鄧曉燕 周錫恩 袁 玲 孫宗海

1.華南理工大學(xué)自動化科學(xué)與工程學(xué)院 廣東廣州 510641 2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院 廣東廣州 510642

翻轉(zhuǎn)課堂是近幾年國內(nèi)外教育者關(guān)注較多的教學(xué)模式之一[1,2]，是一種將傳統(tǒng)課上教學(xué)過程與課下學(xué)習(xí)活動進(jìn)行轉(zhuǎn)換的新型教學(xué)形式[3]。最早將翻轉(zhuǎn)課堂應(yīng)用于課堂教學(xué)的是美國科羅拉多州林地公園高中的2名教師，他們對傳統(tǒng)課堂進(jìn)行了顛覆性的嘗試[4]。目前，伴隨著該模式的成功運用，很多高校也逐漸對這種教學(xué)模式進(jìn)行了研究和嘗試，但大部分都是針對理論課程的教學(xué)，較少應(yīng)用在實驗教學(xué)當(dāng)中[5]。盡管如此，一些國內(nèi)高校提出并成功應(yīng)用了翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式于實踐教學(xué)環(huán)節(jié)當(dāng)中，也在一定程度上驗證了翻轉(zhuǎn)課堂在實驗教學(xué)中的可行性和有效性。

本文分析了目前工程類實踐教學(xué)環(huán)節(jié)普遍存在的若干問題，設(shè)計了翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，并根據(jù)過程控制工程實驗課程的特點以及原有的課程基礎(chǔ)和資源，將該模式應(yīng)用于過程控制工程實驗教學(xué)當(dāng)中，翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式的成功應(yīng)用將推動過程控制工程實驗教學(xué)新模式的探索，有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、工程實踐能力、創(chuàng)新能力和協(xié)作攻關(guān)的能力，為工程類專業(yè)實驗課程開展翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式提供了借鑒。

1 工程類實驗課程中普遍存在的問題

過程控制是自動化技術(shù)的重要分支，是控制理論、生產(chǎn)工藝、計算機(jī)技術(shù)和儀器儀表等知識相結(jié)合的一門綜合性應(yīng)用學(xué)科，其理論性、綜合性和實踐性都很強(qiáng)。隨著自動化和計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，工業(yè)過程越來越復(fù)雜，過程控制實驗課程改革顯得尤為重要，當(dāng)前課程教學(xué)中存在著如下亟待解決的問題，也是工程類實驗課程普遍存在的問題。

1.1 學(xué)生課堂實驗時間不足

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式中，教師在課堂上先對本次實驗原理進(jìn)行講解，然后對標(biāo)準(zhǔn)實驗過程進(jìn)行示范，占用了學(xué)生大量課堂實驗時間，導(dǎo)致學(xué)生沒有更多的時間進(jìn)行討論和思考，更難以對實驗進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新。

1.2 過于限定實驗內(nèi)容

教學(xué)中過多地限定了實驗內(nèi)容和步驟[6]，學(xué)生一般只需要按照實驗指導(dǎo)書中的步驟一步步操作即可完成實驗，缺乏創(chuàng)新性，沒有提供更多的機(jī)會讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，因此很難調(diào)動起學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性。

1.3 師生間缺乏交流

工程類實驗課程普遍存在著實驗設(shè)備臺套數(shù)少，每臺實驗設(shè)備學(xué)生使用的人數(shù)較多，導(dǎo)致教師無法兼顧不同層次學(xué)生，師生之間缺乏交互。如某學(xué)院過程控制工程實驗室共有8臺PCT-IV過程控制實驗裝置，每年針對5個班共約250學(xué)生，承擔(dān)著3門實驗課共64學(xué)時的教學(xué)工作量。

2 工程類實驗課程翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式設(shè)計

本文根據(jù)工程類實驗課程的特點和存在的問題，對翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式進(jìn)行了設(shè)計，具體實施的流程如圖1所示。主要包括了課前工作、課堂活動和課后工作三部分。

圖1 過程控制實驗課程翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)流程圖

2.1 課前工作

實驗前工作包括教師課前準(zhǔn)備和學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)。

(1)教師課前準(zhǔn)備包括整理教學(xué)資源、發(fā)布教學(xué)資源以及布置教學(xué)任務(wù)三方面。

整理教學(xué)資源：實驗課前，教師明確教學(xué)目標(biāo)，明確學(xué)習(xí)的重點、難點和方法，分析學(xué)習(xí)內(nèi)容，將設(shè)置的實驗項目細(xì)化成較小和較完整的知識單元，并為學(xué)生提供約十分鐘左右的微視頻和相關(guān)的文字資料等。

