翻轉(zhuǎn)課堂在光電子學(xué)習(xí)題教學(xué)中的探索與實踐

陳 瑩

（湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 湖北 武漢 430072）

在5G通信、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)蓬勃發(fā)展的同時，光電子技術(shù)作為這些信息技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵支撐技術(shù)也格外受到關(guān)注。近年來，光電子產(chǎn)品市場規(guī)模不斷擴大，應(yīng)用日益廣泛，成為各國各地區(qū)競相發(fā)展的熱點[1]。我國光電領(lǐng)域的優(yōu)勢主要集中在應(yīng)用等中下游環(huán)節(jié)，而在上游的關(guān)鍵技術(shù)和元器件領(lǐng)域基礎(chǔ)薄弱，制約了我國光電子產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。加快關(guān)鍵技術(shù)突破，培養(yǎng)高素質(zhì)的專業(yè)性人才是解決該難題的有效途徑之一。光電子學(xué)是光學(xué)和電子學(xué)結(jié)合的新領(lǐng)域，囊括了光電子技術(shù)的基礎(chǔ)理論知識，是實踐和創(chuàng)新的源頭。然而，在目前的高校中，光電子學(xué)課程普遍存在課時少，教學(xué)深度和廣度不夠的問題[2]。較少的課時，較多的知識點，教師只能“灌輸”知識，學(xué)生被動接收。多數(shù)學(xué)生了解知識點，但無法學(xué)以致用，更不用提實踐和創(chuàng)新了。

翻轉(zhuǎn)課堂，譯自“Flipped Classroom”或“Inverted Classroom”，也可稱為“顛倒課堂”，是指重新調(diào)整課堂內(nèi)外的時間，將學(xué)習(xí)的決定權(quán)從教師轉(zhuǎn)移給學(xué)生。在這種教學(xué)模式下，學(xué)生能利用課堂內(nèi)的寶貴時間，更專注于主動的基于項目的學(xué)習(xí)，共同研究解決問題，從而獲得更深層次的理解。翻轉(zhuǎn)課堂是比較成熟的教學(xué)模式，能調(diào)動學(xué)生的能動性，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)。文章探索了翻轉(zhuǎn)課堂在光電子學(xué)習(xí)題課中的實踐，實踐結(jié)果表明，學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實踐能力和創(chuàng)新能力都得到一定程度的提升。

1 翻轉(zhuǎn)課堂的研究進(jìn)展

在翻轉(zhuǎn)課堂模式下，學(xué)生課前獨立學(xué)習(xí)，課堂上以合作的方式提問和回答，并將課堂上產(chǎn)生的想法和他人討論。翻轉(zhuǎn)課堂早已被應(yīng)用在人文社會科學(xué)教學(xué)中，教師常要求學(xué)生提前閱讀課程內(nèi)容，并在課堂上提問和討論，這正是翻轉(zhuǎn)課堂的模式[3]。從技術(shù)應(yīng)用的形式看，早在1977 年，就有學(xué)者提出利用電子設(shè)備錄制課堂視頻，對學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)行研究[4]。隨著互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入我們的日常生活，為我們帶來了更豐富的在線音視頻資源。2007 年，兩名高中化學(xué)老師在網(wǎng)上發(fā)布了講課的視頻，供缺課的學(xué)生觀看，也供上課的學(xué)生復(fù)習(xí)。由于反響好，該教師開始在課前發(fā)布視頻，讓學(xué)生在課堂上進(jìn)行練習(xí)和深入討論，最終達(dá)到了更好的學(xué)習(xí)效果[5]，自此越來越多的科學(xué)教學(xué)設(shè)計中采用了翻轉(zhuǎn)課堂。Karabulut-Ilgu 等人[6]分析了截至2015 年5 月的論文，得出結(jié)論，工程教育中翻轉(zhuǎn)課堂的研究更多地關(guān)注于記錄設(shè)計，但這些只是初步發(fā)現(xiàn)。他們呼吁開展更多的研究，建立完善的理論框架和評價方法，以建立工程教育方法論。我國也有很多關(guān)于翻轉(zhuǎn)課堂的研究和探索。陳巧悅等人就提出了將微課與翻轉(zhuǎn)課堂結(jié)合應(yīng)用于大學(xué)物理習(xí)題課的教學(xué)[7]。岳丹等人以現(xiàn)代光電子成像技術(shù)概論課為例，探索了翻轉(zhuǎn)課堂在高校專業(yè)概論課程線上教學(xué)中的應(yīng)用[8]。

