翻转课堂和层次化教学方法在计算机实验课教学中的应用研究

毕振波 潘洪军 谭小球 宋广军

摘   要：网络时代背景下，翻转课堂教学模式在解决传统计算机实验教学课堂学时不够、师生交流有限、提高学生学习的自主性等方面具有重要的作用，但也存在学生学习兴趣各异、学习主动性高低不同的客观事实，本文认为基于翻转课堂的计算机实验课教学改革應同时结合层次化教学方法才能真正发挥新教学模式的效力，才能真正有效提高计算机实验教学的质量，实现创新人才和应用型人才培养的目的。为此，本文从分析两者结合的必要性着手，重点研究了基于翻转课堂和层次化教学结合的教学模式和应用中需注意的问题，并以成功经验为证，以期为广大从事计算机实验课教学的老师提供有益参考。

关键词：翻转课堂;层次化教学;计算机实验教学;教学研究

中图分类号：K872;TP29 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2019）05-0036-05

一、引言

计算机实验课是计算机专业实践课的重要组成部分，它在大学生实践能力和创新能力培养方面具有重大的作用。随着国家把大学生创新创业教育纳入教育质量提升计划，传统的计算机实验教学面临着计划课时、实验室开放时间、学生动手参与实验的时间以及师生交流互动有限，教学方法和教学手段陈旧等弊端，这将影响计算机专业教学质量的提高。新形势下，如何解决计算机实验课课堂低效的问题，成为众多一线计算机教师关注的焦点。近几年，随着翻转课堂教学模式的兴起，以及计算机网络技术、人工智能技术和移动计算技术与教学活动结合越来越密切，本文作者也对翻转课堂教学模式对知识传授和知识内化的颠倒安排[1-2]、对传统教学中师生角色的改变、课堂时间的有效使用等进行了探索，结合计算机实验课特点，本文认为翻转课堂不仅适用于计算机理论教学，也适合于计算机实验教学。但考虑到过去10多年高校扩招，高等教育逐渐向大众教育方向发展，学生来源于不同区域，学习基础不一、兴趣各异的客观事实，本文认为基于翻转课堂的计算机实验课教学改革还要结合层次化教学方法，方能有效提高计算机专业的教学质量，解决当前计算机实验课面临的各种障碍，从而达到创新人才培养和应用型人才培养的目的。为此，本文结合学者们近些年计算机实验课的教学经历，将翻转课堂和层次化教学方法在计算机实验课教学中的应用深入探讨，以期为广大从事计算机实验课教学的老师提供参考。

二、翻转课堂和层次化教学方法在计算机实验课教学中应用的必要性

1.翻转课堂和层次化教学的内涵

（1）翻转课堂教学模式

翻转课堂教学理念由来已久，我国教育工作者提倡的通过参考书“提前预习”的学习模式、实行多年的“广播电视教学”、“自学考试”和“夜大”中都能看到它的理念。例如“广播电视大学”强调通过广播电视进行自主学习，通过有限次的集中授课主要解决自主学习中遇到的问题;“自学考试”强调自学和辅助站（一些高校和社会组织举办的自学考试辅导班）结合，以自学和自主参加考试为核心，以考促学，学员通过收学费的辅助站来解决自学中碰到的疑难问题和复习备考的困惑。虽然翻转课堂教学理念由来已久，但公认的“翻转课堂”教学模式始于2007年美国两个化学教师的课堂教学。他们使用视频软件录制PPT并配上讲课录音，将视频上传到网络，以此为缺席的学生补课，后来逐渐尝试以学生在家看视频、听讲解，在课堂上老师主要进行问答式辅导，或对在实验过程中有困难的学生提供帮助[3-4]。该教学模式后来在美国中小学得到了推广，随着互联网技术在教育领域的普及，该教学模式近几年在国内也得到了推动和应用。针对该模式的潜在价值，目前从国家教育部到各省市教育厅已经有许多与该模式有关的高等教育研究课题被立项。对于发表的论文，以中国知网为例，从2010年可检索到的1篇增长到2017年的7884篇（图1）。然而在计算机实验教学中的研究相对较少，从2014开始到2017年，分别为3篇、4篇、7篇和9篇，共23篇，完全与计算机实验有关的文献仅有7篇。

经众多文献研究，翻转课堂教学模式实际上是将传统的课堂集中授课搬到了课堂之外[5-6]，强调利用外在辅助工具（互联网资源、参考书和其他媒体等）进行“自主学习”[7]。宝贵的90～120分钟课堂时间主要用于师生之间进行交流和沟通，重点解决学习中的深层次问题，例如疑难问题、复杂问题和深层的学术探讨等。这在一定程度上解决了课时有限和师生交流不够的问题。对于计算机实验教学，学生在课余通过预约进入实验室去做实验，也解决了实验室开放不够的困惑。

