吳 峰 朱錫芳 鄒 全 相入喜

（1.常州工學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，江蘇常州213002；2.常州工學(xué)院 光電工程學(xué)院，江蘇常州 213002）

引言

應(yīng)用型本科教育以培養(yǎng)具有較扎實(shí)的理論基礎(chǔ)、較強(qiáng)的分析問題和解決實(shí)際問題能力的應(yīng)用型人才為目標(biāo)。實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)有助于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和應(yīng)用能力，在應(yīng)用型本科高校中占有突出的地位[1]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的必要組成部分，提高其教學(xué)質(zhì)量對實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)具有重要意義。

長期以來，應(yīng)用型本科高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)普遍采用“教師演示，學(xué)生重現(xiàn)”的模式，教師常常忙于指導(dǎo)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作，較少引導(dǎo)學(xué)生探究。學(xué)生則過多關(guān)注實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正誤，較少反思實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果。由此，學(xué)生分析問題和解決問題的能力還有待提高，實(shí)驗(yàn)教學(xué)對理論教學(xué)的促進(jìn)作用也較為有限。因此，迫切需要研究新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，全面改善教學(xué)效果。

從2011年開始，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式逐漸在美國流行，并傳播到世界各地。它倡導(dǎo)學(xué)生在課外通過觀看教學(xué)微視頻自學(xué)課程內(nèi)容，師生在課間參加教學(xué)活動(dòng)和交流互動(dòng)，學(xué)生消化吸收知識(shí)。翻轉(zhuǎn)課堂將教師從傳統(tǒng)教學(xué)方式的講授任務(wù)中解放出來，使他們能集中精力開展教學(xué)研究，提高教學(xué)效果。同時(shí)，學(xué)生成為教學(xué)過程的主體，教學(xué)獲得良性發(fā)展。翻轉(zhuǎn)課堂為應(yīng)用型本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供了新思路。

華中師范大學(xué)楊九民等[2]將以微視頻資源學(xué)習(xí)為核心的翻轉(zhuǎn)課堂運(yùn)用到“現(xiàn)代教育技術(shù)”實(shí)驗(yàn)課程中，取得了良好效果，但還需具體設(shè)計(jì)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)階段的交流互動(dòng)活動(dòng)，以進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

一 翻轉(zhuǎn)課堂及實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

1 翻轉(zhuǎn)課堂的發(fā)展和內(nèi)涵

早在2000年，美國邁安密大學(xué)的三位教授Lage，Platt和Treglia[3]在經(jīng)濟(jì)學(xué)導(dǎo)論課程的教學(xué)中，提出了翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方式，即將傳統(tǒng)教學(xué)模式中課內(nèi)傳授知識(shí)的工作轉(zhuǎn)移到課外完成，而將原來課外練習(xí)的工作轉(zhuǎn)移到課內(nèi)完成。教學(xué)實(shí)踐表明這種方式有利于學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體，從而獲得個(gè)性化的教育。教學(xué)微視頻的出現(xiàn)則使翻轉(zhuǎn)課堂應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐成為可能。2004年，Salman Khan為侄女錄制了視頻幫助其補(bǔ)習(xí)功課，侄女反映視頻便于她略過已經(jīng)掌握的內(nèi)容，也利于她反復(fù)觀看疑難部分。受此啟發(fā)，Salman Khan研究視頻在教學(xué)中的應(yīng)用，并于2006年創(chuàng)建了Khan Academy網(wǎng)站[4]，目前該網(wǎng)站提供數(shù)以萬計(jì)的免費(fèi)教學(xué)視頻。2007年，科羅拉多州Woodland Park高中的兩位教師Aaron Sams和Jonathan Bergmann[5]采用電腦軟件錄制包含課件及其講解語音的視頻，為缺課學(xué)生補(bǔ)課。他們從補(bǔ)習(xí)效果中受到啟發(fā)，著手將視頻用于教學(xué)，并逐漸形成了成熟的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式。不久他們創(chuàng)辦了Flipped Learning Network網(wǎng)站，為廣大學(xué)生和老師提供教學(xué)視頻，分享和交流教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。Salman Khan，Aaron Sams和 Jonathan Bergmann[6]的開創(chuàng)性工作推動(dòng)了“翻轉(zhuǎn)課堂”的快速發(fā)展，他們的研究成果在教育界引起了轟動(dòng)。這些教學(xué)視頻短小精湛，約15分鐘左右，因此被稱為微視頻。微視頻現(xiàn)已成為翻轉(zhuǎn)課堂的必要組成部分[7]。

