基于翻轉(zhuǎn)課堂的微電子實驗教學(xué)模式改革與實踐

　　摘 要：針對微電子專業(yè)實驗教學(xué)模式的現(xiàn)狀和存在的問題，探索了基于微課的翻轉(zhuǎn)課堂在專業(yè)實驗教學(xué)體系的應(yīng)用，闡述了翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的基本特點、教學(xué)活動設(shè)計、教學(xué)環(huán)境設(shè)計和考核方法，列舉了專業(yè)實驗課程中翻轉(zhuǎn)課堂的應(yīng)用實例。該教學(xué)模式對實驗課堂進行了空間和時間上的延伸，將傳統(tǒng)課堂上的“先教后學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;先學(xué)后教”，學(xué)生心態(tài)從“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;我要學(xué)”，為實驗教學(xué)的進一步發(fā)展提供了新思路。

　　婁永樂; 馮曉麗; 康海燕， 高教學(xué)刊 發(fā)表時間：2021-08-08 期刊

　　關(guān)鍵詞：翻轉(zhuǎn)課堂;微課;實驗教學(xué);教學(xué)改革

　　集成電路是我國進口金額最大的物品，75%以上的集成電路依賴進口，高端集成電路幾乎 100%依賴進口。隨著中美貿(mào)易摩擦的不斷升級，集成電路再一次被推向貿(mào)易戰(zhàn)爭的風(fēng)口，2019 年第一季度集成電路進口金額為 646.45 億美金，是我國逆差最大的行業(yè)，遠遠高于石油、鐵礦石等。《中國集成電路產(chǎn)業(yè)人才白皮書(2017- 2018)》顯示，截至 2017 年底，我國集成電路產(chǎn)業(yè)現(xiàn)有人才存量約為 40 萬人，人才缺口達 32 萬人，李克強總理在 2018 年的政府工作報告中指出：加快制造強國建設(shè)，推動集成電路、第五代移動通信等產(chǎn)業(yè)發(fā)展。微電子專業(yè)實驗是針對微電子科學(xué)與工程專業(yè)和集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)專業(yè)本科生的一門必修專業(yè)課程，是學(xué)生對專業(yè)知識進行內(nèi)化和科學(xué)實驗訓(xùn)練的重要基礎(chǔ)，也是提高學(xué)生專業(yè)技能和接軌集成電路產(chǎn)業(yè)的必要環(huán)節(jié)。

　　隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展，教學(xué)模式從傳統(tǒng)的板書授課轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗝襟w授課，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，翻轉(zhuǎn)課堂、MOOC 等依托互聯(lián)網(wǎng)為傳播媒介的教學(xué)模式應(yīng)運而生[1-4]。翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式是教師通過互聯(lián)網(wǎng)平臺，在課前向?qū)W生推送知識點的講解等信息[5-7]，學(xué)生自主規(guī)劃學(xué)習(xí)時間和學(xué)習(xí)節(jié)奏，在課前完成自主學(xué)習(xí)，教學(xué)活動主體由教師變?yōu)榱藢W(xué)生，教師不再占用大量的課堂時間講授知識點，而是引導(dǎo)和協(xié)助學(xué)生完成課前的資料查找和課堂上的討論，增強學(xué)生的課堂參與度。學(xué)生的學(xué)習(xí)時間從課堂上擴展到了課堂外，學(xué)習(xí)時間和學(xué)習(xí)方法更加靈活和主動。

　　為了不斷提高集成電路人才的培養(yǎng)質(zhì)量，高校教師需要不斷改進和提升微電子專業(yè)實驗課程的實驗內(nèi)容和授課方法，強化理論、實踐、產(chǎn)業(yè)人才需求相結(jié)合的教學(xué)模式，提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和實踐能力[8]。

　　一、專業(yè)實驗課程的教學(xué)現(xiàn)狀和存在的問題

　　在傳統(tǒng)的專業(yè)實驗教學(xué)中，教師在課堂上先集中講解實驗原理和實驗儀器的使用方法，再根據(jù)實驗?zāi)康暮蛯嶒瀮?nèi)容引導(dǎo)學(xué)生思考和操作，有些較復(fù)雜的實驗需要教師提前設(shè)計好實驗操作步驟，學(xué)生按照步驟一步步地完成實驗。在此教學(xué)過程中，不管是板書還是多媒體授課，其教學(xué)活動的主體均為教師，教學(xué)模式均為教師課堂授課，學(xué)生被動接受。這種教學(xué)模式下，課堂上每個學(xué)生接受的信息總量和授課時間是相同的，但每個學(xué)生對信息的吸收和內(nèi)化所需時間不同，教師與學(xué)生的互動也比較片面，無法在課堂上了解到所有學(xué)生對知識的掌握程度，這就容易造成學(xué)生學(xué)習(xí)效果的差異性。