（2）层次化教学模式

层次化教学模式也叫做分层教学模式[8]，是在学生学习基础、智力因素和非智力因素（如学习态度和兴趣）存在差异的情况下，教师有针对性地实施分层教学，从而达到不同水平等级教学目标的一种教学方法[9-10]。该方法由来已久，是针对不同学生“因材施教”而被广泛采用的教学方法，当前在许多专业的教学中均有应用。对于计算机实验教学，该教学模式不仅能使所有学生达到计算机实验教学大纲规定的基本要求，而且能使学有余力的学生得到更进一步的提高。总之，在该教学模式下，各个层次的学生都能获得了成功的愉悦，改善了师生间关系，也有助于教学交流。

2.区别与联系

从以上对翻转课堂和层次化教学模式的概述看，两者的区别是很明显的，是两类不同的教学方法，前者是近几年刚流行起来的一种教学方法，其原因是信息技术和互联网技术的发展为其创造了比以往任何时期更好的条件。后者是一种具有悠久历史的教学方法，其思想早在孔子时代就有了，只是现代才正式叫做层次化教学。它们的根本区别是：前者是一种学生主动学习基础之上的教学方法，强调的是学生学习的主观能动性需和教师的教学要配合，假定学生的学习积极性和自学能力是良好和一致的;后者是一种学生被动学习基础之上的教学方法，教师为主体，学生为受动者，强调的是教师的教学活动该依据教学对象特点和内容展开。作为教学方法，翻转课堂和层次化教学模式都是为了更好地教授学生，使之在特定的教学方法下较好地掌握知识，目标是一致性的，还有就是两种教学方法的应用都是有条件的。

3.两者结合的必要性

翻转课堂作为一种 “新型”的教学方法[11]，对于那些学习兴趣高、自学能力强的学生无疑是很好的教学方法，但对于那些学习兴趣不高或全无的学生，该方法则会成为一种“放纵”学生的行为或“不管”学生的渎职。即使互联网资源再多，参考书如何丰富，也都是一种摆设。在高等教育逐渐大众化的阶段，学生的年龄普遍越来越小，对于低年级和自主性差的学生，该教学方法肯定会打折扣的。层次化教学方法是以重视学生的差异性（兴趣、基础、自学能力和其他）为前提的。因此，翻转课堂的弊端可以通过层次化教学方法来弥补，这样就照顾到了全体，实现了保证基础，突出了先进，实现了素质教学和质量教育并进。

三、两者在计算机实验课教学中的教学模式

翻转课堂和层次化教学方法在计算机实验教学中的应用，是以学生认知为前提、因此施教为出发点、自主学习和个性化培养为途径、科学考核评价为约束、综合能力培养和创新性发展为目标。具体体现在以下几个方面。

1.课程知识体系构建

计算机实验课程体系一般包括课程配套的实验教学、开放性实验和课程实训。教学安排要突出课内外一体、突出开放教学和突出不同类型等[12]。根据前面翻转课堂和层次化教学相结合的必要性分析，课程体系首先应体现层次性，即按照學生认知规律，计算机实验教学内容分为基础、提高和综合三个知识层次。在实验教学大纲中，体现为基础性实验、综合设计性实验和研究探索性实验等三类。在翻转课堂模式下，实验项目库及在线资源也应包括三个层次（图2）。实验教学大纲、实验教学计划中，要求三者的比例保持一个区别度，例如6∶3∶1或5∶3∶2，这样可以保证基础又可以让学有余力或个化的学生深入学习，解决了大一统的弊端。在此基础上，教师分类制作和上传课程资源（包括微课程、应用软件、PPT、示例源码或脚本、数据库文件、XML文件、Word及其它文档等），形成资源库。学生可提前根据个人情况及不同的学习要求选择观看微课程或对应主题进行网上交流或讨论，做笔记、思考和提问题。

2.计算机实验教学课前

计算机实验教学课前，按照学生认知规律、个性化培养的目标，教师整理好三类教学资源，上传到或更新教学资源库，并布置不同层次的实验项目，通过教学管理平台或QQ、微信、电话和短信方式进行公告，让学生进行学习（图3）。学生按照个人情况、兴趣、课程要求、实验要求选择实验项目，然后通过网络看视频、在线文档、非在线学习资源进行自主学习，完成初步实验计划。该过程中，教师和学生随时可以运用在线教学平台和实时通讯工具进行交流和问题讨论。