翻轉(zhuǎn)課堂的基本思想是采用“課外傳授知識(shí)，課間內(nèi)化知識(shí)”的策略開展教學(xué)[8]。在課外，學(xué)生通過微視頻自學(xué)基本知識(shí)，有效實(shí)現(xiàn)新知識(shí)的原始積累。在課間，教師安排學(xué)生開展協(xié)作探究式活動(dòng)，并當(dāng)面解決學(xué)生疑問，促使他們加深對知識(shí)的理解。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式具有以下優(yōu)點(diǎn)：

第一，采用微視頻引導(dǎo)學(xué)生課外自學(xué)，效果優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)中教師講授的方法。首先，教學(xué)微視頻其實(shí)是教師講課場景的復(fù)制品，一旦錄制長期保存，可被多人反復(fù)使用。用微視頻替代講課，避免教師重復(fù)講解，減少工作量[9]。其次，學(xué)生易于根據(jù)各自的學(xué)習(xí)狀況和特點(diǎn)，自由控制微視頻播放的時(shí)間、進(jìn)度和次數(shù)，滿足學(xué)生個(gè)性化需要，從而提升學(xué)習(xí)效果[10]。

第二，最佳發(fā)揮教師輔導(dǎo)學(xué)生的作用。在傳統(tǒng)教學(xué)中，當(dāng)教師在課內(nèi)為學(xué)生講解知識(shí)點(diǎn)時(shí)，由于學(xué)生剛接觸新知識(shí)，還來不及深入思考，此時(shí)很少需要教師解答疑問。在課后，學(xué)生做練習(xí)時(shí)，卻不能及時(shí)得到老師的幫助。翻轉(zhuǎn)課堂調(diào)整了教師在學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的次序，當(dāng)學(xué)生完成課外自學(xué)，取得新知識(shí)基礎(chǔ)后，教師與學(xué)生開展課內(nèi)教學(xué)活動(dòng)，交流互動(dòng)，教師協(xié)助學(xué)生完成知識(shí)內(nèi)化。

第三，翻轉(zhuǎn)課堂的核心在于課堂上的教學(xué)活動(dòng)。建構(gòu)主義認(rèn)為，知識(shí)是學(xué)習(xí)者以自身為主體通過意義建構(gòu)而獲得的[11]。意義建構(gòu)是指深刻認(rèn)識(shí)新知識(shí)所反映的事物性質(zhì)、規(guī)律和相互關(guān)系，理解知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)涵和外延，也即是知識(shí)內(nèi)化。學(xué)生只有實(shí)現(xiàn)知識(shí)內(nèi)化，才能理解新知識(shí)，掌握新知識(shí)，并靈活運(yùn)用它們。翻轉(zhuǎn)課堂采用微視頻引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)的根本目的在于，為學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識(shí)內(nèi)化奠定必要的知識(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)，微視頻免除了教師講授的任務(wù)，使教師能集中精力設(shè)計(jì)和組織課堂教學(xué)活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生吸收和內(nèi)化知識(shí)，提升學(xué)習(xí)效果。

2 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的分析

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下，學(xué)生通常被要求課前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)課期間，教師先用15分鐘左右的時(shí)間集中講解實(shí)驗(yàn)原理和內(nèi)容，并演示操作過程。隨后，學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，并在課后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法有以下缺陷：

首先，實(shí)驗(yàn)進(jìn)展緩慢，效率低。學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書完成預(yù)習(xí)，較難把握實(shí)驗(yàn)過程的每個(gè)環(huán)節(jié)，有些學(xué)生甚至不熟悉實(shí)驗(yàn)儀器。他們操作不夠熟練，實(shí)驗(yàn)進(jìn)展緩慢。

