翻轉課堂應用于“材料現代分析測試方法”實驗教學的思考

張夢琦

摘要文章從材料現代分析測試方法課程實驗教學中存在的問題出發，提出翻轉課堂與實驗教學相結合，達到提高學生的學習積極性，培養學生的動手操作及分析能力的目的。

關鍵詞翻轉課堂 材料現代分析測試方法 實驗教學

1翻轉課堂的起源與定義

翻轉課堂起源于上世紀80年代美國科羅拉多州落基山的林地公園高中。2000年，J.WesleyBaker在第11屆大學教學國際會議上發表論文，首次提出了“翻轉課堂”的概念，強調教師應該“從講臺上的圣人轉型為學生身旁的指引者”，并提出了翻轉課堂的教學模式：依托媒體和網絡的優勢，教師制作與課程相關的學習內容，在課前上傳至網絡作為家庭作業；在教室里，教師則利用上課時間指導學生完成相應的習題，進行討論，引導學生進行知識的消化，加強知識的理解。2004年，SalmanKhan為其表妹錄制的教學視頻上傳到YouTube，獲得廣大網友的熱烈追捧，2007年他創立了非營利性質的“可汗學院”，開始利用YouTube提供涵蓋數學、理化、醫學、金融、歷史、天文、美術、經濟等各專業的超過1500h的教學短片。

作為一個新生事物，對于“翻轉課堂”來說，并沒有一個嚴格意義上的定義，國內外大部分學者基本上是采用描述性定義來闡釋翻轉課堂。

有學者提出，所謂“翻轉課堂”，是把傳統的“老師白天在教室上課，學生晚上回家做作業”的教學結構翻轉過來，構建“學生白天在教室完成知識吸收與掌握的知識內化過程，晚上回家學習新知識”的教學結構。

現在一般認為翻轉課堂是一種利用網絡與信息技術進行的全新的教學模式。那么與注重教師講解性的授課方式不同的是，翻轉課堂是由學生根據教師制定的教學目標、教學內容及學生情況所制作的教學微視頻在課外進行自主學習，再回到課堂上師生面對面地進行交流，完成作業的一種新型的教學模式。

具體到實驗教學中，翻轉課堂是通過教師制作的微視頻以及一些操作軟件，讓學生可以在課前通過學習與操作，提前熟悉實驗原理、實驗過程和實驗的數據處理及分析。

2“材料現代分析測試方法”實驗教學現狀分析

隨著科學技術的發展，各種新型材料的發展日新月異，材料與其他學科的交叉使得對材料各種性能的要求越來越高，也越來越細，導致現在各種新材料的研發越來越倚重精密儀器的測試與分析。不止如此，大型精密儀器的使用也是高校和科研院所開展科學研究、教學工作和學科建設的基礎。

熟悉和掌握各種精密儀器的測試與分析，不僅使學生能夠直觀的認識到所學的專業知識，有利于學生在日后的工作中掌握進行材料分析測試工作的基礎能力，而且也能夠為學生進行深層次的學習創造了一定的理論和實踐的條件。

“材料現代分析測試方法”課程內容主要就是介紹相關材料，包括金屬、無機非金屬、高分子等材料的成分、結構及組織形貌的現代分析測試技術，其中涉及到的有x射線衍射學、電子顯微學、電子能譜學、電子探針技術、紅外光譜分析等分析方法。課程要求對各種儀器的原理和結果分析進行講解，并希望通過課程的學習和課程實驗中的操作能夠使學生在學習過程中接觸到科技前沿內容；能夠熟悉并掌握各種分析測試技術的基本原理、簡單的儀器構造、儀器的工作原理及其在材料科學中的應用范圍；能夠使教學聯系科研、理論結合實際。

然而目前發現，在“材料現代分析測試方法”課程以及課程實驗的的教授過程中，國內的高等院校中基本存在著兩種情況，一類學校是以理論授課為主，主要是講解設備的結構、分析測試原理等方面，在上課過程中很少涉及到具體的材料及其數據分析，其實驗課程基本以老師操作、學生參觀為主，甚至一些貴重儀器只有一臺，很少能夠保證每個學生有機會操作專業的測試儀器。這樣進行實驗教學主要是考慮到設備價格昂貴，數量少，且一些儀器較為精密，一旦出現問題不但維修成本較高甚至可能報廢；另一類學校經費相對充足，除了在課程實驗中能夠參觀最新的精密測試儀器以外，還能夠面向學生開設一些大型儀器的培訓課程，培訓結束以后會根據考核成績向學生發放相應的操作證明，使學生能夠參與到大型設備的操作使用與數據的處理分析中，真正地進行一些現代分析測試方法的學習，從而達到在本科教育期間培養學生科研興趣的目的。

但是現在大部分學校的情況，無論是從設備數量還是從教學實驗經費來說，基本上是無法保證學生有足夠的時間進行精密儀器的操作訓練，而“材料現代分析測試方法”這門課又是一門研究材料的晶體結構、微觀組織、化學成分、物相組成，材料制備工藝、材料性能間關系的課程，不僅需要一定的理論知識，還需要相應的樣品處理、圖譜分析，數據擬合等動手能力。一方面是內容枯燥且涉及繁多的理論課程，另一方面是相對應的實驗課程難以真正落實到學生的操作與分析上，使得學生在進行課程學習的時候失去了興趣。