3. 计算机实验教学课中

实验课中，教师和学生主要以问答方式进行交流（图4）。教师根据大家选做实验题目的层次，分别提问几个问题，由学生进行回答，并根据回答情况进行实验任务解析。当中，也接受学生对疑难问题的提问，教师进行答疑和指导。有些问题，教师通过创造情景，可以不马上回答，让同学们在交流中完成解答，教师最后进行总结和评析。通过该方式，让同学们知道实验项目关键问题所在、解决问题的方法和步骤，然后在课前初步实验计划基础上，通过完善和修改最后真正地完成实验。需要注意的是，课堂交流中教师要照顾到各类层次的同学，不能只对那些选做综合性和探索性实验项目的同学感兴趣，把选做低层次的同学晾在一边，应该互相穿插提问，即选做基础实验题目的同学也被鼓励回答高层次的问题。例如，交流中教师通过诱导式提问那些选做基础实验项目的同学，让其逐步发现基础实验当中存在的深层次问题，鼓励其通过扩展也将基础性实验项目变成综合性甚至探索性的实验项目，同时告诉其如何查阅资料和问题求助解决实验项目，通过该方法逐步提高其探索问题的兴趣，使其觉得实验课堂是充满快乐和趣味性的。同时，针对基础实验项目存在的疑难问题，教师也可以不回答，征询那些会的同学进行解答。尤其让选做综合性和探索性实验的学生进行回答，同学帮助同学，从而形成同学间的互助，解决了人数多教师辅导不过来的问题，也提高了他们的学习成就感，进一步提高课堂的趣味性，把实验教学变成一个技术和学术探讨的交流会，也有助于实现基础实验向综合性和探索性实验项目的转化。

4.计算机实验教学课后

计算机实验教学课后（图5），教师检查实验报告，对于基础性实验内容一般采用学生演示的方式验收;对于综合性实验报告和探索性实验可以采取学生汇报或学生答辩方式验收。根据验收情况，教师进行总结和反馈，学生通过完善和实验总结最后再上交实验报告。师生之间的交流，可以通过个别面对面交流或教学资源管理平台、QQ、微信、电话和短信等方式交流。层次化模式下，翻转课堂效果实现了因材施教，实现了学生个性化培养、自主学习的目的。

5.计算机实验教学课外

计算机实验教学课后并不是课程的完全终结。为了有利于综合型应用人才和创新型人才培养，进一步提高教学质量，计算机实验教学应成为发现和培养两种重要人才的重要途径。因此，计算机实验教学应该和创新活动关联。对于优秀的综合型实验项目和研究探索性实验项目（图6），教师应注重培育、包装和提炼，使之成为学科竞赛、大学生创新项目、学生发表学术论文和申报专利的候选题目。这样可以增强教师教学和学生学习的动力，提高学校的竞争力，增强教师投入实验教学的积极性。

6.教学过程的持续优化

在层次化和翻转课堂教学模式下，如图7所示，整个教学过程是一个周而复始，不断深入，持续完善优化的过程，包括6个环节：构建/修订课程知识体系、课前教学、课中教学、课后教学、课外教学、创新教学。该过程应始终认清学生知识基础的层次性、兴趣的层次性、授课内容的层次性的客观现实，并在各环节中体现出来。按照上一节内容，似乎计算机实验教学中某些优秀的实验项目能够参加课外创新活动并获奖就结束了，实际上，在指导学生参加课外创新活动中，取得的成功经验和发现的不足还可以在下一轮的实验教学中进行应用或推广和补足，比如针对课程知识体系的修订和其他教学环节进行完善。教师对于一种新的教学方法的应用都有一个学习、适应和逐步掌握的过程，不合理的地方，或者太过的地方，需要不断的优化，从而逐步提高计算机实验教学的水平。

四、实践中应注意的问题

任何教学方法都不是万能的，只有灵活运用，才能有效提高人才培养质量。因此，翻转课堂和层次化教学方法在计算机实验教学中的应用需要注意其适用的场合。在实践中，以下几方面特别需要注意的。