其次，開展相同實(shí)驗(yàn)的次數(shù)多，教師重復(fù)講解工作量大。不同班級(jí)可能開設(shè)相同實(shí)驗(yàn)，每個(gè)班級(jí)往往需分批進(jìn)行同一實(shí)驗(yàn)，因此實(shí)驗(yàn)重復(fù)次數(shù)多。有些基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)重復(fù)量相當(dāng)大，重復(fù)多次講解相同實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的巨大工作量使教師無暇改進(jìn)教學(xué)方法。

再次，教師的集中講解效果差。學(xué)生的接受能力有差別，每次的實(shí)驗(yàn)人數(shù)又很多，實(shí)驗(yàn)老師的集中講解通常不能保證每個(gè)學(xué)生都能清楚把握實(shí)驗(yàn)方法和要求。

最后，實(shí)驗(yàn)過程忽視學(xué)生內(nèi)化知識(shí)。實(shí)驗(yàn)成績通常以結(jié)果的正誤來評定，學(xué)生大都只追求完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，取得正確的數(shù)據(jù)結(jié)果，很少深入思考相關(guān)問題。教師經(jīng)常忙于解答學(xué)生的操作問題，較少有技術(shù)性指導(dǎo)。因此，師生之間缺少專業(yè)知識(shí)層面的交流和互動(dòng)，不利于教學(xué)相長。

3 基于翻轉(zhuǎn)課堂的應(yīng)用型本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

本文根據(jù)翻轉(zhuǎn)課堂的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，實(shí)施結(jié)構(gòu)如圖1所示。在課前，主要通過教學(xué)微視頻引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)實(shí)驗(yàn)原理和操作方法，減輕教師講解負(fù)擔(dān)。在課內(nèi)，學(xué)生完成基本實(shí)驗(yàn)后，教師以思考題為導(dǎo)向，組織學(xué)生開展探究活動(dòng)，強(qiáng)化其理論基礎(chǔ)，提高他們解決問題的能力。在課后，學(xué)生整理實(shí)驗(yàn)報(bào)告。以下詳細(xì)介紹課前和課內(nèi)的主要活動(dòng)。

圖1 基于翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)構(gòu)

（1）課前活動(dòng)

①教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃編寫指導(dǎo)書。對于各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，除原理、步驟以外，指導(dǎo)書還應(yīng)詳細(xì)說明要求取得哪些結(jié)果和結(jié)論，并給出與本實(shí)驗(yàn)相關(guān)的1～2個(gè)思考題，以便課內(nèi)開展探究活動(dòng)。

②教師錄制講解實(shí)驗(yàn)原理的視頻。該視頻可采用幻燈片方式加講解語音的形式，或者板書加講解語音的形式。同時(shí)錄制現(xiàn)場操作過程的視頻，以使學(xué)生能熟悉實(shí)驗(yàn)環(huán)境。每個(gè)視頻控制在10分鐘左右，充分利用學(xué)生注意力最集中的時(shí)段，提高學(xué)習(xí)效果。

③學(xué)生觀看實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻。學(xué)生自由選擇觀看視頻的時(shí)間、地點(diǎn)和方式，在最佳狀態(tài)下高效率學(xué)習(xí)。學(xué)生反復(fù)學(xué)習(xí)教學(xué)視頻，掌握基本原理，熟悉實(shí)驗(yàn)儀器和操作步驟，并記錄遇到的問題。

④在完成上述步驟的基礎(chǔ)上，學(xué)生參考指導(dǎo)書，開展理論分析和計(jì)算，規(guī)劃實(shí)驗(yàn)報(bào)告，完成預(yù)習(xí)。針對預(yù)習(xí)中遇到的問題以及實(shí)驗(yàn)思考題，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)相互交流，查找資料解決。

（2）課內(nèi)活動(dòng)