2 光電子學(xué)課程的意義及習(xí)題課的重要性

光電子學(xué)是電子科學(xué)與技術(shù)等相關(guān)專業(yè)的一門核心專業(yè)基礎(chǔ)課，也是一門承上啟下的重要銜接課，更是學(xué)生畢業(yè)后從事相關(guān)領(lǐng)域工作的基礎(chǔ)。目前這門課程普遍存在課時少但知識點面廣，應(yīng)用性強的矛盾，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)深度和廣度都無法滿足時代的要求。學(xué)生只會機械式記憶，被動接受知識點，疲于應(yīng)付考試，考試結(jié)束后一段時間就容易遺忘，后續(xù)課程中涉及相關(guān)知識點又需要重新自學(xué)已教過的知識，任務(wù)多，擔(dān)子重，學(xué)生積極性大打折扣，畢業(yè)后從事相關(guān)領(lǐng)域的工作時也缺乏理論基礎(chǔ)，輸在了起跑線上，而且實踐能力和創(chuàng)新能力也沒有機會得到鍛煉和提高。

3 翻轉(zhuǎn)課堂在光電子學(xué)習(xí)題課中的探索與實踐

筆者在知網(wǎng)以“翻轉(zhuǎn)課堂”為主題檢索，共找到70642條相關(guān)結(jié)果，以“光電子學(xué)”為主題檢索，共找到4015 條相關(guān)結(jié)果，說明這兩個主題受到了較多的關(guān)注。但以“翻轉(zhuǎn)課堂”+“光電子學(xué)”為主題檢索僅找到2 條相關(guān)結(jié)果，以“光電子學(xué)習(xí)題課”為主題檢索共找到0 條相關(guān)結(jié)果，可見翻轉(zhuǎn)課堂在光電子學(xué)課程，尤其是光電子學(xué)習(xí)題課中的探索和實踐是必要且有意義的。在光電子學(xué)課時少但知識面廣、公式多的矛盾下，加之學(xué)生能力良莠不齊，翻轉(zhuǎn)課堂與光電子學(xué)習(xí)題課相結(jié)合的教學(xué)方法可解決這個難題。教師無需耗費過多的課時講解習(xí)題，可以要求學(xué)生在課前預(yù)習(xí)，課中和課后自主進(jìn)行練習(xí)，然后以PPT 或者微課視頻的形式展示，提高學(xué)生的積極性和參與性，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)。教師有更多的時間與學(xué)生交流，因材施教。對學(xué)有余力的學(xué)生，教師應(yīng)適當(dāng)增加習(xí)題難度和數(shù)量，設(shè)置更多實踐性、開放性課題，提升學(xué)生的個性化認(rèn)知、實踐能力和創(chuàng)新能力。對能聽懂光電子學(xué)基本知識點但不會做相關(guān)習(xí)題，基礎(chǔ)差、底子薄的學(xué)生，可先將教師錄制好的典型相關(guān)題型的講解視頻看懂，然后講給其他同學(xué)聽，從而實現(xiàn)知識點內(nèi)化的過程，在給別人講清楚的過程中，完善自身的知識體系。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，教師講，學(xué)生被動接收，沒有機會完成知識內(nèi)化，翻轉(zhuǎn)課堂可以提供實踐平臺，幫助學(xué)生實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

筆者以本校電子科學(xué)與技術(shù)班學(xué)生為研究對象，展開了基于翻轉(zhuǎn)課堂的光電子學(xué)習(xí)題課的教學(xué)模式探索。翻轉(zhuǎn)課堂理念下的光電子學(xué)習(xí)題課課前準(zhǔn)備環(huán)節(jié)中，教師需要將每一章的知識點和經(jīng)典習(xí)題制作成PPT 或者錄制成視頻微課，經(jīng)典習(xí)題劃分成不同的難易等級，然后教師讓學(xué)生自行分組，按照組進(jìn)行光電子學(xué)課程各章習(xí)題的認(rèn)領(lǐng)。在課中和課后環(huán)節(jié)中，學(xué)生在課余時間通過小組成員間的協(xié)同工作，制作各組的習(xí)題講解PPT 或者錄制微課，制作完成后由教師進(jìn)行審核和評價，然后教師會將各小組制作的內(nèi)容匯總分類發(fā)布到班級內(nèi)部學(xué)習(xí)平臺，供學(xué)生進(jìn)行交流以及互評。在教師評價和生生互評的過程中，教師和學(xué)生之間，學(xué)生和學(xué)生之間可以隨時進(jìn)行交流和合作，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)，增強了學(xué)生的自信心，以較高的效率達(dá)到較好的教學(xué)效果，最后的考試成績也有明顯的提升。