　　除此之外，在實驗室的開放時間和實驗課時的限制下，學(xué)生需要在有限的課堂時間中完成額定的實驗內(nèi)容，在實驗原理講解占用較多時間的情況下，留給學(xué)生深入思考和動手操作的時間非常緊張，學(xué)生無法充分發(fā)揮其主觀能動性;受實驗場地的限制，學(xué)生在課后很難再針對實驗內(nèi)容進行溫故和探討，遺忘速度非常快。傳統(tǒng)教學(xué)模式下，實驗教師與學(xué)生的交流只能依靠課堂互動和實驗報告，并且很難避免實驗報告的抄襲現(xiàn)象，導(dǎo)致實驗教師無法對學(xué)生進行公正有效的評價。

　　二、微課和翻轉(zhuǎn)課堂的特點

　　微課是以視頻為載體，以知識點的講解為主要內(nèi)容的教學(xué)活動，其特點是“短、小、精、悍”。短是指微課視頻的時長要短，學(xué)習(xí)者對視頻課程的參與度拐點是 9 分鐘左右，時長超過 12 分鐘時，學(xué)習(xí)者的參與度明顯降低;小是課程選題要小，視頻課程要有較強的針對性和明確的主題;精是微課的核心，一方面內(nèi)容設(shè)計要精良，除了圍繞知識點展開講解，還可以提出一些與知識點相關(guān)的問題，從而引起學(xué)習(xí)者的思考和探究，另一方面是微課制作要精良，教師發(fā)音清晰并配以字幕，圖像比例適中，保證學(xué)習(xí)者能看清課件中的細節(jié);悍是學(xué)習(xí)效果勁悍，學(xué)習(xí)者通過觀看微課視頻，能夠快速有效地理解和掌握知識點。

　　翻轉(zhuǎn)課堂是教師錄制微課視頻，并通過網(wǎng)絡(luò)推送給學(xué)生，學(xué)生在課前完成微課視頻的觀看和思考，教師在課堂上組織和引導(dǎo)學(xué)生針對教學(xué)內(nèi)容進行交流和討論，并針對學(xué)生的掌握情況進行補充講解，學(xué)生在課后完成一些拓展性的應(yīng)用實踐或小組作業(yè)，教師可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺給予一定的指導(dǎo)。可以看出，翻轉(zhuǎn)課堂借助微課和網(wǎng)絡(luò)，從傳統(tǒng)的以教為中心的教學(xué)轉(zhuǎn)變成為以學(xué)為中心的教學(xué)。

　　三、專業(yè)實驗課程的改革思路

　　教育學(xué)家約翰·杜威曾經(jīng)說過：“如果我們用昨天的方式教今天的學(xué)生，等于扼殺了學(xué)生的明天。”隨著科學(xué)技術(shù)的進步，構(gòu)成教學(xué)活動的元素、主體以及需求都在發(fā)生改變，因此教師的教學(xué)設(shè)計和教學(xué)方法也要與時俱進、順應(yīng)時代的變遷，專業(yè)實驗課程也需要改革并實施新的教學(xué)模式[9-11]。

　　(一)教學(xué)活動設(shè)計

　　教學(xué)過程通常分為三個階段，分別是課前、課堂和課后。對于以教為中心的傳統(tǒng)實驗教學(xué)而言，課前階段通常是學(xué)習(xí)者對實驗內(nèi)容進行預(yù)習(xí)的過程，在缺乏教師指導(dǎo)的情況下，學(xué)生既抓不住重點，又缺乏主動學(xué)習(xí)和思考的動力，因此許多學(xué)生敷衍了事或不預(yù)習(xí)直接上課;課堂階段教師集中講解實驗原理和儀器使用方法，受實驗課時限制，學(xué)生在實驗課堂上無法進行深入思考和探索，只能機械模仿;課后階段學(xué)生撰寫實驗報告，教師根據(jù)實驗報告給出成績，該次實驗即為完成，學(xué)生無法溫習(xí)，教師亦無法給出反饋。針對上述短板，實驗課程改革的首要目標就是要實現(xiàn)學(xué)生個性化、自主化的學(xué)習(xí)，促使學(xué)生有效學(xué)習(xí)行為的產(chǎn)生[12]。

　　1. 課前布置任務(wù)

