式、启发式的教学为主，增加学生课堂展示的时间，或开展小组讨论的探究式学习，发挥教师的启发和引导作用，真正达到以学生为主体的教学目的。另外，在课堂测试中，还可以设置开放式的主观题，学生在雨课堂平台上传答案，教师对其中答得好的题目或者存在的典型错误进行分析。雨课堂的实时数据便于教师随时关注教学过程中的特殊情况，有针对性地进行差异化辅导和教学方案的微调。

部分教师现代化教学技术的应用能力有待提高。教师不仅要熟练使用课件、专业视频等教学工具，而且要利用网络技术创建适合学生的网络课堂。可以借鉴上海交通大学、清华大学、浙江大学等一流大学的MOOC视频和课件，制订适合的教学方案。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 辛保安， 单葆国， 李琼慧，等. “双碳”目标下“能源三要素”再思考[J]. 中国电机工程学报， 2022，42（9）：3117-3126.

[2] 李言，李淑娟，杨明顺，等.新工科背景下机械类专业升级途径研究与实践[J].大学教育，2022（10）：6-9.

[3] 孟庆成，齐欣，李翠娟，等. 基于雨课堂的混合式教学在结构力学中的应用与探索[J]. 大学教育， 2020（11）：67-71.

[4] 宁桂英. 基于雨课堂的概率统计课程混合式教学模式改革：以广西科技大学鹿山学院为例[J]. 大学教育， 2020（3）：89-91.

[5] 迟静，吴杰. 基于微课的“雨课堂”+“翻转课堂”混合式教学研究[J]. 大学教育， 2021（4）：62-64.

[6] 張迪. 基于雨课堂的翻转课堂+案例教学实践探索：以土壤污染与防治课程为例[J]. 大学教育， 2021（4）：68-70.

[7] 胡亚楠，何立，王来运. 基于雨课堂的混合式教学模式改革研究：以汽车电子控制技术课程为例[J]. 大学教育，2022（10）：67-69.

［责任编辑：吴雪强］