翻轉課堂模式在“數據結構”課程教學中的應用研究 *

劉小晶 ,鐘 琦 , 張劍平

(1.嘉興學院 數理與信息工程學院，浙江 嘉興 314001；2.贛南師范學院 數學與計算機科學學院 ，江西 贛州 341000；3.浙江大學 教育技術研究所，浙江 杭州 310028)

翻轉課堂模式在“數據結構”課程教學中的應用研究*

劉小晶1,鐘 琦2, 張劍平3

(1.嘉興學院 數理與信息工程學院，浙江 嘉興 314001；2.贛南師范學院 數學與計算機科學學院 ，江西 贛州 341000；3.浙江大學 教育技術研究所，浙江 杭州 310028)

教育信息化的發展對高校課程教學改革產生了重大的影響，也使高校教師面臨著嚴峻的挑戰。該文從分析“數據結構”課程教學現狀和翻轉課堂的概念入手，探究如何在高校數據結構課堂教學中有效實施翻轉課堂的教學模式。提出了具體實施方案，明確了教學活動過程中各要素的流程控制。最后就實施方案應用中擬解決的關鍵問題進行了分析。

翻轉課堂；課程教學；教學模式；實施方案

當今伴隨新理念和新技術的不斷涌現，信息技術與課程教學的整合日漸深入，其中翻轉課堂成為國內外教育改革的新浪潮，為教與學的進一步發展提供了新的思路[1]。但國內在高校對翻轉課堂的實踐研究相對較少，金陵、張躍國等、桑新民等、曾貞以及張金磊等學者對翻轉課堂做了較為系統的引介或述評，對翻轉課堂的實踐研究也多集中在中小學的基礎教學中，在高等教育教學中只見馬秀麟等針對大學信息技術公共課進行了翻轉課堂教學的實證研究。翻轉課堂教學模式要從少數研究者的實踐探索發展成為信息化環境中一種創新型的教學模式，首先必須能夠提供本土化的具有實踐指導性的教學實施方案。

“數據結構”是計算機等電氣類專業的一門重要基礎課，它對培養學生的計算機程序設計能力、計算思維能力承載著巨大的重任。本文主要秉承“先學后教，以學定教，教學合一”的理念，以促進學生對學習態度、學習行為的改變；發展學生自主學習能力、協作學習能力及計算思維能力；提升教師課程開發能力、個性化指導能力、組織教學能力，彌補現有教學模式中存在的缺陷；提高課程教學質量為目的，結合教師在“數據結構”課程的教學經驗，并通過學校課程改革項目和浙江省課程改革項目的實踐研究總結出其適用于翻轉課程教學模式的實施方案。

一、“數據結構”課程教學現狀分析

目前，“數據結構”課程教學大多數教學內容仍采用“教師講授為主型”的教學模式，也就是在課堂內進行知識的傳授，而在課堂外進行知識的內化。這種教學模式在實施過程中存在以下不足：

1.忽略了教學對象的差異，漠視了學生的個性化需求

“數據結構”課程一般在我校的大二學生中開設。但對于大二的學生，其認知水平、學習態度、學習風格和學習習慣都已初步成形，并表現出各自較大的個性差異。面對現行的教學模式采用的是教學內容統一、教學方式統一、教學時間和地方統一，難以滿足不同水平學習者的需要，從而影響學習者的興趣和積極性，影響教學目標的實施。

2.學生課堂自主活動缺失，壓制了學生質疑、批判、探究、創新能力的發展

在現行教學模式中，課堂上教師是“講臺上的圣人”，是“知識的傳授者”，而學生是知識的被動接受者；課堂教學內容的安排和教學活動的組織面對不同的教育對象都是“一視同仁”，缺乏學生自主活動，具有極大的強制性，久而久之則會導致學生思維的依賴性，抑制學生自主學習和批判思維能力的發展。