　　課前任務(wù)包含微課學(xué)習(xí)和課前測驗兩部分，要求學(xué)生在進入實驗課堂前完成。微課是教師針對實驗內(nèi)容錄制的教學(xué)視頻，基于前文所述的“短、小、精、悍”等特點，微課視頻需控制在十分鐘以內(nèi)，每個微課視頻是一個或幾個知識點的串聯(lián)。對實驗類的微課而言，一個完整的微課程應(yīng)包含以下幾部分內(nèi)容：(1)實驗背景和實驗?zāi)康摹Ｏ驅(qū)W生介紹實驗背景可以加深學(xué)生對專業(yè)領(lǐng)域的了解，避免學(xué)生只懂理論不懂應(yīng)用;向?qū)W生說明實驗?zāi)康目梢詭椭鷮W(xué)生更好地把握此次實驗的重點，讓學(xué)生帶著思索和探究展開學(xué)習(xí)。(2)實驗原理。實驗原理包含理論課堂上講過的專業(yè)理論知識和學(xué)生未曾接觸過的實驗相關(guān)知識。以四探針法測量樣品電阻率和摻雜濃度實驗為例，學(xué)生在物理課程中學(xué)習(xí)過電阻率的概念和計算方法，在半導(dǎo)體工藝課程中學(xué)習(xí)過摻雜濃度的概念和計算方法，但是四探針測量電阻率的原理和方法并沒有哪門課程講過，摻雜濃度與電阻率和摻雜類型的關(guān)系學(xué)生也沒有深入思考過，這些都需要在實驗原理部分進行詳細的講解。(3)實驗儀器的使用方法。向?qū)W生講解實驗儀器的構(gòu)造和原理可以幫助學(xué)生加深對實驗原理的理解，仍以四探針法測量樣品的電阻率和摻雜濃度實驗為例，通過解釋四根探針的排列位置和間距，可以引導(dǎo)學(xué)生進一步理解電阻率的推導(dǎo)過程以及四探針法的原理。同時需要向?qū)W生說明該實驗的重點、難點以及儀器操作過程中需要特別注意的地方，但盡量避免全程演示，以免削弱學(xué)生主動思考的積極性。(4)實驗拓展。實驗拓展的目的是引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會通過查找文獻進一步探索該實驗。例如，在學(xué)生觀看完四探針法的微課視頻后，教師可以給學(xué)生留下兩個課前思考題：什么是薄層電阻?如何利用電阻率計算樣品的薄層電阻?

　　微課視頻在制作的過程中，可以添加動畫效果幫助學(xué)生理解一些較為晦澀的概念和原理，也可以生動展示出與專業(yè)內(nèi)容相關(guān)的工藝步驟，加深學(xué)生對專業(yè)課程的認知能力。如圖 1 所示，在錄制干涉顯微鏡測量二氧化硅薄膜厚度實驗時，在微課中插入楔形臺階形狀的二氧化硅薄膜工藝制備流程視頻，相較于枯燥的文字知識，學(xué)生對真實的工藝流程視頻會更加感興趣。

　　在微課視頻制作完成后，教師可通過網(wǎng)絡(luò)平臺向?qū)W習(xí)者推送微課和課前測驗。基于微課學(xué)習(xí)時長較短的特點，學(xué)習(xí)者可以利用碎片化時間隨時隨地進行學(xué)習(xí)，對較難的知識點可以重復(fù)觀看。課前測驗是教師查漏補缺、檢查學(xué)生知識盲區(qū)和薄弱點的一種手段，不作為本次實驗的評分依據(jù)，因此課前測驗可以是匿名的，以便獲得學(xué)生對知識點掌握的真實數(shù)據(jù)。

　　2. 課堂實踐操作

　　課堂實踐操作是專業(yè)實驗課程的核心，包含課前測驗點評和儀器操作兩部分。課前測驗點評階段，教師根據(jù)測驗結(jié)果對學(xué)生知識點的盲區(qū)進行講解，部分同學(xué)存在疑惑或錯誤的地方可以組織大家進行討論，把師生互動轉(zhuǎn)換為生生互動，在討論過程中教師起到把握方向的作用，如果發(fā)現(xiàn)有概念性的錯誤，需及時糾正。相較于傳統(tǒng)課堂上的教師提問學(xué)生舉手回答而言，生生互動可以讓學(xué)生更加輕松、更加容易暢所欲言，尤其是對于性格內(nèi)向的學(xué)生來說，這種方法更加容易全身心參與進課堂討論中。

