基于翻转课堂的应用型本科实验教学方法研究*

吴 峰 朱锡芳 邹 全 相入喜

（1.常州工学院 电子信息与电气工程学院，江苏常州213002；2.常州工学院 光电工程学院，江苏常州 213002）

引言

应用型本科教育以培养具有较扎实的理论基础、较强的分析问题和解决实际问题能力的应用型人才为目标。实践教学环节有助于培养学生的动手能力和应用能力，在应用型本科高校中占有突出的地位[1]。实验教学是实践教学环节的必要组成部分，提高其教学质量对实现人才培养目标具有重要意义。

长期以来，应用型本科高校的实验教学普遍采用“教师演示，学生重现”的模式，教师常常忙于指导学生的实验操作，较少引导学生探究。学生则过多关注实验结果的正误，较少反思实验方法和结果。由此，学生分析问题和解决问题的能力还有待提高，实验教学对理论教学的促进作用也较为有限。因此，迫切需要研究新的实验教学方法，全面改善教学效果。

从2011年开始，翻转课堂教学模式逐渐在美国流行，并传播到世界各地。它倡导学生在课外通过观看教学微视频自学课程内容，师生在课间参加教学活动和交流互动，学生消化吸收知识。翻转课堂将教师从传统教学方式的讲授任务中解放出来，使他们能集中精力开展教学研究，提高教学效果。同时，学生成为教学过程的主体，教学获得良性发展。翻转课堂为应用型本科实验教学改革提供了新思路。

华中师范大学杨九民等[2]将以微视频资源学习为核心的翻转课堂运用到“现代教育技术”实验课程中，取得了良好效果，但还需具体设计课内实验阶段的交流互动活动，以进一步提高实验教学质量。

一 翻转课堂及实验教学方法

1 翻转课堂的发展和内涵

早在2000年，美国迈安密大学的三位教授Lage，Platt和Treglia[3]在经济学导论课程的教学中，提出了翻转课堂教学方式，即将传统教学模式中课内传授知识的工作转移到课外完成，而将原来课外练习的工作转移到课内完成。教学实践表明这种方式有利于学生成为学习的主体，从而获得个性化的教育。教学微视频的出现则使翻转课堂应用于教学实践成为可能。2004年，Salman Khan为侄女录制了视频帮助其补习功课，侄女反映视频便于她略过已经掌握的内容，也利于她反复观看疑难部分。受此启发，Salman Khan研究视频在教学中的应用，并于2006年创建了Khan Academy网站[4]，目前该网站提供数以万计的免费教学视频。2007年，科罗拉多州Woodland Park高中的两位教师Aaron Sams和Jonathan Bergmann[5]采用电脑软件录制包含课件及其讲解语音的视频，为缺课学生补课。他们从补习效果中受到启发，着手将视频用于教学，并逐渐形成了成熟的翻转课堂教学模式。不久他们创办了Flipped Learning Network网站，为广大学生和老师提供教学视频，分享和交流教学经验。Salman Khan，Aaron Sams和 Jonathan Bergmann[6]的开创性工作推动了“翻转课堂”的快速发展，他们的研究成果在教育界引起了轰动。这些教学视频短小精湛，约15分钟左右，因此被称为微视频。微视频现已成为翻转课堂的必要组成部分[7]。

翻转课堂的基本思想是采用“课外传授知识，课间内化知识”的策略开展教学[8]。在课外，学生通过微视频自学基本知识，有效实现新知识的原始积累。在课间，教师安排学生开展协作探究式活动，并当面解决学生疑问，促使他们加深对知识的理解。翻转课堂教学模式具有以下优点：

第一，采用微视频引导学生课外自学，效果优于传统教学中教师讲授的方法。首先，教学微视频其实是教师讲课场景的复制品，一旦录制长期保存，可被多人反复使用。用微视频替代讲课，避免教师重复讲解，减少工作量[9]。其次，学生易于根据各自的学习状况和特点，自由控制微视频播放的时间、进度和次数，满足学生个性化需要，从而提升学习效果[10]。

第二，最佳发挥教师辅导学生的作用。在传统教学中，当教师在课内为学生讲解知识点时，由于学生刚接触新知识，还来不及深入思考，此时很少需要教师解答疑问。在课后，学生做练习时，却不能及时得到老师的帮助。翻转课堂调整了教师在学习过程中出现的次序，当学生完成课外自学，取得新知识基础后，教师与学生开展课内教学活动，交流互动，教师协助学生完成知识内化。

第三，翻转课堂的核心在于课堂上的教学活动。建构主义认为，知识是学习者以自身为主体通过意义建构而获得的[11]。意义建构是指深刻认识新知识所反映的事物性质、规律和相互关系，理解知识点的内涵和外延，也即是知识内化。学生只有实现知识内化，才能理解新知识，掌握新知识，并灵活运用它们。翻转课堂采用微视频引导学生自学的根本目的在于，为学生实现知识内化奠定必要的知识基础。同时，微视频免除了教师讲授的任务，使教师能集中精力设计和组织课堂教学活动，促进学生吸收和内化知识，提升学习效果。

