我国专利创新对翻转课堂教学影响分析与思考

2021-01-13薛宇李一梅

中国教育技术装备 2021年20期

薛宇李一梅

摘要通过对国内现有的45项有关翻转课堂的专利进行统计，并分别从数量、申请人类型、专利类型、专利种类、专利主要内容以及专利创新性等方面进行分析，发现提高了翻转课堂的教学质量，但是质量还不是很高，需要更深入的研究。基于此，提出针对翻转课堂专利的发明和改进相关建议，希望有更多的翻转课堂专利出现，并转化为实际应用。

关键词翻转课堂;教学模式;专利;教学硬件装置;学习系统;学习平台;微课

中图分类号：G434 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）20-0001-06

Analysis and Reflection on Impact of Patent Innovation on Flipped Classroom Teaching in China//XUE Yu， LI Yimei

Abstract Based on the statistics of 45 patents about flipped class-room in China， and the analysis of the number， applicant type， patent

type， patent type， patent main content and patent innovation， it is

found that the teaching effect of flipped classroom has been improved，

but the quality is not very high， so more in-depth research is needed. based on this， this paper puts forward some suggestions on the inven-

tion and improvement of flipped classroom patents， hoping to have more flipped classroom patents appear， and turn them into practical applications.

Key words flipped classroom; teaching mode; patent; teaching hard-

ware device; learning system; learning platform; micro lecture

0 前言

2018年由中华人民共和国教育部印发的《教育信息化2.0行动计划》[1]指出，推动从教育专用资源向教育大资源转变，从提升师生信息技术应用能力向全面提升其信息素养转变，从融合应用向创新发展转变，努力构建“互联网+”条件下的人才培养新模式，发展基于互联网的教育服务新模式，探索信息时代教育治理新模式。翻转课堂教学模式是实行教育信息化，提升师生信息素养，互联网与学科课程相联系的有效方式。而翻转课堂专利的研究可以帮助翻转课堂更好地实现。目前，国内翻转课堂专利已经有一定的研究，分别从硬件设备、学习平台、方法系统的角度进行发明和创新，为翻转课堂教学模式的泛化和推广提供了帮助。通过对国内有关翻转课堂的45项专利进行总结和分析，并提出相关建议，以促进翻转课堂更好地发展。

1 翻转课堂教学

翻转课堂（Flipped Classroom）是由美国林地公园高中的化学教师乔纳森·伯尔曼（Jon Bergmann）和亚伦·萨姆斯（Aaron Sams）发明的。2007年，为了帮助上课缺席的学生补习所学内容，他们让学生在家观看教学视频，在课堂上完成作业，这种学习形式受到学生的广泛欢迎。2011年，萨尔曼·可汗（Salman Khan）正式将这种教学模式定义为翻转课堂[2]。翻转课堂改变了传统的教学模式，重新规划了学生的学习时间和形式，要求学生在课后提前完成需要学习的主要内容，而在课堂中主要解决学生在学习过程中遇到的困难，进行探究学习;而教师在教学中发挥引导的作用，让学生的主动性更强、参与度更高。这与教师在课堂上一味讲授，而学生在课堂上被动接受的传统课堂模式具有很大的不同。

目前在全世界，翻转课堂已经有了大量的应用研究，这种教学模式在科技、社会、教育等学科的教学上应用十分广泛，并且在教育领域广受青睐。从国外来看，翻转课堂已经被运用到多个学科领域，如建筑工程和生理学课程等。研究结果发现，翻转课堂不仅可以提高教学满意度，而且可以显著提高学生的技术交流能力[3-4]。从国内来看，有关翻转课堂的研究从2012年开始，之后呈持续上升趋势。有研究将翻转课堂教学模式应用在大学英语、大学无机及分析化学、高中物理实验教学中，发现翻转课堂教学模式得到学生的高度认可，学习参与度得到明显提升，也促进了高阶思维的发展，对增强课堂教学效果有很大帮助[5-7]。