　　儀器操作部分開始前教師可以將實驗的重點難點或容易發(fā)生錯誤的步驟作為思考題布置給學(xué)生，讓學(xué)生帶著問題在實驗操作和數(shù)據(jù)處理過程中尋找答案。以干涉顯微鏡測量二氧化硅薄膜厚度實驗的課堂為例，在儀 器操作前通過網(wǎng)絡(luò)平臺向?qū)W生推送本次實驗的思考題：(1)臺階處的干涉條紋為什么會發(fā)生彎曲?(2)如何消除空轉(zhuǎn)誤差?(3)為什么讀坐標時要使用綠光?(4)為什么十個彎曲度各不相等?學(xué)生在實驗完成后提交答案，教師根據(jù)答題結(jié)果可掌握此次實驗課程的薄弱環(huán)節(jié)，再次組織學(xué)生進行討論、操作或集中講解，以保證學(xué)生在本節(jié)課程結(jié)束前徹底掌握實驗原理和儀器操作。儀器操作部分結(jié)束后的問題收集和點評是將傳統(tǒng)實驗教學(xué)課后實驗報告的思考題放在了課堂上，解決了課后實驗教師見不到學(xué)生，無法針對共性問題給學(xué)生反饋的弊端。

　　3. 課后鞏固與提升

　　課后鞏固與提升包含兩個部分，分別為實驗報告撰寫和對實驗的探索與提升。實驗報告撰寫部分要求所有學(xué)生獨立完成，在實驗報告中對課堂上采集的實驗數(shù)據(jù)進行處理和誤差分析，實驗報告提交后教師可針對共性問題給學(xué)生推送講解文件和本次實驗的總結(jié)。實驗探索與提升部分為附加項，鼓勵學(xué)有余力的學(xué)生對本次實驗進行復(fù)盤分析，找出實驗過程中可改進的步驟，與實驗教師預(yù)約時間后進入實驗室進行驗證。對專業(yè)知識扎實且動手能力強的學(xué)生，可獨立設(shè)計創(chuàng)新實驗或科研實驗并申請儀器使用權(quán)限，申請成功后在專任教師的指導(dǎo)下完成實驗或參加競賽。這兩部分彌補了傳統(tǒng)實驗課堂課后無反饋的短板，讓學(xué)生在實驗課結(jié)束后不僅可以收到作業(yè)點評，還能獲得進一步探索的條件和機會。

　　4. 考核方法

　　傳統(tǒng)的實驗課堂中，實驗課程的考核成績分為課堂成績和課下成績，課堂成績是教師根據(jù)學(xué)生在課堂上的表現(xiàn)進行的主觀評價，占總成績的 40%，課下成績?yōu)閷W(xué)生實驗報告的書面成績和期末實驗?zāi)芰y試，占總成績的 60%。翻轉(zhuǎn)課堂模式下的實驗課程考核包含形成性評價和總結(jié)性評價。形成性評價包含課堂討論、操作技能、思考題反饋三部分，所占權(quán)重分別為 15%、30%、15%;總結(jié)性評價包含實驗報告和期末實驗?zāi)芰y試兩部分，所占權(quán)重分別為 15%和 25%。相較傳統(tǒng)實驗課堂而言，翻轉(zhuǎn)課堂的成績評定方法更加注重學(xué)習(xí)過程，弱化了書面成績，考核評價標準也更為嚴謹、客觀和全面。

　　(二)教學(xué)環(huán)境設(shè)計

　　微課是翻轉(zhuǎn)課堂的基礎(chǔ)，客戶端是翻轉(zhuǎn)課堂的載體。目前已有不少公司針對翻轉(zhuǎn)課堂開發(fā)出專用客戶端，但都存在較為繁瑣的注冊、客戶端打卡、廣告推送或收費等問題。相較而言，使用微信平臺既不用在手機上額外安裝 APP，也不用每次都要打開特定的 APP 進行學(xué)習(xí)，避免冗余的注冊、登錄等操作降低學(xué)生的學(xué)習(xí)意愿;教師和學(xué)生可以通過公眾號、微信群和朋友圈等多種途徑進行消息推送和互動。根據(jù)騰訊公布的數(shù)據(jù)， 2019 年第一季度微信的月活躍用戶數(shù)量達 11.12 億，在此基礎(chǔ)上，作者開課前對本專業(yè)大三的學(xué)生進行了統(tǒng)計，結(jié)果顯示本次授課對象擁有智能手機和使用微信的比例均為 100%。信息技術(shù)和教學(xué)融合是一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)不良問題，為了提高教授者和學(xué)習(xí)者對信息技術(shù)的應(yīng)用和接受能力，運用微信平臺開展翻轉(zhuǎn)課堂是一個非常有力的解決途徑[13-15]。