2 传统实验教学方法的分析

在传统实验教学模式下，学生通常被要求课前预习实验内容。在实验课期间，教师先用15分钟左右的时间集中讲解实验原理和内容，并演示操作过程。随后，学生独立完成实验，并在课后完成实验报告。这种传统的实验教学方法有以下缺陷：

首先，实验进展缓慢，效率低。学生基于实验指导书完成预习，较难把握实验过程的每个环节，有些学生甚至不熟悉实验仪器。他们操作不够熟练，实验进展缓慢。

其次，开展相同实验的次数多，教师重复讲解工作量大。不同班级可能开设相同实验，每个班级往往需分批进行同一实验，因此实验重复次数多。有些基础课程实验重复量相当大，重复多次讲解相同实验内容的巨大工作量使教师无暇改进教学方法。

再次，教师的集中讲解效果差。学生的接受能力有差别，每次的实验人数又很多，实验老师的集中讲解通常不能保证每个学生都能清楚把握实验方法和要求。

最后，实验过程忽视学生内化知识。实验成绩通常以结果的正误来评定，学生大都只追求完成实验项目，取得正确的数据结果，很少深入思考相关问题。教师经常忙于解答学生的操作问题，较少有技术性指导。因此，师生之间缺少专业知识层面的交流和互动，不利于教学相长。

3 基于翻转课堂的应用型本科实验教学方法

本文根据翻转课堂的优点，设计新的实验教学方法，实施结构如图1所示。在课前，主要通过教学微视频引导学生自学实验原理和操作方法，减轻教师讲解负担。在课内，学生完成基本实验后，教师以思考题为导向，组织学生开展探究活动，强化其理论基础，提高他们解决问题的能力。在课后，学生整理实验报告。以下详细介绍课前和课内的主要活动。

图1 基于翻转课堂的实验教学结构

（1）课前活动

①教师根据实验计划编写指导书。对于各实验项目，除原理、步骤以外，指导书还应详细说明要求取得哪些结果和结论，并给出与本实验相关的1～2个思考题，以便课内开展探究活动。

②教师录制讲解实验原理的视频。该视频可采用幻灯片方式加讲解语音的形式，或者板书加讲解语音的形式。同时录制现场操作过程的视频，以使学生能熟悉实验环境。每个视频控制在10分钟左右，充分利用学生注意力最集中的时段，提高学习效果。

③学生观看实验教学视频。学生自由选择观看视频的时间、地点和方式，在最佳状态下高效率学习。学生反复学习教学视频，掌握基本原理，熟悉实验仪器和操作步骤，并记录遇到的问题。

④在完成上述步骤的基础上，学生参考指导书，开展理论分析和计算，规划实验报告，完成预习。针对预习中遇到的问题以及实验思考题，学生通过网络平台相互交流，查找资料解决。

（2）课内活动

①学生完成基本实验。学生在观看教学视频完成预习的基础上，能在半小时左右的时间内完成教学视频所给出的基本实验内容，教师也能在此期间解答学生预习中的疑问。

②开展协助探究活动。该步骤包含两部分内容。第一，学生得到基本实验的结果后，通过相互交流，纠正错误。第二，学生开展探究，解决新问题。教师针对指导书上的思考题，组织学生以3人为一组开展讨论交流。各个小组分别讨论思考题，探讨结论，并在基本实验的框架上，设计和拟订实验方案，并通过实验予以实现。在整个过程中，教师指导和解答学生疑问。该步骤有助于学生深化对基本知识的认识，提高他们分析问题，解决问题的能力。

③展示和交流探究实验结果。各小组独立完成探究活动之后，教师选择2～3个小组为示范小组。各示范小组依次为全体同学介绍解决思考题的依据、实验方法，展示实验结果。针对展示的情况，其他同学对比本组实验方案与结果，讨论和补充改进方法。

④实验效果评价与反馈。经过探究活动、展示和交流后，每个学生首先自我评价自身掌握实验原理的情况，评价基本实验和探究实验采用的步骤、所得结果的情况，并列举本次实验中的优点和不足。然后，针对示范小组，每个学生对其实验方法和结果打分，指出其优点，提出改进意见。教师整理和总结评价材料，进一步改进教学方法。同时，将对示范小组的评价情况反馈给对应小组，促进他们提高实验技巧。学生自评有助于其端正学习态度，提高学习主动性。学生互评能帮助学生正确认识长处和不足，改进学习方法，最终提高其应用能力。

二 翻转课堂实验教学举例

下面以数字图像处理课程中的“图像的傅立叶变换与频域滤波”实验项目为例，具体说明本文提出的翻转课堂教学方法。数字图像处理课程是应用型本科高校电子信息工程专业的重要课程，要求学生掌握通过程序设计开展图像处理的基本方法。本实验的基本实验内容为验证二维傅里叶变换的平移性和旋转不变性，实现图像低通频域滤波，学生应掌握傅立叶变换原理和特性，熟悉图像正、反二维傅立叶变换的程序设计方法。