3.講授時間偏長，內容偏多，易造成認知超負荷，影響學習者學習效果的提高

目前每節課教師的講授時間是45分鐘，而有關學者研究表明，即使是成年人，注意力集中的最佳狀態是在10分鐘左右，所以，偏長的講授時間會使學生注意力分散、記憶效果下降；再者一般來說，教師會在課堂45分鐘內講解一個知識的諸多方面或多個知識點，而認知負荷理論告訴我們，工作記憶容量是有限的，工作記憶只能即時地加工7個左右的信息組塊，而且工作記憶負有比較、組織、合成或加工信息的責任，因此人們只能同時記住2-3個信息組塊[2]，如果教學內容偏多，學生的認知超負荷就會隨時產生，從而影響學習者的學習效率，阻礙學習者對知識的自主建構。

4.技術和教學的結合使用受到教師觀念的限制，未能有效地促進學生為主體的個別化教學

雖然我校“數據結構”依托省精品課程建設項目和校首批課程改革專項項目，不斷探究了現代教育技術對課堂教學改革的作用，也產生了比較完善的網絡教學管理系統，并取得了一定的成效。但是，這種技術和教學的結合往往限制在課堂之內，技術只是教師講授的工具，只是用來改善教師教學講授單一、平面化的問題。也就說明，雖然技術進步了，教學手段更新了，但是教學的觀念還是停留在教師利用技術手段來“教”，學生“學”的被動教學階段，未能有效結合現代技術手段來支持和幫助以學生為主體的個別化教學[3]。

5.講授為主型的教學方式不利于教師職業素養的提高

教師的職責是“傳道、授業、解惑”，在傳授道理、教授技能之后應著力解決學生的迷惑，而講授為主型的教學方式往往是教師假設學生可能會有的固有問題并在課堂上加以統一講解，這樣就不利于教師隨時應對學生個性化問題的解決能力的培養和提高。

綜上所述，現行的教學模式阻礙著教學效果的提高，扼制著學習者個性的發揮，不利于教師與學生的共同發展。根據課程特點并利用“翻轉課堂”這一當今全球最熱的教育創新理念來進一步對課程教學模式進行革新以彌補現行教學模式中的不足就成為我們關注的課題。

二、翻轉課堂概述

翻轉課堂(Flipped Classroom)(也稱顛倒課堂或反轉課堂)就是在信息化環境中，課程教師提供以教學微視頻為主要形式的學習資源，學生在課外時間完成對教學視頻等學習資源的自主學習，而師生在課堂時間則是面對面一起解答疑惑、開展協作探究和互動交流等活動的一種教學模式。該模式因將傳統課堂中的知識傳授和知識內化過程進行了顛倒，極大地促進了學生自主學習能力、協作溝通能力和創新能力的提升而得到越來越多的關注，并且近兩年在國外得到較好的應用，取得了舉世矚目的教學反餉。

翻轉課堂作為一種概念是Baker 在2000年提出的[4]，“翻轉課堂”的實踐起源于美國科羅拉多州落基山的“林地公園高中”的兩位化學教師喬納森·伯爾曼和亞倫·薩姆斯。近幾年，這個新模式在北美各地學校廣受歡迎，到2011年春季，可汗學院的創辦人Salman Khan在TED 上的演講《用視頻再造教育》后，更引發出大眾對翻轉課堂的關切熱潮[5]。

翻轉課堂教學模式在美國受到如此的歡迎主要有兩大原因：一是使用傳統的教學方法教學效果太差，從而導致美國學生在高中的輟學率極為嚴重，在每120萬的學生中平均每天有7200人輟學；二是網絡視頻在教學中得到了廣泛的應用。 2007 年，有15%的觀眾利用在線教育視頻進行學習。2010 年增至 30%。在線網絡課程不僅涉及歷史等文科領域而且擴展至數學、物理學和經濟學等領域[6]。在我國對翻轉課堂的研究和實踐也在日漸深入和推廣，筆者認為主要原因在于翻轉課堂教學模式真正對傳統的教學模式進行了顛覆，它秉持“以學生為主”的教學理念，關注學生的個性化發展，使課堂內容安排和時間分配發生了改變，使師生角色發生了改變，可以有效地避免傳統教學中學習內容和時間的強制性、思維過程的依賴性。課堂內只是鞏固知識的平臺，減少了知識傳授環節，為課堂師生互動交流，生生協作學習預留了富足的時間，在提出疑惑、陳述觀點、互助競爭中，能使學生語言表達、合作能力得到提高，從而可以增加學生的成就感，激發學生的學習興趣，提高學習效果。

