“雨課堂”在林業(yè)院校工科專業(yè)“機電傳動控制”課程教學(xué)中的應(yīng)用
——以西南林業(yè)大學(xué)為例

李 明 涂 璟

(西南林業(yè)大學(xué)機械與交通學(xué)院，昆明 650224)

2015年李克強總理在政府工作報告中首次提出制定“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃；同年12月，習(xí)近平總書記在浙江烏鎮(zhèn)舉行的第二屆世界互聯(lián)網(wǎng)大會上向世界宣告：“十三五時期，中國將大力實施網(wǎng)絡(luò)強國戰(zhàn)略、國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略、‘互聯(lián)網(wǎng)+’行動計劃”。至此，“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃上升為國家戰(zhàn)略[1]，也成為推進我國第四次教育革命的引擎動力[2]。

隨著移動通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展以及手機的普及，移動學(xué)習(xí)方式越來越被大眾所接受[3]，在校大學(xué)生更加傾向于使用移動即時通訊(mobile instant messaging，MIM)應(yīng)用程序，以實現(xiàn)高時效、高精準、多樣化的信息交流[4]。例如，微信作為國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的MIM應(yīng)用程序，已經(jīng)擁有超過8億人的用戶，在大學(xué)生中更是廣泛普及，這也為基于微信的“互聯(lián)網(wǎng)+教育”模式的推廣提供了條件?！坝暾n堂”是一種以“互聯(lián)網(wǎng)+教育”形式實現(xiàn)的教學(xué)改革[5]，它實現(xiàn)了對教學(xué)過程的全覆蓋。雖然推出時間不長，但是得益于其使用方便的優(yōu)點，已經(jīng)被用于醫(yī)學(xué)[6]、工學(xué)[7]、生物學(xué)[8]、管理學(xué)[9]、基礎(chǔ)科學(xué)[10]等相關(guān)專業(yè)課程的教學(xué)改革。教學(xué)效果表明，“雨課堂”在顯著提高課堂教學(xué)效果的同時，為翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)改革提供了一種行之有效的途徑。

一、“雨課堂”教學(xué)的內(nèi)涵

學(xué)堂在線是由清華大學(xué)研發(fā)的中文MOOC(大規(guī)模開放在線課程，簡稱慕課)平臺，也是教育部在線教育研究中心的研究交流和成果應(yīng)用平臺，于2013年10月10日正式啟動，面向全球提供在線課程。任何擁有上網(wǎng)條件的學(xué)生均可通過該平臺在網(wǎng)上進行課程學(xué)習(xí)。2016年6月16日，清華大學(xué)在清華科技園召開發(fā)布會，宣布推出智慧教學(xué)工具——“雨課堂”?！坝暾n堂”是一種基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的混合式智慧教學(xué)模式，即在傳統(tǒng)多媒體教學(xué)的基礎(chǔ)上，基于現(xiàn)代移動通訊和信息傳輸技術(shù)，依托微信公眾號實現(xiàn)手機端學(xué)習(xí)的模式。教師可以通過微信群建立一個班級，然后將視頻、語音、習(xí)題的幻燈片快速推送到學(xué)生的手機上，同時在課堂上還可以通過彈幕、投票等方式與學(xué)生進行互動，課后可以布置習(xí)題并隨時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

基于教師的視角，“雨課堂”在PowerPoint中以插件形式存在，實現(xiàn)了PowerPoint與微信的完美融合，教學(xué)課件能夠直接通過“雨課堂”推送到手機端，因此“雨課堂”的使用不會增加教師額外的開發(fā)成本，而且大部分功能都可以在PowerPoint軟件中操作實現(xiàn)。基于學(xué)生的視角，“雨課堂”使得學(xué)生在課前、課中、課后都可以通過手機閱覽課件，滿足了學(xué)生隨時隨地學(xué)習(xí)的需求。從整個教學(xué)過程來看，“雨課堂”能夠幫助教師全面了解和掌握學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課堂聽講、課后作業(yè)的全過程，從而為以學(xué)生為中心的教學(xué)改革提供有力的支撐，也為翻轉(zhuǎn)課堂提供了實現(xiàn)的基礎(chǔ)和條件。

