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摘要：随着微课、慕课所掀起的视频教学热潮，很多人把翻转课堂理解为“教学视频、微视频”的代名词。对于翻转课堂资源建设，大多数研究也把重点放在视频的设计与开发环节，而忽视了实践活动交互资源的设计。单纯的教学视频不能满足技能学习型课程翻转课堂的需求，现有的游戏化、交互式视频、Web交互、互动媒体等交互技术，也不适合实验操作课程的教学。为探索实验操作类型的翻转课堂模式，以《现代教育技术》课程的“虚拟多媒体教学系统”为例，设计开发出以“交互式实验模拟软件”作为主要学习资源形式的翻转课堂形式，以培养学生的动手实践能力、促进实验技能知识的内化、提高实验课教学效果与效率。
关键词：翻转课堂；交互式；模拟软件；实验课；多媒体教学系统
中图分类号：G434 文献标识码：A
《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》提出，以信息化引领教育理念和教育模式的创新，充分发挥教育信息化在教育改革和发展中的支撑与引领作用。在教育信息化的发展过程中，创新的教学模式对推进国家教育体制的改革起着十分重要的作用。2015年《地平线报告》高等教育版中指出，预计一年内越来越多的高校采用移动学习和在线学习，未来五年的计划是：自带设备办公（BYOD）和翻转课堂（一年内）、创客空间和可穿戴技术、自适应学习技术和物联网等。焦建利在《2013-2014年度最有前景的教育技术》中归纳了七条：通过/基于社会性网络的教育、教育APP、大规模开放在线课程（慕课，MOOCs）、颠倒教室（即翻转课堂）、专门性培训、移动学习、微课。近年来，翻转课堂的实施逐渐成为各高校教学改革的重点。翻转课堂作为一种新的教学理念，创造性地改变了教学的结构：将传统的“课内学习、课外做作业”转变成“课外学习、课内做作业”。“翻转课堂”在国际上已经取得了很多的成功实践，近年来翻转课堂在国内也掀起一股研究与应用热潮。
一、翻转课堂研究与实践现状
翻转课堂（Flipping Classroom，也称颠倒课堂）是近年来热门的课堂教学组织形式。传统的教学模式中，教师在课堂完成知识的传递，学生在课外通过作业完成知识的内化。而在翻转课堂中，把知识的传授和知识的内化进行了颠倒，学生在课前通过观看视频等教学材料完成知识的传递，在课堂中通过各种活动来完成知识的内化。教师作为课程的设计者与学习的指导者，需要为学生提供自主学习的环境，满足学生个性化和协作式学习的需求，并通过激励、奖惩措施提高学生的积极性。同时，需要对课堂时间进行重新分配，实现对传统教学模式的革新。
翻转课堂起源于2007年美国“林地公园”两位化学教师使用录屏软件录制教学视频，以帮助缺席的学生补课。“MOOCs”（“慕课”）的崛起，使翻转课堂迅速发展为全球教育的一个热点。国外的翻转课堂大多应用于医学、护士专业的教学，并强调通过翻转课堂发展学生的高阶思考技能与创新思维。如美国瓦尔登大学的Tim J.Bristol博士研究将翻转课堂应用于护士教学，提出翻转课堂的组成部分应包括高阶思考与意识，翻转课堂的学习评价，要让学习过程学生的行为与学习活动与学习结果有联系，这样才能刺激学生在整个学习过程保持积极性。美国宾夕法尼亚大学Mary Beth Gilboy提出利用翻转课堂促进护士学生的参与度，并利用布鲁姆的教育目标分类法对翻转课堂进行评价。马来西亚的Biswadeep Das研究利用翻转课堂提高医学专业学生的实践技能；加拿大圣文森特山大学Jenny Moffett将翻转课堂应用于兽医专业教学，提m翻转课堂不是简单地观看视频，更重要的还是教学内容教学策略的设计。
在我国，2011年重庆市聚奎中学率先开展了翻转课堂实验，随后各高校、中学以及中职院校也相继开展了翻转课堂实践。在学术界，对翻转课堂的研究主要包括两部分：一部分是对翻转课堂的定义、内涵与模式进行设计，另一部分是翻转课堂在具体课程中的应用与实证研究。张金磊构建出翻转课堂的模型，随后又提出了基于游戏化学习理念的翻转式教学模式；焦建利提出构建翻转课堂的几个关键问。何克抗、杨晓宏为翻转课堂在我国的发展、本土化策略的研究提出了明确的方向；钟晓流提出了“太极形”翻转课堂模式；郭绍青引入生物学“趋同进化”理论研究了翻转课堂的教学策略；翻转课堂在我国的实践应用主要为高校的信息技术类课程，如马秀麟、赵国庆的实证研究证明翻转课堂对大学信息技术公开课具有潜在优势；黄琰提出了翻转课堂在《现代教育技术》实验教学中的研究；曹育红构建了软件技术课程的翻转课堂实训平台与资源库；刘晓晶研究了翻转课堂在数据结构中的应用；曾明星研究了基于MOOC的翻转课堂教学模式；2013年9月，华东师范大学牵头成立了C20 MOOC联盟，其目的在于借助MOOC平台，实施翻转课堂教学模式的变革。
二、问题的提出
虽然，国内学者对翻转课堂的研究逐渐增多，但多是探索利用视频资源翻转课堂教学的个案研究。特别是，随着微课、慕课所掀起的视频教学热潮，大多文献在对翻转课堂的定义中都提到以“教学视频”为主的资源，因此很多人对翻转课堂的认识存在一个误区，翻转课堂成为在线视频、微视频的代名词。对于翻转课堂的学习资源建设，大多数研究也把重点放在视频的设计与开发环节，而忽视了其他类型学习资源的设计与开发，特别是实践活动交互资源。
