【在線教學(xué)案例分享】電路原理小班完全翻轉(zhuǎn)課堂在線教學(xué)案例

電機(jī)系 電路原理教學(xué)組 朱桂萍

一、課堂基本情況

電路原理課程是電類各專業(yè)本科必修的第一門工程類核心課，屬于“量大面廣”的硬課。課程的具體情況請參見《電路原理課程在線教學(xué)案例》（鏈接附于文末）。本案例主要介紹電路原理小班完全翻轉(zhuǎn)課堂的在線實(shí)施方法。

清華大學(xué)電路原理教學(xué)組從2013年春季學(xué)期開始實(shí)施小班完全翻轉(zhuǎn)課堂。與傳統(tǒng)的大班課堂相比，小班完全翻轉(zhuǎn)課堂在各個(gè)環(huán)節(jié)的區(qū)別如下表所示。

表1 電路原理小班完全翻轉(zhuǎn)課堂與大班課堂的對比

二、教學(xué)常態(tài)下小班完全翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)施情況

2.1 小班完全翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)設(shè)計(jì)

相對于大班部分翻轉(zhuǎn)和小規(guī)模的輕量級翻轉(zhuǎn)（參見《電路原理課程在線教學(xué)案例》一文），小規(guī)模的完全翻轉(zhuǎn)在傳統(tǒng)教學(xué)模式上需要進(jìn)行的改動最大，需要從教學(xué)環(huán)境、教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容上進(jìn)行特別的設(shè)計(jì)，才能保證良好的教學(xué)效果。

完全翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)，一要采用便于進(jìn)行小組討論的桌椅擺放方式；二要配備足夠多的板書空間，黑板或白板均可，便于多組學(xué)生同時(shí)進(jìn)行習(xí)題演算和討論；第三最好能保證可靠的無線網(wǎng)絡(luò)鏈接，便于利用雨課堂等教學(xué)工具獲得實(shí)時(shí)的教學(xué)反饋。

完全翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方法也要進(jìn)行深入考慮。很多老師在傳統(tǒng)教學(xué)模式中采用的教學(xué)方法也可以在翻轉(zhuǎn)課堂中使用，比如基于問題的學(xué)習(xí)（Problem Based Learning, PBL）、基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)（Project Based Learning, PBL）、基于產(chǎn)出的教育（Outcome Based Education, OBE）、提問式教學(xué)等。但在采用這些教學(xué)方法時(shí)，需要針對翻轉(zhuǎn)課堂的特點(diǎn)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)建議遵循以下三個(gè)原則：

（1）突出以學(xué)生為中心，因?yàn)閷W(xué)生進(jìn)入課堂之前不再是一張白紙，他們已經(jīng)通過課前的線上學(xué)習(xí)，對大部分理論知識點(diǎn)都已經(jīng)有所了解甚至已經(jīng)基本掌握，所以課堂討論必須以學(xué)生為中心，重點(diǎn)討論解決其疑難問題，教師不必也不能再追求教學(xué)過程的內(nèi)在邏輯性和知識體系的完整性，而是要追求通過討論，幫助學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)知識點(diǎn)之間的內(nèi)在聯(lián)系，并能建立起正確而完整的知識體系。這個(gè)過程體現(xiàn)的是一種“建構(gòu)主義”的學(xué)習(xí)方法。

（2）強(qiáng)調(diào)小組合作。考慮到大多數(shù)中國學(xué)生不太敢于或不太愿意在公共場合發(fā)表個(gè)人意見的特點(diǎn)，課堂討論很容易陷入“冷場”，而這恰恰是體現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂核心價(jià)值之所在。因此在課堂內(nèi)鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行小組合作，對于別的同學(xué)提出的問題或老師給出的習(xí)題先在小組內(nèi)進(jìn)行討論，然后推選出一個(gè)代表來回答，這樣學(xué)生的心理壓力就會小很多，即使回答錯(cuò)了也不會覺得太尷尬，進(jìn)而影響以后的發(fā)言積極性。