翻转课堂在教育教学研究中是一种效果良好的教育模式，如果教师合理利用，学生的兴趣、主动性、参与度、思维能力甚至沟通和交流能力都会有明显提升。但是，目前翻转课堂的发展面临很多挑战。從教师层面来看，要想实现翻转课堂，教师不仅需要掌握基本的学科教学和理论知识，而且需要能够熟练制作视频，视频内容要精炼有趣。然而，学校的一部分教师可能会由于工作繁忙或者信息技术应用不熟练而排斥这样的教学模式，导致翻转课堂无法推广。从学生层面来看，翻转课堂教学模式将课上需要学习的内容转移到课下，一定程度上可能增加学生的学业负担，产生排斥心理。而学生在学习的主动性上，特别是中小学生，自学能力薄弱，也可能达不到教师预期的效果，需要教师的督促。从学习层面来看，翻转课堂与传统课堂最明显的区别在于时间的分配，如何合理地分配课下和课中的学习时间、任务量及难度，也是至关重要的。从技术要求上看，翻转课堂能够施行的关键就在于技术支持，然而目前国内大多数学校没有足够的适合教师和学生进行翻转课堂的硬件设备，如网络电脑、新型桌椅等。另外，翻转课堂还需要合适的软件学习平台，就目前国内使用的软件来看，还有很多不足，一些软件功能烦琐或适用性不强，都会影响课堂效果。如果翻转课堂没有合适的硬件设备、学习平台、方法系统，那么翻转课堂教学模式也无法很好地实际操作。所以，具备合适的翻转课堂教学应用系统十分关键。

2 翻转课堂专利文献统计分析

如果翻转课堂想要达到良好的效果，就需要硬件设备、学习平台、方法系统的支持。具有新颖性的有关翻转课堂的发明专利有助于翻转课堂教学的有效实现。

2.1 翻转课堂专利文献数量分析

目前，国内对翻转课堂教学模式的技术研究也在不断加强。截至2020年12月，在中国知网、万方数据和超星发现三个数据库，以翻转课堂为主题词，在专利子库中检索，经人工剔除不相关专利，共有45项有关翻转课堂的专利。

如图1所示，2016—2020年，专利数量逐年上升。2016年第一项有关翻转课堂的专利文献是由闫健申请的一种互动翻转课堂教学系统的实现方法，专利号为CN 201510 860155.7。此后有关翻转课堂专利的研究逐渐增多，到2020年，翻转课堂专利数目出现大幅度提升。

2.2 翻转课堂专利文献国内申请人分布及数量

在“大众创业、万众创新”的国家政策的激励下，翻转课堂技术的研究也引起各行各业教学人士的关注，有关翻转课堂专利的申请人涵盖了高校、企业和个人，统计数量见图2。

从图2可以看出，在翻转课堂领域，国内专利中，高校申请的专利数量最多，出现这种现象的原因可能在于翻转课堂在教育教学领域的应用最为广泛，在高校中关注教育的研究人员较多，对翻转课堂教学模式关注度也较高。另外，高校有更加完善的设备，有利于翻转课堂的研究;适用翻转课堂教学的课程也较多，往往具备合适的设备及空间。除了普通大学对翻转课堂比较关注外，一些职业技术学院（如陕西职业技术学院、湖北水利水电职业技术学院等）也十分关注翻转课堂。而个人申请数量相对较少，可能是由于翻转课堂专利研究必须具备专业的教育理论知识以及相关设备，个人研究受到一定的限制。

2.3 翻转课堂专利类型和IPC种类

专利的类型有实用新型专利、发明公开专利和外观设计专利三种，我国有关翻转课堂的专利类型统计如图3所示。

根据图表中的信息，结合具体翻转课堂专利内容对翻转课堂的技术发展脉络进行分析[8]。从图3可以看出，在45项翻转课堂专利文献中，专利的类型有实用新型、发明公开和外观设计，占比最多的是实用新型专利，主要是对翻转课堂中用到的硬件设备进行创新发明;其次是发明公开类型专利，主要是对翻转课堂中用到的学习系统进行设计;占比最少的是外观设计专利，主要是对翻转课堂中用到的电子设备外观进行设计。

国际专利分类法（International Patent Classifica-tion，简称IPC）将发明专利和实用新型专利分为A（人类生活必需）、B（作业、运输）、C（化学、冶金）、D（纺织、造纸）、E（固定建筑物）、F（機械工程、照明、加热、武器、爆破）、G（物理）、H（电学）等八大部类，主要用于发明专利和实用新型专利的分类。我国翻转课堂专利IPC分类统计见图4。

