二維碼技術在翻轉課堂教學中的應用*
--以材料化工大型儀器設備實驗教學為例

尚明屹，吳 堃，楊 勇，孫婧婧

(廈門理工學院 材料科學與工程學院，福建 廈門 361024)

為適應新時代發展的需要，《國家中長期教育改革和發展規劃綱要》 《高等教育專題規劃》等文件的發布，以及“雙一流”專業建設、工程教育認證、新工科的大力推進，對高校人才培養提出了新的要求。培養具有創新能力、動手能力、正確的人生觀和世界觀的綜合性人才已經逐漸成為高校人才培養的重點。在材料、化學、化工研究領域，大型儀器設備是連接新材料“制備-性能-應用”的重要橋梁，是探索材料本質、開發新材料和解決實際生產問題的關鍵。因此，在高校科研、教學中，大型儀器設備扮演著重要的角色，不僅是科研工作的重要基礎保障，也是材料化工本科實驗教學中培養學生分析問題和解決問題的能力、激發學生的創新意識、培養學生的創新能力和提高學生的綜合素質的基礎條件之一[1]。能否使用大型儀器是體現理工科本科生科研素質及創新能力的一個重要標志[2]。

我校理工科專業居多，隨著近年來國家經費的支持，購置了包括紅外光譜儀、紫外光譜儀、光電子能譜儀、透射電鏡、掃描電鏡等多臺大型儀器設備。同時，隨著人才培養要求重點的轉變，經過多輪培養計劃修訂，多個專業在大三學年開設了大型儀器設備相關的實驗課程。作為大三的專業核心課程，大型儀器設備相關實驗既是基礎化學實驗的延伸拓展，更是基礎實驗和學生將其應用在后續畢業設計及科研工作的關鍵樞紐。經過近幾年追蹤調查，發現在材料、化工專業相關行業的就業面試和考研面試中，經常涉及到大型儀器設備相關的面試題目。在實驗中表現良好的學生，參加面試時也更受HR或導師的青睞，在后續職業生涯和學習深造中也能有良好的個人發展。

然而，大型儀器設備精密、貴重，涉及到實驗原理復雜，操作軟件多為英文版本，參數設置注意事項多，制樣工藝復雜，維護成本高[3]，大部分機時應用于科學研究。在這個背景下，大型儀器設備用于材料化工本科實驗教學還存在著諸多問題。如何利用先進的教學手段和科學技術改善目前的現狀，是我們在材料化工大型儀器實驗教學中的重點和難點。

1 大型儀器設備用于材料化工本科實驗教學存在的問題

1)儀器臺套數少，部分實驗變成了演示實驗

目前大型儀器設備一般只有1臺或2臺，大部分實驗教學中均是將學生分成10～15人/組進行循環實驗。除去教師講解儀器原理、演示操作的時間，學生自己動手操作的時間比較少，導致部分實驗變成了演示實驗[4]，學生很難在有限的時間內完成對儀器的了解和認識。

2)實驗講義形式單一，基本上以文字為主

學生預習時基本上都是機械的抄寫，對儀器并沒有直觀的認識，實際動手操作時即使對著詳細的操作流程也有可能不知道從何開始，而且盲目的操作儀器也很有可能導致儀器損壞，沒有達到真正預習的效果。

3)教學過程中師生互動較少

現在的實驗教學過程中，學生僅僅是根據已指定好的實驗樣品和步驟，逐一操作得到實驗數據，留給學生想象、思考和發揮的空間較少，師生互動性低，不利于對學生動手、動腦能力和創新能力的培養。

4)測試樣品單一，測試數據同一化

全班共用同一組樣品或每組用一個樣品，大型儀器的精密性決定了同樣的樣品數據差異性很小，導致學生在處理實驗數據時抄襲較多，實驗報告辨識度不夠，不能有效的區分學生實驗教學成果的好壞，也不利于學生真正實踐能力的培養。

5)實驗時間協調困難

實驗基本上都是分組進行大循環實驗，一門5個實驗的課程需要安排至少10次課，教師和學生的時間很難協調，實驗教學效果難以保障。

6)實驗相對獨立，沒有與其他實驗和理論課有效融合

現有的教學模式下，材料化工大型儀器設備實驗和專業相關的其他實驗相對獨立割裂，變成了單純的數據測量型實驗，沒有真正起到“制備-表征-應用”的橋梁作用[5]，不利于學生探索精神和綜合思維能力的培養。如何將大型儀器設備實驗和專業相關的其他實驗和理論融合交叉，讓學生在實驗中學會解決實際問題的能力，成為了目前材料化工實驗教學改革的重要方向。

2 翻轉課堂在材料化工大型儀器設備實驗教學中的實施過程

針對目前材料化工大型儀器設備實驗課程存在的問題，主要的解決方法要從轉換教學模式、豐富教學內容和重新架構實驗教學項目實施方式等方面入手。將無限的課外時間交給學生去自學思考交流，有限的課堂時間交給學生去實際操作，以期達到大型儀器設備的實驗教學目的，有效提高教學質量，真正激發學生的創新意識和培養學生的創新能力。