具體到本校學生，本課程基本是面向材料學院學生，但是由于具體的專業方向不同，學生之間的基礎不同，而本課程所涉及較多的測試手段，不但所需的基礎儀器設備較多，而且隨著科技的進步，教材內容的更新不及時，那么就要求教師在授課過程中不斷補充新型的測試手段，否則很難達到課程的教授目的。但這同時就給實驗課程帶來了不小的困難，實驗課程難以及時跟上課程的更新。而僅僅單靠理論課的講授又無法直觀的讓學生感受，缺乏實際的動手操作，在很大程度上是無法達到訓練學生動手能力以及科研能力培養的目的。例如，受實驗條件限制，x射線粉末衍射部分、透射電鏡都只能進行參觀性實驗，而像核磁共振分析只能依靠視頻或者圖片向學生展示。

3翻轉課堂與“材料現代分析測試方法”實驗結合的優勢

與理論課的教學不同，實驗教學不僅包含了理論上的一些內容，例如定義、概念、原理等，還有必須有實驗的操作，數據的分析等實踐性較強的內容。那么，具體到“材料現代分析測試方法”實驗課程上，需要有樣品的前處理、大型儀器的操作、數據的分析或圖譜的分析，這些操作類的知識只能通過不斷的練習才能熟練掌握。

因此把翻轉課堂引入“材料現代分析測試方法”實驗，首先由教師提供實驗微視頻，指導學生的實驗操作，使其熟悉相關的操作流程、注意事項等，并示范標準的操作過程，然后通過“虛擬實驗室”使學生能夠熟悉儀器及其操作界面的使用，包括后期的數據處理及分析，達到熟練操作的目的。其中“虛擬實驗室”是指在計算機系統中采用多媒體、仿真和虛擬現實等技術實現的虛擬實驗環境，實驗者可以像在真實的環境中一樣完成各種預定的實驗項目。。相比于需要大型儀器的實際操作的實驗，“虛擬實驗室”具有仿真性強、不受時間空間限制，尤其是無需考慮實驗藥品和儀器的損耗等優點。

（1）注重操作。在“材料現代分析測試方法”實驗中，翻轉課堂以及“虛擬實驗室”的引入可以很好的解決傳統分析實驗中，由于儀器過于貴重、數量少、損壞后維修困難等原因，以講解和參觀為主的特點，滿足學生自主獨立的進行模擬分析儀器的操作，基本做到一人一機，獨立制樣、獨立操作、獨立分析，達到實驗的真正目的。

（2）因材施教。傳統的分析實驗課堂以老師的講解為主，容易忽略不同學生之間理解和接受知識的差異性。而且由于儀器少，學生多，講解過程中無法完全照顧到每位學生，學生也無法一人一機的進行操作。采用翻轉課堂及“虛擬實驗室”模式進行實驗，能夠使學生按照自己的計劃和進度進行學習，只需在規定的時間內完成操作和分析內容，擺脫了傳統的以老師為主學生被動吸收的教學模式。

（3）自主學習。翻轉課堂及虛擬實驗室的引入能夠鍛煉學生的自主學習能力，僅通過視頻的觀看進行實驗模擬操作及數據分析，在視頻和虛擬操作的引導下，也有更多的時間進行思考。充分激發學生的積極性，在學習和操作的過程中發現問題，解決問題，減少對老師的依賴，不僅有利于培養的自主學習能力，而且能夠鍛煉學生的思考創新能力。

（4）減輕負擔。減少教師對同一實驗項目的重復講解和演示。學生利用翻轉課堂提供的視頻，根據視頻中的講解和實驗操作演示，自主學習實驗原理、處理實驗材料、制備測試樣品以及獨立完成儀器的模擬操作、獨立的進行數據分析等步驟。避免傳統教學模式中教師對同一個實驗項目的重復講解，教師僅負責在課堂進行答疑，在一定程度上減輕教師負擔。

4翻轉課堂與“材料現代分析測試方法”實驗結合的局限性

4.1對教師提出更高要求

一個是翻轉課堂平臺的搭建，無論是知識點的導入，還是學習資源的錄制都需要老師的花費大量時間進行參與，另一個是虛擬實驗室的搭建，儀器的操作、數據的導入、結果分析、和過程中可能出現的問題也都需要老師提供相應的步驟、數據及解決辦法。因此該方法對老師提出了更高的要求，既要保證學生能夠學到相應的知識，還要保證實驗操作的順利，使分析實驗能夠真正被學生消化吸收。

4.2對學生提出更高要求

最基礎的是要求學生具備一定自主學習能力，能夠通過視頻的教學模式進行自主學習，其次是要求學生能夠付出更多的時間進行學習和思考。

5結語

翻轉課堂與“材料現代分析測試方法”實驗相結合，能夠在很大程度上避免現在實驗課程的一些問題，提升學生的動手操作能力，而且通過翻轉課堂的學習，培養學生的自主學習能力，這種課堂模式的應用必將對大型儀器的分析實驗的改革產生積極的影響。