楊志超　張雪昂　饒利民

摘 要： 地球物理儀器是地質(zhì)院校儀器類專業(yè)的特色課程。本文分析了當(dāng)前課程教學(xué)存在的問題，并將“翻轉(zhuǎn)課堂”方法結(jié)合到地球物理儀器教學(xué)中，使學(xué)生在課下通過視頻學(xué)習(xí)教學(xué)內(nèi)容，在課上進行專題討論與開放式研究，發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，使學(xué)生更好地掌握地球物理儀器分析、應(yīng)用及研發(fā)的方法。通過學(xué)院范圍內(nèi)的試驗，該方法不僅彌補傳統(tǒng)課堂的不足，而且豐富了地球物理儀器課程的教學(xué)，有效培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。

關(guān)鍵詞：高等學(xué)校教育改革；翻轉(zhuǎn)課堂；地球物理儀器；測控技術(shù)與儀器

中圖分類號：G434 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-8454（2018）10-0035-03

一、引言

針對以觀測為主的地球物理勘探學(xué)科，高精度、高分辨率的儀器裝備[1]在數(shù)據(jù)采集、信號傳輸以及處理中發(fā)揮著重要作用[2]。作為以“核地學(xué)”為特色方向的東華理工大學(xué)[3]在2008年開設(shè)了特色專業(yè)課程“地球物理儀器”。該課程以地球物理勘探方法為理論基礎(chǔ)，結(jié)合電子、機械、計算機和互聯(lián)網(wǎng)等交叉學(xué)科核心內(nèi)容，使學(xué)生系統(tǒng)掌握地球物理儀器分析、應(yīng)用和研發(fā)的方法與技術(shù)。

經(jīng)過近10年的發(fā)展，傳統(tǒng)的教學(xué)方式受到新的沖擊，體現(xiàn)在：1.教學(xué)內(nèi)容以經(jīng)典方法為主，涉及的新方法新技術(shù)較少，無法緊跟學(xué)科前沿發(fā)展。2.儀器裝備本質(zhì)上是多學(xué)科綜合應(yīng)用的結(jié)果，目前教學(xué)中受限于課堂時間和教師學(xué)科背景等因素，無法覆蓋儀器儀表類的各門專業(yè)課程，對于儀器整體性認知較低。3.地球物理儀器普遍體積龐大，質(zhì)量巨大，價格昂貴，且實驗區(qū)域多在野外荒蕪地區(qū)，對于學(xué)校教學(xué)性質(zhì)的實驗課程存在較大困難。4.教學(xué)過程中以教師教授為主，缺乏互動與交流，學(xué)生參與度不高，不能很好融入課堂主動學(xué)習(xí)。

綜上問題，本文提出基于“翻轉(zhuǎn)課堂”的地球物理儀器課程教學(xué)改革方法。將理論知識在課下以視頻教學(xué)方式完成，而在課上通過專題探索、小組討論等方式進行開放式學(xué)習(xí)，不僅彌補了傳統(tǒng)課堂教學(xué)方法存在的問題，而且使地球物理儀器課程的教學(xué)更加豐富，培養(yǎng)了學(xué)生分析問題、解決問題的綜合能力。

二、“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式涵義

“翻轉(zhuǎn)課堂”是近年國內(nèi)外教學(xué)改革研究的熱點[4]，其核心思想是將課上與課下時進行“翻轉(zhuǎn)”，即將課程內(nèi)容以視頻等多媒體形式呈現(xiàn)，使學(xué)生在課下（“線上”）自主規(guī)劃學(xué)習(xí)時間、地點，而且根據(jù)自己的特點選擇適合的學(xué)習(xí)節(jié)奏和吸收知識的方式，這對于學(xué)生掌握課程內(nèi)容來說意義重大，可彌補傳統(tǒng)課程存在的諸多不足。而在課上（“線下”）改變過去以教師為主的枯燥講述，而針對所學(xué)知識內(nèi)容進行外延，以專題探索、小組討論、創(chuàng)新研究等啟發(fā)式教學(xué)等活動為主，使學(xué)生自主參與到感興趣的話題中，真正成為課堂主人，培養(yǎng)自己的研究能力和創(chuàng)造精神[5]?！胺D(zhuǎn)課堂”利用現(xiàn)代信息技術(shù)將傳統(tǒng)課堂課上和課下時間與內(nèi)容都進行了翻轉(zhuǎn)，其主旨是使學(xué)生從傳統(tǒng)課堂中的被動學(xué)習(xí)者、接受者轉(zhuǎn)化為自主學(xué)習(xí)者，變成課堂的主人，最大化的拓展自己的綜合能力[6]。