在45项翻转课堂专利中，属于发明专利和实用新型专利类型的共计43项。其中属于G（物理）类的最多，共计28

项;其次是A（人类生活必需）类，共计10项;而F（机械工程、照明、加热、武器、爆破）类和B（作业、运输）类较少，分别有三项和两项。可以看出，我国翻转课堂专利主要是物理操作技术类。

2.4 翻转课堂专利的内容

将翻转课堂专利按照主要内容进行分类，可以分为教学硬件装置类、学习系统平台类、教学系统方法类、电子界面显示设计类、评价模型类，见图5。

2.4.1 教学硬件装置类教学硬件装置类专利有26项，主要是对翻转课堂中需要用到的硬件设备进行发明创新，如课桌、座椅、电脑、视频录制装置、授课机器人、传送带、点读笔等。第一项教学硬件装置类的专利是由中国矿业大学[9]在2016年申请的CN 201610240354.2，公开了一种模块化的教学系统，包括若干可移动模块化学生课桌、至少一张可移动模块化教师讲桌及至少一张移动模块化展板车，可以根据教学的需求进行移动。绥化学院[10]申请的专利CN 205920623U公开了一种用于大学英语翻转课堂的教学装置，设计了一种课桌，课桌与课桌之间呈圆形排列，课桌旁有固定座椅，座椅在圆形的滑动轨道上方，可以与其相互配合。这样的教学装置可以充分利用教学时间，提高课堂效率。黄小花[11]申请的专利CN 201820086209.8，公开了一种移动教学下翻转课堂的教学平台，包括底座和电脑槽，可以很方便地随时取用电脑，并且可以有一个科学舒适的角度观看视频。四川大学锦城学院[12]申请的专利CN 201910135738.1发明了一种定点转动式智能授课教师机器人，这种机器人可以通过播放视频、音频，帮助教师教学，并且可以改变面部朝向，最大化面对学生，实现课堂智能化。

2.4.2 学习系统平台类有关学习系统平台类的专利有12项，以应用程序居多。下面对几篇较典型的专利进行分析。由南京奥派信息产业股份公司[13]申请、专利号为CN

201610757644.4，设计了一种翻转课堂APP，该APP开发了在翻转课堂课前、课中、课后学习过程中用到的各种功能，如微课程资源、实时统计工具等，通过多种教学环节来活跃课堂氛围，加强学生对知识的理解。贵州民族大学[14]发明了一种基于SPOC的翻转课堂教学系统，专利号为CN 201811217716.1，设置了智能移动终端的教师端和学生端。该系统能够及时提醒学生完成作业，减轻了教师的任务负担。由厦门无常师教育科技有限公司[15]申请、专利号为CN

201811392730.5，发明了一种基于问答论坛的移动端知识管理方法及管理系统，主要亮点在于可以向用户推送问答信息，并根据用户所选择的问答信息检索到教材中相应的信息，使用户能够注意到经验类的隐性信息。这样的系统可以让用户发现自己的知识漏洞，使自己的知识面更加完善。

2.4.3 教学系统方法类教学系统方法类的专利有四项。由闫健[16]申请，专利号为CN 201510860155.7，发明设计了一种互动翻转课堂教学系统的实现方法：教师通过教学系统将学习课件发给学生观看，学生在观看时可以随时在留言框中提出自己所遇到的困难和疑问，并且教师和其他学生都能同步讨论，教师也可以将课上的讨论生成文件，在课堂上进行共同探究。这样的方法解决了学生在观看视频时遇到问题无法及时解决的问题。中国人民解放军国防科技大学[17]申请了一种基于学习行为分析的教学系统及教学方法，专利号为CN 201810388824.9。這种教学系统可以分析学生在学习时的学习行为并生成数据，教师可以根据行为分析的数据调整教学内容与方法，使教师在教学过程中更加关注学生在学习过程中的思考。东南大学申请、专利号为CN 201811031629.7，成都中医药大学申请、专利号为CN 202010301493.8，分别介绍了英语口语教学系统和一种网络教学方法。这些教学系统方法的设计都可以为教师教学提供方法和模式，减轻教师教学设计的负担，具有很大的参考价值。