而实际上，可汗学院在2007年已经对教学视频内容作了补充——增加互动练习软件，以便学习者进行交互训练。单向传授的教学视频播放并非翻转课堂的重点，他们最为关注的还是有利于发展学生深层次认知能力的交互动、实践与交流。赵兴龙提出翻转课堂一般由三个环节构成：问题引导环节、观看视频环节和问题解决环节。观看视频环节是知识的第一次内化环节，而实际课堂中很多知识点仅通过一次内化是远远不够的，必须经过多次内化、不断地实践应用才能达到完成。如实验操作技能需要在反复的实践中才能够熟练掌握，实验教学中通过微视频学习完成第一次内化后，所使用的资源既要能和微视频相互补充，义要比微视频有更集中的认知聚焦。张瑞芳、张金磊、Zaid AliAlsagoff、张琳琳等研究者也强调了互动媒体的重要性。然而上述研究中所提出翻转课堂中的交互资源，大多是基于社交媒体、Web2.0、游戏等媒体的交互，而实际上对于实验操作教学，这种形式的交互媒体是无法满足学习要求的。现行的研究在实验课程的实践模拟方面，也都是基于单向视频、交互视频学习，缺乏以交互实验模拟软件等形式的资源设计与开发研究。 三、交互式实验模拟软件的设计与应用
1.重要性
（1） 《现代教育技术》实验课程实施翻转课堂改革的必要性
中田纳西州大学的Justin G.Gardner指m翻转课堂适合以下3类课程的学习：强调批判性思维与问题解决技巧的学科；理论与实践相结合的学科；基于实验的课程。《现代教育技术》是一门校级公共课程，其目的在于提高师范生的教育技术能力，促进学校师生信息化教学能力的提高。该课程实践性强、教学内容多而课时有限，学生人数多通常采用大班制授课，传统的实验教学方式是教师讲、学生听、学生实物操作。教师的主要精力用于实验的讲解和操作演示，缺乏与学生深度的交流和对问题的反馈，很多学生反映通常听完教师的讲解后，操作记忆比较模糊，学生在实验中只能在有限的时间内机械地动手操作，很少有时间自主思考问题，从而导致对实验原理理解不足，有些学生甚至表现出操作过程混乱，甚至不知所措。加上实验设备有限且价格昂贵，实践操作通常要分组进行。学生在技能不熟悉情况下对真实设备操作不当极容易损坏设备，学生实验的失败率高。将翻转课堂模式应用于实验教学中，使学生有更多的时间进行实践技能的操作训练，而老师在学生进行实践操作过程中，有更充足的时间为学生提供指导和帮助。翻转课堂能解决传统实验教学中存在的问题，更体现出学生的白主性，让学生在实验课堂中更好地完成技能与知识的内化。将教师从繁琐、重复的教学任务中解脱出来，把学生放置于实验自主学习的中心位置，从而使实验课的时间有更大程度的灵活性，让学生有更充足的时间进行思考与实验探索，以提高实验的教学效率和效果。
（2） 交互式模拟软件应用于《现代教育技术》实验翻转课堂重要性
在实验课程的翻转课堂中，如果课前只单纯给学生观看教学视频是很难让学生在课堂实践操作有限的时间内完成对实训操作的。一般情况下视频只是一种单向传播，无法实现人机交互。而目前微课程建设中所谓的交互视频，其实是利用Web功能实现的一种以选择题或填空题等简单形式的交互。这种形式的交互资源只能提高师生的互动反馈，却无法提高实验操作的动手能力。交互式实验模拟软件是以2D、3D动画或结合虚拟现实等技术生成接近于真实实验设备的虚拟实验情境，在情境中学生可以对虚拟的物体进行操作，完成实验体验，所获得的效果等同于甚至优于在真实情境中获得的体验，具有仿真性、安全性、沉浸感、交互性等特点。
“多媒体教学系统的使用与维护”作为《现代教育技术》课程实验项目重要的组成部分，也是所有教师必须掌握的技能，是教师职前培训必不可少的内容。本实验的主要目的在于通过实验，让学生了解多媒体教学系统的构成与各个设备的功能，掌握系统的操作与使用的方法，学会对常见问题与故障的诊断并进行简单的维护。实验要求学生能够熟练操作多媒体系统中的各种设备，同时能够理解多媒体教学系统的组成及基本原理，并能够用学到的理论与实践知识去解决实际操作中的异常状况。该内容与师范生的职业结合紧密，实践机会却少。体验式学习理论强调，学习是指从阅渎、听讲、研究、实践中获得知识或技能的过程，这一过程只有通过亲身体验才能最终有效地完成。这里的实践与体验可以是真实情境也可以虚拟的场景。交互式实验模拟软件仿真性的特点，可以模拟真实设备的功能与操作。学习者通过操作可以掌握实验设备的功能与操作原理，避免误操作造成对真实设备的损坏或带来危险性。更重要的是，其交互性与反馈功能可以对学生操作的正确或错误进行提醒，义可以从宏观及微观不同的角度展现设备的性能。在翻转课堂实验课教学中，学生通过观看视频，完成知识的第一次内化，再利用交互式实验软件进行模拟操作，通过发现问题、解决问题强化技能的操作，完成技能知识的再次内化，而这个过程通常是反复进行的，最终才让学生真正掌握了实验技能。
2.设计与开发
（1） 设计理念
a.科学性
体现在正确性与规范性。正确性指软件对实验设备的功能模拟都要与实物一致，各种设备都以说明书为主要依据，数据与参数正确，误差值低或不出现误差，不存在误导学习者或知识性错误。规范性体现在每一种设备的操作，都必须按照规范的步骤进行，多个设备组合形成系统的操作顺序上，如启动设备时必须先打开中控电源，然后再打开电脑和投影机，关机时应该先关闭投影机，再关电脑，然后才关闭系统电源。系统的顺序性体现在对每一种设备的操作都严格按照操作规范和顺序，如果违反的操作次序，系统则给出提醒要求学生按正确的操作步骤进行。
b.模拟仿真性
仿真性体现在系统从外观、功能要最大程度地接近真实设备，具有较高的虚拟性和仿真度、体验效果好，让学习者犹如身临其境的感觉，性能接近真实设备效果优于真实设备。如在操作多媒体教学系统中的“展示台”时，通过控制面版上的按钮与参数，屏幕会出现与实物操作相同的改变效果。
c.交互性
交互性是系统优于真实设备或视频教学的最大特点。视频教学的单向性容易让学习者产生疲劳，无法为学习者提供亲身操作的体验，对真实设备操作没有操作提示，有时就算误操作设备也不会做出反馈，操作不当容易损坏设备。利用交互模拟软件进行操作，系统会按规范的操作次序提醒学习者，操作正确时给予奖励或得分，操作错误进行扣分等反馈。
d.智能评价