21世紀(jì)以來，伴隨信息技術(shù)的崛起，“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)方法在西方教育界開始興起。2000年，在邁阿密大學(xué)的“經(jīng)濟入門課”課程中提出利用網(wǎng)絡(luò)讓學(xué)生在實驗室或家中觀看視頻學(xué)習(xí)，然后在課堂上以小組討論或協(xié)作的方式完成作業(yè)[7]。2001年，麻省理工學(xué)院的“開放課件”項目利用網(wǎng)絡(luò)在線發(fā)布課程，提供學(xué)生學(xué)習(xí)與討論，使得教學(xué)資源在線共享方式得以有效實現(xiàn)[5]。2004年，薩爾曼·可汗建立了“可汗學(xué)院”網(wǎng)站，進一步拓展了在線教學(xué)的應(yīng)用[8]。從2007年起，美國多所大學(xué)進行了“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)的實驗性實踐[9]。我國關(guān)于“翻轉(zhuǎn)課堂”的研究和應(yīng)用處于起步階段，2010年之后，國內(nèi)多所高校進行了相關(guān)實驗嘗試[10]。清華大學(xué)通過“學(xué)堂在線”開展了《C++程序設(shè)計》等課程的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式實驗，并取得了顯著效果[11]。中國礦業(yè)大學(xué)等地質(zhì)院校相繼開展了地學(xué)類課程的“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)方法研究[12]。

調(diào)研可知，“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)方法可以有效彌補我校地球物理儀器課程的現(xiàn)存問題。因此，伴隨信息技術(shù)和無線通信的發(fā)展，同時應(yīng)對新形勢下教學(xué)改革和人才培養(yǎng)需求，針對“翻轉(zhuǎn)課堂”在地球物理儀器課程中的研究具有重要意義。

三、基于“翻轉(zhuǎn)課堂”的地球物理儀器課程構(gòu)建方案

目前，關(guān)于翻轉(zhuǎn)課堂的認知和方法各有不同，實施效果也各有差異，但歸納起來，主要因素包括四個方面，即“高度專業(yè)的教師”，“靈活自由的環(huán)境”，“學(xué)習(xí)文化的轉(zhuǎn)變”和“精心策劃的內(nèi)容”。結(jié)合我校學(xué)生的特點和地球物理儀器課程的教學(xué)目標(biāo)，提出了如圖1所示的課程改革實施方案，其中虛線框內(nèi)為翻轉(zhuǎn)課堂的實施主體。

1. 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

地球物理儀器課程綜合了多門學(xué)科主干內(nèi)容，因此，教師首先要在思想上進行轉(zhuǎn)變，不再只是孤立的注重儀器電路系統(tǒng)，而忽視了作為儀器大系統(tǒng)的整體性。其次針對教學(xué)內(nèi)容進行擴展，強化儀器儀表類學(xué)科主干課程，如電路分析、信號與系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)和自動控制原理等。在此基礎(chǔ)上，課程內(nèi)容必須保持前沿性、先進性和國際性，使學(xué)生在本科階段就能夠接觸到本學(xué)科國際領(lǐng)先的方法技術(shù)，為未來發(fā)展提供更高的平臺。這些內(nèi)容改革都對教師提出了更高的要求，即“高度專業(yè)的教師”。

2. 教學(xué)視頻設(shè)計與制作

地球物理儀器課程具有較強的實踐操作性，是一門應(yīng)用性課程。但由于儀器體積龐大、價格昂貴，大規(guī)模的實驗耗費財力物力巨大，在規(guī)定課時內(nèi)無法完成更多實驗內(nèi)容。因此，在“翻轉(zhuǎn)課堂”中，第一個重點工作在于設(shè)計與制作“線上”教學(xué)視頻，主要包括以下方面：

（1）地球物理勘探基礎(chǔ)理論：針對重、磁、電、震以及放射性等不同地球物理方法，設(shè)置基礎(chǔ)理論內(nèi)容課程。

（2）交叉學(xué)科應(yīng)用技術(shù)：在本專業(yè)學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了儀器儀表類大部分專業(yè)課程的基礎(chǔ)上，這里強調(diào)電子、計算機和機械等交叉學(xué)科的應(yīng)用技術(shù)，從理論轉(zhuǎn)換為實踐，突出工程應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)。

（3）地球物理儀器原理：針對各種方法對應(yīng)的地球物理儀器，從經(jīng)典機械式儀器過渡到當(dāng)下主流智能儀器，每種儀器以機械結(jié)構(gòu)、電路原理、野外實驗操作、數(shù)據(jù)處理等方面作為教學(xué)內(nèi)容。該部分為教學(xué)視頻的重點環(huán)節(jié)，可結(jié)合教師的實際物探經(jīng)驗，同時引用網(wǎng)上資源進行補充，使學(xué)生能夠?qū)Φ厍蛭锢韮x器進行全面、快速、深入的掌握。