筆者以光電子學(xué)中激光原理與技術(shù)章節(jié)為例，基于翻轉(zhuǎn)課堂理念進(jìn)行了習(xí)題課的教學(xué)設(shè)計。激光原理與技術(shù)章節(jié)重點內(nèi)容包括：光與物質(zhì)相互作用理論與受激輻射；激光產(chǎn)生的條件；激光器的基本結(jié)構(gòu)及各部分的功用；典型激光器的典型值以及半導(dǎo)體激光器。這一章知識點比較多，而且概念有些晦澀難懂，還涉及計算和應(yīng)用，學(xué)生的理解往往流于表面，難以靈活應(yīng)用，實踐效果不理想，但是這章非常重要，銜接著后續(xù)專業(yè)課激光原理，也是光電子產(chǎn)業(yè)和芯片產(chǎn)業(yè)中的基石。這章的知識目標(biāo)主要是掌握激光和激光器的基本原理及其相關(guān)應(yīng)用。思政目標(biāo)是讓學(xué)生知道我國激光技術(shù)的快速發(fā)展過程以及存在的阻礙，引導(dǎo)學(xué)生建立民族自信心和國家自豪感，也勇于擔(dān)負(fù)起自身的專業(yè)使命和責(zé)任。習(xí)題課的教學(xué)設(shè)計和方法包括：課前教師制作PPT 或者思維導(dǎo)圖的形式串聯(lián)起本章的重點內(nèi)容，錄制激光產(chǎn)生的演示實驗視頻，幫助學(xué)生直觀地理解知識點，教師錄制微課視頻講解相關(guān)典型例題，并布置不同難易程度的任務(wù)點，讓學(xué)生分組認(rèn)領(lǐng)，合作完成任務(wù)。簡單級別的任務(wù)可以是一些光電子術(shù)語的科學(xué)含義，例如，受激輻射，譜線的多普勒加寬，譜線的自然加寬和光放大等?；蛘吒拍钚缘暮喆痤}，例如，激光的特點是什么，為什么二能級系統(tǒng)不能產(chǎn)生激光？中等級別的任務(wù)可以是一些簡單的計算與推導(dǎo)題目，例如，＝0.5 m 時，什么溫度下自發(fā)輻射率與受激輻射率相等？T ＝300 K 時，什么波長下自發(fā)輻射率相等？試推導(dǎo)愛因斯坦關(guān)系式等。高難度的可以設(shè)計激光器的結(jié)構(gòu)，利用實驗平臺搭建簡單的激光器，解釋生活中激光相關(guān)應(yīng)用的原理或者介紹相關(guān)的前沿技術(shù)等。還可以設(shè)計一些開放性的問題，例如，你認(rèn)為我國激光技術(shù)的瓶頸在哪？突破口在哪？引導(dǎo)學(xué)生明確自身專業(yè)的使命和責(zé)任。

課中，教師可以先提問或者發(fā)布線上討論，讓學(xué)生回答什么是激光，激光產(chǎn)生的條件，激光器的結(jié)構(gòu)等涉及重點內(nèi)容的相關(guān)問題，引導(dǎo)學(xué)生快速回顧核心知識點，進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)。然后教師可以播放學(xué)生制作的優(yōu)秀微課或者請同學(xué)現(xiàn)場講解習(xí)題，安排學(xué)生課堂討論，教師適時進(jìn)行評價和總結(jié)，評價以鼓勵為主，增強學(xué)生的自信心。翻轉(zhuǎn)課堂的習(xí)題課設(shè)計互動性強，不同的習(xí)題難度級別可以增加不同能力學(xué)生的參與度，課堂氣氛熱烈且輕松。最后以問卷調(diào)查的形式完成生生互評，也可以收集學(xué)生對基于翻轉(zhuǎn)課堂理念的光電子學(xué)習(xí)題課程教學(xué)設(shè)計的感受和建議，完善習(xí)題課的探索體系。對光電子習(xí)題課進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂設(shè)計后，學(xué)生普遍反饋知識點的掌握度更深了，實踐能力也提升了，習(xí)題課不再是枯燥無味，而是充滿趣味。和沒有采用翻轉(zhuǎn)課堂模式開展光電子學(xué)習(xí)題課教學(xué)的班級相比，學(xué)生到課率更高，期末平均成績也明顯提高。

4 總結(jié)

光電子學(xué)是電子科學(xué)與技術(shù)等相關(guān)專業(yè)一門重要的基礎(chǔ)專業(yè)課，其中理論部分和實踐環(huán)節(jié)都十分重要。但是課程課時少，知識點多，應(yīng)用性強，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果往往流于表面，機械地記憶知識點，然后應(yīng)付考試環(huán)節(jié)，學(xué)習(xí)的深度和廣度都不夠，一旦碰到實際應(yīng)用就不知如何展開。本文探索了翻轉(zhuǎn)課堂在光電子學(xué)習(xí)題課教學(xué)中的應(yīng)用，顯著提高了學(xué)生的主動性，增強了學(xué)生的自信心，取得了良好的教學(xué)效果，可以為其他理工科專業(yè)習(xí)題課教學(xué)環(huán)節(jié)提供借鑒。