基于翻轉課堂的應用型本科實驗教學方法研究*

吳 峰 朱錫芳 鄒 全 相入喜

（1.常州工學院 電子信息與電氣工程學院，江蘇常州213002；2.常州工學院 光電工程學院，江蘇常州 213002）

引言

應用型本科教育以培養具有較扎實的理論基礎、較強的分析問題和解決實際問題能力的應用型人才為目標。實踐教學環節有助于培養學生的動手能力和應用能力，在應用型本科高校中占有突出的地位[1]。實驗教學是實踐教學環節的必要組成部分，提高其教學質量對實現人才培養目標具有重要意義。

長期以來，應用型本科高校的實驗教學普遍采用“教師演示，學生重現”的模式，教師常常忙于指導學生的實驗操作，較少引導學生探究。學生則過多關注實驗結果的正誤，較少反思實驗方法和結果。由此，學生分析問題和解決問題的能力還有待提高，實驗教學對理論教學的促進作用也較為有限。因此，迫切需要研究新的實驗教學方法，全面改善教學效果。

從2011年開始，翻轉課堂教學模式逐漸在美國流行，并傳播到世界各地。它倡導學生在課外通過觀看教學微視頻自學課程內容，師生在課間參加教學活動和交流互動，學生消化吸收知識。翻轉課堂將教師從傳統教學方式的講授任務中解放出來，使他們能集中精力開展教學研究，提高教學效果。同時，學生成為教學過程的主體，教學獲得良性發展。翻轉課堂為應用型本科實驗教學改革提供了新思路。

華中師范大學楊九民等[2]將以微視頻資源學習為核心的翻轉課堂運用到“現代教育技術”實驗課程中，取得了良好效果，但還需具體設計課內實驗階段的交流互動活動，以進一步提高實驗教學質量。

一 翻轉課堂及實驗教學方法

1 翻轉課堂的發展和內涵

早在2000年，美國邁安密大學的三位教授Lage，Platt和Treglia[3]在經濟學導論課程的教學中，提出了翻轉課堂教學方式，即將傳統教學模式中課內傳授知識的工作轉移到課外完成，而將原來課外練習的工作轉移到課內完成。教學實踐表明這種方式有利于學生成為學習的主體，從而獲得個性化的教育。教學微視頻的出現則使翻轉課堂應用于教學實踐成為可能。2004年，Salman Khan為侄女錄制了視頻幫助其補習功課，侄女反映視頻便于她略過已經掌握的內容，也利于她反復觀看疑難部分。受此啟發，Salman Khan研究視頻在教學中的應用，并于2006年創建了Khan Academy網站[4]，目前該網站提供數以萬計的免費教學視頻。2007年，科羅拉多州Woodland Park高中的兩位教師Aaron Sams和Jonathan Bergmann[5]采用電腦軟件錄制包含課件及其講解語音的視頻，為缺課學生補課。他們從補習效果中受到啟發，著手將視頻用于教學，并逐漸形成了成熟的翻轉課堂教學模式。不久他們創辦了Flipped Learning Network網站，為廣大學生和老師提供教學視頻，分享和交流教學經驗。Salman Khan，Aaron Sams和 Jonathan Bergmann[6]的開創性工作推動了“翻轉課堂”的快速發展，他們的研究成果在教育界引起了轟動。這些教學視頻短小精湛，約15分鐘左右，因此被稱為微視頻。微視頻現已成為翻轉課堂的必要組成部分[7]。

翻轉課堂的基本思想是采用“課外傳授知識，課間內化知識”的策略開展教學[8]。在課外，學生通過微視頻自學基本知識，有效實現新知識的原始積累。在課間，教師安排學生開展協作探究式活動，并當面解決學生疑問，促使他們加深對知識的理解。翻轉課堂教學模式具有以下優點：

第一，采用微視頻引導學生課外自學，效果優于傳統教學中教師講授的方法。首先，教學微視頻其實是教師講課場景的復制品，一旦錄制長期保存，可被多人反復使用。用微視頻替代講課，避免教師重復講解，減少工作量[9]。其次，學生易于根據各自的學習狀況和特點，自由控制微視頻播放的時間、進度和次數，滿足學生個性化需要，從而提升學習效果[10]。

第二，最佳發揮教師輔導學生的作用。在傳統教學中，當教師在課內為學生講解知識點時，由于學生剛接觸新知識，還來不及深入思考，此時很少需要教師解答疑問。在課后，學生做練習時，卻不能及時得到老師的幫助。翻轉課堂調整了教師在學習過程中出現的次序，當學生完成課外自學，取得新知識基礎后，教師與學生開展課內教學活動，交流互動，教師協助學生完成知識內化。