發(fā)布教學(xué)資源：通過實驗教學(xué)中心網(wǎng)站、QQ群和微信公眾號等進(jìn)行發(fā)布，便于學(xué)生隨時隨地進(jìn)行交流和問題指導(dǎo)。

布置教學(xué)任務(wù)：教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生對所學(xué)知識進(jìn)行意義建構(gòu)，列舉知識點。學(xué)生在課前觀看教學(xué)視頻后完成教師預(yù)設(shè)的問題，教師布置理論設(shè)計、課程問題測試、調(diào)研任務(wù)和虛擬仿真實驗。

(2)學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)是翻轉(zhuǎn)課堂的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，自主學(xué)習(xí)的成功與否將影響課堂活動的順利進(jìn)行。學(xué)生通過下載相關(guān)教學(xué)資源，學(xué)習(xí)實驗教學(xué)內(nèi)容，理清實驗思路以及和理論的關(guān)系，以及深入理解基本理論后進(jìn)行實驗設(shè)計，并完成問題測驗、虛擬仿真實驗或調(diào)研任務(wù)。學(xué)生可將問題答案和虛擬仿真實驗結(jié)果提交給任課教師。

在此過程中，學(xué)生之間通過小組合作交流學(xué)習(xí)所得，探究實驗思路和方法，共同解決問題、形成結(jié)論。也可以通過在線網(wǎng)站平臺、QQ等與教師交流和討論問題。

2.2 課堂活動

課堂活動包括以下四部分。

(1)學(xué)生對課前的自主學(xué)習(xí)情況進(jìn)行匯報，教師掌握學(xué)生的預(yù)習(xí)情況。

(2)學(xué)生基于課前的設(shè)計進(jìn)行實驗操作，研究解決所遇到的問題，印證理論知識；教師在課堂活動中要注意收集學(xué)生的實驗過程數(shù)據(jù)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。

(3)教師針對學(xué)生不能解決的問題、學(xué)習(xí)中產(chǎn)生的認(rèn)知偏差、理解不到位的地方等進(jìn)行講解、剖析。

(4)學(xué)生通過與教師和同學(xué)交流探討問題，進(jìn)一步完善自己的實驗內(nèi)容，在此過程中，學(xué)生可能會產(chǎn)生新的實驗思路，并直接對原有實驗進(jìn)行優(yōu)化或能在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新。

2.3 實驗后工作

(1)教師對實驗進(jìn)行總結(jié)，指導(dǎo)學(xué)生糾正認(rèn)知偏差，梳理知識體系，總結(jié)方法和規(guī)律。通過測試檢驗學(xué)生學(xué)習(xí)效果，讓學(xué)生在檢測中查找自己學(xué)習(xí)過程中的不足和錯誤，但對學(xué)生的實驗評價更注重過程而非結(jié)果，尤其是對綜合設(shè)計性和探索性實驗來說。

(2)教師根據(jù)實驗教學(xué)過程采集的數(shù)據(jù)對學(xué)生課前自學(xué)情況、課堂表現(xiàn)、考核、現(xiàn)場答辯和實驗報告等情況對學(xué)生進(jìn)行評分。

(3)學(xué)生對課程進(jìn)行評價，教師通過評價結(jié)果掌握學(xué)生是否適應(yīng)教學(xué)模式，促使教師不斷調(diào)整和修正教學(xué)策略。

3 工程類實驗課程翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)案例

基于工程類實驗課程翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，以過程控制工程實驗課程中的溫度單閉環(huán)實驗為案例，著重對翻轉(zhuǎn)課堂實驗教學(xué)過程中自主學(xué)習(xí)、課堂實驗、實驗評價等進(jìn)行探討。

3.1 自主學(xué)習(xí)