二、“機電傳動控制”課程教學(xué)的特點

(一)課程知識具有較強的綜合性

由于機電傳動控制融合了機械工程和電氣工程以及控制工程等多學(xué)科技術(shù)，因此“機電傳動控制”課程教學(xué)內(nèi)容也融合了機械、電路、電子、電機、控制、電氣等相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)知識。例如，機電傳動系統(tǒng)運動狀態(tài)分析的基礎(chǔ)是機械原理和動力學(xué)原理，電動機的機械特性的理論基礎(chǔ)是電磁場和電路理論以及電機學(xué)，直流電機閉環(huán)調(diào)速則涉及了電力電子和控制理論知識，繼電器-接觸器控制系統(tǒng)則是電氣系統(tǒng)的重要組成部分，步進電機驅(qū)動電路的設(shè)計基礎(chǔ)是一階RL電路。專業(yè)知識的交叉融合在“機電傳動控制”課程中比比皆是，因此，“機電傳動控制”是一門具有較強綜合性的課程。

(二)課程知識具有較強的應(yīng)用性

“機電傳動控制”課程內(nèi)容研究的是驅(qū)動生產(chǎn)機械的電動機和控制電動機的一整套電氣系統(tǒng)，也就是研究將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，實現(xiàn)生產(chǎn)機械的啟動、停止以及速度調(diào)節(jié)，以滿足各種生產(chǎn)工藝過程的要求。簡而言之，機電傳動控制任務(wù)就是要使生產(chǎn)機械設(shè)備、生產(chǎn)線、車間甚至整個工廠都實現(xiàn)自動化。所以課程的研究對象直接來自于生產(chǎn)實踐，而且課程講授的繼電器-接觸器和PLC控制系統(tǒng)也是目前工業(yè)自動化的核心，相關(guān)設(shè)計可以直接應(yīng)用于生產(chǎn)實踐。因此，該課程具有較強的實踐性和應(yīng)用性。

三、“機電傳動控制”課程教學(xué)面臨的問題

(一)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)知識不扎實

以西南林業(yè)大學(xué)為例，根據(jù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案的要求，從大學(xué)二年級開始陸續(xù)開設(shè)了各門專業(yè)基礎(chǔ)課程，但學(xué)生通常以單門課程學(xué)習(xí)的態(tài)度對待這些專業(yè)基礎(chǔ)課程，不注重理解探究課程間的相互關(guān)系，導(dǎo)致掌握的專業(yè)知識淺顯化、碎片化。

由于“機電傳動控制”課程具有“厚基礎(chǔ)、強綜合、重應(yīng)用”的特點，其課程教學(xué)內(nèi)容幾乎涉及了學(xué)生已經(jīng)學(xué)過的所有專業(yè)基礎(chǔ)知識，為此，在課程講授前，教師會要求學(xué)生預(yù)習(xí)相關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)知識。但由于部分學(xué)生在中學(xué)階段的數(shù)學(xué)、物理知識掌握得不夠扎實，加之“機電傳動控制”課程所需的前續(xù)專業(yè)知識講授淺顯，如電機與拖動相關(guān)的知識只是在“電工學(xué)”中有所涉及且占比較小，因此教師的講授也只是蜻蜓點水，而這部分內(nèi)容卻是“機電傳動控制”課程的關(guān)鍵所在。這些原因?qū)е聦W(xué)生無法較好地自行完成課前預(yù)習(xí)。

(二)課程預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)的落實和監(jiān)督有待加強

預(yù)習(xí)是“機電傳動控制”課堂講授的前提，在傳統(tǒng)的教學(xué)中，教師只能通過課堂提問的方式了解學(xué)生課前預(yù)習(xí)的情況，這樣不僅占用了寶貴的課堂教學(xué)時間，而且容易對預(yù)習(xí)效果產(chǎn)生片面性和滯后性。