系统的考核模块由“理论考核”与“实践考核”两部分组成，理论考核以选择题、填空题、搭配题为主要题型，各题目均由《现代教育技术》教研室的教师共同出题，并录入题库。实践考核主要以规范操作、故障检测的模拟操作，当所有的内容考核完毕，系统会根据操作结果自动统计出不同的等级与评价，包括错题集反馈等。
e.微型化
基于翻转课堂模式下的学习资源，无论是视频教程，还是交互实验模拟软件，都必须以微型化为原则，突出“短、小、精、悍”的特点。交互模拟软件按设备进行分类，即一种设备以一个教学单元来讲解，每个教学单元义有知识性的联系。微型化突出在时间短，每个教学单元讲解或操作的时间控制在3～6分钟之间；容量小，以便于网络传输与下载；知识点精简，富于创新；知识传授简洁明快、高效、启发思维。 f.移动化
移动设备的普及促进移动学习的发展，使学习资源移动化成为必然。系统的教学视频采用Camtasia Studio软件录屏并生成Mp4文件，具有跨平台通用移动设备支持特点，交互式模拟软件分PC版与移动版，移动版有Android与iOS两个版本，PC版以网页在线点播形式，移动版以把所有资源整合为一个APP，在移动设备中安装后可选择不同的模块进行点播，学生可以根据不同的移动系统下载安装观看。
（2） 开发技术与功能介绍
交互式实验模拟软件以Flash CS6.0绘制素材、制作模拟动画，Flash是最大众化和普及的动画、课件制作软件，因操作简单易于上手，一直以来是教学课件、软件、游戏开发的主流。基于矢量图形与流式播放技术的2D动面，具有高清晰度、小容量、传输速度快等特点。利用面向对象程序语言ActionScript3.0程序与算法，实现模拟、交互与反馈的功能。Flash CS6.0内嵌的AIR义可以将软件发布成移动应用文件，如运行于Android系统的apk文件或运行于iOS系统ipa文件。
如右图1所示，虚拟多媒体教学系统由“教学讲解、模拟实践和考核评价”三大模块组成， “教学讲解”模块主要以演示型动画和微视频形式介绍了多媒体教学系统各种设备：包括中央控制器、展示台、投影机、扩音系统、激光教鞭以及系统的组建方法，每一种设备按“结构简介、功能介绍、使用与维护方法”三个方面进行讲解；“模拟实践”模块主要以交互式动画模拟以上各种设备的功能，让学习者可以直接参与各种设备的使用操作； “考核评价”模块包括理论知识、实践操作与结果评价三部分，对学生的设备组成、操作规程、常见问题与故障诊断各方面进行考核，考核完毕汇总出评价结果。
a.教学讲解
在讲台可以选择中央控制器、展示台、功放、电脑主机等设备，点击任一种设备查看该设备的功能与使用介绍，也可以选择设备直接进入模拟操作环节。
b.模拟操作
对于展示台、投影机、扩音系统等设备均采用模块操作形式。对于各种功能如“缩放、聚焦、正负片、镜像、图像冻结、同屏对比、色调与亮度”按钮，屏幕上就能相应显示与真实的展示台操作时的相同效果，每一步参数的改变，在提示框都会给出提示反馈。
c.考核评价
考核模块包括“理论知识、实践操作与结果评价”三部分，理论知识主要以选择题、填空题、搭配题（拖曳形式）进行考核，实践操作主要以系统提问题，学生模拟操作方式进行考核，最终通过结果评价汇总出学生的考核结果，以不同的层次进行评价。
四、交互模拟软件在翻转课堂实验教学中的应用
“多媒体教学系统的使用与维护”是一个实践性强的教学内容，其教学目标只有实现知识学习与实践技能的有机融合，才能促进学生实践动手能力的提升，达到“知”与“行”的和谐统一。通过在《现代教育技术》实验课程中开展翻转课堂实践，以“虚拟多媒体教学系统”为例，提供实验课翻转课堂模式下的交互模拟软件，提出本“翻转课堂”的教学流程。如下页图2所示，教学流程包括课前、课中与课后三个环节，交互实验模拟软件主要应用于课前学习与课后考核，课中则进行实物操作。
1.课前
如图2所示，在课前一周，教师通过Moodle平台学习发布教学资源，并安排学生的课前学习任务。资源的类型包括“实物操作教学视频”与“交互式模拟软件”。学生登录Moodle先观看实物操作视频，获得宏观的认识感知，然后观看利用Camtasia Studio软件录制“交互模拟软件”的操作过程视频，学习细化的知识点与具体的操作要点，完成知识的第一次内化，为学生进行下一步的交互模拟实验打下基础，提供操作帮助。最后利用“交互模拟软件”进行实践模拟操作，系统对学生的操作正确与错误均能进行自动的提醒与反馈，学生记录在操作过程中遇到的问题，自我探索解决问题的方法，完成知识的第二次内化。学生完成课前学习后，在规定的时间内，登录Moodle进行学习交流，在这里既可以进行师生之间的交互，也能进行学生之间的交流，教师根据问题进行分类反馈，学生也可进行同伴之间的互助解决问题。
2.课中
在实验课的课堂上主要以分组协作形式进行。教师对系统结构进行简要讲解，再根据课前Moodle平台上学生提出的问题进行分析，再提供多组实验设备供学生动手练习，学生分组进行实物操作训练。由于学生在课前的预习环节已经通过视频教学详细了解了设备的原理与操作过程，利用“虚拟多媒体教学系统”进行模拟操作义强化了动手实践技能，因此，在真实设备操作的实践环节，学生更加有目的性、正确性、白信地操作，学生通过真实的实践，掌握了实验操作技能。在操作过程中，各小组的同学之间可以互动交流，遇到问题以小组的形式向教师请求助，教师巡回对各小组进行指导，并根据出现的问题进行汇总与解答，使学生的知识得到内化，技能得到强化。实验结束后教师对下一次课程的安排进行简要介绍。
3.课后
