混合式教学与传统实践教学效果比较研究——以飞机发动机维修实习课程为例
时间：2023-04-15 13:00:02 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
纪 翔，徐文君，郭 婧
（中国民航大学，天津 300300）
实践教学作为高等教育中重要的一环，建立在系统的专业理论课基础之上，促进学生对理论知识的二次理解，也检验学生的理论课学习效果。2019年末暴发的新冠肺炎疫情，促使高校实施混合式教学，基于网络平台的实践教学也随之增多。
系统聚类的特点是可以看到整个聚类过程，容易判断出学生成绩内部结构的差异[1]。由于飞机的各系统是相互联系的，如操纵系统中包含起落架和液压的部分，排故过程中见到的故障有可能不是故障源，而是由其他系统中的故障导致。同时，金属结构和复合材料的维修方案也有相似性，如钛合金紧固件修复复合材料。在学生知识掌握方面，故障隔离手册、系统原理手册、最低设备清单和排故思路等都是共通知识，所以不能简单地选取平时成绩和考试成绩的平均值来进行相关性分析。例如，冯丽娜通过问卷调查的形式进行研究，其方法主观性略强[2]；
常彩霞、刘婷等人都使用了略单一的相关性分析[3-4]。而更好的方法是更全面、更注重内部联系的典型相关分析。
（一）系统聚类
系统聚类是一种比较成熟的分析方法[5]，过程分为以下4步。
1.学生成绩Z分数标准化处理，使用Z=（X-X）/S[公式（1）]，其中X为平均数，S为标准差。Z分数能够真实地反映一个分数距离平均数的相对标准距离。它是当前使用最多的数据标准化方式。
2.将每个学生各作为一类，计算每个学生两两之间的距离构造关系矩阵。距离计算使用平方欧氏距离方法D=∑i（xi-yi）2[公式（2）]。这种距离计算比较简单，而且能基本体现算法的性能，所以比较常用。
3.将距离最近的两个学生合并为一个新类。聚类方法使用组间平均距离连接法[公式（3）]，即两类个体两两之间距离的平均数作为类间距离。平均距离是对最小和最大距离之间的一种折中方法，而且可以克服离群点敏感性问题。
4.计算新类与当前各类的距离[6]，再合并、计算，直至满意结果。最后画图并分析学生成绩的终聚类结果。
（二）典型相关性分析
分别在两组变量（每组为多个变量）中提取有代表性的两个综合变量Ui和Vi（分别为两个变量组中各变量的线性组合）[7]，利用这两个综合变量之间的相关关系来反映两组指标之间的整体相关性。
为整体了解学生平时成绩和考试成绩之间的相关关系，设x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8分别为结构平时、复材平时、液压平时、操纵平时、燃油平时、起落架平时、涡发平时、活塞平时；
设y1、y2、y3、y4、y5、y6、y7、y8分别为结构考试、复材考试、液压考试、操纵考试、燃油考试、起落架考试、涡发考试、活塞考试。Ui（U1，U2，U3）和Vi（V1，V2，V3）为典型变量，分别是x1—x8和y1—y8的线性组合，具体公式为：
在进行样本典型相关性分析时，要进行F检验判断多元线性模型中变量关系间的显著性。通过每组变量提取出的典型变量所能解释的该组样本总方差的比例，定量测度典型变量所包含的原始信息量的大小。最后得到U、V的关系表达式并绘制学生平时成绩与考试成绩的典型相关图，进而对比混合式教学与传统实践教学的效果。
工程技术训练中心承担着对本科学生进行飞机维修实践教学的任务。飞行器制造专业的飞机发动机维修实习课程包括8门小课程，即结构修理、复合材料、液压系统排故、燃油系统排故、操纵系统排故、起落架系统排故、涡轮发动机分解和活塞发动机分解。每门小课程的平时成绩占6成，考试成绩占4成。传统实践教学包括一定的理论教学，主体在实践和动手能力上。混合式教学是先借助视频会议、中国大学MOOC、雨课堂等网络平台进行更全面的理论教学、手册练习和课堂练习，而动手操作部分由于没有实际航材部件，则使用身边民用件代替，学生线下训练并上传结果。
（一）不同教学模式下学生成绩聚类
根据学生8门小课程的平时成绩和考试成绩对混合式教学和传统实践教学进行系统聚类（图1、图2）。
结果表明，第5轮聚类时两种教学模式下学生成绩分为18类和13类。第10轮聚类时两种模式下学生成绩分为9类和5类。在第13轮聚类时，混合式教学的学生被分为2大类，还有5个学生被分为3类；
传统实践教学的学生被分为2大类，29号单独归为一类。
图1 混合式教学学生成绩聚类图
混合式教学大部分学生的成绩经过多次聚类计算才可聚为同一类（图中各个矩形较长），且混合式教学模式下的学生的成绩结构相对差异大，说明学生集中听课的效率不高。传统实践教学大部分学生的成绩经过少次聚类计算就可聚为1类，其表现截然相反。对比结果见表1。
表1 学生成绩结构聚类结果对比
（二）混合式教学学生成绩典型相关性分析
表2是混合式教学学生成绩的典型相关系数及检验结果。
F检验的结果表明，前3个典型相关系数（-1到1之间，绝对值大、相关性强）显著性小于0.05，说明是显著相关的，因此选择前3个典型相关变量进行解释。8组（平时考试各8组）学生成绩最终可由3个典型变量组进行浓缩提取表示，而且此3个典型变量间的相关系数值均高于0.7，说明X（平时成绩）组和Y（考试成绩）组之间有着非常紧密的正向相关关系。