①學(xué)生完成基本實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在觀看教學(xué)視頻完成預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上，能在半小時(shí)左右的時(shí)間內(nèi)完成教學(xué)視頻所給出的基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教師也能在此期間解答學(xué)生預(yù)習(xí)中的疑問。

②開展協(xié)助探究活動(dòng)。該步驟包含兩部分內(nèi)容。第一，學(xué)生得到基本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果后，通過相互交流，糾正錯(cuò)誤。第二，學(xué)生開展探究，解決新問題。教師針對指導(dǎo)書上的思考題，組織學(xué)生以3人為一組開展討論交流。各個(gè)小組分別討論思考題，探討結(jié)論，并在基本實(shí)驗(yàn)的框架上，設(shè)計(jì)和擬訂實(shí)驗(yàn)方案，并通過實(shí)驗(yàn)予以實(shí)現(xiàn)。在整個(gè)過程中，教師指導(dǎo)和解答學(xué)生疑問。該步驟有助于學(xué)生深化對基本知識(shí)的認(rèn)識(shí)，提高他們分析問題，解決問題的能力。

③展示和交流探究實(shí)驗(yàn)結(jié)果。各小組獨(dú)立完成探究活動(dòng)之后，教師選擇2～3個(gè)小組為示范小組。各示范小組依次為全體同學(xué)介紹解決思考題的依據(jù)、實(shí)驗(yàn)方法，展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。針對展示的情況，其他同學(xué)對比本組實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果，討論和補(bǔ)充改進(jìn)方法。

④實(shí)驗(yàn)效果評價(jià)與反饋。經(jīng)過探究活動(dòng)、展示和交流后，每個(gè)學(xué)生首先自我評價(jià)自身掌握實(shí)驗(yàn)原理的情況，評價(jià)基本實(shí)驗(yàn)和探究實(shí)驗(yàn)采用的步驟、所得結(jié)果的情況，并列舉本次實(shí)驗(yàn)中的優(yōu)點(diǎn)和不足。然后，針對示范小組，每個(gè)學(xué)生對其實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果打分，指出其優(yōu)點(diǎn)，提出改進(jìn)意見。教師整理和總結(jié)評價(jià)材料，進(jìn)一步改進(jìn)教學(xué)方法。同時(shí)，將對示范小組的評價(jià)情況反饋給對應(yīng)小組，促進(jìn)他們提高實(shí)驗(yàn)技巧。學(xué)生自評有助于其端正學(xué)習(xí)態(tài)度，提高學(xué)習(xí)主動(dòng)性。學(xué)生互評能幫助學(xué)生正確認(rèn)識(shí)長處和不足，改進(jìn)學(xué)習(xí)方法，最終提高其應(yīng)用能力。

二 翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)舉例

下面以數(shù)字圖像處理課程中的“圖像的傅立葉變換與頻域?yàn)V波”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例，具體說明本文提出的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法。數(shù)字圖像處理課程是應(yīng)用型本科高校電子信息工程專業(yè)的重要課程，要求學(xué)生掌握通過程序設(shè)計(jì)開展圖像處理的基本方法。本實(shí)驗(yàn)的基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為驗(yàn)證二維傅里葉變換的平移性和旋轉(zhuǎn)不變性，實(shí)現(xiàn)圖像低通頻域?yàn)V波，學(xué)生應(yīng)掌握傅立葉變換原理和特性，熟悉圖像正、反二維傅立葉變換的程序設(shè)計(jì)方法。

根據(jù)本文提出的教學(xué)方法，教師在編寫實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的基礎(chǔ)上，采用錄屏軟件錄制了講解原理的視頻，以及基本實(shí)驗(yàn)操作步驟和講解的視頻。此外，指導(dǎo)書中增加的思考題為：在圖像的傅立葉變換域中，零頻、低頻和高頻數(shù)據(jù)分別代表圖像的什么信息，通過實(shí)驗(yàn)予以驗(yàn)證。

課前，學(xué)生觀看教學(xué)視頻，掌握了圖像正、反二維傅立葉變換的基本過程及其程序設(shè)計(jì)方法，熟悉了常用的讀圖、傅立葉變換、顯示等函數(shù)。針對思考題，學(xué)生通過查找資料和交流，對實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法也有了初步的方案。