课后学生通过分组到多媒体教室进行实践应用强化技能，教师再通过学习实践操作过程中出现的问题进行归纳与总结，并发布到Moodle平台上，再通过“虚拟实验平台”进行考核。“虚拟实验平台”具有对真实设备的仿真模拟操作，通过“设备组成与功能、操作流程、常见的问题与故障诊断与维护”各模块进行网络考核，考核完毕系统会对学生的操作以“优秀、良好、合格、不合格”不同结果进行评价。考核之后，教师再根据考核结果和出现问题对学生进行个别化辅导。传统的实物考核需要对每位学生逐一进行，考核时间长，教师工作量大。通过网络虚拟系统的考核，基本能客观地评价学生的学习效果，有效地针对不同层次的学生进行个别化的辅导，节省了考核时间，大大地减轻教师的工作量，提高了实验的教学效率与效果。
4.学习评价
对翻转课堂学生的学习评价，包括学习过程的形成性评价与期末的教学考核的总结性评价。形成性评价指整个学习过程中学生的态度、表现、能力与参与度进行过程性评价。评价的主体包括学生互评、学生本人自评与教师评价等多元化方式。学生在学习过程中的参与度可通过Moodle平台的测试、互动评价功能统计出学生之间互评与教师评价的结果，也可以通过报表功能统计出学生在线参与某个模块的时间、访问次数等活跃度。总结性评价指学生利用交互式模拟软件进行考核的结果。 五、效果分析
为了证明交互式模拟软件在实验课翻转课堂应用的效果，2014年11月份我们在《现代教育技术》实验课程中开展翻转课堂试验，对图2所提出的教学流进行验证。实验对象为某高校三年级的师范学生中文专业的两个自然班级（每班人数约60人），随机设为实验班和对照班，实验班和对照班的实验教学由同一位教师担任。实验班学生应用翻转课堂教学模式，以Moodle为学习活动组织平台，课前提供“虚拟多媒体教学系统”为交互式实验模拟资源，并提供学习指引的教学视频；课中分组实验，教师巡视指导；课后学生利用虚拟软件进行技能考核，强化提高，对于不达标学生再次安排进行实物操作。对照班学生采用传统教学法，布置课前预习，学生利用传统资源进行学习，认识多媒体教学系统但不利用虚拟软件系统进行训练，课中先由教师讲解演示实验操作、注意事项和实验易m错之处，再分组进行实验，课后全部学生利用实物进行考核。
1.教学效率比较
对教学效率进行比较：传统实验教学，教师以课堂讲解（两学时，每学时约40分钟），实验课分组操作，教师在一旁指导（两学时），考核（逐一考核，每位学生至少5分钟。如果以每班60人计，考核时间至少为7学时），完成整个实验教学与考核过程，教师总共需要投入至少460分钟（约11学时）的工作量，为不影响整门课程的教学进度，通常情况下，教师会利用课余时间进行系统操作考核。以交互实验模拟软件为学习资源的翻转课堂，教师在课堂活动与参与学生的课后互动讨论时间大约为3学时，由于采用了模拟系统进行实验考核，所有学生可以同时进行考核，这就大大节省了考核时间，完成考核约为10分钟（约0.25学时），教师总共需要投入约3.25学时的工作量，两种模式的教学效率比较如图3所示。对于考核不过关的同学，则可以再对实物进行更有针对性的学习和操作。这样，可以大大减少教师的工作量，当然，但有一个环节容易被忽略的是，翻转课堂模式下教师课前准备资源的时间比传统课堂准备的时间更长，需投入更多的精力，也需要教师学习掌握现代信息化教学的技术才能够开展。在本实验中，由于虚拟软件具有可重复应用性，可以在不同班级和不同年级应用，还是极大提高教学效率。
2.教学效果比较
对教学效果进行比较：传统的实验教学方式，由于学校教学的规律性，通常是上一周由老师进行讲解演示，相隔一周后学生进行实物操作，实验过程大部分学生操作生疏，情绪紧张以至于不知道从哪里开始，甚至出现恐惧感，通常碰到问题都急于向老师求助，教师辅导工作量大。由于实验时间与硬件设备的限制，很多学生往往在实验课中无法反复进行操作练习，达到熟练掌握程度，通常在考核的时候还需要教师进一步的提示引导才能够完成。对于实施翻转课堂模式的班级，由于课前学生通过观看教学视频，利用交互软件反复模拟操作，实验过程大多数学生均表现出操作技能较为熟练，学生也对自主操作更有自信，在操作过程中遇到问题，学生则更倾向于独立探索解决问题，学生还可以用手机或电脑打开教学视频自主寻求解决的方案，从而大大减轻了老师的实验课辅导压力。对两个班级实验考核成绩进行比较，也发现实验班与对照班的成绩存在明显的差异，实验班的成绩要明显高于对照班。
3.学生对翻转课堂教学的认可程度
对实施翻转课堂的学生进行问卷调查，调查结果如图4所示：95%的学生表示对翻转课堂模式的实验教学更感兴趣；91%的学生认为翻转课堂模式有助于在实物操作之前更好地理解实验的原理；93%的学生认为通过模拟操作提高了动手实践技能，并且课前学习资源中最有效的是“交互模拟软件”，为后面的实物操作打下基础；89%的学生认为这种模式提高了实验效果，但有47%的学生认为这种方式占用了太多学生的课余时间，8%的学生认为自己在课前预习的自觉性、自律性还有待提高。
但由于利用真实实验设备进行考核与虚拟系统进行考核还是存在一定差别，对完成虚拟系统考核的学生进行真实设备考核，在系统评价结果为“优秀、良好”的学生，基本较熟练地通过；评价为“合格”的学生中，有个别学生操作技能仍不太熟练；系统评价“不合格”的学生，个别经过适当的提示也能完成操作。实验结果表明，系统对学生的考核从总体上还比较符合客观事实，但由于系统与真实设备存在一定差别，加上学生理解能力和接受程度的不同，仍存在一定的差异，但这一点是可以通过调整改进的。
六、结束语
基于翻转课堂模式的实验操作课程，更应该注重实践能力的培养，设计开发出具有实践性、高效性、适合翻转课堂教学模式下自主学习的交互式模拟软件、资源，从而弥补实验操作的不足，解决传统实验课堂教学存在的主要问题，发挥学生的自主学习能动性，最大程度地解放教师，使教师把时间投入到更有效的学生引导中。当前的微课与视频热潮过分地强调了教学视频的重要性，而忽略了交互式模拟软件在实验教学的重要性。实验课是操作性、实践性强的课程，需要为学生提供尽可能多的动手机会，交互实验模拟软件对于启发学习者的思维、提高学生动手、实践能力起相当重要的作用。翻转课堂模式的实施不能以千篇一律的机械化模式进行定位，应根据不同课程的特点，有针对性地设计教学资源与模式，不可一刀切、以视频资源代替所有资源。翻转课堂模式仍处于研究、发展和探索阶段，很多模式、资源形式仍不标准、不规范化，教育者在实施翻译转课堂过程仍需要不断地完善与创新。