翻轉課堂也稱為“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。在課前，學生通過豐富的多媒體資源完成自主學習，通過網絡實現在線討論，自行查閱需要的材料，設計實驗方案。在課內，教師針對性的解決學生預習過程中的問題，學生專注于實驗項目的主動學習，對實驗課程的內容獲得更深層次的理解。在課后，學生通過完成實驗報告，加強對所學知識的掌握和運用，進一步進行個性化的拓展學習。在這種教學過程中，教師僅僅是學習的指導者，而學生成為主動學習者而不是信息的被動接受者。翻轉課堂在材料化工大型儀器設備實驗教學中的實施過程包括以下幾個階段：

1)課前--教師教學材料準備和學生的自主學習階段

保障翻轉課堂順利實施的前提在于充分的教學準備。因此，教師根據需要對用于教學的大型儀器設備準備豐富的教學材料，建立材料化工大型儀器設備實驗教學資源庫。鑒于大型儀器設備復雜精密的特殊性，每臺儀器的實驗教學資源庫以儀器的生活應用實例作為引入點，使用動畫、圖片、3D模擬等豐富有趣的表達形式，制作儀器設備原理和應用的多媒體課件[6]，充分激發學生學習的興趣，使學生由淺入深、逐層深入的進行學習。制作規范性的實驗操作視頻和數據處理方法的視頻，學生可重復觀看，多次學習。

除了構建實驗教學資源外，為了避免實驗項目同一化導致的數據差別不大，抄襲較多的問題，我們通過多元化實驗項目的設計來解決。針對不同專業，我們設置了解決更適合相關專業問題的實驗項目，測試不同的實驗樣品，解決不同的理論問題。對于同一專業，我們也準備同類別的多種不同樣品。另外，實驗的樣品可來源于學生先前實驗合成的樣品。這樣既能有效避免實驗報告抄襲和同一化帶來的評分困難，也可以實現材料化工大型儀器實驗教學與其他課程之間的聯系，更關鍵的是讓學生通過預習自行設計實驗方案，采用探究式、啟發式實驗教學模式，充分調動學生主動學習的能力。

在教師教學材料準備的基礎上，學生在課前進行充分的自主學習，自由組隊，探討實驗方案。

2)課中--學生的課堂實踐和教師的課堂指導

翻轉課堂實施的重要前提是學生在預習階段能真正通過自學掌握了儀器設備相關的知識。為了檢驗學習的效果，我們設計了課堂小測驗，凝練每臺儀器的重要原理、制樣操作、數據處理部分的內容形成填空和選擇題供學生作答。在操作儀器之前，通過小測驗，教師可迅速了解每位學生預習情況，進行針對性講解和強調。小測驗的成績也作為實驗成績的一部分，以考促學，每位學生都要完成，也避免了問問題式考查中都是一兩個學習積極的學生作答的弊端。

在教師針對性講解后，學生按照規范性的實驗操作視頻進行實驗方案的實踐，教師在課堂上的主要角色是課堂的指導者。

3)課后--學生的知識內化應用和教師的總結反饋

在課后，學生通過課堂實踐得到實驗數據，按照實驗方案要求，完成對數據的處理和實驗報告的撰寫。教師在每年實驗課結束后，挑選優秀的實驗報告形成優秀實驗報告庫，供學生參考和改進，幫助學生更好地總結實驗成果。在這個階段，我們借助微信或微信群等實時交流工具建立了一對一、相互討論的渠道，及時解決學生在全程實驗教學中遇到的問題。為了更進一步實施教學改革，不斷改善教學內容和方式，在學生實驗報告上設置“學習心得體會”欄以及在講義后附上意見反饋渠道，形成良好的反饋機制。根據學生的反饋意見，教師再不斷打磨和充實教學資源以及改進教學方式方法，形成良好的正向反饋，促進課程教學的不斷完善。

在材料和化工的大型儀器設備實驗教學中，紅外光譜儀、紫外光譜儀、光電子能譜儀等應用范圍廣，可快速定性分析樣品的化學成分和結構，其課程實施流程如圖1所示。其他的大型儀器設備實驗教學也可以以此為基礎，根據儀器特性“因器制宜”優化課程實施流程。

圖1 翻轉式材料化工大型儀器設備實驗教學課程實施流程

將翻轉課堂的教學模式應用在材料化工大型儀器設備實驗教學中，可將教師從重復繁瑣但并缺乏直觀和形象的口頭講解中抽離出來，將更多的精力用于教學材料的準備細化、針對性解答學生預習中遇到的問題點以及儀器操作的主要關鍵點、樣品測試的方案設計討論等。在一次次的思想碰撞中，達到相互促進不斷提高教學效果的目的，有效提高教學互動性，充分挖掘學生主動性。教師不再重復大量的講解內容，留給學生課堂實踐的時間大大增加，實驗分組可實現10～15人減少到4～5人或更少，讓每個學生真正參與到儀器的實際操作中。