由于缺少對學(xué)生課前預(yù)習(xí)情況的全面客觀的了解，教師在課堂講授時往往不能完全按照教學(xué)計劃執(zhí)行，容易出現(xiàn)“計劃趕不上變化”的情況。例如，在講授直流電機機械特性時，學(xué)生對直流電機的3個基本方程表現(xiàn)漠然，不清楚直流電機的基本工作原理，在這種情況下，教師只能在課堂上臨時補充講解相關(guān)知識，導(dǎo)致課堂教學(xué)產(chǎn)生不必要的中斷。

(三)課程教學(xué)過程中缺乏適時的師生互動

“機電傳動控制”課程具有較強的應(yīng)用性，很多教學(xué)案例都來源于生活，學(xué)生對這些案例很感興趣，因此在課堂上聽著教師的講解還能夠理解和接受這些教學(xué)內(nèi)容，但由于學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)不扎實，所以到了課后復(fù)習(xí)時發(fā)現(xiàn)，許多課程知識又變得模糊不清，出現(xiàn)了“快學(xué)快忘”的現(xiàn)象。這時學(xué)生往往需要得到教師的及時指點，而在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，學(xué)生通常需要在下一次課上才可能獲得教師的幫助。缺少師生的適時互動不利于學(xué)生對課堂知識的鞏固，如果這種情況不斷積累，會直接降低學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的興趣和信心。

四、“雨課堂”在“機電傳動控制”課程教學(xué)中的應(yīng)用

“機電傳動控制”是機械類專業(yè)高年級開設(shè)的一門課程，學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程前需要對電路原理、電子技術(shù)、自動控制原理、電機學(xué)等專業(yè)基礎(chǔ)知識有較好的掌握。然而，由于這些相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)知識通常都是在低年級學(xué)習(xí)的，受時間跨度影響，學(xué)生往往很難及時回憶起這些專業(yè)知識，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不理想。但“雨課堂”的強大功能則可以彌補這些不足。

(一)“雨課堂”教學(xué)的組織實施

在“雨課堂”教學(xué)形式下，教師首先可以將即將學(xué)習(xí)的教學(xué)內(nèi)容推送給學(xué)生，幫助學(xué)生較好地完成預(yù)習(xí)工作；其次，教師可以將相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)知識通過課件推送到學(xué)生的手機端，學(xué)生根據(jù)自身的情況回顧和補習(xí)相關(guān)知識點，這樣的學(xué)習(xí)不受時間和空間的限制，實現(xiàn)了無約束的個性化學(xué)習(xí)；最后，教師還可以通過推送課后練習(xí)督促和檢查學(xué)生課后的學(xué)習(xí)情況，了解學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遇到的問題，并督促他們通過閱讀和學(xué)習(xí)手機端課件的方式嘗試自主解決，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和自主解決問題的能力。對于那些學(xué)生自主解決不了的問題，教師可以適時予以解答?！坝暾n堂”教學(xué)組織過程及“雨課堂”教學(xué)參與人數(shù)實時情況見圖1、2。

圖1 “雨課堂”教學(xué)組織形式

圖2 手機端“雨課堂”教學(xué)參與人數(shù)實時情況

從圖1可以看出，學(xué)生從手機端截取了“機電傳動控制”課程部分教學(xué)內(nèi)容，其中“試卷”和“課件”是推送給學(xué)生的兩種課件形式，課前需要準備的基礎(chǔ)知識和課堂講授的內(nèi)容都可以通過“課件”推送給學(xué)生，為了解學(xué)生預(yù)習(xí)和課堂聽講的效果，教師通過推送的“試卷”對學(xué)生進行測試評價，圖中“課堂”表示學(xué)生可以通過手機端與課堂同步學(xué)習(xí)。