关键词：翻转课堂；交互式；模拟软件；实验课；多媒体教学系统
中图分类号：G434 文献标识码：A
《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》提出，以信息化引领教育理念和教育模式的创新，充分发挥教育信息化在教育改革和发展中的支撑与引领作用。在教育信息化的发展过程中，创新的教学模式对推进国家教育体制的改革起着十分重要的作用。2015年《地平线报告》高等教育版中指出，预计一年内越来越多的高校采用移动学习和在线学习，未来五年的计划是：自带设备办公（BYOD）和翻转课堂（一年内）、创客空间和可穿戴技术、自适应学习技术和物联网等。焦建利在《2013-2014年度最有前景的教育技术》中归纳了七条：通过/基于社会性网络的教育、教育APP、大规模开放在线课程（慕课，MOOCs）、颠倒教室（即翻转课堂）、专门性培训、移动学习、微课。近年来，翻转课堂的实施逐渐成为各高校教学改革的重点。翻转课堂作为一种新的教学理念，创造性地改变了教学的结构：将传统的“课内学习、课外做作业”转变成“课外学习、课内做作业”。“翻转课堂”在国际上已经取得了很多的成功实践，近年来翻转课堂在国内也掀起一股研究与应用热潮。
一、翻转课堂研究与实践现状
翻转课堂（Flipping Classroom，也称颠倒课堂）是近年来热门的课堂教学组织形式。传统的教学模式中，教师在课堂完成知识的传递，学生在课外通过作业完成知识的内化。而在翻转课堂中，把知识的传授和知识的内化进行了颠倒，学生在课前通过观看视频等教学材料完成知识的传递，在课堂中通过各种活动来完成知识的内化。教师作为课程的设计者与学习的指导者，需要为学生提供自主学习的环境，满足学生个性化和协作式学习的需求，并通过激励、奖惩措施提高学生的积极性。同时，需要对课堂时间进行重新分配，实现对传统教学模式的革新。
翻转课堂起源于2007年美国“林地公园”两位化学教师使用录屏软件录制教学视频，以帮助缺席的学生补课。“MOOCs”（“慕课”）的崛起，使翻转课堂迅速发展为全球教育的一个热点。国外的翻转课堂大多应用于医学、护士专业的教学，并强调通过翻转课堂发展学生的高阶思考技能与创新思维。如美国瓦尔登大学的Tim J.Bristol博士研究将翻转课堂应用于护士教学，提出翻转课堂的组成部分应包括高阶思考与意识，翻转课堂的学习评价，要让学习过程学生的行为与学习活动与学习结果有联系，这样才能刺激学生在整个学习过程保持积极性。美国宾夕法尼亚大学Mary Beth Gilboy提出利用翻转课堂促进护士学生的参与度，并利用布鲁姆的教育目标分类法对翻转课堂进行评价。马来西亚的Biswadeep Das研究利用翻转课堂提高医学专业学生的实践技能；加拿大圣文森特山大学Jenny Moffett将翻转课堂应用于兽医专业教学，提m翻转课堂不是简单地观看视频，更重要的还是教学内容教学策略的设计。
在我国，2011年重庆市聚奎中学率先开展了翻转课堂实验，随后各高校、中学以及中职院校也相继开展了翻转课堂实践。在学术界，对翻转课堂的研究主要包括两部分：一部分是对翻转课堂的定义、内涵与模式进行设计，另一部分是翻转课堂在具体课程中的应用与实证研究。张金磊构建出翻转课堂的模型，随后又提出了基于游戏化学习理念的翻转式教学模式；焦建利提出构建翻转课堂的几个关键问。何克抗、杨晓宏为翻转课堂在我国的发展、本土化策略的研究提出了明确的方向；钟晓流提出了“太极形”翻转课堂模式；郭绍青引入生物学“趋同进化”理论研究了翻转课堂的教学策略；翻转课堂在我国的实践应用主要为高校的信息技术类课程，如马秀麟、赵国庆的实证研究证明翻转课堂对大学信息技术公开课具有潜在优势；黄琰提出了翻转课堂在《现代教育技术》实验教学中的研究；曹育红构建了软件技术课程的翻转课堂实训平台与资源库；刘晓晶研究了翻转课堂在数据结构中的应用；曾明星研究了基于MOOC的翻转课堂教学模式；2013年9月，华东师范大学牵头成立了C20 MOOC联盟，其目的在于借助MOOC平台，实施翻转课堂教学模式的变革。
二、问题的提出
虽然，国内学者对翻转课堂的研究逐渐增多，但多是探索利用视频资源翻转课堂教学的个案研究。特别是，随着微课、慕课所掀起的视频教学热潮，大多文献在对翻转课堂的定义中都提到以“教学视频”为主的资源，因此很多人对翻转课堂的认识存在一个误区，翻转课堂成为在线视频、微视频的代名词。对于翻转课堂的学习资源建设，大多数研究也把重点放在视频的设计与开发环节，而忽视了其他类型学习资源的设计与开发，特别是实践活动交互资源。
而实际上，可汗学院在2007年已经对教学视频内容作了补充——增加互动练习软件，以便学习者进行交互训练。单向传授的教学视频播放并非翻转课堂的重点，他们最为关注的还是有利于发展学生深层次认知能力的交互动、实践与交流。赵兴龙提出翻转课堂一般由三个环节构成：问题引导环节、观看视频环节和问题解决环节。观看视频环节是知识的第一次内化环节，而实际课堂中很多知识点仅通过一次内化是远远不够的，必须经过多次内化、不断地实践应用才能达到完成。如实验操作技能需要在反复的实践中才能够熟练掌握，实验教学中通过微视频学习完成第一次内化后，所使用的资源既要能和微视频相互补充，义要比微视频有更集中的认知聚焦。张瑞芳、张金磊、Zaid AliAlsagoff、张琳琳等研究者也强调了互动媒体的重要性。然而上述研究中所提出翻转课堂中的交互资源，大多是基于社交媒体、Web2.0、游戏等媒体的交互，而实际上对于实验操作教学，这种形式的交互媒体是无法满足学习要求的。现行的研究在实验课程的实践模拟方面，也都是基于单向视频、交互视频学习，缺乏以交互实验模拟软件等形式的资源设计与开发研究。 三、交互式实验模拟软件的设计与应用