3 二維碼技術在翻轉課堂中的應用

在翻轉課堂實施的過程中，我們涉及到大量的視頻、動畫、測驗、信息反饋和建立優秀實驗報告庫等。在以前的材料化工實驗教學改革中，采用教學網站等形式將這些內容呈現給學生。而隨著智能設備的不斷普及，對于學生而言，電腦的使用頻率下降，而用智能設備打開網站，網站的完整度無法呈現，同時對網絡的要求較高，不能做到隨時隨地的學習。

隨著網絡技術的發展，二維碼技術的不斷普及，可有效改善這一現狀。二維碼是萬物互聯的重要載體，它的出現極大方便了人們的生活。二維碼作為一種信息儲存、傳輸和識別技術，可將文字、圖片、聲音、視頻等以數字化的信息進行編碼捆綁。隨著4G/5G無線互聯網的迅速發展，智能手機和平板等移動通訊設備廣泛普及，二維碼不再受到時空和硬件設備的限制，已廣泛滲透到日常生活的方方面面。二維碼技術成本低、轉碼耗時少、占用內存小，在碼不改變的前提下可不斷更新內容。作為萬物互聯的重要載體，二維碼正在成為數字經濟、工業互聯網、智能制造等領域不可或缺的經濟因素[7-8]。在材料化工大型儀器翻轉教學課堂的實施過程中，二維碼被廣泛應用在如下場景：

1)構建立體化的實驗講義

為了使材料化工大型儀器設備實驗教學材料的生動性大幅提升，實驗教學材料的準備過程中，涉及到3D動畫、演示文稿講解、視頻等，利用網站呈現這些教學材料不利于學生使用智能設備觀看。我們通過相關技術將多媒體資源生成二維碼，附在傳統的講義上，形成文字精簡、形式內容豐富的立體化實驗講義。讓學生看到文字的同時能隨時隨地使用手機、平板電腦等智能終端掃描二維碼打開立體化講義，看到抽象文字相應的講解，簡化學習資料，實現“碼”上學習，達到課堂教學與網絡教學的同步，極大提高了學生自主學習的興趣和主動性。

同時，科學技術發展極其迅速，大型儀器設備更新換代很快，所以大型儀器設備的實驗教學材料也要與時俱進，不斷更新，注重創新性與研究性內容相結合。教師可在保持二維碼不變的情況下，后臺隨時更新二維碼內容，以達到立體化講義的與時俱進，還可以通過后臺掃描量等實時跟蹤學生的學習情況。

2)課堂小測驗的完成和成績跟蹤

傳統課堂測驗采用紙質版發放的形式完成，不利于成績的及時反饋和教學資源的保存。我們將難度相當的不同的幾套題目通過問卷星等生成二維碼，學生在課堂開始前，掃描二維碼進入答題，提交后，教師可在后臺即時看到學生答題情況，了解學生預習的情況，快速挑選出大型儀器設備原理和操作中需要進一步強調的重點和難點。

3)儀器規范操作視頻的呈現

二維碼技術還可推廣到大型儀器設備操作視頻的呈現方面，我們將規范的操作流程文檔和操作視頻用二維碼貼于儀器旁邊，只需占據儀器旁邊 2 cm×2 cm 左右大小的位置，便于學生在操作時遇到不明白的地方實時觀看。

4)優秀實驗報告庫的建立

在優秀實驗報告庫建設方面，我們也借助二維碼技術來實現，將優秀實驗報告掃描為電子版，以學生學號+專業+實驗名稱的形式命名，將多個實驗報告集合，生成一個二維碼貼于立體化講義的最后，供學生處理實驗報告時參考。隨著每年實驗結束，可在碼保持不變的情況，及時更新優秀實驗報告庫。

5)交流討論和意見反饋渠道的搭建

在立體化講義后可以附上教師微信和課程微信群的二維碼，供學生一對一交流和相互討論，有問題“碼”上問，及時解決學生在全程實驗教學中遇到的問題。同時，在講義后附上意見反饋二維碼，有意見“碼”上說，形成良好的反饋機制。

將二維碼應用在材料化工大型儀器設備實驗教學中，較網站或發送文件的傳統模式，可在時間成本、經濟成本、便捷度等方面有很大的提升，具體如表1所示。

表1 傳統模式和二維碼技術應用模式在材料化工大型儀器實驗教學中的應用對比

4 結語

在材料和化工類學生的實驗教學中，大型儀器設備實驗教學占據著非常重要的地位，我們通過豐富的實驗教學資源庫作為載體，實施“翻轉課堂”的教學模式，并采用二維碼技術將豐富的多媒體資源、優秀實驗報告庫和意見反饋渠道等融入講義，化繁為簡，將更多的時間留給學生主動思考和創造，增加教學的互動性，充分鍛煉學生的思考和動手能力。讓學生在大型儀器設備實驗課程的課堂上，不僅僅局限于學會儀器的開、關，流于形式和完成任務，而是學會大型儀器的實際應用和拓展，為大型儀器的學習賦予內涵，有效激發學生的學習潛能，對培養具有創新能力、動手能力、正確的人生觀和世界觀的綜合性材料化工類人才起到真正的促進作用。