張　強, 張海峰, 唐　巖, 于歆杰

(1. 青海大學 水利電力學院, 青海 西寧　810016;2. 清華大學 電機系 電力系統(tǒng)國家重點實驗室, 北京　100084)

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電路原理基于SPOC翻轉課堂教學模式的實施

張強1, 張海峰1, 唐巖1, 于歆杰2

(1. 青海大學 水利電力學院, 青海 西寧810016;2. 清華大學 電機系 電力系統(tǒng)國家重點實驗室, 北京100084)

以電路原理課程為例,對如何利用小型私人在線課程SPOC更好地為在校學生提供服務提出了具體實施方案。利用學堂在線平臺和清華大學電路原理MOOC資源,在本科生中實施了基于SPOC翻轉課堂的教學模式試點,取得了顯著的教學改革成果。創(chuàng)新的教學模式及教學組織賦予學生完整、深入的學習體驗,提高了學生的學習興趣、課程的完成率和優(yōu)秀率。

MOOC； SPOC； 翻轉課堂

在互聯(lián)網技術日益發(fā)達的今天,由互聯(lián)網技術支撐的全新知識傳播模式和學習方式正在顛覆傳統(tǒng)的學習模式,MOOC(massive open online course)便是其中之一,它開啟了“指尖上學習”的新時代[1-2]。2014年秋季學期,青海大學電路原理教學組利用學堂在線平臺和清華大學電路原理MOOC資源,在青海大學水電學院大二本科生實施了基于SPOC (small private online course)翻轉課堂的教學模式。

1　MOOC和SPOC的特點

“massive(大型)”和“ open(開放)”使得MOOC具有如下特點:利用大數(shù)據、人工智能的手段將學習變成不受時間、空間限制；實現(xiàn)資源共享；隱藏的教育平臺,成就線下教育創(chuàng)新。與此同時,由于沒有監(jiān)督機制所導致的高輟學率以及教師無法因材施教、缺乏情感溝通,又成了MOOC存在的主要不足[3]。

我們需要探究如何更好地發(fā)揮MOOC在高等教育領域的優(yōu)勢,同時克服MOOC的不足,更好地實現(xiàn)MOOC落地。在這樣的背景下,UC Berkeley的Armando Fox提出了SPOC這樣的可能性。

SPOC模式的主要特點為:在線課程容量較小(small),而且只針對后續(xù)實施翻轉課堂的學生和其他部分感興趣的學生開放(private),便于教師及時了解學生課外學習進展；經過精心設計后,SPOC視頻、講間練習、每周作業(yè)、復習Flash、討論區(qū)、Wiki等資源可以作為實施翻轉課堂教學改革的課前預習素材，比傳統(tǒng)的預習教材內容簡單、手段豐富。

將上述SPOC和翻轉課堂結合,可以在其他條件不變的前提下,以在校學生為主,縮小選課人數(shù),讓選課學生心理上產生一種“公開對外宣示的責任感”,從而提高他對所選課程的完成率[4]。

2　MOOC平臺提供信息技術支持

2013年10月10日,清華大學發(fā)布了我國大陸第一個由高校主導的MOOC平臺:學堂在線(xuetangX)。以電路課程為例,學堂在線分別開設了MITx: 6_002x(電路與電子學)與TsinghuaX: 20220214X(電路原理)2門課程供電路課程學習者使用。全面的視頻、講間練習、每周作業(yè)、復習Flash、討論區(qū)、Wiki等資源資料,基本可滿足各高校教學大綱要求。

3　基于SPOC的翻轉課堂

為了能夠實施SPOC,需要與MOOC平臺合作,針對某個高校的需求,搭建 “公有云”,或在某個高校中設立服務器,搭建“私有云”。二者的區(qū)別主要在于對學校出口帶寬的需求不同,能夠并行提供服務的學生量不同,但都能夠提供MOOC平臺上的所有資源,對于教師和學生而言,使用感受是完全一樣的。

使用公有云或私有云搭建供本校學生使用的平臺,稱為SPOC平臺。授課教師需要利用SPOC平臺,針對本校教學進度和教學大綱,對SPOC平臺資源進行剪裁和調整。學時分配、章節(jié)順序與本校大綱對應,必要時部分內容可以根據本校學生的認知水平上傳自制視頻。課程信息發(fā)布、關鍵時間節(jié)點設置等都由授課教師按照自身授課需求設定。