（3）給予充分時(shí)間討論，鼓勵(lì)挑戰(zhàn)權(quán)威，鼓勵(lì)創(chuàng)新。在傳統(tǒng)授課模式下，學(xué)生的創(chuàng)新性思維和研究性學(xué)習(xí)能力沒有得到充分的培養(yǎng)，一個(gè)重要的原因就是學(xué)時(shí)不夠，老師要在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)完成教學(xué)任務(wù)，只能在課堂時(shí)間內(nèi)趕進(jìn)度、滿堂灌，學(xué)生根本沒有時(shí)間沒有機(jī)會去表達(dá)自己的想法。而在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式下課堂上有充分的時(shí)間可以展開討論，對于一些定理定律，鼓勵(lì)學(xué)生追根溯源，了解其提出背景，鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新性地將這些經(jīng)典理論應(yīng)用到學(xué)科或產(chǎn)業(yè)的前沿領(lǐng)域，解決新的技術(shù)問題。

教學(xué)內(nèi)容的分割和設(shè)計(jì)是成功實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的關(guān)鍵。教師要精心對所有教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分割，確定哪些內(nèi)容是要求學(xué)生在課前進(jìn)行自學(xué)的，哪些是要在課堂上進(jìn)行討論的，哪些是要在課后通過練習(xí)進(jìn)一步提高的。內(nèi)容分割既要夯實(shí)基礎(chǔ)，又要有難度進(jìn)階，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中既要感受到挑戰(zhàn)，又要經(jīng)常有成就感，才能使其在一學(xué)期的學(xué)習(xí)過程中始終保持飽滿的學(xué)習(xí)熱情，并真正有所收獲。

2.2常態(tài)教學(xué)環(huán)境下小班完全翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)踐

清華大學(xué)電路原理教學(xué)組自2013年春季學(xué)期開始進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)實(shí)踐，到2019年春季學(xué)期為止已經(jīng)完成了11個(gè)學(xué)期的小班完全翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，得到了同學(xué)們的普遍認(rèn)可，并且將這種教學(xué)模式向國內(nèi)30多所高校進(jìn)行了推廣，產(chǎn)生了廣泛而積極的影響。

小班完全翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的線上學(xué)習(xí)依托教學(xué)組2013年自己錄制的“電路原理”MOOC課程[5]，其中包含了99講、240個(gè)、總計(jì)時(shí)長約22.5小時(shí)的視頻，198道講間練習(xí)題和109道綜合練習(xí)題，內(nèi)容包括電阻電路、動態(tài)穩(wěn)態(tài)的暫態(tài)分析和正弦穩(wěn)態(tài)分析三大部分，完全能夠滿足課前學(xué)習(xí)的需要。

在具體教學(xué)過程中，課前會給學(xué)生發(fā)送一份 “課前安排”，內(nèi)容包括觀看MOOC平臺的視頻，完成相關(guān)練習(xí)以及閱讀教材的相關(guān)章節(jié)、難度相對低一點(diǎn)的2-3道相應(yīng)的練習(xí)題以及基于便攜式實(shí)驗(yàn)設(shè)備完成的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等。視教學(xué)需要還會在部分章節(jié)發(fā)送一些補(bǔ)充閱讀材料。學(xué)生兩人一組完成實(shí)驗(yàn)，需要自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、選擇元器件參數(shù)，并搭建具體電路進(jìn)行測試。

課堂討論內(nèi)容主要包括三部分：課前學(xué)習(xí)過程這遇到的問題，難度較高的練習(xí)或基本理論的工程應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)方案討論或?qū)嶒?yàn)結(jié)果檢查。課堂討論以學(xué)生為中心展開。圖1是課堂習(xí)題討論和實(shí)驗(yàn)討論的實(shí)際情景。

