信息技術驅動下的翻轉課堂在電子技術實驗教學中的應用

摘要：信息技術是實現智慧教學的基石，翻轉課堂作為體現智慧教學個性化學習特點的主要教學方法，如何通過信息技術驅動翻轉課堂是進一步完善智慧教學的重要研究內容。通過設置不同難度等級的實驗項目，融合課前測驗、指導視頻和仿真軟件等線上教學資源，在課中引導學生在由易至難的實驗項目中自主發現問題、分組研討解決方案，從而實現翻轉課堂。課后通過多維度的總結與考核鞏固實驗技能，培養學生的觀察、發現、合作與解決問題的綜合能力，持續完善實驗電路，為智慧實驗教學奠定信息化教學方法基礎。

關鍵詞：信息技術；翻轉課堂；電子技術實驗；智慧教學；教學改革；教學方法

中圖分類號：G642" " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）17-0169-05

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

隨著教育部制定的以智慧課堂、智慧實驗室深化課堂教學變革計劃的不斷推進，并在人工智能與信息化技術迎來新一輪快速發展的背景下，高等院校正加速邁向智慧教學的新模式。這同時為“新工科”背景下應用型人才的培養方法帶來了新的創新機遇與挑戰。信息技術與教學方法、教學模式及教學手段的深度融合，成為實現智慧教學的關鍵基礎。通過線上教學平臺整合微課、慕課、虛擬仿真等教學媒介，可以更加靈活地在課堂上創新教學方法、模式與手段[1]，從而為“智慧教學”的實踐奠定基礎。

電子技術是電類專業的基礎課程，理論與實驗教學并舉、注重知行合一，實驗教學的質量決定了學生發現問題、交流溝通、解決問題的綜合能力培養效果，也是“智慧實驗室”“智慧教學”改革的重點內容。在電子技術實驗教學中，受時間與空間的限制，學生需要在課堂上熟悉實驗內容、器材，占據了動手操作、觀察現象、交流溝通的時間，難以充分調動學生的主動性，而教師也同樣需要花費較多時間對供電接錯、線材接觸不良等低級錯誤進行排查糾正，難以進行更加個性化的實驗指導[2]，是實驗教學改革的難點。

翻轉課堂教學是解決上述難點的主要方法，通過實驗指導錄像、線上教學材料等資源[3]，扭轉課內與課外教學環節的側重點，在課堂上賦予學生較高的自主發揮空間，將教學的重點由“教”向“學”轉變，從而可以充分調動學生積極性，提升學生的創新能力和自主學習能力[4]。然而，若缺少與信息技術的恰當融合，翻轉課堂在實施過程中仍存在學情反饋滯后、評價標準不明、難以顧全學生個體差異性等問題[5]。通過在實驗課前、課中、課后合理布局信息化教學資源，可以更加高效地營造開放、互動和個性化的學習環境[6]，是解決這一關鍵問題的要點。為此，本文通過將信息化教學資源與流程進行重新整合，在課前充分考慮知識同步性、直觀度、交互性等指標[7]，提供翔實指導資料、精準把控學情；課中劃分不同難度的實驗項目，借助虛擬仿真為學生營造更加直觀的發現、研討、解決問題的環境；課后延伸實驗項目，通過多種評估模式進行更加全面的考核評價。

1 信息化電子技術實驗環境的升級與探索

1.1 電子技術實驗室信息化管理框架升級

電子技術是電類專業的基礎課程，在“新工科”的建設背景下，實驗教學是電子技術實驗室的首要責任，但還要同時兼顧科創競賽、畢業設計等多樣化的應用型人才培養任務，涉及繁雜的管理工作，人員權限分為實驗室管理人員、實驗授課教師、學生等類型。每次實驗開始前要做好實驗室的準備工作，包括實驗室門禁權限的分配、實驗器材的整備、教學材料的準備等；在實驗過程中，需要輔助實驗指導教師登記故障設備、尋找實驗耗材、處置突發情況；在實驗結束后還需進行善后處理。傳統的人工管理方法工作量巨大，難以依據課表信息快速、精準地處理實驗室的占用時間與權限分配問題。圍繞以上問題與需求，對現有電子技術實驗室的信息化管理框架進行升級，升級方案設計如圖1所示。

實驗室教務數據服務小程序具有課表協調、門禁控制、人員權限、報修、預約時間等功能（如圖2所示） 。通過設置管理員、授課教師、學生、競賽組員、畢業生等角色的權限范圍，制定數據對接、更新與推送原則，實現權限控制下的實驗室教務功能的有序運行，從而提高各權限人員之間的數據對接效率，減少實驗室的管理壓力、避免實驗室占用的時間沖突。