學生可以選擇在線學習或資源下載。視頻資源下載到個人電腦或手機后,使得學習不再受時間、空間限制。每一段3～8 min的碎片化資源講述著一個完整的知識點,這使得學生可以充分利用零碎時間進行有效學習,隨時隨地調出較難知識點進行反復學習，學習變得隨心所欲，正式開啟了SPOC學習模式。

課堂授課采取翻轉課堂教學方法。教師和學生的角色發(fā)生變化,實現(xiàn)翻轉[5-8]。教師充當主持、引導、協(xié)調、總結的角色；學生的角色從過去的被動接受變?yōu)槿缃竦闹鲃蛹橙　W生在課堂上自主講解、激烈討論、各抒己見,在自學與互學的模式中,通過大家思維的碰撞真正達到學習知識的目的。

SPOC與翻轉課堂的結合即為基于SPOC翻轉課堂教學模式。青海大學于2014年8月29日正式開啟了基于SPOC教學模式的序幕——“電路原理”翻轉課堂,并把實驗與理論學習相結合。

3.1翻轉課堂組織

課堂上,教師進行動態(tài)課堂組織,包括知識點討論、習題討論、實驗演示及討論三大環(huán)節(jié)。從理念層面,可以總結為以下幾點經驗:

首先,引入情感教育模式。課堂以交流討論為主,形成教師與學生面對面、學生與學生面對面的交流討論。多表揚、多鼓勵,在激發(fā)學生學習興趣、提高學習能力的同時,提高學生的語言表達能力。

其次,引入團隊合作與競爭模式。當學習遇到困難的時候,讓學生不再感到孤立無援。一進課堂,他便屬于一個團隊。翻轉班24人,6人一組分成4個團隊,最初由學生自由組合形成。每一個團隊以面對面討論模式安排座位,每個人的成長都與團隊成長密切相關。自己學的狀態(tài)在這樣的模式下被徹底推翻。這種模式推崇互幫互助、共同進步,鍛煉團隊合作能力。團隊中的靈魂人物可培養(yǎng)其領導力。課前每個學生就知識點問題進行線上學習并在團隊中討論。課上對仍不清楚的問題,團隊成員輪流發(fā)表意見,不同團隊的學生可以給出不同答案，由此可進入PK模式。聽別人在講什么,自己有什么不同觀點,為了團隊的榮譽而戰(zhàn)。這樣,一種良性競爭機制便產生了。這樣的機制會大大激發(fā)學生的斗志,挖掘他們的潛能。教師需要習慣不說或少說,將更多說的機會讓給學生,讓學生間的思維碰撞更猛烈。講臺讓給學生,黑板成為學生的天地。教師充當主持、引導、協(xié)調、總結的角色,組織高效的翻轉課堂。

第三,習題對電路學習者而言至關重要。此次改革中,教師根據授課學生的實際水平,分易、中、難3個層次設計習題,所占比例分別為40%、40%和20%。易題大多摘自青海大學電路原理試題庫，中等難度題摘自普通高?？佳姓骖}和實際電路分析習題，而難題摘自清華大學或一流高校歷年考研真題和工程實例分析。學生只要將課堂討論易題掌握,便可以輕松通過本校期末考核,而打算考研的學生則要將中等程度甚至難題掌握,滿足不同層次學生的不同需求。經?？梢钥吹降膱鼍笆且坏离y題把一位學生難住了,就有團隊中的成員一個、兩個,最后所有成員跳到黑板前你一言、我一語,很快難題便被攻克，增強了他們的自信心。而在這樣集體的智慧中,每個學生恰恰能夠清楚地認識到自身知識的短板在哪里。

第四,實驗環(huán)節(jié)是電路教學的重要組成部分。青海大學電路原理分電路原理理論和電路原理實驗2門課程。本次改革將實驗與理論相結合,對學生的工程素質提出更高的要求。要求學生結合實際工程電路問題,通過線上學習、查閱資料、教師培訓等環(huán)節(jié),掌握電路建模的原則和方法；采用LabVIEW和Multisim進行電路分析、虛擬實驗和電路仿真；利用掌上移動實驗設備NI MyDAQ、電路元器件、面包板等實際設備及器件按設計要求或自行設計搭接實際電路；通過軟件接入個人電腦實現(xiàn)實際電路測試；還需要將實測電路與仿真結果進行對比分析。整個過程旨在培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的綜合素質和動手能力,激發(fā)學習的潛能和個人創(chuàng)新能力,提高工程設計報告分析和寫作能力。本課程安排10個實驗,如表1所示。