課內(nèi)，學(xué)生獨(dú)立編寫圖像處理的程序代碼，完成基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，相互交流，糾正實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤。之后，學(xué)生以3人為一小組，針對思考題，討論設(shè)計(jì)方案，分析其可行性，并擬訂技術(shù)路線。再通過程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案，最終給出圖像處理結(jié)果。

圖2 方案1的流程圖

圖3 方案1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

示范小組給出的設(shè)計(jì)方案主要有兩種。如圖2所示為其中一種方案的流程圖，圖2中FFT和IFFT分別表示正、反傅立葉變換。首先，將原圖作傅立葉變換，得到頻域數(shù)據(jù)。然后，分別設(shè)計(jì)2個(gè)低通濾波器、1個(gè)高通濾波器，其中一個(gè)低通濾波器的截止頻率接近零頻。接著，分別將三個(gè)濾波器與圖像頻域數(shù)據(jù)相乘，再將乘積作反傅里葉變換，得到濾波結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。根據(jù)處理結(jié)果圖，很容易得出，傅立葉變換域中的零頻、低頻和高頻數(shù)據(jù)分別代表圖像的平均亮度、概貌和景物邊緣信息。

如圖4所示為第二種方案的流程圖。它的基本流程與方案1一致，只是逐漸增加低通濾波器的截止頻率，獲得多個(gè)低通濾波結(jié)果。當(dāng)截止頻率fc很小時(shí)，處理結(jié)果與圖3(b)一致。當(dāng)截止頻率fc分別取為10、20、30、40個(gè)像元時(shí)的處理結(jié)果如圖5所示?？梢?，隨著截止頻率增加，濾波結(jié)果的圖片越來越清晰。由此可以說明，零頻代表圖像平均亮度，低頻代表圖像的輪廓，高頻代表圖像的細(xì)節(jié)。

圖4 方案2流程圖

圖5 方案2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

學(xué)生比較以上兩種方案，討論它們的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，就其優(yōu)缺點(diǎn)發(fā)表意見。大部分學(xué)生認(rèn)為方案1的結(jié)果更能說明問題，優(yōu)于方案2。最后，學(xué)生開展自評和互評，教師整理打分材料，并將意見反饋給示范小組學(xué)生。通過本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生加深了對傅立葉變換本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，牢固地掌握了傅立葉變換和頻域?yàn)V波的程序?qū)崿F(xiàn)方法，提高了應(yīng)用能力。

三 結(jié)論

翻轉(zhuǎn)課堂采用課外完成傳授基本知識(shí)，課內(nèi)實(shí)現(xiàn)學(xué)生內(nèi)化知識(shí)的策略，開展個(gè)性化教育。本文提出基于翻轉(zhuǎn)課堂的應(yīng)用型本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法充分利用教學(xué)視頻使用便利、可重復(fù)播放的優(yōu)點(diǎn)，免除了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師繁重的重復(fù)講授任務(wù)，便于學(xué)生根據(jù)個(gè)性特點(diǎn)自主選擇課外學(xué)習(xí)的時(shí)間、地點(diǎn)和方式，有利于學(xué)生牢固掌握實(shí)驗(yàn)原理和操作方法，加快課內(nèi)基本實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程，為完成知識(shí)內(nèi)化奠定基礎(chǔ)。以問題為導(dǎo)向的探究性課內(nèi)活動(dòng)，能啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用基本原理，深入思考解決方案，引導(dǎo)他們設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法來檢驗(yàn)結(jié)論，促進(jìn)了師生之間和學(xué)生之間的交流互動(dòng)，有助于教學(xué)相長，對鞏固學(xué)生理論知識(shí)的學(xué)習(xí)效果，提高分析問題和解決問題的能力起到了積極作用。

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[11]傅四保.建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論指導(dǎo)下的項(xiàng)目教學(xué)法初探——以“教育技術(shù)學(xué)研究方法”課程教學(xué)為例[J].中國大學(xué)教學(xué),2011,(2):56-58.