自主學(xué)習(xí)內(nèi)容豐富，本文重點對微視頻學(xué)習(xí)和仿真實驗進(jìn)行說明。

(1)微視頻學(xué)習(xí)。主要包括兩部分視頻。第一個是工廠生產(chǎn)現(xiàn)場教學(xué)視頻，該視頻是和相關(guān)企業(yè)合作，對課程相關(guān)內(nèi)容的生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行講解拍攝，如本實驗課則選取基于PID注塑機(jī)料筒溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場操作調(diào)試講解，使學(xué)生對生產(chǎn)現(xiàn)場有更加直觀的了解，對本課程教學(xué)意義有更高的認(rèn)識，并進(jìn)一步提高學(xué)習(xí)興趣。第二個是本次實驗課的教學(xué)視頻，對重難點內(nèi)容和實驗時注意事項進(jìn)行教學(xué)講解，使學(xué)生對本次實驗?zāi)康?、?nèi)容等有全面的了解，并對布置的任務(wù)進(jìn)行思考。

(2)仿真實驗。我們使用基于MATLAB與VB的過程控制實驗仿真軟件進(jìn)行仿真實驗，該軟件是針對過程控制工程實驗課程自主開發(fā)的，學(xué)生可以通過該軟件在自己的電腦上進(jìn)行溫度單閉環(huán)實驗的仿真，加深對理論知識的理解，便于對實驗進(jìn)行設(shè)計，并更好地進(jìn)行下一步實際操作，還可以用于學(xué)有余力的學(xué)生在完成課程要求的仿真實驗后進(jìn)行實驗改進(jìn)的試驗和進(jìn)行實驗裝置缺少的改進(jìn)型過程控制系統(tǒng)實驗，擴(kuò)展學(xué)生的知識面。

3.2 課堂實驗

實物實驗采用的實驗設(shè)備是PCT-IV過程控制實驗裝置，是模擬工廠生產(chǎn)現(xiàn)場，可以滿足學(xué)生從易到難的過程控制工程實驗，還可以自主設(shè)計實驗。溫度單閉環(huán)實驗?zāi)康氖峭ㄟ^實驗掌握單回路控制系統(tǒng)的構(gòu)成。學(xué)生可自行設(shè)計構(gòu)成溫度控制單回路系統(tǒng)，可以采用臨界比例度法、階躍反應(yīng)曲線法等方法整定單回路控制系統(tǒng)的PID參數(shù)，熟悉PID參數(shù)對控制系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)的影響，用調(diào)節(jié)器儀表進(jìn)行PID參數(shù)的自整定和自動控制的投運，另外學(xué)生也可以自行設(shè)計其他控制算法和與其配套的實驗步驟以及方法。

實驗過程中，學(xué)生自行根據(jù)預(yù)習(xí)時的設(shè)計進(jìn)行實驗，并可以與同學(xué)和教師討論交流，根據(jù)實驗結(jié)果調(diào)整實驗設(shè)計，直至達(dá)到實驗?zāi)康摹Ｔ谕瓿烧n程要求的實驗后，學(xué)生可驗證預(yù)習(xí)時的其他實驗設(shè)計，也可以改進(jìn)本實驗，創(chuàng)新實驗方法。教師在此過程中，可對學(xué)生進(jìn)行提問，或人為設(shè)置實驗故障，檢驗學(xué)生的獨立思考能力和動手操作能力。整個實驗過程都處于學(xué)生之間和學(xué)生與教師之間的互動中。

3.3 實驗評價

傳統(tǒng)的實驗評價側(cè)重于課堂實驗結(jié)果和課后實驗報告完成質(zhì)量，難以全面體現(xiàn)學(xué)生的獨立思考能力、實際操作與創(chuàng)新能力。而實行翻轉(zhuǎn)課堂后，課前的自主學(xué)習(xí)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在實驗評價上要充分體現(xiàn)，經(jīng)過與眾多學(xué)生探討和對教學(xué)過程的總結(jié)，形成了如表1的實驗考評細(xì)則，采取扣分制，每次實驗可對每名(組)學(xué)生進(jìn)行量化評分。

表1 過程控制工程實驗考評細(xì)則

4 結(jié)語

傳統(tǒng)工程類實驗教學(xué)中存在諸多問題，而這類課程一般是理論性和實踐性很強(qiáng)的實驗課程，本文通過引進(jìn)翻轉(zhuǎn)課堂，結(jié)合課程特點，設(shè)計了工程類實驗課程翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，并以過程控制工程實驗課程中的溫度單閉環(huán)實驗為案例進(jìn)行了說明，該模式的實施將有效解決工程類實驗課程存在的問題，提高學(xué)生的獨立思考能力。同時，教學(xué)資源的準(zhǔn)備和實驗評價方式的改變提高了對教師的責(zé)任心和能力要求。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的成功應(yīng)用將進(jìn)一步推動工程類實驗課程的教學(xué)改革。