為了便于敘述，根據(jù)日期的先后將圖1分為課前、課中和課后3個部分。教師在“課前”可以通過推送“試卷”的方式測試學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，并以此分配課堂講授時間，同時還可以通過計入平時成績的方式督促學(xué)生認真完成課前預(yù)習(xí)?！罢n中”對應(yīng)著教師的課堂講授階段，在這個階段，教師可以通過課堂統(tǒng)計數(shù)據(jù)直觀地了解學(xué)生的課堂參與狀況，由圖2可以看出，有9名學(xué)生沒有進入課堂同步學(xué)習(xí)。在“課后”階段，教師可以將與課堂講授相關(guān)的課后測試和下節(jié)課的預(yù)習(xí)課件一起推動給學(xué)生。通過這3個階段的有機組合，教師能夠全程參與學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，而且能夠及時掌握每個學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，真正實現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)改革。

(二)通過“雨課堂”開展多種形式的教學(xué)互動

教學(xué)互動是增進師生交流、提升教學(xué)效果的重要途徑之一，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中課堂是最主要的互動陣地，師生在課堂上能夠通過提問、討論、發(fā)言等多種方式直接交互信息。然而，在課堂外的時間里這種面對面的互動交流則明顯受到限制，即使在課堂有限的答疑時間里，也很少有學(xué)生能夠主動提出問題與教師進行交流探討。因此，徹底打通師生互動交流通道，特別是課前課后的自由交流通道，是有效提高教學(xué)效果的關(guān)鍵所在。

“雨課堂”大大豐富了課堂互動的模式，除了傳統(tǒng)的課堂提問模式，“雨課堂”還提供了彈幕功能，教師在課堂上一旦開啟該功能，學(xué)生可以實時發(fā)送對課堂教學(xué)的意見。此外，投票、隨機點名、限時回答等形式也使得教師能夠隨時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)。

除了提供豐富的課堂互動，“雨課堂”還提供了非常便捷的課外互動平臺，學(xué)生可以像發(fā)微信一樣和教師進行交流，教師能夠看到所有學(xué)生發(fā)來的信息，而學(xué)生之間則不能相互查看。這樣，不僅使得每個學(xué)生有單獨和教師交流的機會，而且很好地保護了學(xué)生的隱私。筆者在實踐過程中發(fā)現(xiàn)，不管是學(xué)習(xí)優(yōu)秀的還是學(xué)習(xí)困難的學(xué)生，都非常喜歡通過這種方式與教師交流，見圖3。

圖3截取了課后交流的一個片段，從內(nèi)容上可以看出，學(xué)生能夠很自然地表達自己的想法，教師在收到信息后，也能夠在第一時間回復(fù)并解答學(xué)生的問題，從而突破了師生互動在時間和空間上的限制。

(三)通過“雨課堂”科學(xué)開展階段性教學(xué)測試

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，往往只能通過隨堂測試、課后作業(yè)、期中考試等方式完成階段性測試，一旦班級學(xué)生人數(shù)較多時，教師因受工作量的影響，類似的測試也會隨之減少，且測試結(jié)果常帶有教師的主觀性判斷，致使測試所起到的作用十分有限，也無法對每個學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況進行具體分析。

而“雨課堂”教學(xué)形式則可以通過軟件的計算和分析功能，針對每一次測試提供多方面的評價數(shù)據(jù)，教師通過這些詳細的數(shù)據(jù)，可以理性地掌握每個學(xué)生的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀?！坝暾n堂”教學(xué)測試成績、客觀題答題情況分析及主觀題的答題與批改情況見圖4、圖5、圖6。

圖3 “雨課堂”教學(xué)過程中的師生互動情況

圖4 “雨課堂”教學(xué)測試成績各分數(shù)段分布情況

從圖4可以看出，80分以上的學(xué)生達到了三分之二；還有10名學(xué)生的成績在60分以下，說明他們在該階段的學(xué)習(xí)效果是不理想的，教師可以有針對性地及時解決他們在學(xué)習(xí)上存在的問題，幫助他們快速跟上大部隊。

圖5是對每道客觀題正確率的統(tǒng)計，從中可以看出學(xué)生對此次測試的第6道題涉及的知識普遍掌握不到位，這就督促教師回過頭來審視教學(xué)過程并思考相應(yīng)的彌補措施。由于測試的客觀題的批改和分值統(tǒng)計都可以由“雨課堂”自行完成，大大降低教師的工作量，使得教師有更多的精力放在數(shù)據(jù)的分析和研究上。