圖1 電路原理翻轉(zhuǎn)課堂課內(nèi)討論情景

課后學(xué)生要完成的考核性內(nèi)容包括：筆頭作業(yè)和研究型實(shí)驗(yàn)。筆頭作業(yè)通常每周8道題左右。研究型實(shí)驗(yàn)是小班翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的難點(diǎn)和亮點(diǎn)。傳統(tǒng)教學(xué)模式下電路原理實(shí)驗(yàn)是獨(dú)立于理論課的一門課程，跨春秋兩個(gè)學(xué)期，實(shí)驗(yàn)數(shù)量分別為5個(gè)（春季學(xué)期）+ 4個(gè)（秋季學(xué)期）。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及完成過程有明確的實(shí)驗(yàn)指示書，基于分立器件完成。這種模式下的實(shí)驗(yàn)基本多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，挑戰(zhàn)性低，也不易開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)，對理論學(xué)習(xí)的幫助不大。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式下實(shí)驗(yàn)與理論學(xué)習(xí)有機(jī)融合，基于便攜式實(shí)驗(yàn)設(shè)備和虛擬儀器技術(shù)，教師可以根據(jù)理論教學(xué)的進(jìn)展同步布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)，既有驗(yàn)證型的也有研究性的，不僅實(shí)驗(yàn)數(shù)量大大增加（春季學(xué)期15個(gè)+秋季學(xué)期8個(gè)），研究型實(shí)驗(yàn)也占到了40%以上。這種安排給了學(xué)生極大的挑戰(zhàn)，通過課堂討論、小組合作等形式完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)后，學(xué)生會有非常大的成就感，學(xué)習(xí)興趣也油然而生。而且，利用便攜式實(shí)驗(yàn)設(shè)備，學(xué)生還可以隨時(shí)將自己腦海中靈光一現(xiàn)的一些想法及時(shí)加以驗(yàn)證，為鍛煉創(chuàng)新性思維提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.3 智慧實(shí)驗(yàn)平臺

關(guān)于翻轉(zhuǎn)課堂中使用的便攜式實(shí)驗(yàn)設(shè)備，六年來從最初的單機(jī)版發(fā)展到現(xiàn)在的基于雨課堂的智慧實(shí)驗(yàn)平臺——“雷實(shí)驗(yàn)”，如圖2所示。基于雷實(shí)驗(yàn)平臺的智慧實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示。

圖2 雷實(shí)驗(yàn)設(shè)備外觀

圖3 電路原理智慧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能與流程

電路原理智慧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是移動互聯(lián)技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、電子技術(shù)深度結(jié)合的產(chǎn)物，它具有以下幾個(gè)突出特點(diǎn)：

（1）實(shí)驗(yàn)不再受時(shí)間、空間限制

雷實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖2所示，大小約為23.5×19×3.3cm，通過USB連接線與電腦相連后，可以輸出±5 V和±12 V直流電源，有2路模擬輸入、2路模擬輸出、8路數(shù)字輸入/輸出，最大采樣率可達(dá)100Mbps，輸出最大功率為500mW，可以滿足絕大多數(shù)電子實(shí)驗(yàn)的需求。學(xué)生可以在各種場所進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有移動網(wǎng)絡(luò)信號的地方就可以把實(shí)驗(yàn)過程中得到的結(jié)果上傳，沒有信號時(shí)也可以先單機(jī)實(shí)驗(yàn)，保存實(shí)驗(yàn)結(jié)果，待有信號再上傳。

（2）線上線下充分結(jié)合

線上線下的充分結(jié)合，一方面有效保證了實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性，另一方面便于教師進(jìn)行管理——這是電路原理智慧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與單機(jī)版“口袋實(shí)驗(yàn)室”的最大區(qū)別。學(xué)生在“雨課堂”微信公眾號中收到教師布置的新實(shí)驗(yàn)通知后，需要用自己的微信登錄，然后才能在智慧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所需的仿真軟件是完全內(nèi)置的，實(shí)物電路需要多角度拍照上傳，系統(tǒng)可獲取硬件設(shè)備的序列號，與波形對應(yīng)的真實(shí)數(shù)據(jù)同步上傳，這些措施都有效保證了實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性。教師通過“雨課堂”可以隨時(shí)查詢學(xué)生的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，便于及時(shí)提醒和管理。目前市場上很多種單機(jī)版的“口袋實(shí)驗(yàn)室”雖然也給學(xué)生提供了比較方便的實(shí)驗(yàn)平臺，有些已經(jīng)考慮到與MOOC教育相結(jié)合，但教師對學(xué)生在課外的實(shí)驗(yàn)情況基本無法掌握，相應(yīng)地，實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性也無從保證。