3个典型变量呈现出显著性，因此仅分析对应的3个典型变量即可，且典型变量成对出现和分析。
典型变量表达式是典型相关性分析的重要结果之一，它表达了数据标准化后提取出的主因素（U，V）与各成绩变量之间的关系。
计算出3组典型变量U的标准化相关系数，可以写出各典型变量的表达式。
图2 传统实践教学学生成绩聚类图
表2 混合式教学成绩相关性和显著性
在第一组典型变量中，大部分变量的系数比较均匀，只有涡发的两个成绩比较大，表明U1V1偏重涡轮发动机综合能力，同理U2V2为全面综合能力，U3V3为偏重结构综合能力。
表3和表4展示出混合式教学的典型载荷系数。
从表3典型变量与8组成绩指标的相关关系来看，其相关关系情况由典型载荷系数值表示，典型载荷系数绝对值越大说明该项与典型变量之间的相关关系越强。U1对各平时成绩的相关关系表明，复材平时和操纵平时成绩与U1呈负相关，也就是复材、操纵平时成绩系数减小，U1变大。同理U2全部呈正相关，U3结构和液压平时成绩呈负相关。
表4中列出了V1、V2、V3对各考试成绩的相关系数，结构考试和液压考试对V1呈负相关，液压考试对V2呈负相关，结构、复材、液压、操纵考试对V3呈负相关。
结合表2、3、4画出典型相关关系，如图3。图中最左列平时成绩与U、最右列考试成绩与V的相关系数没有标出，其系数参照表3、表4。
三组典型变量U1V1、U2V2、U3V3分别为0.992、0.932和0.791，相关系数较高，且呈正相关，说明学生能将学到的知识非常好地运用到考试中，也说明教师的课程安排和考试内容非常贴合恰当。
（三）传统实践教学学生成绩典型相关性分析
表5是传统实践教学学生成绩的典型相关系数及检验结果。
表5 传统实践教学成绩相关性和显著性
表3 混合式教学平时成绩典型载荷系数
表4 混合式教学考试成绩典型载荷系数
F检验结果表明，前4个典型相关系数显著性小于0.05，因此选择前4个典型相关变量进行解释。
计算出4组典型变量U的标准化相关系数，可以写出各典型变量的表达式。
图3 混合式教学学生平时成绩和考试成绩典型相关图
计算出4组典型变量V的标准化相关系数，可以写出各典型变量的表达式。
同理，U1V1为偏重燃油综合能力，U2V2为偏重系统综合能力，U3V3为偏重结构和系统综合能力，U4V4为偏重结构和发动机综合能力。
表6和表7展示出传统实践教学的典型载荷系数。
表6 传统实践教学平时成绩典型载荷系数
表7 传统实践教学考试成绩典型载荷系数
根据表6中列出的U1、U2、U3、U4对各考试成绩的相关系数可知，全部平时成绩对U1呈正相关，活塞平时对U2呈负相关，复材、燃油、起落架、涡发、活塞平时与U3呈负相关，结构、复材、液压、起落架和活塞与平时U4呈负相关。
表7中列出的V1、V2、V3、V4对各考试成绩的相关系数表明，全部考试成绩对V1呈正相关，活塞考试对V2呈负相关，复材、液压、燃油、起落架和涡发考试对V3呈负相关，结构、复材、液压、操纵、起落架考试对V4呈负相关。
结合表5、表6、表7画出典型相关关系，如图4。图中最左列平时成绩与U、最右列考试成绩与V的相关系数没有标出，其系数参照表6、表7。
图4 传统实践教学学生平时成绩和考试成绩典型相关图
4组典型变量U1V1、U2V2、U3V3、U4V4相关系数比较高，且呈正相关，说明学生能将学到的知识比较好地运用到考试中，也说明教师的课程安排和考试安排比较贴合恰当。
将飞机发动机维修实践课（8门课，平时和考试16项成绩）学生分成两组，各34人，分别使用混合式教学和传统实践教学，从学生集中听课效率和平时与考试成绩两方面对学生的学习效果进行对比。
以8门小课程的平时成绩为一大组，8门小课程的考试成绩为另一大组，对混合式教学和传统实践教学的学生成绩进行典型相关性分析。混合式教学提取出3组典型相关变量，分别为偏重涡轮发动机综合能力（与复材和操纵负相关）、全面综合能力、偏重结构综合能力（与结构和液压负相关），相关系数分别为0.992、0.932和0.791。传统实践教学提取出4组典型相关变量，分别为偏重燃油综合能力、偏重系统综合能力（与活塞负相关）、偏重结构（与复材、燃油、起落架、涡发和活塞负相关）和系统综合能力（与复材、燃油、起落架、涡发和液压负相关）、偏重结构和发动机综合能力，相关系数分别为0.984、0.912、0.770和0.755。呈负相关的小课程说明课程的设置没有提高学生能力，应针对其所对应的综合能力进行教学改革。两组学生成绩的典型相关系数都很高，说明教师备课充分，课程内容和考试内容贴切合理。网络学习中一些内容可以反复观看，不限制时间、空间，具有一定优势。混合式教学（典型相关系数略高）学生比传统实践教学学生能更好地将学到的知识运用到考试中。文章为实践课程的进一步改革和优化提供了详细的量化标准和改革方向，为探讨实践教学的效果提供了新的方法和思路。
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