圖6是某次主觀題測試的批改界面，從圖中可以看出學(xué)生通過拍照上傳的方式很容易地提交答卷，教師也可以根據(jù)學(xué)生的答題情況進行批改并加以評價，這樣不僅有效避免了收作業(yè)和發(fā)作業(yè)的工作，而且還有助于學(xué)生長期保存試卷，隨時總結(jié)自己的答題情況。

圖5 “雨課堂”教學(xué)測試中客觀題答題情況的統(tǒng)計分析結(jié)果

圖6 “雨課堂”教學(xué)測試中主觀題的答題與批改情況

(四)通過“雨課堂”加強課程教學(xué)的全程監(jiān)督

對于教師而言，使用“雨課堂”最大的益處在于能夠及時獲得關(guān)于學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的各種客觀統(tǒng)計數(shù)據(jù)，有了這些實時的第一手數(shù)據(jù)，教師就能夠動態(tài)調(diào)整教學(xué)方式和教學(xué)進程，以達到最佳的教學(xué)效果。教師通過“雨課堂”對學(xué)生的預(yù)習(xí)情況進行監(jiān)督，見圖7。

圖7是針對某次課前預(yù)習(xí)的報表，“雨課堂”根據(jù)學(xué)生預(yù)習(xí)課件的情況，自動生成一個excel報表并發(fā)到教師指定的郵箱。從中可以看出，統(tǒng)計數(shù)據(jù)非常詳盡，教師根據(jù)數(shù)據(jù)能夠直觀判斷學(xué)生的預(yù)習(xí)情況：學(xué)生1是完全沒有預(yù)習(xí)；學(xué)生2和學(xué)生3雖然都沒有完成預(yù)習(xí)，但學(xué)生2用了近40分鐘預(yù)習(xí)，而學(xué)生3才花了5分鐘的時間，學(xué)生2的預(yù)習(xí)情況要明顯優(yōu)于學(xué)生3；學(xué)生4和學(xué)生5雖然都完成了預(yù)習(xí)，但是從預(yù)習(xí)時間上看，學(xué)生4明顯是走馬觀花、應(yīng)付差事，根本沒有達到預(yù)習(xí)的要求。

圖7 “雨課堂”提供的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)完成情況

五、“雨課堂”在“機電傳動控制”課程教學(xué)中的應(yīng)用效果

2017年筆者將“雨課堂”應(yīng)用于“機電傳動控制”課程教學(xué)，與傳統(tǒng)教學(xué)方式相比，“雨課堂”的實施促進了課程教學(xué)效果和學(xué)生成績的提升。筆者連續(xù)對2009～2014級同一專業(yè)學(xué)習(xí)此課程的學(xué)生的成績進行了比較分析，結(jié)果表明，“雨課堂”在課程教學(xué)中實施后，不及格率明顯降低。西南林業(yè)大學(xué)2009～2014級學(xué)習(xí)“機電傳動控制”課程的學(xué)生成績見表1。

表1 西南林業(yè)大學(xué)2009～2014級同一專業(yè)學(xué)生的“機電傳動控制”課程考試成績比較情況

由表1可以看出，“雨課堂”實施前，2009級學(xué)生的不及格率在30%以上，雖然筆者在授課過程更多地關(guān)注學(xué)習(xí)困難的學(xué)生，但2010—2012級學(xué)生的不及格率仍然保持在10%以上。而且一旦教學(xué)偏向?qū)W習(xí)困難的學(xué)生后，會影響到學(xué)習(xí)優(yōu)秀學(xué)生的課堂效率，導(dǎo)致不及格率下降的同時，優(yōu)秀率也隨之小幅下降，這說明在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，很難兼顧學(xué)習(xí)優(yōu)秀和學(xué)習(xí)困難的學(xué)生。而實施“雨課堂”后，不及格率明顯降低，2013和2014連續(xù)兩級學(xué)生的不及格率都在5%以下，特別是在不及格率大幅下降的同時，優(yōu)秀率也穩(wěn)步增長，取得了比較理想的教學(xué)效果。