1.重要性
（1） 《现代教育技术》实验课程实施翻转课堂改革的必要性
中田纳西州大学的Justin G.Gardner指m翻转课堂适合以下3类课程的学习：强调批判性思维与问题解决技巧的学科；理论与实践相结合的学科；基于实验的课程。《现代教育技术》是一门校级公共课程，其目的在于提高师范生的教育技术能力，促进学校师生信息化教学能力的提高。该课程实践性强、教学内容多而课时有限，学生人数多通常采用大班制授课，传统的实验教学方式是教师讲、学生听、学生实物操作。教师的主要精力用于实验的讲解和操作演示，缺乏与学生深度的交流和对问题的反馈，很多学生反映通常听完教师的讲解后，操作记忆比较模糊，学生在实验中只能在有限的时间内机械地动手操作，很少有时间自主思考问题，从而导致对实验原理理解不足，有些学生甚至表现出操作过程混乱，甚至不知所措。加上实验设备有限且价格昂贵，实践操作通常要分组进行。学生在技能不熟悉情况下对真实设备操作不当极容易损坏设备，学生实验的失败率高。将翻转课堂模式应用于实验教学中，使学生有更多的时间进行实践技能的操作训练，而老师在学生进行实践操作过程中，有更充足的时间为学生提供指导和帮助。翻转课堂能解决传统实验教学中存在的问题，更体现出学生的白主性，让学生在实验课堂中更好地完成技能与知识的内化。将教师从繁琐、重复的教学任务中解脱出来，把学生放置于实验自主学习的中心位置，从而使实验课的时间有更大程度的灵活性，让学生有更充足的时间进行思考与实验探索，以提高实验的教学效率和效果。
（2） 交互式模拟软件应用于《现代教育技术》实验翻转课堂重要性
在实验课程的翻转课堂中，如果课前只单纯给学生观看教学视频是很难让学生在课堂实践操作有限的时间内完成对实训操作的。一般情况下视频只是一种单向传播，无法实现人机交互。而目前微课程建设中所谓的交互视频，其实是利用Web功能实现的一种以选择题或填空题等简单形式的交互。这种形式的交互资源只能提高师生的互动反馈，却无法提高实验操作的动手能力。交互式实验模拟软件是以2D、3D动画或结合虚拟现实等技术生成接近于真实实验设备的虚拟实验情境，在情境中学生可以对虚拟的物体进行操作，完成实验体验，所获得的效果等同于甚至优于在真实情境中获得的体验，具有仿真性、安全性、沉浸感、交互性等特点。
“多媒体教学系统的使用与维护”作为《现代教育技术》课程实验项目重要的组成部分，也是所有教师必须掌握的技能，是教师职前培训必不可少的内容。本实验的主要目的在于通过实验，让学生了解多媒体教学系统的构成与各个设备的功能，掌握系统的操作与使用的方法，学会对常见问题与故障的诊断并进行简单的维护。实验要求学生能够熟练操作多媒体系统中的各种设备，同时能够理解多媒体教学系统的组成及基本原理，并能够用学到的理论与实践知识去解决实际操作中的异常状况。该内容与师范生的职业结合紧密，实践机会却少。体验式学习理论强调，学习是指从阅渎、听讲、研究、实践中获得知识或技能的过程，这一过程只有通过亲身体验才能最终有效地完成。这里的实践与体验可以是真实情境也可以虚拟的场景。交互式实验模拟软件仿真性的特点，可以模拟真实设备的功能与操作。学习者通过操作可以掌握实验设备的功能与操作原理，避免误操作造成对真实设备的损坏或带来危险性。更重要的是，其交互性与反馈功能可以对学生操作的正确或错误进行提醒，义可以从宏观及微观不同的角度展现设备的性能。在翻转课堂实验课教学中，学生通过观看视频，完成知识的第一次内化，再利用交互式实验软件进行模拟操作，通过发现问题、解决问题强化技能的操作，完成技能知识的再次内化，而这个过程通常是反复进行的，最终才让学生真正掌握了实验技能。
2.设计与开发
（1） 设计理念
a.科学性
体现在正确性与规范性。正确性指软件对实验设备的功能模拟都要与实物一致，各种设备都以说明书为主要依据，数据与参数正确，误差值低或不出现误差，不存在误导学习者或知识性错误。规范性体现在每一种设备的操作，都必须按照规范的步骤进行，多个设备组合形成系统的操作顺序上，如启动设备时必须先打开中控电源，然后再打开电脑和投影机，关机时应该先关闭投影机，再关电脑，然后才关闭系统电源。系统的顺序性体现在对每一种设备的操作都严格按照操作规范和顺序，如果违反的操作次序，系统则给出提醒要求学生按正确的操作步骤进行。
b.模拟仿真性
仿真性体现在系统从外观、功能要最大程度地接近真实设备，具有较高的虚拟性和仿真度、体验效果好，让学习者犹如身临其境的感觉，性能接近真实设备效果优于真实设备。如在操作多媒体教学系统中的“展示台”时，通过控制面版上的按钮与参数，屏幕会出现与实物操作相同的改变效果。
c.交互性
交互性是系统优于真实设备或视频教学的最大特点。视频教学的单向性容易让学习者产生疲劳，无法为学习者提供亲身操作的体验，对真实设备操作没有操作提示，有时就算误操作设备也不会做出反馈，操作不当容易损坏设备。利用交互模拟软件进行操作，系统会按规范的操作次序提醒学习者，操作正确时给予奖励或得分，操作错误进行扣分等反馈。
d.智能评价
系统的考核模块由“理论考核”与“实践考核”两部分组成，理论考核以选择题、填空题、搭配题为主要题型，各题目均由《现代教育技术》教研室的教师共同出题，并录入题库。实践考核主要以规范操作、故障检测的模拟操作，当所有的内容考核完毕，系统会根据操作结果自动统计出不同的等级与评价，包括错题集反馈等。
e.微型化
