翻轉課堂在光電子學習題教學中的探索與實踐

陳 瑩

（湖北工業大學理學院 湖北 武漢 430072）

在5G通信、人工智能、大數據、云計算、物聯網等新一代信息技術蓬勃發展的同時，光電子技術作為這些信息技術創新發展的關鍵支撐技術也格外受到關注。近年來，光電子產品市場規模不斷擴大，應用日益廣泛，成為各國各地區競相發展的熱點[1]。我國光電領域的優勢主要集中在應用等中下游環節，而在上游的關鍵技術和元器件領域基礎薄弱，制約了我國光電子產業的快速發展。加快關鍵技術突破，培養高素質的專業性人才是解決該難題的有效途徑之一。光電子學是光學和電子學結合的新領域，囊括了光電子技術的基礎理論知識，是實踐和創新的源頭。然而，在目前的高校中，光電子學課程普遍存在課時少，教學深度和廣度不夠的問題[2]。較少的課時，較多的知識點，教師只能“灌輸”知識，學生被動接收。多數學生了解知識點，但無法學以致用，更不用提實踐和創新了。

翻轉課堂，譯自“Flipped Classroom”或“Inverted Classroom”，也可稱為“顛倒課堂”，是指重新調整課堂內外的時間，將學習的決定權從教師轉移給學生。在這種教學模式下，學生能利用課堂內的寶貴時間，更專注于主動的基于項目的學習，共同研究解決問題，從而獲得更深層次的理解。翻轉課堂是比較成熟的教學模式，能調動學生的能動性，引導學生主動學習。文章探索了翻轉課堂在光電子學習題課中的實踐，實踐結果表明，學生的學習能力、實踐能力和創新能力都得到一定程度的提升。

1 翻轉課堂的研究進展

在翻轉課堂模式下，學生課前獨立學習，課堂上以合作的方式提問和回答，并將課堂上產生的想法和他人討論。翻轉課堂早已被應用在人文社會科學教學中，教師常要求學生提前閱讀課程內容，并在課堂上提問和討論，這正是翻轉課堂的模式[3]。從技術應用的形式看，早在1977 年，就有學者提出利用電子設備錄制課堂視頻，對學生的學習進行研究[4]。隨著互聯網進入我們的日常生活，為我們帶來了更豐富的在線音視頻資源。2007 年，兩名高中化學老師在網上發布了講課的視頻，供缺課的學生觀看，也供上課的學生復習。由于反響好，該教師開始在課前發布視頻，讓學生在課堂上進行練習和深入討論，最終達到了更好的學習效果[5]，自此越來越多的科學教學設計中采用了翻轉課堂。Karabulut-Ilgu 等人[6]分析了截至2015 年5 月的論文，得出結論，工程教育中翻轉課堂的研究更多地關注于記錄設計，但這些只是初步發現。他們呼吁開展更多的研究，建立完善的理論框架和評價方法，以建立工程教育方法論。我國也有很多關于翻轉課堂的研究和探索。陳巧悅等人就提出了將微課與翻轉課堂結合應用于大學物理習題課的教學[7]。岳丹等人以現代光電子成像技術概論課為例，探索了翻轉課堂在高校專業概論課程線上教學中的應用[8]。

2 光電子學課程的意義及習題課的重要性

光電子學是電子科學與技術等相關專業的一門核心專業基礎課，也是一門承上啟下的重要銜接課，更是學生畢業后從事相關領域工作的基礎。目前這門課程普遍存在課時少但知識點面廣，應用性強的矛盾，導致學生的學習深度和廣度都無法滿足時代的要求。學生只會機械式記憶，被動接受知識點，疲于應付考試，考試結束后一段時間就容易遺忘，后續課程中涉及相關知識點又需要重新自學已教過的知識，任務多，擔子重，學生積極性大打折扣，畢業后從事相關領域的工作時也缺乏理論基礎，輸在了起跑線上，而且實踐能力和創新能力也沒有機會得到鍛煉和提高。

3 翻轉課堂在光電子學習題課中的探索與實踐

筆者在知網以“翻轉課堂”為主題檢索，共找到70642條相關結果，以“光電子學”為主題檢索，共找到4015 條相關結果，說明這兩個主題受到了較多的關注。但以“翻轉課堂”+“光電子學”為主題檢索僅找到2 條相關結果，以“光電子學習題課”為主題檢索共找到0 條相關結果，可見翻轉課堂在光電子學課程，尤其是光電子學習題課中的探索和實踐是必要且有意義的。在光電子學課時少但知識面廣、公式多的矛盾下，加之學生能力良莠不齊，翻轉課堂與光電子學習題課相結合的教學方法可解決這個難題。教師無需耗費過多的課時講解習題，可以要求學生在課前預習，課中和課后自主進行練習，然后以PPT 或者微課視頻的形式展示，提高學生的積極性和參與性，引導學生主動學習。教師有更多的時間與學生交流，因材施教。對學有余力的學生，教師應適當增加習題難度和數量，設置更多實踐性、開放性課題，提升學生的個性化認知、實踐能力和創新能力。對能聽懂光電子學基本知識點但不會做相關習題，基礎差、底子薄的學生，可先將教師錄制好的典型相關題型的講解視頻看懂，然后講給其他同學聽，從而實現知識點內化的過程，在給別人講清楚的過程中，完善自身的知識體系。在傳統的教學模式中，教師講，學生被動接收，沒有機會完成知識內化，翻轉課堂可以提供實踐平臺，幫助學生實現質的飛躍。