表1　青海大學翻轉班實驗

從表1實驗安排可以看出,實驗難度依次遞增。認真完成實驗7、8、9,可以很好地為實驗10打下基礎。實驗設計環(huán)環(huán)相扣,讓學生在興趣的帶領下,逐步深入,最終實現(xiàn)終極實際電路。成功之后使學生從心底燃起成就感和滿足感,同時深刻體會到任何一個簡單實際電路的實現(xiàn)都是由對一個個知識點的深刻理解和實踐訓練積累而成,對訓練其工程素質有很大幫助。

為突出每個學生的特質,突出個性化、創(chuàng)新性設計要求,大部分實驗教師不給出具體電路,只提出實驗任務、仿真要求和實物需要達到的效果及測試要求。教師只對少部分實驗給出實驗原理并給予一定的輔導。例如第5個實驗,教師提前一周下達實驗任務:

(1) 自行設計電路測定一節(jié)干電池的戴維南等效電路；

(2) 有仿真,有 myDAQ 實測；

(3) 對結果進行分析并寫出完整詳細的實驗設計報告。

實驗任務由2人一組的團隊完成。課上教師對實驗結果進行檢查,并對學生實際中遇到的問題展開討論。最后一定要對學生的不同想法、不同實驗方法給出評價,并給出明確的解決辦法。第10個實驗即簡易電子琴電路的實現(xiàn),采用基于項目的學習(project based learning, PBL)模式開展[9-11],在開課初期布置下去,具體任務如表2所示,學期末以分組競賽形式驗收。此舉極大地提升了學生的學習興趣、創(chuàng)新能力及工程應用能力、查閱資料能力、撰寫報告能力。

表2　基于項目的實驗設計任務

3.2教師、學生課外工作

(1) 教師課外工作。為上好翻轉課堂,教師需要在課下首先根據本課程大綱要求通過前文中提到的一系列手段實現(xiàn)SPOC模式,并對學生開放資源。其次,教師需要提前對課上要討論的知識點、課上習題、實驗任務進行設計,并提前一周下發(fā)。

(2) 學生課外學習。學生要想積極參與翻轉課堂,課下首先需要根據教師提前一周下發(fā)的相應知識點觀看SPOC平臺對應視頻,充分利用討論區(qū)對知識點疑惑問題展開線上討論,通過線上講間練習及時對知識點進行消化,通過線上作業(yè)對知識點內容進一步鞏固,完成線上學習任務,充分訓練個人學習能力。其次,學生通過教材閱讀、資料查閱、團隊討論等環(huán)節(jié)對知識點、習題及實驗等環(huán)節(jié)進一步學習,完成線下相應任務。依據清華大學的成功經驗,我們要求學生在課后自行繪制知識脈絡圖,將碎片化的知識用自己理解的方式重新整合,達到既見樹木又見森林的目的。

4　實施效果

青海大學基于SPOC的電路原理翻轉課堂實施一學期,效果良好。翻轉課堂成員來自2013級電氣工程及其自動化專業(yè),24人,他們大一學年的平均成績在2013級電氣工程自動化專業(yè)152人中排名29。青海大學是“211工程”學校,每年都招收來自全國25個省市的優(yōu)秀學生,同時也招收大量來自青海本地的相對一般的學生,二者的高考平均成績相差150分左右。第一次實施基于SPOC翻轉課堂時,我們選擇成績比較優(yōu)秀的學生作為教改對象,主要目的是實施分層次教學,落實卓越計劃拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)需求。

4.1線上成績

青海大學電路原理SPOC平臺上共計84個quiz,學生完成得分情況都可以從SPOC后臺數(shù)據中獲得。圖1、圖2、圖3分別是青海大學翻轉班24人quiz的平均分、翻轉班陸某某和高某某quiz成績。從平均分曲線來看,學生對第28個quiz掌握僅達到了40%,第59個quiz 僅有50%掌握率。通過平臺資源我們可知,這2道題對應的知識點分別是第17講和第56講:最大功率傳輸和并聯(lián)二階電路。這說明這部分的內容大部分學生沒能掌握。仔細分析,原因是這部分視頻相對青海大學學生認知水平而言較難。教師掌握此信息后可以課堂上著重講解,或者今后自制此知識點視頻上傳,達到有針對性地全方位服務學生自主學習的目的。