時間協調算法的功能包括實驗室占用時間劃分與人員準入判別，首先將學期劃分為教學時間與非教學時間，其中非教學時間又進一步劃分出實驗課準備時間段、實驗課善后時間段、自定義獨占時間段、開放運行時間段，實驗課的準備與善后時間根據上課時間自動劃分，自定義獨占時間由管理員定義，上述時間段劃分后所剩余的時間段則作為開放運行時間段，從而實現門禁系統的智能化控制，提高實驗室占用時間劃分與人員準入管理的精細度。

實驗室運維數據庫與信息化管理平臺的功能包括教務安排記錄、安全檢測日志、設備檢修日志、使用臺賬記錄等，通過將各權限人員的實驗室使用數據進行分類整理，實現運維管理的一體式中心化集成，為眾多分散的實驗室文檔數據提供自動化的記錄與備忘服務。

1.2 數字化實驗資料庫搭建

數字化實驗資料是驅動實驗教學翻轉課堂的重要信息媒介，通過調整課前與課中教學活動配置，在課中賦予學生更大的自主發揮空間。數字化實驗資料庫包括實驗指導圖片、視頻、仿真軟件安裝包、實驗器材說明書及實驗芯片說明書等數字化材料，如圖2所示。其中，實驗指導圖片為基于現場照片的后期標注，通過Visio、PowerPoint、Photoshop等圖片編輯工具，在關鍵實驗環節的實拍照片上進行文字、形狀標注，從而突顯需要注意的區域以及對應的操作說明；實驗指導視頻是基于實拍視頻與錄屏的后期剪輯，實拍視頻是通過高分辨率攝像裝置錄制的完整實驗視頻，錄屏則是對電路仿真過程的完整錄制，通過EV剪輯、Camtasia、剪映、會聲會影等軟件進行視頻與錄屏的拼接、配音、轉場、標注等后期制作；仿真軟件安裝包涵蓋Electronics Workbench、 Multisim 12等兩個軟件，均為教學版；實驗器材說明書是在官網根據器材型號所獲取的PDF文件；實驗芯片說明書則是通過半島小芯、立創商城等平臺根據芯片型號所獲取的PDF文件。

所有數字化實驗資料全部上傳至線上課程平臺，授課教師掌管資料的更新與維護權限，當需要進行更新時，需上傳新材料、刪除舊材料，同時發布資料更新通知，以便告知學生更新的主要內容與側重點。結合實驗課件，學生可以自行查閱所需的實驗資料，在實驗開始之前熟悉實驗內容、操作步驟、儀器使用方法，并可結合仿真程序提前發現問題，并在實驗課上展開討論、優化電路，為實驗教學的課堂反轉筑牢基石。

數字化實驗資料對于實驗教學的翻轉課堂至關重要，學生依托數字化實驗資料在課前預習本次實驗項目的目標、器材與操作方法，可以大幅降低教師課堂講授所占用的課中時間。通過實際應用發現，數字化實驗資料顯著提高了學生活動在課中環節的時間占比，并可有效降低供電錯誤、接線不穩定等常見的低級操作錯誤，為學生觀察現象、發現問題、溝通方案、動手改進提供了必要的引導與技術支持，有效提高了學生實驗的積極性與成功率。

2 信息技術驅動實驗課堂翻轉的教學方案設計

圖3展示了信息技術驅動實驗課堂翻轉的總體教學方案，分為課前、課中和課后三個環節進行具體設計。在課前環節，線上通過學習通教學平臺向學生發布實驗指導視頻、技術資料搜索軟件及仿真軟件等資料，使學生提前熟悉實驗內容與操作過程，并完成課前測驗。教師根據課前測驗結果分析學情，進而靈活調整課中活動。課中環節在實驗室展開，實驗項目劃分為基本實驗項目與拓展實驗項目，在確保實驗秩序與安全的條件下，賦予學生盡可能大的實驗自主權，充分挖掘學生潛力，培養學生綜合能力。課后環節在線上展開，通過課后測驗與討論環節推進課后活動，引導學生及時進行實驗總結與報告撰寫，采用互評、教師點評的方式，結合實驗項目完成度綜合評價各組實驗效果。