三、翻轉課堂教學模式的實施方案設計

翻轉課堂教學模式反映翻轉課堂教學實施過程中的主要環節和實施步驟，它指引著整個教學活動的組織和內容的設計，是整個課程改革的命脈。美國富蘭克林學院數學與計算科學專業的Robert Talbert 教授在很多課程中應用了翻轉課堂教學模式并取得了良好的教學效果。經過多年教學的積累，Robert Talbert 總結出翻轉課堂的實施結構模型如圖1所示[7]。該模型只是簡要地描述了翻轉課堂實施過程中的主要環節，對很多方面還缺乏詳細的描述。如：學生真實學習環境的創建、學習導讀、互動交流和協作探究方式等。

圖1 Robert Talbert 的翻轉課堂教學模型圖

筆者依托學校課程改革項目“數據結構問題驅動、自主學習的虛擬示教方法設計與實踐”、高等教育課堂教學改革研究項目“數據結構翻轉課堂教學模式的設計與實踐”以及學校重點教學改革項目“驅動自主—協作學習的開放學習環境及教學模式設計與實踐”的研究和實踐，以學生與教師得到共同發展為目的，根據翻轉課堂的內涵以及建構主義學習理論、系統化教學設計理論，同時結合我校學生和“數據結構”課程特點，提出了如圖2所示的詳細實施方案。實施方案中明確了翻轉課堂教學組織過程中的三個階段以及每個階段的實施過程、實施方案以及各過程中角色的分配。

圖2 翻轉課堂教學模式在課程教學中的實施方案示意圖

下面按教學組織流程解釋如下：

1.資源準備

首先，為了保證學生課外自主學習的有效開展，需利用信息技術構建完整的學習支持體系，其體系中主要包括兩部分的內容，教學資源微視頻的制作和網絡學生支持平臺的開發。其中視頻制作是采用視頻制作工具軟件Adobe Captivatel來完成，此軟件除了具有錄屏功能外，它最大的優點是可以實現交互性的功能，可以在視頻觀看過程中插入一些自主練習題，一方面可檢驗學生對學習內容的掌握程度，發現學習者的學習，另一方面可以刺激學生的思維。另外，還需搭建支持個性化和協作化學習的網絡平臺，以便視頻的上傳和學習任務的布置。學生可隨時通過網絡進行學習、提問和交流。此平臺是在開放學習環境Sakai的基礎上進行開發的，因Sakai是開源代碼，可以根據我們自己的需求在其上面做二次開發，從而減少工作量和工作難度。

2.課前學習

在每次課堂教學活動開始之前，教師利用網絡學習平臺發布新一講課程的學習任務和要求。為引導學生最大化地開展課外的自主學習，擬通過兩個環節進行實施。其一，教師為學習者準備學習素材和學習導讀內容。為學習者提供微視頻、PPT或教材等數字材料，以便不同認識風格的學生選用；教師利用網絡學習平臺提供“學習內容導讀”，以提問的方式明確新的學習知識要點、關鍵步驟，然后為鞏固和深化“知識的理解”而設計練習作業題和為“知識的遷移”而設計綜合應用性的問題或項目。這一環節的目標是：促使學習者產生疑問，激發其求知欲望，引導學生積極投入到視頻的觀看和問題的自主探究中去。其二，學習者閱讀“導讀”，查看練習作業和綜合應用題，觀看教學視頻等教學資源；然后，針對導讀和作業或綜合題中的疑問，在課外自主探究，解決其中的疑難問題[8]，并提出或記錄無法解決的疑問。