　　仍以干涉顯微鏡測量二氧化硅薄膜厚度實驗為例，在課前通過微信公眾號向授課對象推送本次實驗的微課視頻，并利用微信的問卷星小程序向?qū)W生推送匿名問卷，該程序可自動統(tǒng)計答題結(jié)果，哪道題錯誤率較高一目了然。從統(tǒng)計結(jié)果可以看出第一題和第六題的錯誤率較高，如圖 2 所示，分別有 30%和 32.5%的學(xué)生答錯，那么可以就此題在課堂上組織學(xué)生展開討論，共同得出正確結(jié)論。

　　四、實踐效果和思考

　　(一)實踐效果

　　我校微電子專業(yè)實驗室的 6 位教師共同承擔(dān)相關(guān)專業(yè)的實驗課程。受儀器設(shè)備數(shù)量限制，實驗室采用小組授課模式，每個實驗小組人數(shù)上限為 8 人，每學(xué)期實驗課程人時數(shù)約 16000 左右。這種授課模式下，教師需耗費大量時間和精力重復(fù)講述實驗原理和儀器使用方法，高強度的工作和重復(fù)勞動導(dǎo)致授課效果大打折扣。翻轉(zhuǎn)課堂的授課模式完美地彌補了傳統(tǒng)實驗課堂中的短板，課前的微課學(xué)習(xí)不再受時間地點和授課人數(shù)的限制，不僅可以實現(xiàn)資源共享，還可以將實驗教師從重復(fù)勞動中脫離出來，同時節(jié)約了課堂上的講解時間，有效增加了學(xué)生的課堂實操時間。

　　為全面了解學(xué)生對翻轉(zhuǎn)課堂的接受程度，本次課程結(jié)束后對學(xué)生進行了跟蹤調(diào)研，調(diào)研結(jié)果顯示學(xué)生對翻轉(zhuǎn)課堂的接受程度極高，反饋評價也都非常積極，反饋結(jié)果歸納如下：(1)微課視頻時間短，可以利用碎片化時間學(xué)習(xí)，反而覺得輕松有趣;(2)傳統(tǒng)課堂上通常沒有時間獨立思考和查找資料，微課視頻可以暫停，有充足的時間進行思考;(3)微課效率更高，不用聽教師針對基礎(chǔ)差的同學(xué)反復(fù)講解，浪費學(xué)習(xí)時間;(4)課前匿名問卷可以放心回答，不怕出現(xiàn)錯誤;(5)傳統(tǒng)課堂聽不懂的地方不好意思舉手問，翻轉(zhuǎn)課堂可以在匿名問卷中留言，也可以和同學(xué)討論;(6)課前問卷可以自檢學(xué)習(xí)成果，查漏補缺;(7)用課堂討論代替教師提問，課堂參與度更高;(8)課后的實驗報告可以得到反饋和講解，還可以利用微課進行復(fù)習(xí)和糾錯。

　　(二)待解決問題

　　受校園網(wǎng)流量限制，學(xué)生有時候需要自費購買流量觀看微課視頻，因此教師應(yīng)該解決兩點問題：一是保證視頻小而精，既能充分利用學(xué)生的碎片時間，又能為學(xué)生節(jié)省流量;二是實驗室提供免費無線網(wǎng)，歡迎學(xué)生課上或者課下來實驗室上網(wǎng)觀看微課視頻或查閱資料，既為學(xué)生節(jié)約了流量，又能吸引學(xué)生經(jīng)常來實驗室學(xué)習(xí)和探索，對提升學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力都有積極作用。

　　五、結(jié)束語

　　本文針對微電子專業(yè)實驗教學(xué)過程存在的問題，提出基于微課的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式并進行了實踐探究，結(jié)果顯示該模式存在以下優(yōu)點：(1)將以教師為中心的實驗教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心的實驗教學(xué)模式，學(xué)生心態(tài)從“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;我要學(xué)”;(2)將信息技術(shù)與教學(xué)相融合，增強師生互動，實現(xiàn)更優(yōu)的學(xué)習(xí)目標和教學(xué)效果;(3)改變考核方式，弱化結(jié)果強化過程，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究精神和創(chuàng)新能力。實驗教學(xué)的翻轉(zhuǎn)課堂順應(yīng)了信息化時代學(xué)生的認知規(guī)律和學(xué)習(xí)方式，是傳統(tǒng)實驗教學(xué)的升級和轉(zhuǎn)型，如何在此基礎(chǔ)上進一步改進、反思和發(fā)展，還需教育研究者進行更加深入的研究和探索。