（4）儀器裝備研發(fā)整體流程：以地球物理儀器為切入點，研究其它通用類儀器的開發(fā)過程，以點帶面，使學(xué)生從特色儀器入手從而學(xué)習(xí)其它通用儀器的研發(fā)方法。

3. 教學(xué)管理系統(tǒng)開發(fā)

在設(shè)計與制作教學(xué)視頻的基礎(chǔ)上，開發(fā)基于Web或智能終端的教學(xué)管理系統(tǒng)，使學(xué)生能夠不受時間、地點的限制，自主支配時間，并有針對性的反復(fù)學(xué)習(xí)重點知識。同時，通過管理系統(tǒng)提供學(xué)習(xí)反饋情況以提高教師教學(xué)質(zhì)量，統(tǒng)計學(xué)生點擊率以幫助教師分析學(xué)習(xí)難點。教學(xué)管理系統(tǒng)的開發(fā)使傳統(tǒng)課堂中固定的教學(xué)地點與時間得到徹底改變，即“靈活自由的環(huán)境”。

本研究中應(yīng)用C#語言，基于MVC框架開發(fā)了地球物理儀器教學(xué)管理系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

4. 課堂教學(xué)活動設(shè)計

在課堂教學(xué)中，必須轉(zhuǎn)變思維，以學(xué)生作為主體，成為課堂真正的主人，教師只進行輔助與指導(dǎo)，服務(wù)學(xué)生完成教學(xué)內(nèi)容，首先達到“學(xué)習(xí)文化的轉(zhuǎn)變”。針對課堂教學(xué)設(shè)計包括以下階段，即“精心策劃的內(nèi)容”：

（1）答疑解惑：教師根據(jù)教學(xué)進度考核學(xué)生自主學(xué)習(xí)效果，并針對交流問題進行解答。這一階段主要以消化知識，掌握基礎(chǔ)為目的。

（2）研究性學(xué)習(xí)：教師引入開放性項目或擴展性專題，引導(dǎo)學(xué)生進行研究性學(xué)習(xí)。這一階段作為“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式的核心內(nèi)容，學(xué)生以小組為單位，對專題內(nèi)容展開探索和討論，找出引入的開放式項目問題，分析問題原因，提出解決方案。這種通過“同伴教學(xué)”，以“項目式教學(xué)”為切入點的新穎方式充分啟發(fā)了學(xué)生解決問題的創(chuàng)新性思維，同時培養(yǎng)了整體團隊協(xié)作能力。

（3）實踐應(yīng)用：增加實踐環(huán)節(jié)比例，使學(xué)生動手實現(xiàn)自己的方案。這一階段可以對國內(nèi)外儀器進行模仿和改進，或直接提出創(chuàng)新性的儀器設(shè)計方案。本內(nèi)容不受課堂時間限制，可延續(xù)到課下在實驗室繼續(xù)進行。學(xué)院從軟硬件等條件上鼓勵和支持學(xué)生進行實踐操作。

（4）總結(jié)改進：上述兩個階段教師不干預(yù)學(xué)生思路和方法，只是在最后階段進行總結(jié)，對每個小組的方案或論點進行分析、概括，并給予指導(dǎo)意見，解決學(xué)生疑難，并改善自己提出的方案。同時，引導(dǎo)學(xué)生認識到儀器分析與研發(fā)的復(fù)雜性、多樣性和系統(tǒng)性。

四、總結(jié)

基于“翻轉(zhuǎn)課堂”進行地球物理儀器課程的教學(xué)改革，顛覆了傳統(tǒng)課上、課下的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)主體，彌補了傳統(tǒng)課堂當(dāng)下存在的問題。本研究內(nèi)容通過學(xué)院內(nèi)近兩年三個專業(yè)的教學(xué)改革實踐，受到了學(xué)生一致的認可和接受，逐步培養(yǎng)了學(xué)生的獨立自主學(xué)習(xí)意識和實踐創(chuàng)新能力。近3年學(xué)院不同團隊連續(xù)參加國家級及省級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、挑戰(zhàn)杯和地球物理競賽等學(xué)科競賽，并取得國家級一等獎，省級一等獎等優(yōu)異成績。同時，針對“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)方法在地球物理儀器課程中的研究尚在起步階段，無論是理論還是實踐需要進一步深入，以最大化的服務(wù)于學(xué)生，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。

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（編輯：郭桂真）