2.1 整合線上資源的實驗教學課前預備

為了釋放學生在課中環節為熟悉實驗要點所付出的時間與精力，在課中賦予學生更高的實驗自由度，則必須在課前做好充分的知識預備與學情統計。以計數器實驗為例（圖4所示） ，通過線上資源展開課前預習與測驗，課前測驗的每個題目依次對應一個知識點，根據各題目的正確率，找出學生對實驗認知的薄弱環節，從而在課堂導入環節，重點復述薄弱知識點內容，強調實驗中與之相關的操作步驟，在后續的實驗巡查與指導環節，有針對性地圍繞認知的薄弱點進行問題啟發；實驗所需器材的操作說明也是課前預習的重點，由于這一部分內容以說明書、實驗指導視頻的形式發布在學習通的資料模塊內，學生可在實驗操作過程中反復觀看、熟悉操作細節，因此只需在課堂上簡要強調基本操作與注意事項即可，從而為學生自主操作騰出更多課中時間；緊接著預習實驗項目的類別組成，實驗項目分為必做的基本實驗項目，以及選作的拓展型實驗項目，重點在于闡述實驗所對應的理論知識點、實驗操作要點、以及必要的實驗器材和軟件說明；此外，在課前還有必要對實驗考核方式、實驗總結方法進行充分介紹，這一部分內容以課件或文檔的形式展現，以便學生明確評分要點。

2.2 面向學生個性化能力培養的課中翻轉課堂

課中環節是學生進行知識內化的階段。對于實驗教學而言，基本內化目標是驗證理論知識，使抽象的理論知識具象化，夯實學生的專業基礎，是知識目標的課堂呈現。核心內化目標則是包括分組操作、觀察現象、發現問題、溝通討論及解決問題的完整流程，培養學生的動手能力、實驗技能，以及發現、溝通與解決問題的綜合能力，是能力與情感目標的課堂呈現。在課前預備階段，已為學生提供了翔實且全面的指導材料，并獲得了學情分析結果，因此在課中階段可以賦予學生更大的自主發揮空間，且能夠更加有針對性地圍繞學情中的薄弱認知點進行重點講解，并在實驗巡查過程中對相關的實驗現象與問題進行精準啟發。

翻轉課堂的核心要義在于主動學習與探索，為了給予學生更多的發揮空間，激發學生的協作、交流、表達與動手能力，需要借助多種信息化技術為學生搭建更加高效的展示與溝通途徑。如圖5所示，通過借助現場直播平臺，讓出現典型實驗現象的小組進行直播講解，通過這種直播方式，實驗電路的細節可以更加直觀地展示在投影屏幕上，從而帶動全體學生觀察現象、理解知識、發現問題與交流討論的熱情，同時也鍛煉了講解同學的表達能力；在進行實驗電路驗證與優化時，通過電路仿真軟件繪制電路原理圖可以更加直觀地呈現電路工作機理，為學生研討電路原理提供了清晰的推演平臺，在仿真過程中應用虛擬儀器可以逐幀逐秒地觀察電路各節點的輸出值與波形，從而為電路的改進提供了定量化的依據，通過結合仿真軟件與虛擬儀器的應用，學生能夠對所發現的電路問題進行復現、分析、排解，在提高研討效率與直觀性的同時，鍛煉了學生使用仿真軟件與虛擬儀器的能力。

如圖6所示，以計數器實驗為例，學生通過仿真，依次發現了最初設計的電路存在進位提前、不同擋位下輸出脈寬不均勻的問題。在導師的啟發下，結合組內交流，在進位端增加了反相器、在輸出端增加了微分電路，最終的仿真結果驗證了改進方案的有效性。

在翻轉課堂的執行過程中，小組內的學生擁有充足的發揮與研討空間，通過密切配合，相互彌補觀察視角，提高了發現問題的效率，且更加寬松的交流環境使得學生能在指導教師的啟發下更加機敏地找到解決方案，從而實現電路的持續改進。

2.3 融合多維度信息的課后總結與考核

課后總結與評價是翻轉課堂的必要環節，旨在鞏固學生的實驗技能及梳理教學效果。學生在課后通過線上平臺的總結模塊上傳實驗項目的實測照片與視頻（如圖7所示） ，并通過公開評論的方式進行組間觀摩與互評。

考核標準如表1所示，分課前、課中、課后三個環節進行評定，依次占總分的20%、 40%、 40%，各環節又下設不同的考核維度，具體各維度的分值占比如表所列。

課前考核環節從課前測驗、合作探究記錄兩個維度進行評判，要求學生必須完成課前測驗，否則后續實驗成績無效，同時需將課前分組合作探究的照片、筆記上傳至系統，按照百分制對課前測驗與合作探究環節打分，按照兩者權重均為50%的比重，計算課前考核的百分制成績，再進行20%的總加權得：課前考核加權分=（測驗分×50%+合作探究記錄分×50%） ×20% 。

