翻转课堂在卓越工程师班的实践教学应用研究

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  摘 要:以项目为导向的实践教学在卓越工程师培养中占据重要作用,传统课堂中“理论+实践”教学方式由于受到课堂时间限制难以实现其培养目标;而“翻转课堂”将传统课堂中理论教学放到课前由学生自主完成,课堂上完成课程实践,同时通过交流与讨论进一步完成知识的内化。基于此特点,文章将“翻转课堂”应用到卓越工程师班的实践教学中,设计适合卓越工程师培养的教学模式。通过课程实践,总结翻转课堂在实践教学中的特点,分析影响“翻转课堂”教学效果的各方面因素。
  关键词:卓越工程师培养计划;翻转课堂;实践教学
  中图分类号:G642 文献标志码:A 文章编号:2096-000X(2016)22-0129-03
  Abstract: The project based teaching has an important role in the excellent engineer training program. Due to limited class time,the" theory + practice" teaching mode in traditional classroom is difficult to achieve the training objectives. For the "flipped classroom" mode, the students will complete theory teaching by themselves before class, while the practice teaching will become the main tasks in classroom. Meanwhile, the exchange and discussion between students and teacher in the class could further the internalization of knowledge. Based on these characteristics, the "flipped classroom" mode will be applied to the teaching for the excellent engineer in this paper. Teaching mode is designed suitable for excellence engineers training. Through the teaching, the flipped characteristics in the practice teaching are summarized, and various influence factors of teaching efficiency are analyzed.
  Keywords: excellent engineer training program; flipped classroom; practice teaching
  传统的高等教育以理论教学为主,毕业后的学生工程技能与企业需求相差较远。我国现在正处于建立具有中国特色的新型工业化建设中,需要大批具有创新性和国际竞争力的工程人才。为了满足当前社会工程技术人才的需求,2010年教育部提出了“卓越工程师教育培养计划”[1]。此计划的主要目标是学校按通用标准和行业标准培养学生,重点培养学生的工程实践能力和科学创新能力。
  为了实现卓越工程师的培养目标,对卓越工程师班的教学改革中也尝试引用了一些新的教学方式,其中最广泛应用的是以项目为驱动的项目教学法[2-4]。项目教学法首先让学生明确课程的最终考核目标,在教学中围绕此目标来引导学生的学习。这种教学方式针对性强,容易激发学生的学习兴趣,但是在项目教学法的课堂仍然采用“教师讲授演示,学生学习重现”的模式。在课堂上教师需要花费大量时间完成理论传授和项目演示;由于教学时间限制,导致用于学生交流、实践和答疑的时间很少,学生还是被动的接受知识,学生分析问题,解决问题的能力提高有限。
  近几年随着互联网的普及和计算机技术在教育领域的应用,一种称之为“翻转课堂”[5]教学方式在国外得到推广并受到广泛欢迎。翻转课堂从字面意思很容易理解此教学方式是在课堂上老师和学生的角色互换。借助现代媒体网络,教师将传统的授课内容以视频,电子文档等形式发布到网络上让学生在课后自主学习;课堂上学生能够更专注于问题的分析和解决,教师也能有更多的时间与每个人交流。因此文章拟在卓越工程师的实践教学中引入翻转课堂这一模式,探讨翻转课堂在卓越工程师实践课程中的教学模型及可能存在的相关问题。
  一、翻转课堂教学模型