1.适合的对象

翻转课堂一般需要学生具有良好的自主学习能力和较高的信息获取能力。翻转课堂通常适合高年级的学生，在应用类的课程教学中，比如计算机网络及应用开发、信息安全、JAVA开发、.NET开发、Android移动开发、嵌入式系统开发、数字图像处理模式识别技术、海洋地理信息系统、移动地理信息开发技术和虚拟现实等实验教学中应采用翻转课堂，鼓励大家课外去完成实验项目。教学中体现基础、综合和科研探索三个层次及比例，考核时三个层次运用不同的系数。对于低年级，基础性实验适当结合翻转课堂教学，不应太多，应以传统教学模式为主，适当穿插翻转课堂教学;但鼓励大家通过翻转课堂模式以小组合作方式完成课程综合性和科研探索性实验。

2.不同层次实验项目的转化

实际上，图2中不同层次的实验项目间没有完全严格的界限，因为低层次实验项目通过适当扩展是可以转化为高层次的实验项目，比如基础性实验项目通过扩展或深入分析可转化为综合性实验项目，综合性实验项目通过局部问题抽取也可以转化为一个针对特定问题的探索性实验项目，转化方法如图8所示。教师通过转化，正确进行引导，能够让学生潜移默化中学生掌握观察问题、分析问题和探究问题的方法，实现创新式人才培养。

3.复杂、操作步骤多和占用时间多的实验

复杂、操作步骤多的实验项目一般涉及多学科的知識，包括多个模块，有限的课堂时间是完不成的，因此需要在教师指导下，应让学生个体或小组主要课外通过观看微课程、学习和研究在线教学资源（示例源码、应用开发案例、开源源代码）、参考书及文献、同教师或同学进行网络交流等方式完成相关实验项目。该方式下，教师应让学生提前选择题目、教师给出任务书和方向，让学生在开放实验室或教师课题实验室进行完成，教师进行必要的过程管理和跟踪。

4.教学中应对学生进行鼓励

学习兴趣是学习的动力，也是教师教学应注重培养的。翻转课堂和层次化教学模式下，开始学习很高的学生可能会逐渐变得对学习不感兴趣，有些学生认为选择综合性强和探索性实验加重了学习负担，也想完成基本实验即可，60分万岁。这在教学中，教师应该多加关注，通过各种方式适时鼓励他们，比如给其增加课堂参与分，参与课题，优先选拔加入学科竞赛或创新团队，举办学习兴趣小组等。此外，对于开始选择基础性实验、学习兴趣不高的同学也该通过某种方式鼓励和引导，促其发现专业学习中的兴趣点，引导其主动去探索，争取做一些综合性和探索性的实验项目。

5.教学资源管理平台的构建

教学资源管理平台是应用翻转课堂和层次化教学的基本条件和保障，为使平台的作用充分发挥，教学系统使用应有一定的开放性。比如鼓励学生通过该平台上传优秀的实验作品（作业）、教学素材和代码，实行积分计划、按照一定的标准和平时成绩挂钩，实行平时成绩奖励，从而丰富教学资源库，以利于下一次的实验教学。此外，教学资源管理平台应能够定时自主地通过网络主题爬虫方式进行教学资源采集，这样可进一步减少教师单方面给资源库添加课程资源的压力，让老师能够有更多的精力和学生进行课前、课中和课后交流讨论。

五、应用的意义

作者所在高校是一所以海洋为特色的教学研究性本科类高校，从2014年开始学校引进了翻转课堂教学模式。从该年度开始，省教育厅、学校和各级管理组织均不同程度地对翻转课堂教学模式在教学中的应用进行了政策、经费、组织和基础设施等方面的支持，并开展了大量的教学研讨会。顺应潮流，作者们近两年重点在计算机实验教学中进行了研究和尝试，根据教学实践中发现的问题（见引言），我们和其他同事及时将层次化教学模式进行了引入，使得教学效果出现了明显的改变，学生积极性出现了高涨，课堂教学不再死气沉沉，通过和各类大学生创新活动对接，学科竞赛（研究生全国一等奖和本科生全国一等奖近10项）、大学生创新项目（国家级和省级共11项）、发表论文（EI和核心）20多篇、申请发明专利（国内发明专利10余项）和实用新型专利（50多项）均取得了优秀的成绩，打破了该方面往年难以突破的被动局面。学生学习有了新的目标，学校排名也得到了明显的提升，教师荣誉感（年底奖励和职称评审）也得到了大力提高。

六、结束语

翻转课堂教学模式能够提高学习自主性，层次化教学模式能够适应人才个性化培养，鉴于计算机实验教学中大学生的不同认知风格、不同知识水平、不同兴趣爱好和不同学习需求的客观现实，适时将翻转课堂和层次化教学模式结合可以解决单一教学模式的不足，真正解决传统计算机实验教学面临的各种困惑。

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（编辑：王晓明）