第三，翻轉課堂的核心在于課堂上的教學活動。建構主義認為，知識是學習者以自身為主體通過意義建構而獲得的[11]。意義建構是指深刻認識新知識所反映的事物性質、規律和相互關系，理解知識點的內涵和外延，也即是知識內化。學生只有實現知識內化，才能理解新知識，掌握新知識，并靈活運用它們。翻轉課堂采用微視頻引導學生自學的根本目的在于，為學生實現知識內化奠定必要的知識基礎。同時，微視頻免除了教師講授的任務，使教師能集中精力設計和組織課堂教學活動，促進學生吸收和內化知識，提升學習效果。

2 傳統實驗教學方法的分析

在傳統實驗教學模式下，學生通常被要求課前預習實驗內容。在實驗課期間，教師先用15分鐘左右的時間集中講解實驗原理和內容，并演示操作過程。隨后，學生獨立完成實驗，并在課后完成實驗報告。這種傳統的實驗教學方法有以下缺陷：

首先，實驗進展緩慢，效率低。學生基于實驗指導書完成預習，較難把握實驗過程的每個環節，有些學生甚至不熟悉實驗儀器。他們操作不夠熟練，實驗進展緩慢。

其次，開展相同實驗的次數多，教師重復講解工作量大。不同班級可能開設相同實驗，每個班級往往需分批進行同一實驗，因此實驗重復次數多。有些基礎課程實驗重復量相當大，重復多次講解相同實驗內容的巨大工作量使教師無暇改進教學方法。

再次，教師的集中講解效果差。學生的接受能力有差別，每次的實驗人數又很多，實驗老師的集中講解通常不能保證每個學生都能清楚把握實驗方法和要求。

最后，實驗過程忽視學生內化知識。實驗成績通常以結果的正誤來評定，學生大都只追求完成實驗項目，取得正確的數據結果，很少深入思考相關問題。教師經常忙于解答學生的操作問題，較少有技術性指導。因此，師生之間缺少專業知識層面的交流和互動，不利于教學相長。

3 基于翻轉課堂的應用型本科實驗教學方法

本文根據翻轉課堂的優點，設計新的實驗教學方法，實施結構如圖1所示。在課前，主要通過教學微視頻引導學生自學實驗原理和操作方法，減輕教師講解負擔。在課內，學生完成基本實驗后，教師以思考題為導向，組織學生開展探究活動，強化其理論基礎，提高他們解決問題的能力。在課后，學生整理實驗報告。以下詳細介紹課前和課內的主要活動。

圖1 基于翻轉課堂的實驗教學結構

（1）課前活動

①教師根據實驗計劃編寫指導書。對于各實驗項目，除原理、步驟以外，指導書還應詳細說明要求取得哪些結果和結論，并給出與本實驗相關的1～2個思考題，以便課內開展探究活動。

②教師錄制講解實驗原理的視頻。該視頻可采用幻燈片方式加講解語音的形式，或者板書加講解語音的形式。同時錄制現場操作過程的視頻，以使學生能熟悉實驗環境。每個視頻控制在10分鐘左右，充分利用學生注意力最集中的時段，提高學習效果。

③學生觀看實驗教學視頻。學生自由選擇觀看視頻的時間、地點和方式，在最佳狀態下高效率學習。學生反復學習教學視頻，掌握基本原理，熟悉實驗儀器和操作步驟，并記錄遇到的問題。

④在完成上述步驟的基礎上，學生參考指導書，開展理論分析和計算，規劃實驗報告，完成預習。針對預習中遇到的問題以及實驗思考題，學生通過網絡平臺相互交流，查找資料解決。

（2）課內活動

①學生完成基本實驗。學生在觀看教學視頻完成預習的基礎上，能在半小時左右的時間內完成教學視頻所給出的基本實驗內容，教師也能在此期間解答學生預習中的疑問。

②開展協助探究活動。該步驟包含兩部分內容。第一，學生得到基本實驗的結果后，通過相互交流，糾正錯誤。第二，學生開展探究，解決新問題。教師針對指導書上的思考題，組織學生以3人為一組開展討論交流。各個小組分別討論思考題，探討結論，并在基本實驗的框架上，設計和擬訂實驗方案，并通過實驗予以實現。在整個過程中，教師指導和解答學生疑問。該步驟有助于學生深化對基本知識的認識，提高他們分析問題，解決問題的能力。

③展示和交流探究實驗結果。各小組獨立完成探究活動之后，教師選擇2～3個小組為示范小組。各示范小組依次為全體同學介紹解決思考題的依據、實驗方法，展示實驗結果。針對展示的情況，其他同學對比本組實驗方案與結果，討論和補充改進方法。