  基于翻转课堂的概念,国内外教学专家根据本国国情和课程自身特点,研究产生不同的教学模式。美国博伊西州立大学Jackie Gerstein设计四象限教学模式[6];美国富兰克林学院Robert Talbert[7]在线性代数课程中,课前先录制教学视频让学生观看,布置练习题让学生根据自己的学习和理解在课前完成;课堂中根据学生练习题的完成情况,有针对性的讲解和答疑。在国内,曾贞[8]将课堂上的知识讲授放到课前由学生自学完成;而将课外作业翻转到课内由师生共同讨论完成;南京大学张金磊[9]等在深入分析传统课堂和翻转课堂区别的基础上,设计了更为具体细致的教学模式,并且认为“信息技术”和“活动学习”是实现翻转课堂的必要条件。
  综上所述,虽然每一种教学模式根据不同的教学内容和教学对象有所不同,但它们都可以分为“课前”和“课内”两个阶段。课前借助先进的教学工具和互联网络学习知识并掌握基本知识点;课堂内通过教师和学生、学生和学生之间的互动以达到促进知识消化吸收,扩展思维的目的。
  在面向卓越工程师班的教学中,学生们需要在课堂上独立完成项目或实验,传统的授课方式限制了学生课堂实践时间;而翻转课堂将理论知识的学习放到课前,节省下来的时间可用于实验和讨论交流,完成知识的内在转化。因此翻转课堂非常适用在卓越工程师班的实践教学中。文章首先提出了將翻转课堂用于卓越工程师班课程的教学模式架构,如图1所示。   从图1可以分析得到翻转课堂在卓越工程师班的实践教学特点:
  1. 将理论学习和实践教学分为两个独立阶段完成。第一阶段主要是理论学习和教学演示。不同于传统教学方式,这个过程是学生在课前自主进行的。老师将准备好的PPT教学讲稿和教学视频上传到互联网中;同时录制项目或实验的完整操作过程并上传视频;基于课件内容和实验/项目要求来布置作业并要求学生课前完成。学生课前下载课件和视频自主学习,并完成老师布置的作业;同时将学习和作业中的不解之处上传到互联网;最后老师收集整理相关问题信息。第二阶段主要是在课堂上由学生独立完成相关试验项目。首先老师解答分析课前学生们提出的疑惑;然后学生完成相关试验内容。由于学生之前已经学习了相关理论知识,并观看了完整的实验过程,这部分内容相对传统实验教学要省时省力,在此过程中老师和学生之间有充足的时间面对面进行沟通和交流;最后老师对本次实验内容进行总结和成绩评定。
  2. 实践教学具有可重复性。在传统的实验教学中,老师要在课堂上演示并讲解实验/项目内容和步骤。为了节省课堂时间,相关操作一般只演示一次。其弊端在于对于复杂性较高的项目或实验,仅一次演示可能导致学生对一些实验步骤记忆不深刻;同时对于座位在后排的学生来说,实验的一些细节无法观察到,导致一些学生无法独立完成实验/项目,还可能出现在实验过程中出现损坏开发板或实验仪器等现象。当引入翻转课堂后,老师将完整的实验过程,包括视频和纸质教材都上传到互联网中,课前学生先下载后学习;在课堂实验过程中,对于不熟悉的实验步骤,学生可以通过PAD或笔记本电脑重复播放相关的视频片段,老师可以不用在实验步骤环节上反复多次讲解,节省的时间用于师生面对面的交流和探讨更深层次的问题。
  3. 课内完成成绩评定。在传统的实践课程中,课堂上完成实验或项目的操作,课后撰写实验报告;老师根据实验报告的内容进行成绩打分,这样不可避免会出现报告抄袭的现象;课后老师无法判断报告的真实性,导致分数不能真实反映学生的实验完成情况。引入翻转课堂后,学生有充足的时间完成实践操作,并向同学和老师展示实验结果。在课堂上,老师根据课前提交的设计报告完成情况和课堂内的实践能力做到当场成绩打分;对于小组合作完成的项目,老师只给小组整体打分,小组内部根据每位组员在此项目中发挥的作用自行打分,最后的成绩由二者综合给出。在课堂上成绩评定可以实现公开,公平和公正,有助于调动学生的学习积极性和竞争意识。
  4. 便于复习检查。首先在传统教学中老师在课堂上授课,学生不理解的学习内容一般只能通过短暂的课间和课后时间咨询老师;而有了教学视频后,学生可以反复观看不理解的那部分教学视频。其次教学视频也便于学生阶段性的复习和巩固。同时老师能够得到每次课前学生的作业完成情况和疑难问题,这样老师可以有针对性的帮助学生复习总结。
  二、基于翻转课堂的教学实例
  本校微电子专业的卓越工程师班开设的《硬件描述语言与可编程逻辑器件》课程结合了硬件描述语言基本语法和基于可编程逻辑器件的数字电路设计两部分内容。目标是通过该课程的学习,学生能够在可编程逻辑器件开发板上自主研发数字电路。
  以《硬件描述语言与数字逻辑电路设计》课程中的“基于Verilog HDL语言的状态机设计”这一知识点为例,详细说明翻转课堂在卓越工程师班教学中的应用。
  (一)课前老师教学设计
  根据本次课程的教学目标,首先教师撰写课件PPT,此课件中包括基于Verilog HDL语言进行状态机设计的方法和步骤;实验所需的Xilinx公司的Basys3开发板和Vivado软件开发环境的介绍等;其次录制相关教学视频,包括状态机设计的讲解和基于Vivado开发环境的实验操作;最后给出在课堂中需要实现的实验课题,即利用状态机设计一个饮料售卖机,并在Basys3开发板上实现和验证。饮料售卖机实验目的和内容如下:
  1. 通过开发板上并排LED实现饮料售卖机,不同的LED灯点亮代表送出不同的饮料;
  2. 具有异步复位功能(按钮),复位时,LED全亮;