（3）自動生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告

電路原理智慧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過流程設(shè)計(jì)，形成了一個(gè)清晰、簡潔、全面的實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板，學(xué)生只需根據(jù)提示在每一個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟中將相應(yīng)的內(nèi)容（如仿真電路、仿真結(jié)果、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其與仿真結(jié)果的對比等）截屏或拍照上傳，在結(jié)束實(shí)驗(yàn)時(shí)智慧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)就會自動生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的其它內(nèi)容也可以以附件形式上傳，最終將一并加入實(shí)驗(yàn)報(bào)告，在保證實(shí)驗(yàn)報(bào)告規(guī)范化的同時(shí)也為個(gè)性化研究預(yù)留了空間。

（4）實(shí)驗(yàn)報(bào)告可線上、線下批閱

對于實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師可以直接在手機(jī)端或?qū)嶒?yàn)平臺配套的軟件中進(jìn)行線上批閱，也可以在雨課堂的網(wǎng)頁版下載后進(jìn)行線下批閱，兼顧了不同年齡段教師的工作習(xí)慣。

為公平起見，采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的學(xué)生在期中期末都需要與年級其他同學(xué)同時(shí)同卷考試，2013-2016的數(shù)據(jù)表明，參加翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的同學(xué)其卷面平均成績比采用傳統(tǒng)教學(xué)模式的平行班大約高出8-10分，取得了預(yù)期的教學(xué)效果。

小班翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)施6年來獲得了學(xué)生的普遍認(rèn)可。主講教師在2013、2015、2017年春季學(xué)期的教學(xué)評估中都進(jìn)入了全校前5%。學(xué)生反映相比傳統(tǒng)教學(xué)，這種線上與線下、理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的混合式學(xué)習(xí)方式獲得的知識“印象更深刻”“自己思考得更多”“對知識點(diǎn)的理解更到位”“對解決實(shí)際工程問題更有幫助，思路更開闊”“通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對知識點(diǎn)的理解更透徹”。在教學(xué)組2016、2018、2019年獲得的清華大學(xué)教學(xué)成果特等獎、北京市教學(xué)成果一等獎、清華大學(xué)教學(xué)成果一等獎中，小班完全翻轉(zhuǎn)課堂都是主要成果之一。

三、在線教學(xué)環(huán)境下小班完全翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)施與調(diào)整

鑒于在2019年秋季學(xué)期已經(jīng)完成了小班完全翻轉(zhuǎn)課堂學(xué)生的報(bào)名和選拔工作，以及多年來小班完全翻轉(zhuǎn)課堂的突出成效，2020年春季學(xué)期疫情期間電路原理教學(xué)組以及教師本人不想因?yàn)橐咔槎艞夁@種教學(xué)模式，于是從實(shí)驗(yàn)設(shè)備、教學(xué)平臺等多個(gè)方面積極應(yīng)對，到目前為止基本在在線教學(xué)環(huán)境下較好地實(shí)施了小班完全翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)。

3.1  增加實(shí)驗(yàn)設(shè)備，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo)

常態(tài)教學(xué)環(huán)境下，為了減輕學(xué)生的學(xué)習(xí)壓力，實(shí)驗(yàn)室2人一組合作完成的。在線教學(xué)環(huán)境下，異地、分散的同學(xué)之間無法共用一臺設(shè)備。為了保證課程教學(xué)質(zhì)量，保證每個(gè)同學(xué)都能有真刀真槍做實(shí)驗(yàn)的機(jī)會，教學(xué)組緊急購置了12臺設(shè)備，并在開學(xué)前快遞到學(xué)生手中，為開學(xué)后的正常教學(xué)做好了準(zhǔn)備。

為了幫助學(xué)生盡快熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備，增加了多種不同形式的實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo)：