筆者以本校電子科學與技術班學生為研究對象，展開了基于翻轉課堂的光電子學習題課的教學模式探索。翻轉課堂理念下的光電子學習題課課前準備環節中，教師需要將每一章的知識點和經典習題制作成PPT 或者錄制成視頻微課，經典習題劃分成不同的難易等級，然后教師讓學生自行分組，按照組進行光電子學課程各章習題的認領。在課中和課后環節中，學生在課余時間通過小組成員間的協同工作，制作各組的習題講解PPT 或者錄制微課，制作完成后由教師進行審核和評價，然后教師會將各小組制作的內容匯總分類發布到班級內部學習平臺，供學生進行交流以及互評。在教師評價和生生互評的過程中，教師和學生之間，學生和學生之間可以隨時進行交流和合作，引導學生主動學習，增強了學生的自信心，以較高的效率達到較好的教學效果，最后的考試成績也有明顯的提升。

筆者以光電子學中激光原理與技術章節為例，基于翻轉課堂理念進行了習題課的教學設計。激光原理與技術章節重點內容包括：光與物質相互作用理論與受激輻射；激光產生的條件；激光器的基本結構及各部分的功用；典型激光器的典型值以及半導體激光器。這一章知識點比較多，而且概念有些晦澀難懂，還涉及計算和應用，學生的理解往往流于表面，難以靈活應用，實踐效果不理想，但是這章非常重要，銜接著后續專業課激光原理，也是光電子產業和芯片產業中的基石。這章的知識目標主要是掌握激光和激光器的基本原理及其相關應用。思政目標是讓學生知道我國激光技術的快速發展過程以及存在的阻礙，引導學生建立民族自信心和國家自豪感，也勇于擔負起自身的專業使命和責任。習題課的教學設計和方法包括：課前教師制作PPT 或者思維導圖的形式串聯起本章的重點內容，錄制激光產生的演示實驗視頻，幫助學生直觀地理解知識點，教師錄制微課視頻講解相關典型例題，并布置不同難易程度的任務點，讓學生分組認領，合作完成任務。簡單級別的任務可以是一些光電子術語的科學含義，例如，受激輻射，譜線的多普勒加寬，譜線的自然加寬和光放大等。或者概念性的簡答題，例如，激光的特點是什么，為什么二能級系統不能產生激光？中等級別的任務可以是一些簡單的計算與推導題目，例如，＝0.5 m 時，什么溫度下自發輻射率與受激輻射率相等？T ＝300 K 時，什么波長下自發輻射率相等？試推導愛因斯坦關系式等。高難度的可以設計激光器的結構，利用實驗平臺搭建簡單的激光器，解釋生活中激光相關應用的原理或者介紹相關的前沿技術等。還可以設計一些開放性的問題，例如，你認為我國激光技術的瓶頸在哪？突破口在哪？引導學生明確自身專業的使命和責任。

課中，教師可以先提問或者發布線上討論，讓學生回答什么是激光，激光產生的條件，激光器的結構等涉及重點內容的相關問題，引導學生快速回顧核心知識點，進入學習狀態。然后教師可以播放學生制作的優秀微課或者請同學現場講解習題，安排學生課堂討論，教師適時進行評價和總結，評價以鼓勵為主，增強學生的自信心。翻轉課堂的習題課設計互動性強，不同的習題難度級別可以增加不同能力學生的參與度，課堂氣氛熱烈且輕松。最后以問卷調查的形式完成生生互評，也可以收集學生對基于翻轉課堂理念的光電子學習題課程教學設計的感受和建議，完善習題課的探索體系。對光電子習題課進行翻轉課堂設計后，學生普遍反饋知識點的掌握度更深了，實踐能力也提升了，習題課不再是枯燥無味，而是充滿趣味。和沒有采用翻轉課堂模式開展光電子學習題課教學的班級相比，學生到課率更高，期末平均成績也明顯提高。

4 總結

光電子學是電子科學與技術等相關專業一門重要的基礎專業課，其中理論部分和實踐環節都十分重要。但是課程課時少，知識點多，應用性強，學生的學習效果往往流于表面，機械地記憶知識點，然后應付考試環節，學習的深度和廣度都不夠，一旦碰到實際應用就不知如何展開。本文探索了翻轉課堂在光電子學習題課教學中的應用，顯著提高了學生的主動性，增強了學生的自信心，取得了良好的教學效果，可以為其他理工科專業習題課教學環節提供借鑒。