3.課中活動

課堂活動設計的目標是通過課堂活動設計來保證翻轉課堂教學在最大化地開展課前自主學習的基礎上，不斷延長課堂學習時間，提高教學效果，以促進知識內化的最大化[9]。而知識內化的成效不僅體現在學習者對知識的理解程度，更重要的是體現在學習者對知識的遷移能力方面。為此整個課堂活動分兩種形式進行實施。

其一，主要是針對課程的基礎知識部分的教學內容進行實施，是對學生基礎知識理解能力的訓練。實施方法是學生質疑、師生交流、教師個性化分類指導。先由學生根據自己觀看教學視頻和課前練習中存在的疑點提出問題，然后由學生之間進行交流解決。針對不能解決的共性問題，教師則分類在課堂上集中引導學生解答；對于個性問題教師則一對一進行指導。此過程中學生可以各抒己見，教師要注意掌控課堂局面。

其二，主要是針對課程的應用性知識部分的教學內容進行實施，是對學生的知識遷移能力的訓練。實施方法是教師指導、學生協作探究學習。首先教師根據課程內容和學生在基礎知識學習中存在的問題，設計出一些跟實際聯系緊密的應用問題或項目；其次由學生根據自己的理解與興趣進行選題，選題過程中教師應有針對性地進行指導；第三，根據所選問題對學生進行分組，其中，選擇同一個問題者將組成一個小組，小組規模可以根據教學班級人數適當控制在4-6人以內；第四，根據問題的難易、類型進行同組內部的協作分工；第五，組內進行協作探究；最后再在課堂上進行成果匯報，要求匯報人把問題解決方案和實現方法詳細地講解出來，并接受其他師生的質疑，促進學生更好地實現知識的內化。此過程中師生要充分利用網絡學習平臺進行協作探究，教師要進行跟蹤指導，發現學生學習中存在的問題并給予及時指導，了解學習進度，有效控制教學過程的順利進行。

4.課后測評

課后測評——對學習者測試與測量，采集研究數據，進行統計分析，實現教學效果的測評[10]。項目實施效果的評價用定量與定性相結合的方法從三個方面進行分析。其一，通過對學生的階段性測試和期終考試，將考試成績與上屆的成績進行對比統計分析得出翻轉課堂對教學效果的評價；其二，通過問卷調查的形式測量翻轉課堂教學對學習者的自主學習能力、協作創新能力的影響。問卷的設計參考CUCEI五級量表進行設計，然后分別于開學初和期終(或期中)進行調查問卷的填寫，收集數據，再進行對比統計分析得出結果；其三，通過問卷調查的形式測量學生對翻轉課堂教學模式的看法。問卷內容將從學生對翻轉課堂教學模式的整體看法、對課業負擔、對學習支持體系和對課堂交流討論等的看法以及他們的主觀建議等方面進行設問，要在開課快接近尾聲的時候進行調查問卷的填寫，收集數據后再進行統計分析。

5.總結反思

通過翻轉課堂教學模式實施過程中得出的成效和存在的問題進行辯正的分析，總結出實施方案在實施過程將面臨哪些挑戰、注意事項和存在的不足，再在實踐中不斷改善，為提升后續的研究效果提供借鑒。

四、擬解決的關鍵問題

如何保證“課外時間”最大化來完成對教與學時間的延伸和“課堂時間”的高效性是翻轉課堂要解決的兩個主要問題。因時間是所有學習活動最基本的要素，充足的時間與高效率的學習才是提高學習效果的關鍵因素。下面就圍繞這兩個主要問題來闡述其中具體需要解決的關鍵問題：