圖1　翻轉班學生quiz平均分曲線

圖2　翻轉班陸某某quiz得分曲線

圖3　翻轉班高某某quiz得分曲線

分析圖2、圖3,學生陸某某知識點掌握較為扎實,學得較為輕松,在最后的期末考試中,卷面考了100分,證明此種模式學習電路非常適合他。而學生高某某卻在學習后期出現(xiàn)了較多的0分,說明她在動態(tài)電路和交流電路部分遇到了困難,很多知識點沒掌握，在最后的期末考試中,卷面考了63分。能夠看出,對她來說,用此種模式學習電路原理是有困難的。這就提醒了授課教師對高某某多給予關注和鼓勵。

4.2期中、期末成績

為進行教學效果評價,與行政班同卷進行期中、期末考試。對照組學生從化工學院自動化專業(yè)2個行政班抽取。自動化學生沒有參加翻轉課堂。從歷年的考試成績看,自動化學生整體水平高于電氣學生。本學期實施基于SPOC翻轉課堂的教師之一,同期為自動化2個班進行傳統(tǒng)模式授課。因此任意抽取2個自動化行政班前12名進行同卷成績對比是有意義的。將翻轉班期中、期末卷面最高成績、最低成績、平均成績與行政班同等水平學生進行比較得出結論,如圖4、圖5所示。從數(shù)據可以看出翻轉班平均分分別高出行政班14.2分、11.2分,最高分分別高出8分、4分,最低分分別高出23分、13分。這再一次證明了此種模式能夠提高課程的完成率和優(yōu)秀率。

圖4　同卷期中成績比較

圖5　同卷期末成績比較

4.3實驗探索

本學期學生需要完成10個實驗。最初我們還擔心任務太重,學生的完成情況會不好，但最終的結果是所有的學生順利完成了任務。令我們驚喜的是,部分學生在興趣的指引下除了規(guī)定的10個實驗之外,還自行設計并搭建完成了臺燈充電電池、光伏電池板充電器、鋰電池電量顯示器、調壓電源、耳放、汽車點火電路、電磁炮發(fā)射器、有源降噪耳機等實際電路。這說明學生的興趣被點燃后其探索能力和自主學習新知識的能力大大提升,取得的成果得到了清華大學電路組的肯定。

5　結語

基于SPOC的翻轉課堂這樣的授課模式存在兩方面的挑戰(zhàn)。從學生層面上看,翻轉的模式充分體現(xiàn)“學生中心主義”,需要調動學生自主學習的積極性。從教

師層面看,翻轉課堂促使教師對教學的過程及規(guī)律進行深刻反思。這給傳統(tǒng)的基于教師的教與學帶來巨大挑戰(zhàn),激勵教師對授課內容進行全面深入的研究。如何讓更多,甚至所有的學生成為“學生中心”學習模式的主人,是青海大學下一步改革的主要內容。

References)

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Implementation of flipped classroom teaching modebased on SPOC in Circuit Theory course

Zhang Qiang1, Zhang Haifeng1, Tang Yan1,Yu Xinjie2

(1. School of Hydroelectric Engineering, Qinghai University, Xining 810016,China; 2. State Key Laboratory of Power System, Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084,China)

This paper takes the Circuit Theory course as an example to demonstrate the implementation of the flipped classroom based on SPOC in order to provide better service to college students. This paper uses XuetangX Online platform and Tsinghua Circuit Theory MOOC resources to carry out the flipped classroom based on SPOC for the undergraduate students . Remarkable results of teaching reform were achieved. Complete and profound learning experiences were gained by the students through innovative teaching mode and classroom organizing. Moreover, the completion rate and the success rate of the course were improved.

massive open online course(MOOC); small private online courses (SPOC); flipped classroom

DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.01.049

2015- 05- 10

張強(1978—),女,河北遷安，碩士,副教授,研究方向為電力市場及新能源.

E-mail：zq6321856@163.com

G642.0

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1002-4956(2016)1- 0187- 04