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(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)蓬勃發(fā)展的同時(shí),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(lái),光電子產(chǎn)品市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大,應(yīng)用日益廣泛,成為各國(guó)各地區(qū)競(jìng)相發(fā)展的熱點(diǎn)[1]。我國(guó)光電領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)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(guó)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(shí),是實(shí)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(shí)少,教學(xué)深度和廣度不夠的問(wèn)題[2]。較少的課時(shí),較多的知識(shí)點(diǎn),教師只能“灌輸”知識(shí),學(xué)生被動(dòng)接收。多數(shù)學(xué)生了解知識(shí)點(diǎn),但無(wú)法學(xué)以致用,更不用提實(shí)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(shí)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(shí)間,更專注于主動(dòng)的基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí),共同研究解決問(wèn)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(dòng)學(xué)生的能動(dòng)性,引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)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(shí)踐,實(shí)踐結(jié)果表明,學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力都得到一定程度的提升。
在翻轉(zhuǎn)課堂模式下,學(xué)生課前獨(dú)立學(xué)習(xí),課堂上以合作的方式提問(wèn)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(huì)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(wèn)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(duì)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(lái)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(kāi)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(lái)越多的科學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)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(jì),但這些只是初步發(fā)現(xiàn)。他們呼吁開(kāi)展更多的研究,建立完善的理論框架和評(píng)價(jià)方法,以建立工程教育方法論。我國(guó)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]。
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(shí)少但知識(shí)點(diǎn)面廣,應(yīng)用性強(qiáng)的矛盾,導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)深度和廣度都無(wú)法滿足時(shí)代的要求。學(xué)生只會(huì)機(jī)械式記憶,被動(dòng)接受知識(shí)點(diǎn),疲于應(yīng)付考試,考試結(jié)束后一段時(shí)間就容易遺忘,后續(xù)課程中涉及相關(guān)知識(shí)點(diǎn)又需要重新自學(xué)已教過(guò)的知識(shí),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(shí)也缺乏理論基礎(chǔ),輸在了起跑線上,而且實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力也沒(méi)有機(jī)會(huì)得到鍛煉和提高。
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(shuō)明這兩個(gè)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(jiàn)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(shí)踐是必要且有意義的。在光電子學(xué)課時(shí)少但知識(shí)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(gè)難題。教師無(wú)需耗費(fèi)過(guò)多的課時(shí)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(dòng)學(xué)習(xí)。教師有更多的時(shí)間與學(xué)生交流,因材施教。對(duì)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(shí)踐性、開(kāi)放性課題,提升學(xué)生的個(gè)性化認(rèn)知、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。對(duì)能聽(tīng)懂光電子學(xué)基本知識(shí)點(diǎn)但不會(huì)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(tīng),從而實(shí)現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)內(nèi)化的過(guò)程,在給別人講清楚的過(guò)程中,完善自身的知識(shí)體系。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中,教師講,學(xué)生被動(dòng)接收,沒(méi)有機(jī)會(huì)完成知識(shí)內(nèi)化,翻轉(zhuǎn)課堂可以提供實(shí)踐平臺(tái),幫助學(xué)生實(shí)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(duì)象,展開(kāi)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(shí)點(diǎn)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(jí),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(shí)間通過(guò)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(píng)價(jià),然后教師會(huì)將各小組制作的內(nèi)容匯總分類發(fā)布到班級(jí)內(nèi)部學(xué)習(xí)平臺(tái),供學(xué)生進(jìn)行交流以及互評(píng)。在教師評(píng)價(jià)和生生互評(píng)的過(guò)程中,教師和學(xué)生之間,學(xué)生和學(xué)生之間可以隨時(shí)進(jìn)行交流和合作,引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí),增強(qiáng)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(jī)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(jì)。激光原理與技術(shù)章節(jié)重點(diǎn)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(shí)點(diǎn)比較多,而且概念有些晦澀難懂,還涉及計(jì)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(shí)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(shí)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(guó)激光技術(shù)的快速發(fā)展過(guò)程以及存在的阻礙,引導(dǎo)學(xué)生建立民族自信心和國(guó)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(jì)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(diǎn)內(nèi)容,錄制激光產(chǎn)生的演示實(shí)驗(yàn)視頻,幫助學(xué)生直觀地理解知識(shí)點(diǎn),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(diǎn),讓學(xué)生分組認(rèn)領(lǐng),合作完成任務(wù)。簡(jiǎn)單級(jí)別的任務(wù)可以是一些光電子術(shù)語(yǔ)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。或者概念性的簡(jiǎn)答題,例如,激光的特點(diǎn)是什么,為什么二能級(jí)系統(tǒng)不能產(chǎn)生激光?中等級(jí)別的任務(wù)可以是一些簡(jiǎn)單的計(jì)算與推導(dǎo)題目,例如,=0.5 m 時(shí),什么溫度下自發(fā)輻射率與受激輻射率相等?T =300 K 時(shí),什么波長(zhǎng)下自發(fā)輻射率相等?試推導(dǎo)愛(ài)因斯坦關(guān)系式等。高難度的可以設(shè)計(jì)激光器的結(jié)構(gòu),利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建簡(jiǎn)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(jì)一些開(kāi)放性的問(wèn)題,例如,你認(rèn)為我國(guó)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(wèn)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(diǎn)內(nèi)容的相關(guān)問(wèn)題,引導(dǎo)學(xué)生快速回顧核心知識(shí)點(diǎn),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(qǐng)同學(xué)現(xiàn)場(chǎng)講解習(xí)題,安排學(xué)生課堂討論,教師適時(shí)進(jìn)行評(píng)價(jià)和總結(jié),評(píng)價(jià)以鼓勵(lì)為主,增強(qiáng)學(xué)生的自信心。翻轉(zhuǎn)課堂的習(xí)題課設(shè)計(jì)互動(dòng)性強(qiáng),不同的習(xí)題難度級(jí)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(wèn)卷調(diào)查的形式完成生生互評(píng),也可以收集學(xué)生對(duì)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(jì)的感受和建議,完善習(xí)題課的探索體系。對(duì)光電子習(xí)題課進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂設(shè)計(jì)后,學(xué)生普遍反饋知識(shí)點(diǎn)的掌握度更深了,實(shí)踐能力也提升了,習(xí)題課不再是枯燥無(wú)味,而是充滿趣味。和沒(méi)有采用翻轉(zhuǎn)課堂模式開(kāi)展光電子學(xué)習(xí)題課教學(xué)的班級(jí)相比,學(xué)生到課率更高,期末平均成績(jī)也明顯提高。
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(shí)踐環(huán)節(jié)都十分重要。但是課程課時(shí)少,知識(shí)點(diǎn)多,應(yīng)用性強(qiáng),學(xué)生的學(xué)習(xí)效果往往流于表面,機(jī)械地記憶知識(shí)點(diǎn),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(shí)際應(yīng)用就不知如何展開(kāi)。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(dòng)性,增強(qiáng)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。