1.教學微視頻的錄制

在翻轉課堂中，課外的“知識傳授”過程主要由教師提供的教學視頻來完成，教學視頻的好壞是能否吸引學生實現“課外時間”的最大化延伸、引導學生高效率學習的關鍵。所以，錄制質量好的教學視頻是實施翻轉課堂教學首要需解決的問題。為保證教學視頻的質量，能充分吸引學生積極參與到視頻的學習中，教師在錄制教學視頻時需要考慮視覺效果、知識主題的突出性、互動策略、時長和學生的自我操控性等，避免死板、單調的講述。這些都將給我們主講教師對課程知識的理解程度，對教學技術的使用和時間提出了挑戰。

2.學習支持系統的搭建

由于翻轉課堂教學模式是將對大多數新知識的學習過程都設計為自主探究學習模式，再者，國外許多典型的案例也表明，翻轉課堂成功與否的一個重要因素取決于師生、生生之間的交流程度。要保證翻轉課堂教學活動中的自主學習能順利進行，又能隨時隨地在師生間、生生間進行良好的互動交流，無論是課前還是課中，教師都需要通過信息技術構建學習支持系統來為學生提供個性化與協作化的學習環境。此系統除了提供可以讓學生自由交流的空間外，還需重點解決如何通過教師干預來引導學生自我組織和控制個性化學習和探究性學習，又如何通過此環境來記載和跟蹤學生的學習過程和學習結果等關鍵問題。

3.學生的學習評價機制

新的教學模式下教師對學生學習的評價也要從傳統的“結果”決定一切的評價方式改變為從“過程”和“結果”兩方面進行的多元化評價方式。其中有效的評價策略對學生的學習能取到很好的激勵和引導作用。教師對學習過程的評價，需要考慮學生的學習能力、團隊合作能力及學習成效等方面，最終的過程評價成績也不能由教師獨自決定，而要參考學生自己本身、團隊等方面的評價意見，即要由自我評價、團隊評價和教師評價相結合。團隊評價又由隊內互評和隊間互評相結合。這些評價解決的方法都可以通過在學習支持系統中設置相應的功能來實現。如一方面可以在學習支持系統中設定評價模塊并明確評價的量化指標，要求學生通過網絡對自己、團隊和同學進行評價；另一方面對于學生學習過程的評價在我的課堂教學中設定了三種策略，一是在學生完成學習任務時，由系統自動記載并用進度條顯示學生的學習進度、所花的時間，學生也可以查看同伴之間的任務進展情況等，然后系統通過對學生之間的相互對比自動給出各個學生的一個評價等級；二是在視頻的每道練習題中提供幫助功能，然后系統根據學生使用幫助的次數來給出相應的等級分數；三是在團隊合作中系統會根據學生的參與度和貢獻度確定學生的評價等級。參與度主要是由學生在團隊論壇中發貼的數量和在團隊的滯留時間來決定；貢獻度主要是由學生提交對問題或項目的解決方案的數量來決定。

4.課堂教學活動的組織

為了實施“翻轉課堂”，很多人將主要的精力都放在了視頻的制作上，這其實是一個誤區。視頻自然重要，但比視頻更加重要的是課堂教學活動的組織。教師應該如何支配課堂上多出來的這些時間呢？這對教師的個性化指導能力和組織教學能力提出了新的要求。課堂的問與答、學生間的協作討論，需要教師做出精心的準備和細致的觀察。要真正做到因材施教，需要教師具有較扎實的專業基礎和教師素養，也需要教師在課前對學生的學習情況有充分的了解。“翻轉課堂”之所以成功，是因為課堂交互討論所帶來的在課堂時間內學生“吸收內化”學習過程效益的提升。