（1） 開學(xué)第一節(jié)課專門對實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用進(jìn)行了講解；
（2） 邀請廠家技術(shù)代表加入班級微信群，及時(shí)回答同學(xué)們提出的各種跟硬件有關(guān)的問題；
（3） 助教及時(shí)整理同學(xué)們在班級微信群中提出的各種跟實(shí)驗(yàn)有關(guān)的問題，并進(jìn)行分門別類的整理，定期更新Q&A；
（4） 讓同學(xué)們跟常態(tài)教學(xué)環(huán)境下一樣找好搭檔，鼓勵(lì)搭檔之間通過視頻會議等進(jìn)行討論。

通過上述手段，同學(xué)們基本上都比較順利地完成了課程布置的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。開學(xué)至今6周，同學(xué)們已經(jīng)完成了6個(gè)實(shí)驗(yàn)，提交了4次實(shí)驗(yàn)報(bào)告，完成情況基本與常態(tài)教學(xué)環(huán)境下的情況相當(dāng)。

3.2  利用視頻會議系統(tǒng)進(jìn)行視頻交互

小班完全翻轉(zhuǎn)課堂的主要特色之一就是課堂上師生之間的充分討論。在線教學(xué)環(huán)境下我們希望繼續(xù)保持這一特色，因此采用了視頻會議系統(tǒng)（騰訊會議）+雨課堂的形式進(jìn)行授課。騰訊會議相當(dāng)于創(chuàng)造了一個(gè)云上教室，師生之間可以像在傳統(tǒng)線下教室一樣進(jìn)行討論，甚至在仿真結(jié)果展示方面比線下課堂還要清晰、方便。雨課堂則繼續(xù)發(fā)揮課堂答題、彈幕、投稿等以及教學(xué)全過程的數(shù)據(jù)自動采集功能，為后續(xù)教學(xué)分析提高可靠的、充分的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

四、總結(jié)

在線教學(xué)環(huán)境下，小班完全翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)本質(zhì)上仍然是一種混合式教學(xué)，各環(huán)節(jié)與常態(tài)教學(xué)環(huán)境下的對比如表2所示。

表2 小班完全翻轉(zhuǎn)課堂在兩種教學(xué)環(huán)境下的實(shí)施對比

 由表2可以看出，在線教學(xué)環(huán)境下除了課堂討論方式以及課后作業(yè)提交方式由線下轉(zhuǎn)為線上以外，其他所有環(huán)節(jié)與常態(tài)教學(xué)環(huán)境下完全一致，有力保證了在線教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)的同質(zhì)等效。

在線教學(xué)進(jìn)行4周后，教學(xué)組進(jìn)行了一次基于問卷星的問卷調(diào)查，主要反饋結(jié)果如圖4-圖8所示。

圖4 對雨課堂各項(xiàng)功能的幫助作用的看法（說明：小班完全翻轉(zhuǎn)課堂未采用雨課堂直播形式）

圖5 對課堂練習(xí)題數(shù)量多少為合適的看法

圖6 平均每個(gè)實(shí)驗(yàn)花的時(shí)間

圖7 “在線教學(xué)相比傳統(tǒng)教學(xué)的優(yōu)勢”詞云

圖8 幾個(gè)質(zhì)性評價(jià)指標(biāo)（滿分10分）

反饋結(jié)果表明，到目前為止，學(xué)生對小班完全翻轉(zhuǎn)課堂在線教學(xué)的滿意度較高，符合師生預(yù)期。后續(xù)將基于雨課堂數(shù)據(jù)反映出的個(gè)別學(xué)生存在的學(xué)習(xí)困難，進(jìn)行有針對性的輔導(dǎo)，進(jìn)一步提高小班完全翻轉(zhuǎn)課堂的在線教學(xué)效果。

說明：本文著作權(quán)屬于作者，如需轉(zhuǎn)載，請與作者本人聯(lián)系。

（《電路原理課程在線教學(xué)案例》鏈接：

http://news.tsinghua.edu.cn/publish/thunews/12562/2020/20200330145606457614023/20200330145606457614023_.html）

（清華新聞網(wǎng)4月1日電）

編輯：李晨暉

審核：程曦