課中考核從秩序、實驗操作、拓展實驗進展三個維度進行評判，其中秩序按照優、良、中、差四級評定百分制分數，優得100分，良得90分，中得80分，差得0分，實驗操作按照低級錯誤次數、發現問題次數、研討有效性、仿真完成度、電路優化水平等五個因素進行綜合評判得出百分制分數。拓展實驗進展依據所選取的級別設定不同的百分制分數上限，其中初級最多得90分，中級最多得95分，高級最多得100分，具體分值依據課上完成度、方案合理性進行綜合評判。將秩序、實驗操作、拓展實驗進展三個維度的百分制成績按照20%、 40%、 40%的比重加權得課中考核的百分制成績，再進行40%的總加權得：課中考核加權分=（秩序×20%+實驗操作×40%+拓展實驗進展×40%） ×40% 。

課后考核環節從實驗報告、總結模塊兩個維度進行評判，其中實驗報告由指導教師根據實驗報告批改情況評判分數，總結模塊則由各小組觀摩互評的方式打分，兩者按80%、 20%的比重加權得課后考核的百分制成績，再進行40%的總加權得：課后考核加權分=（實驗報告×80%+總結模塊互評×20%） ×40% 。將上述課前、課中、課后的考核加權分相加即得學生的綜合實驗成績：綜合實驗成績=課前考核加權分+課中考核加權分+課后考核加權分。

3 教學實施效果

作為深入融合信息化實驗技術，提前筑牢“智慧實驗教學”基礎的探索性實驗課程，通過對比2022—2023學年第1學期（采用傳統教學方法） 、2023—2024學年第1學期（采用本文方法） 的電子技術基礎實驗的課后考核數據，結合實驗項目完成度、學生筆試成績分布情況，可以凸顯信息技術驅動翻轉課堂方法的以下7個方面的優勢：（1） 通過課前預備，提高了學生在實驗過程中聯系理論知識的流暢度，對于相似的題型和理論知識，課后測試的正確率比課前提高了約25%；（2） 教師在課前學情分析數據的指引下，可以更加高效地啟發學生觀察現象、發現并解決問題；（3） 學生在實驗課堂上的動手時間大幅提升，實驗熱情更高；（4） 學生能夠利用仿真軟件與虛擬儀器進行電路方案的測試，提高了發現與解決問題的效率；（5） 學生所犯的低級實驗操作錯誤大幅降低；（6） 不同難度等級的實驗項目能夠更好地適應不同能力層次的學生，體現了對學生能力差異的更大兼容性；（7） 更加有效地鍛煉了學生的工程思維，能夠通過持續改進不斷完善電路方案。

4 結束語

本文以青島農業大學開放型電子技術實驗室的建設為契機，圍繞信息技術驅動課堂翻轉的方法進行了探索與實踐。以搭建信息化電子技術實驗環境為起點，升級了電子技術實驗室信息化管理框架，搭建了數字化實驗資料庫；進而從課前、課中、課后三個環節展開信息技術驅動實驗課堂翻轉的教學方案設計，通過整合線上資源搭建了完備的實驗教學課前準備體系，面向學生個性化能力培養設計了課中翻轉課堂活動，并通過融合多維度信息制定了課后總結流程與考核標準。但同時也發現，數字化實驗資料庫仍無法完全覆蓋實驗操作中的所有問題，課中的翻轉課堂活動中仍有部分小組整體活躍度不足，課后的觀摩總結環節存在提交滯后的問題。因此在后續的研究中，需不斷積累學生新發現的問題，并以微課視頻的方式建立案例庫，持續積累并完善數字化實驗資料庫；重點改進分組方法，通過研究個體的學情分析方法，將活躍度不足的學生盡量均勻分組，避免集中分布而導致小組整體活躍度不足；研究合理的課后學情督促策略，持續跟蹤與促進學生的課后活動。

本文將學生的知識、能力、情感培養目標貫穿到課前、課中、課后的信息化教學活動中，做到了以“翻轉課堂”為核心思想的全流程信息化創新，通過課前數字化資料支撐“翻轉課堂”實施，通過學情數據精準指導實驗盲區，通過課后總結觀摩鞏固“翻轉課堂”成效，通過更加全面的考核方法貫徹培養目標、把握實驗改革方向。

通過與兩個學期的對比，采用本文所提方法的班級在理論聯系實際、觀察實驗現象、發現并解決問題、動手實踐熱情、仿真與虛擬儀器應用能力、實驗成功率等方面有較顯著的提升，且通過設置不同難度層級的實驗項目，有效地兼容了學生能力的差異性，體現了個性化教學。本文的結論證明，深度融合信息化技術能夠有效提升翻轉課堂方法在培養學生綜合能力方面的優勢，為實現“智慧實驗教學”奠定了堅實的信息化框架基礎。

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【通聯編輯：王 力】