  3. 三种饮料:矿泉水(2元),可乐(3元),果汁(4元);
  4. 饮料售卖机只接受1元和5元钱币,每次只能购买一瓶饮料,具有找零钱功能。
  要求学生在课前完成方案的设计和代码的撰写,并在仿真软件上完成代码的初步仿真,提交相关技术文档。
  (二)课前学生自主学习
  上课前学生从互联网下载课件和视频,掌握用Verilog HDL语言进行状态机设计的基本方法;熟悉Basys3硬件开发平台和Vivado开发环境;掌握基于Vivado开发环境的基本实验步骤;对实验课题,课前用Verilog HDL语言进行初步设计,并在Vivado开发环境进行调试检查,熟悉基于FPGA开发的仿真综合过程;最后记录并上传不理解的知识点和设计报告等。
  (三)课内师生互动教学
  课内,首先针对学生提出疑问给予解答,其次选取学生代表介绍其设计方案并解释相关的Verilog HDL代码,图2和图3分别是学生給出的两种不同的实现方案。
  教师和学生一起论证方案可行性并指出其中不合理或错误的地方,比如:方案1:使用一个大状态机完成功能,这个状态机内有22个状态,至少需要5位的二进制编码,其编码和译码的复杂性较高,需要相关的逻辑门数多,工作速度慢;方案2:使用三个子状态机分别完成3种饮料的售卖,其中状态机中最多有8个状态,只需要3位的二进制编码,其编码和译码的复杂性较低,需要相关的逻辑门数少,工作速度快。通过这些讨论和分析,使学生更加深入的理解方案设计,Verilog代码编写对综合后的电路性能和硬件资源的影响。其后将饮料售卖机代码下载到开发板上;比较实验结果,分析电路性能和硬件资源差异的原因。   最后老师根据课前作业,课堂表现综合考核打分。
  三、存在问题
  通过这种线上-线下的综合学习,将学生的学习由被动变主动,发现问题解决问题的科研实践能力提高。但在此研究过程中也发现翻转课堂的实际效果还取决一些因素:
  1. 课前教学准备。课前需要完成视频的设计与制作、课件的发布、学习平台的管理等,教学准备工作量大。这显然不能只依靠一个老师来完成,需要学校的统一规划和管理,相关老师或课程小组共同设计实验。
  2. 教师的课堂教学能力。课堂中老师需要与学生互动,意味着教师不能照本宣科、按部就班地执行教学方案,中间也许会遇到突发状况,这就需要老师具有较高的课堂管理能力和知识点的扩展能力。
  3. 学生的学习态度和方式。现在的学生习惯传授式的课堂教学流程:老师讲课、学生被动听课。而翻转课堂需要学生在课前花费一定的时间去自主学习,课堂上以师生互动为主。学生能在课前认真学习,提出有价值的问题吗?在课堂上能发挥主动性与老师积极探讨问题吗?这些学习方式都需要逐渐引导和养成。
  四、结束语
  文章将翻转课堂教学方式引入到卓越工程师班的实践教学中,将理论教学和实验演示放在课前通过学生的自主学习完成,课程上主要用于学生的实验/项目操作和答疑讨论。相对于传统教学方式,翻转课堂作为一种新型教学模式在培养学生自主学习能力和创造性方面具有一定的优越性,但在实现过程中对教师和学生的综合能力方面也是一个挑战。
  参考文献
  [1]教育部关于实施卓越工程教育培养计划的通知(教高[2011]1号)[Z].
  [2]刘云龙,唐述宏,考永贵,等.现代控制系统课程的主动式项目教学方法[J].实验室研究与探索,2016,35(1):161-165.
  [3]陸勇,倪自银.“卓越计划”专业实践教学改革驱动理论教学创新探索[J].江苏高教,2016(3):90-92.
  [4]张玮.卓越工程师计划下的工程项目管理教学改革[J].合作经济与科技,2013(24):106-107.
  [5]Maureen J. Lage G J. Platt M T. Inverting the classroom: a gateway to creating an inclusive learning environment[J].The Journal of Economic Education, 2000 (1):30-43.
  [6]Jackie Gerstein.The Flipped Classroom Model:A Full Picture EOL].http://usergeneratededucation.Wordpress.com/2011/06/13/the-flipped-classroom-model-a-full-pictur.
  [7]Robert Talbert.Inverting the Linear Algebra Classroom [OL]. https://prezi.com/dz0rbkpy6tam/inverting-the-linear-algebra classroom
  [8]曾贞.反转教学的特征、实践及问题[J].中国电化教育,2012(7):114-117.
  [9]张金磊,王颖,张宝辉.翻转课堂教学模式研究[J].远程教育杂志,2012(4):46-51.
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