五、結束語

在信息技術支持下的翻轉課堂教學模式，是對傳統教學模式的顛覆式創新。要使它在中國的教育熱土上開花結果，促進我國高校的課程教學改革向縱深方向發展，真正使得教師與學生得到共同發展。其解決的關鍵問題之一就是要制定本土化并具有實踐指導性的實施方案。文中提出的實施方案經過近兩年的實踐教學檢驗和依托的相關研究項目的結題檢查中得到了有關專家和學生的認可與好評。在實施方案的成效評價方面也做了一些簡單的數據統計對比分析，如在課程成績的對照分析上，實驗班比以前傳統教學班級的期中平均成績提高了8個點，而期未平均成績卻提高了10個點。以后將進行進一步的研究和實踐，通過多角度、多方式對實施方案進行實施效果的評價與分析，并通過總結反思對方案進行進一步的改進和完善，為高校課程的翻轉課堂教學模式改革提供更好的可借鑒的實施方案。

[1]鐘曉流,宋述強,焦麗珍.信息化環境中基于翻轉課堂理念的教學設計研究[J].開放教育研究, 2013,19(1): 58-64

[2]劉小晶,張劍平.教學視頻微型化改造與應用的新探索[J].中國電化教育,2013,(3):101-105.

[3]曾貞.反轉教學的特征、實踐及問題[J].中國電化教育,2012,(7):114-117.

[4]Baker, J.W., The "classroom flip": Using web course management tools to become the guide by the side[R].Jacksonville, Florida: Paper presented at the 11th International Conference on College Teaching and Learning,2000.

[5]鄒景平.翻轉課堂的起源與成功[J].中國遠程教育,2012,(14):81-82.

[6]The flipped classroom[EB/OL].http://digitalsandbox.weebly.com/flipped-infographic.html ,2013-10-01.

[7]Tallbert, R.Inverting the linear algebra classroom[EB/OL].http://preai.com /dz0rbkpy6tam /inverting- the-linear-algebraclassroom,2013-10-03.

[8][10]馬秀麟, 趙國慶,鄔彤.大學信息技術公共課翻轉課堂教學的實證研究[J].遠程教育雜志,2013，(1): 79-85.

[9]張金磊, 王穎,張寶輝.翻轉課堂教學模式研究[J].遠程教育雜志,2012,(4):46-51.

劉小晶：副教授，碩士，研究方向為信息技術教育、計算機應用(liuxiaojing99999@163.com)。

鐘琦：副教授，碩士,研究方向為信息技術教育、計算機科學與應用(zq_gz@163.com)。

張劍平：教授，博士生導師，研究方向為數字化學習、智能教學系統、教育信息化(21zjp@163.com)。

2014年2月11日

責任編輯：宋靈青

The Application Research of Flipped Classroom Model in the Course Teaching of Data Structure

Liu Xiaojing1, Zhong Qi2, Zhang Jianping3
(1. School of Mathematic, Physics & Information Engineering, Jiaxing University, Jiaxing Zhejiang 314001;2. School of Mathematics & Computer Science, GanNan Normal University, GanZhou JiangXi 341000;3. Institute of Educational Technology, Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang 310028)

The development of information technology in education has made a significant impact on course teaching reform in colleges, also makes college teachers faced with severe challenges. Start from the analysis of data structure course teaching present situation and the concept of the fl ipped classroom, how to effectively implement the fl ipped classroom teaching mode into the class of the data structure in colleges and universities is explored. The concrete implementation plan is put forwarded, and the control of the elements in the process of teaching activities is clearly explained. Finally, the key issues in applying the implementation plan are analyzed.

Flipped Classroom; Course Teaching; Teaching Mode; Implementation Scheme

G434

A

1006—9860(2014)08—0105—06

* 本文系2013年全國教育技術研究“十二五” 規劃課題“新媒體背景下微型學習的適應性網絡環境的構建研究”(課題編號：136221477)、2013年浙江省高等教育課程改革項目“《數據結構》翻轉課堂教學模式設計與實踐”(項目編號：kg2013291)及2012年嘉興學院重點教學改革項目“驅動自主-協作學習的開放學習環境及教學模式設計與實踐”(項目編號：85151216)的階段性研究成果。