根据本文提出的教学方法，教师在编写实验指导书的基础上，采用录屏软件录制了讲解原理的视频，以及基本实验操作步骤和讲解的视频。此外，指导书中增加的思考题为：在图像的傅立叶变换域中，零频、低频和高频数据分别代表图像的什么信息，通过实验予以验证。

课前，学生观看教学视频，掌握了图像正、反二维傅立叶变换的基本过程及其程序设计方法，熟悉了常用的读图、傅立叶变换、显示等函数。针对思考题，学生通过查找资料和交流，对实验验证方法也有了初步的方案。

课内，学生独立编写图像处理的程序代码，完成基本实验内容，相互交流，纠正实验错误。之后，学生以3人为一小组，针对思考题，讨论设计方案，分析其可行性，并拟订技术路线。再通过程序设计实现方案，最终给出图像处理结果。

图2 方案1的流程图

图3 方案1的实验结果

示范小组给出的设计方案主要有两种。如图2所示为其中一种方案的流程图，图2中FFT和IFFT分别表示正、反傅立叶变换。首先，将原图作傅立叶变换，得到频域数据。然后，分别设计2个低通滤波器、1个高通滤波器，其中一个低通滤波器的截止频率接近零频。接着，分别将三个滤波器与图像频域数据相乘，再将乘积作反傅里叶变换，得到滤波结果，实验结果如图3所示。根据处理结果图，很容易得出，傅立叶变换域中的零频、低频和高频数据分别代表图像的平均亮度、概貌和景物边缘信息。

如图4所示为第二种方案的流程图。它的基本流程与方案1一致，只是逐渐增加低通滤波器的截止频率，获得多个低通滤波结果。当截止频率fc很小时，处理结果与图3(b)一致。当截止频率fc分别取为10、20、30、40个像元时的处理结果如图5所示。可见，随着截止频率增加，滤波结果的图片越来越清晰。由此可以说明，零频代表图像平均亮度，低频代表图像的轮廓，高频代表图像的细节。

图4 方案2流程图

图5 方案2实验结果

学生比较以上两种方案，讨论它们的相同点和不同点，就其优缺点发表意见。大部分学生认为方案1的结果更能说明问题，优于方案2。最后，学生开展自评和互评，教师整理打分材料，并将意见反馈给示范小组学生。通过本实验，学生加深了对傅立叶变换本质的认识，牢固地掌握了傅立叶变换和频域滤波的程序实现方法，提高了应用能力。

三 结论

翻转课堂采用课外完成传授基本知识，课内实现学生内化知识的策略，开展个性化教育。本文提出基于翻转课堂的应用型本科实验教学方法充分利用教学视频使用便利、可重复播放的优点，免除了传统实验教学中教师繁重的重复讲授任务，便于学生根据个性特点自主选择课外学习的时间、地点和方式，有利于学生牢固掌握实验原理和操作方法，加快课内基本实验的进程，为完成知识内化奠定基础。以问题为导向的探究性课内活动，能启发学生运用基本原理，深入思考解决方案，引导他们设计实验方法来检验结论，促进了师生之间和学生之间的交流互动，有助于教学相长，对巩固学生理论知识的学习效果，提高分析问题和解决问题的能力起到了积极作用。

[1]张福全.应用型本科高校的本质特征[J].合肥学院学报(自然科学版),2010,(4):53-57.

[2]杨九民,邵明杰,黄磊等.基于微视频资源的翻转课堂在实验教学中的应用研究——以“现代教育技术”实验课程为例[J].现代教育技术,2013,(10):36-40.

[3]Maureen J.Lage G J.&Platt M T.Inverting the classroom:a gateway to creating an inclusive learning environment[J].The Journal of Economic Education,2000,(1):30-43.

[4]Thompson C.How Khan Academy is changing the rules of education[J].Wired Magazine,2011:126.

[5]Jonathan B,Aaron S.Flip your classroom:reach every student in every class every day[J].International Society for Technology in Education,2012:12-18.

[6]宋朝霞,俞启定.基于翻转课堂的项目式教学模式研究[J].远程教育杂志,2014,(1):96-104.

[7]王觅,贺斌,祝智庭等.微视频课程:演变、定位与应用领域[J].中国电化教育,2013,(4):88-94.

[8]张金磊.“翻转课堂”教学模式的关键因素探析[J].中国远程教育(综合版),2013,(10):59-64.

[9]范福兰,张屹,白清玉等.基于交互式微视频教学资源教学模式的应用效果分析[J].现代教育技术,2012,(6):24-28.

[10]王冰洁,陈玲,汪晓凤等.基于微视频的JiTT教学实践研究——以学习元平台为例[J].现代教育技术,2013,(7):24-29.

[11]傅四保.建构主义学习理论指导下的项目教学法初探——以“教育技术学研究方法”课程教学为例[J].中国大学教学,2011,(2):56-58.