基于翻转课堂模式下的学习资源，无论是视频教程，还是交互实验模拟软件，都必须以微型化为原则，突出“短、小、精、悍”的特点。交互模拟软件按设备进行分类，即一种设备以一个教学单元来讲解，每个教学单元义有知识性的联系。微型化突出在时间短，每个教学单元讲解或操作的时间控制在3～6分钟之间；容量小，以便于网络传输与下载；知识点精简，富于创新；知识传授简洁明快、高效、启发思维。 f.移动化
移动设备的普及促进移动学习的发展，使学习资源移动化成为必然。系统的教学视频采用Camtasia Studio软件录屏并生成Mp4文件，具有跨平台通用移动设备支持特点，交互式模拟软件分PC版与移动版，移动版有Android与iOS两个版本，PC版以网页在线点播形式，移动版以把所有资源整合为一个APP，在移动设备中安装后可选择不同的模块进行点播，学生可以根据不同的移动系统下载安装观看。
（2） 开发技术与功能介绍
交互式实验模拟软件以Flash CS6.0绘制素材、制作模拟动画，Flash是最大众化和普及的动画、课件制作软件，因操作简单易于上手，一直以来是教学课件、软件、游戏开发的主流。基于矢量图形与流式播放技术的2D动面，具有高清晰度、小容量、传输速度快等特点。利用面向对象程序语言ActionScript3.0程序与算法，实现模拟、交互与反馈的功能。Flash CS6.0内嵌的AIR义可以将软件发布成移动应用文件，如运行于Android系统的apk文件或运行于iOS系统ipa文件。
如右图1所示，虚拟多媒体教学系统由“教学讲解、模拟实践和考核评价”三大模块组成， “教学讲解”模块主要以演示型动画和微视频形式介绍了多媒体教学系统各种设备：包括中央控制器、展示台、投影机、扩音系统、激光教鞭以及系统的组建方法，每一种设备按“结构简介、功能介绍、使用与维护方法”三个方面进行讲解；“模拟实践”模块主要以交互式动画模拟以上各种设备的功能，让学习者可以直接参与各种设备的使用操作； “考核评价”模块包括理论知识、实践操作与结果评价三部分，对学生的设备组成、操作规程、常见问题与故障诊断各方面进行考核，考核完毕汇总出评价结果。
a.教学讲解
在讲台可以选择中央控制器、展示台、功放、电脑主机等设备，点击任一种设备查看该设备的功能与使用介绍，也可以选择设备直接进入模拟操作环节。
b.模拟操作
对于展示台、投影机、扩音系统等设备均采用模块操作形式。对于各种功能如“缩放、聚焦、正负片、镜像、图像冻结、同屏对比、色调与亮度”按钮，屏幕上就能相应显示与真实的展示台操作时的相同效果，每一步参数的改变，在提示框都会给出提示反馈。
c.考核评价
考核模块包括“理论知识、实践操作与结果评价”三部分，理论知识主要以选择题、填空题、搭配题（拖曳形式）进行考核，实践操作主要以系统提问题，学生模拟操作方式进行考核，最终通过结果评价汇总出学生的考核结果，以不同的层次进行评价。
四、交互模拟软件在翻转课堂实验教学中的应用
“多媒体教学系统的使用与维护”是一个实践性强的教学内容，其教学目标只有实现知识学习与实践技能的有机融合，才能促进学生实践动手能力的提升，达到“知”与“行”的和谐统一。通过在《现代教育技术》实验课程中开展翻转课堂实践，以“虚拟多媒体教学系统”为例，提供实验课翻转课堂模式下的交互模拟软件，提出本“翻转课堂”的教学流程。如下页图2所示，教学流程包括课前、课中与课后三个环节，交互实验模拟软件主要应用于课前学习与课后考核，课中则进行实物操作。
1.课前
如图2所示，在课前一周，教师通过Moodle平台学习发布教学资源，并安排学生的课前学习任务。资源的类型包括“实物操作教学视频”与“交互式模拟软件”。学生登录Moodle先观看实物操作视频，获得宏观的认识感知，然后观看利用Camtasia Studio软件录制“交互模拟软件”的操作过程视频，学习细化的知识点与具体的操作要点，完成知识的第一次内化，为学生进行下一步的交互模拟实验打下基础，提供操作帮助。最后利用“交互模拟软件”进行实践模拟操作，系统对学生的操作正确与错误均能进行自动的提醒与反馈，学生记录在操作过程中遇到的问题，自我探索解决问题的方法，完成知识的第二次内化。学生完成课前学习后，在规定的时间内，登录Moodle进行学习交流，在这里既可以进行师生之间的交互，也能进行学生之间的交流，教师根据问题进行分类反馈，学生也可进行同伴之间的互助解决问题。
2.课中
在实验课的课堂上主要以分组协作形式进行。教师对系统结构进行简要讲解，再根据课前Moodle平台上学生提出的问题进行分析，再提供多组实验设备供学生动手练习，学生分组进行实物操作训练。由于学生在课前的预习环节已经通过视频教学详细了解了设备的原理与操作过程，利用“虚拟多媒体教学系统”进行模拟操作义强化了动手实践技能，因此，在真实设备操作的实践环节，学生更加有目的性、正确性、白信地操作，学生通过真实的实践，掌握了实验操作技能。在操作过程中，各小组的同学之间可以互动交流，遇到问题以小组的形式向教师请求助，教师巡回对各小组进行指导，并根据出现的问题进行汇总与解答，使学生的知识得到内化，技能得到强化。实验结束后教师对下一次课程的安排进行简要介绍。
3.课后
课后学生通过分组到多媒体教室进行实践应用强化技能，教师再通过学习实践操作过程中出现的问题进行归纳与总结，并发布到Moodle平台上，再通过“虚拟实验平台”进行考核。“虚拟实验平台”具有对真实设备的仿真模拟操作，通过“设备组成与功能、操作流程、常见的问题与故障诊断与维护”各模块进行网络考核，考核完毕系统会对学生的操作以“优秀、良好、合格、不合格”不同结果进行评价。考核之后，教师再根据考核结果和出现问题对学生进行个别化辅导。传统的实物考核需要对每位学生逐一进行，考核时间长，教师工作量大。通过网络虚拟系统的考核，基本能客观地评价学生的学习效果，有效地针对不同层次的学生进行个别化的辅导，节省了考核时间，大大地减轻教师的工作量，提高了实验的教学效率与效果。