④實驗效果評價與反饋。經過探究活動、展示和交流后，每個學生首先自我評價自身掌握實驗原理的情況，評價基本實驗和探究實驗采用的步驟、所得結果的情況，并列舉本次實驗中的優點和不足。然后，針對示范小組，每個學生對其實驗方法和結果打分，指出其優點，提出改進意見。教師整理和總結評價材料，進一步改進教學方法。同時，將對示范小組的評價情況反饋給對應小組，促進他們提高實驗技巧。學生自評有助于其端正學習態度，提高學習主動性。學生互評能幫助學生正確認識長處和不足，改進學習方法，最終提高其應用能力。

二 翻轉課堂實驗教學舉例

下面以數字圖像處理課程中的“圖像的傅立葉變換與頻域濾波”實驗項目為例，具體說明本文提出的翻轉課堂教學方法。數字圖像處理課程是應用型本科高校電子信息工程專業的重要課程，要求學生掌握通過程序設計開展圖像處理的基本方法。本實驗的基本實驗內容為驗證二維傅里葉變換的平移性和旋轉不變性，實現圖像低通頻域濾波，學生應掌握傅立葉變換原理和特性，熟悉圖像正、反二維傅立葉變換的程序設計方法。

根據本文提出的教學方法，教師在編寫實驗指導書的基礎上，采用錄屏軟件錄制了講解原理的視頻，以及基本實驗操作步驟和講解的視頻。此外，指導書中增加的思考題為：在圖像的傅立葉變換域中，零頻、低頻和高頻數據分別代表圖像的什么信息，通過實驗予以驗證。

課前，學生觀看教學視頻，掌握了圖像正、反二維傅立葉變換的基本過程及其程序設計方法，熟悉了常用的讀圖、傅立葉變換、顯示等函數。針對思考題，學生通過查找資料和交流，對實驗驗證方法也有了初步的方案。

課內，學生獨立編寫圖像處理的程序代碼，完成基本實驗內容，相互交流，糾正實驗錯誤。之后，學生以3人為一小組，針對思考題，討論設計方案，分析其可行性，并擬訂技術路線。再通過程序設計實現方案，最終給出圖像處理結果。

圖2 方案1的流程圖

圖3 方案1的實驗結果

示范小組給出的設計方案主要有兩種。如圖2所示為其中一種方案的流程圖，圖2中FFT和IFFT分別表示正、反傅立葉變換。首先，將原圖作傅立葉變換，得到頻域數據。然后，分別設計2個低通濾波器、1個高通濾波器，其中一個低通濾波器的截止頻率接近零頻。接著，分別將三個濾波器與圖像頻域數據相乘，再將乘積作反傅里葉變換，得到濾波結果，實驗結果如圖3所示。根據處理結果圖，很容易得出，傅立葉變換域中的零頻、低頻和高頻數據分別代表圖像的平均亮度、概貌和景物邊緣信息。

如圖4所示為第二種方案的流程圖。它的基本流程與方案1一致，只是逐漸增加低通濾波器的截止頻率，獲得多個低通濾波結果。當截止頻率fc很小時，處理結果與圖3(b)一致。當截止頻率fc分別取為10、20、30、40個像元時的處理結果如圖5所示。可見，隨著截止頻率增加，濾波結果的圖片越來越清晰。由此可以說明，零頻代表圖像平均亮度，低頻代表圖像的輪廓，高頻代表圖像的細節。

圖4 方案2流程圖

圖5 方案2實驗結果

學生比較以上兩種方案，討論它們的相同點和不同點，就其優缺點發表意見。大部分學生認為方案1的結果更能說明問題，優于方案2。最后，學生開展自評和互評，教師整理打分材料，并將意見反饋給示范小組學生。通過本實驗，學生加深了對傅立葉變換本質的認識，牢固地掌握了傅立葉變換和頻域濾波的程序實現方法，提高了應用能力。

三 結論

翻轉課堂采用課外完成傳授基本知識，課內實現學生內化知識的策略，開展個性化教育。本文提出基于翻轉課堂的應用型本科實驗教學方法充分利用教學視頻使用便利、可重復播放的優點，免除了傳統實驗教學中教師繁重的重復講授任務，便于學生根據個性特點自主選擇課外學習的時間、地點和方式，有利于學生牢固掌握實驗原理和操作方法，加快課內基本實驗的進程，為完成知識內化奠定基礎。以問題為導向的探究性課內活動，能啟發學生運用基本原理，深入思考解決方案，引導他們設計實驗方法來檢驗結論，促進了師生之間和學生之間的交流互動，有助于教學相長，對鞏固學生理論知識的學習效果，提高分析問題和解決問題的能力起到了積極作用。

[1]張福全.應用型本科高校的本質特征[J].合肥學院學報(自然科學版),2010,(4):53-57.

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