2.4.4 电子界面显示设计类电子界面显示设计类有两项，分别是2016年由深圳市时尚德源文化传播有限公司申请、专利号为CN 201530519038.5和2018年由广州源计划网络科技有限公司申请、专利号为CN 201730681470.3的专利，分别设计了一种平板电脑外观和一种手机翻转课堂APP界面显示图。优化界面显示的设计可以使教师和学生在使用软件时更加方便，设计美观可以增强学习的趣味性，从而提高教学效率。

2.4.5 评价模型类评价模型类专利只有一项，由无锡开放大学[18]在2018年申请，专利号为CN 201711235347.4，

专利类型为发明公开，应用层次分析法构建翻转课堂教学质量评价指标体系，确定指标因素权重;建立用于翻转课堂教学质量评价的BP神经网络模型，该评价模型速度快、准确度高、智能化程度高，对提高翻转课堂教学质量、促进学校教学模式改革有较大引领作用。判断翻转课堂教学质量高低依托于教学评价，而教学评价的设计要遵循差异化、动态化、发展性、导向性、开放性原则[19]。所以在进行评价模式设计时要考虑多方面的影响因素，保证评价的公平与客观。目前评价模型类专利研究少，有待深入挖掘。

2.5 翻转课堂专利的创新性分析

在国内翻转课堂专利中，内容都不乏创新性，并且随着翻转课堂专利的不断涌出，创新水平也在不断提高。例如，在关于硬件装置类发明的专利中，关于课桌的改进与发明共有八篇，课桌的改进方法从可移动式课桌逐渐创新发明为智能化的配有学习电脑的课桌。在由成都慧承教育科技有限公司[20]申请的专利号为CN 201921155541.6的专利中，用八个教学桌板围成圆形，方便学生和教师进行交流，圆桌可以旋转并且配有电脑，为智能化的课堂提供了便利。在有关学习系统平台类专利中，从学生只在平台上学习到注重教师和学生在平台上互动，更是在学生的学习行为数据分析上进行了创新。在由重庆工商职业学院[21]申请的专利号为CN 109670999A的专利中，发明了一种翻转课堂教学管理系统，在学习平台上可以统计学生作业的错误率，教师通过软件平台的数据可以直接直观化地看到学生的预习以及学习情况，教学管理上更加智慧化。在有关教学系统方法类专利中，虽然数量较少，但是也可以看出在这类专利中创新的趋势也是逐渐和互联网相结合，趋向研究智慧课堂的实现方法。电子界面显示设计类专利的创新趋向于美观和方便，而评价模型类专利的创新空间还很大，目前对于翻转课堂评价方法的研究存在很大的空白点，可以从评价方面进行多方面的专利创新研究。

3 有关翻转课堂专利文献研究的反思与建议

评价一节翻转课堂是否成功看的是学生学习的最终效果，但是课堂中所用到的装置、设备以及方法对学习效果的影响是不容忽视且值得研究的。经过以上分析，目前，对翻转课堂专利的研究也在逐年增加，翻转课堂专利研究对翻转课堂的发展确实起到促进作用，使得教师和学生在学习过程中有了更好的学习设备、软件平台、教学模式和方法等。一些翻转课堂专利的运用使得翻转课堂的教学效率大大提升，学生通过提高学习效率而激发学习兴趣，主动学习。总体来看，在45项专利中，类型主要集中于实用新型，主要内容大多数也集中于硬件装置类。但是，翻转课堂专利研究的数量总体来说还是偏少，高质量、高效率、高应用的专利也很匮乏，有些专利的实用性并不是很强，或者说没有考虑到在教学中能否实际应用，过程烦琐，消耗资源，等等。