4.学习评价
对翻转课堂学生的学习评价，包括学习过程的形成性评价与期末的教学考核的总结性评价。形成性评价指整个学习过程中学生的态度、表现、能力与参与度进行过程性评价。评价的主体包括学生互评、学生本人自评与教师评价等多元化方式。学生在学习过程中的参与度可通过Moodle平台的测试、互动评价功能统计出学生之间互评与教师评价的结果，也可以通过报表功能统计出学生在线参与某个模块的时间、访问次数等活跃度。总结性评价指学生利用交互式模拟软件进行考核的结果。 五、效果分析
为了证明交互式模拟软件在实验课翻转课堂应用的效果，2014年11月份我们在《现代教育技术》实验课程中开展翻转课堂试验，对图2所提出的教学流进行验证。实验对象为某高校三年级的师范学生中文专业的两个自然班级（每班人数约60人），随机设为实验班和对照班，实验班和对照班的实验教学由同一位教师担任。实验班学生应用翻转课堂教学模式，以Moodle为学习活动组织平台，课前提供“虚拟多媒体教学系统”为交互式实验模拟资源，并提供学习指引的教学视频；课中分组实验，教师巡视指导；课后学生利用虚拟软件进行技能考核，强化提高，对于不达标学生再次安排进行实物操作。对照班学生采用传统教学法，布置课前预习，学生利用传统资源进行学习，认识多媒体教学系统但不利用虚拟软件系统进行训练，课中先由教师讲解演示实验操作、注意事项和实验易m错之处，再分组进行实验，课后全部学生利用实物进行考核。
1.教学效率比较
对教学效率进行比较：传统实验教学，教师以课堂讲解（两学时，每学时约40分钟），实验课分组操作，教师在一旁指导（两学时），考核（逐一考核，每位学生至少5分钟。如果以每班60人计，考核时间至少为7学时），完成整个实验教学与考核过程，教师总共需要投入至少460分钟（约11学时）的工作量，为不影响整门课程的教学进度，通常情况下，教师会利用课余时间进行系统操作考核。以交互实验模拟软件为学习资源的翻转课堂，教师在课堂活动与参与学生的课后互动讨论时间大约为3学时，由于采用了模拟系统进行实验考核，所有学生可以同时进行考核，这就大大节省了考核时间，完成考核约为10分钟（约0.25学时），教师总共需要投入约3.25学时的工作量，两种模式的教学效率比较如图3所示。对于考核不过关的同学，则可以再对实物进行更有针对性的学习和操作。这样，可以大大减少教师的工作量，当然，但有一个环节容易被忽略的是，翻转课堂模式下教师课前准备资源的时间比传统课堂准备的时间更长，需投入更多的精力，也需要教师学习掌握现代信息化教学的技术才能够开展。在本实验中，由于虚拟软件具有可重复应用性，可以在不同班级和不同年级应用，还是极大提高教学效率。
2.教学效果比较
对教学效果进行比较：传统的实验教学方式，由于学校教学的规律性，通常是上一周由老师进行讲解演示，相隔一周后学生进行实物操作，实验过程大部分学生操作生疏，情绪紧张以至于不知道从哪里开始，甚至出现恐惧感，通常碰到问题都急于向老师求助，教师辅导工作量大。由于实验时间与硬件设备的限制，很多学生往往在实验课中无法反复进行操作练习，达到熟练掌握程度，通常在考核的时候还需要教师进一步的提示引导才能够完成。对于实施翻转课堂模式的班级，由于课前学生通过观看教学视频，利用交互软件反复模拟操作，实验过程大多数学生均表现出操作技能较为熟练，学生也对自主操作更有自信，在操作过程中遇到问题，学生则更倾向于独立探索解决问题，学生还可以用手机或电脑打开教学视频自主寻求解决的方案，从而大大减轻了老师的实验课辅导压力。对两个班级实验考核成绩进行比较，也发现实验班与对照班的成绩存在明显的差异，实验班的成绩要明显高于对照班。
3.学生对翻转课堂教学的认可程度
对实施翻转课堂的学生进行问卷调查，调查结果如图4所示：95%的学生表示对翻转课堂模式的实验教学更感兴趣；91%的学生认为翻转课堂模式有助于在实物操作之前更好地理解实验的原理；93%的学生认为通过模拟操作提高了动手实践技能，并且课前学习资源中最有效的是“交互模拟软件”，为后面的实物操作打下基础；89%的学生认为这种模式提高了实验效果，但有47%的学生认为这种方式占用了太多学生的课余时间，8%的学生认为自己在课前预习的自觉性、自律性还有待提高。
但由于利用真实实验设备进行考核与虚拟系统进行考核还是存在一定差别，对完成虚拟系统考核的学生进行真实设备考核，在系统评价结果为“优秀、良好”的学生，基本较熟练地通过；评价为“合格”的学生中，有个别学生操作技能仍不太熟练；系统评价“不合格”的学生，个别经过适当的提示也能完成操作。实验结果表明，系统对学生的考核从总体上还比较符合客观事实，但由于系统与真实设备存在一定差别，加上学生理解能力和接受程度的不同，仍存在一定的差异，但这一点是可以通过调整改进的。
六、结束语
基于翻转课堂模式的实验操作课程，更应该注重实践能力的培养，设计开发出具有实践性、高效性、适合翻转课堂教学模式下自主学习的交互式模拟软件、资源，从而弥补实验操作的不足，解决传统实验课堂教学存在的主要问题，发挥学生的自主学习能动性，最大程度地解放教师，使教师把时间投入到更有效的学生引导中。当前的微课与视频热潮过分地强调了教学视频的重要性，而忽略了交互式模拟软件在实验教学的重要性。实验课是操作性、实践性强的课程，需要为学生提供尽可能多的动手机会，交互实验模拟软件对于启发学习者的思维、提高学生动手、实践能力起相当重要的作用。翻转课堂模式的实施不能以千篇一律的机械化模式进行定位，应根据不同课程的特点，有针对性地设计教学资源与模式，不可一刀切、以视频资源代替所有资源。翻转课堂模式仍处于研究、发展和探索阶段，很多模式、资源形式仍不标准、不规范化，教育者在实施翻译转课堂过程仍需要不断地完善与创新。