3.1 加强针对翻转课堂各个环节模式的专利研究

翻转课堂的课堂环节主要包括：课前学习微课，个性化学习;课中疑难探究、小组学习，教师针对性指导;最后进行反馈评价[22]。教学的每个环节都需要教师精心设计。就目前国内翻转课堂专利来看，翻转课堂教学环节模型设计有很大的空缺，有关评价模型类专利只有一项。针对课前环节，大多数人认为翻转课堂就是在课前观看教学视频，这是一个很大并且广泛存在的误区。课前微课的学习，不仅仅是要求学生观看微课，简单地吸收知识，而是要求学生能主动将知识纳入认知结构中，在大脑中构建完整的知识体系。所以要设计课前教学模式，确认学生在课前真正将知识内化，将准确信息反馈给教师。对于课中环节，在课堂中主要是组织学生进行课堂探究和小组讨论，在课堂中要讨论什么样的内容，怎样组织学生分组合作，怎样保证每个学生都能够深度参与到课堂中，是值得思考的。在课后评价方面，目前我国的教育评价模式单一，统一标准化，也是翻转课堂发展遇到的瓶颈，大多数人认为成绩是学习效果的唯一指标[23]。各地还不同程度存在片面追求升学率，重智育、轻德体美劳育的情况[24]。所以在评价模式开发方面，要考虑到影响课堂评价结果的多种因素，运用信息平台数据对课堂教学进行多方面分析，重视结果评价的同时也要关注过程评价。这就需要设计完整的，个性化、多样化的评价模式，保证评价结果的合理性、准确性与公平性。

3.2 开发高效率学习平台，简化操作过程

要设计一节翻转课堂，从设计学案、制作微课、设计试题评测，到课内活动的设计等，工作量大且烦琐。在一线工作的教师在工作中除了要上好课，有可能还要处理学校中的其他事务，教师时间紧迫[25]。所以在学习平台或教学系统的开发上，要使操作过程尽量简单，使教师能够轻松快捷地录制课程微课;也要在软件平台中添加使微视频更具趣味性的功能和应用设计，以保证教师微课视频的质量，激发学生的学习兴趣。学习平台也可以根据教师的教学内容一键生成相应的教学活动，供教师参考使用，减轻教师的教学负担，同时提高备课效率。

3.3 结合教学实际，提高硬件装置的可推广性

翻转课堂专利中有关教学硬件装置的发明是最多的，然而在大部分学校中能够实施翻转课堂教学模式的教学环境还是很少，甚至一些学校不具备实施翻转课堂的条件，这将给翻转课堂从试点走向推广带来阻碍。因此，在教学硬件装置的发明中要考虑实际的应用效果。如重庆工程职业技术学院[26]申请的专利CN 202020225162.6，在学生桌侧壁安装传送带，解决作业分发和收集速度慢的问题。虽然传送带可以有效地解决作业收集问题，但是在实际的教室布置当中，学生人数较多，目前小班教学也没有广泛普及，所以安装传送带势必会占据教室空间，较难推广。教学装置的发明不仅仅要考虑到新颖性，更重要的是实用性，要保证学校不会因使用该发明而带来新的问题。所以在硬件装置的发明中要考虑实际情况，提高发明的应用率。

3.4 鼓励专利申请，促进转化为实际应用

不管教育形式如何发展，都需要回到教育原点，那就是学习课程在校内高效率地完成[27]。翻转课堂专利技术的研究，对翻转课堂不断提升和推广有着关键作用，所以要积极倡导翻转课堂专利的研究，教师要转变教学观念，学习新技术[28]，思考什么样的翻转课堂专利技术是适合翻转课堂的，为相关研究人员提出建议，使专利技术的发明和创新更加贴近实际教学。不管是硬件设备、学习平台还是方法系统，都能在实际教学中得到轻松应用，才是翻转课堂专利发明的意义所在。

4 結论与展望

翻转课堂专利的研究为翻转课堂的发展提供了各种技术以及方法的支持，使得翻转课堂在教学时可以有多种教学方案供教师和学生选择，教学效果最优化。通过本文分析可以看出，我国翻转课堂专利研究从2012年至今已经有了很大进步，研究趋势也在逐渐攀升，类型多样化，内容也较为丰富，涉及硬件设备、学习平台、方法系统等多个方面，在创新性方面也得到很大的提高，装置的发明逐渐智能化。但是就目前来看，翻转课堂专利研究还有很多的空白点，如教学模式方法的研究，具有较大的开发潜力。积极开发教学模式，设计优秀学习平台，结合教学实际促进推广和应用，是翻转课堂专利研究的发展方向。不管时代如何发展，利用科技为学生和教师开发方便的、适合的、高效率的教学工具、软件和平台，是广大教育研究者和教育装备工作者的责任。■

参考文献

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