基于“翻转课堂”的地球物理仪器课程教学改革探索与研究*

杨志超 ，张雪昂 ，饶利民，刘 军 ，方江雄

(1.东华理工大学 地球物理与测控技术学院，江西 南昌330013；2.东华理工大学 核技术应用研究所，江西 南昌330013)

一、引言

针对以观测为主的地球物理勘探学科，高精度、高分辨率的仪器装备[1]在数据采集、信号传输以及处理中发挥着重要作用[2]。作为以“核地学”为特色方向的东华理工大学[3]在2008年开设了特色专业课程“地球物理仪器”。该课程以地球物理勘探方法为理论基础，结合电子、机械、计算机和互联网等交叉学科核心内容，使学生系统掌握地球物理仪器分析、应用和研发的方法与技术。

经过近10年的发展，传统的教学方式受到新的冲击，体现在：1.教学内容以经典方法为主，涉及的新方法新技术较少，无法紧跟学科前沿发展。2.仪器装备本质上是多学科综合应用的结果，目前教学中受限于课堂时间和教师学科背景等因素，无法覆盖仪器仪表类的各门专业课程，对于仪器整体性认知较低。3.地球物理仪器普遍体积庞大，质量巨大，价格昂贵，且实验区域多在野外荒芜地区，对于学校教学性质的实验课程存在较大困难。4.教学过程中以教师教授为主，缺乏互动与交流，学生参与度不高，不能很好融入课堂主动学习。

综上问题，本文提出基于“翻转课堂”的地球物理仪器课程教学改革方法。将理论知识在课下以视频教学方式完成，而在课上通过专题探索、小组讨论等方式进行开放式学习，不仅弥补了传统课堂教学方法存在的问题，而且使地球物理仪器课程的教学更加丰富，培养了学生分析问题、解决问题的综合能力。

二、“翻转课堂”教学模式涵义

“翻转课堂”是近年国内外教学改革研究的热点[4]，其核心思想是将课上与课下时进行“翻转”，即将课程内容以视频等多媒体形式呈现，使学生在课下（“线上”）自主规划学习时间、地点，而且根据自己的特点选择适合的学习节奏和吸收知识的方式，这对于学生掌握课程内容来说意义重大，可弥补传统课程存在的诸多不足。而在课上（“线下”）改变过去以教师为主的枯燥讲述，而针对所学知识内容进行外延，以专题探索、小组讨论、创新研究等启发式教学等活动为主，使学生自主参与到感兴趣的话题中，真正成为课堂主人，培养自己的研究能力和创造精神[5]。“翻转课堂”利用现代信息技术将传统课堂课上和课下时间与内容都进行了翻转，其主旨是使学生从传统课堂中的被动学习者、接受者转化为自主学习者，变成课堂的主人，最大化的拓展自己的综合能力[6]。

21世纪以来，伴随信息技术的崛起，“翻转课堂”教学方法在西方教育界开始兴起。2000年，在迈阿密大学的“经济入门课”课程中提出利用网络让学生在实验室或家中观看视频学习，然后在课堂上以小组讨论或协作的方式完成作业[7]。2001年，麻省理工学院的“开放课件”项目利用网络在线发布课程，提供学生学习与讨论，使得教学资源在线共享方式得以有效实现[5]。2004年，萨尔曼·可汗建立了“可汗学院”网站，进一步拓展了在线教学的应用[8]。从2007年起，美国多所大学进行了“翻转课堂”教学的实验性实践[9]。我国关于“翻转课堂”的研究和应用处于起步阶段，2010年之后，国内多所高校进行了相关实验尝试[10]。清华大学通过“学堂在线”开展了《C++程序设计》等课程的翻转课堂教学模式实验，并取得了显著效果[11]。中国矿业大学等地质院校相继开展了地学类课程的“翻转课堂”教学方法研究[12]。

调研可知，“翻转课堂”教学方法可以有效弥补我校地球物理仪器课程的现存问题。因此，伴随信息技术和无线通信的发展，同时应对新形势下教学改革和人才培养需求，针对“翻转课堂”在地球物理仪器课程中的研究具有重要意义。

三、基于“翻转课堂”的地球物理仪器课程构建方案

目前，关于翻转课堂的认知和方法各有不同，实施效果也各有差异，但归纳起来，主要因素包括四个方面，即“高度专业的教师”，“灵活自由的环境”，“学习文化的转变”和“精心策划的内容”。结合我校学生的特点和地球物理仪器课程的教学目标，提出了如图1所示的课程改革实施方案，其中虚线框内为翻转课堂的实施主体。

图1 地球物理仪器课程教学改革实施方案

1.教学内容设计

地球物理仪器课程综合了多门学科主干内容，因此，教师首先要在思想上进行转变，不再只是孤立的注重仪器电路系统，而忽视了作为仪器大系统的整体性。其次针对教学内容进行扩展，强化仪器仪表类学科主干课程，如电路分析、信号与系统、嵌入式系统和自动控制原理等。在此基础上，课程内容必须保持前沿性、先进性和国际性，使学生在本科阶段就能够接触到本学科国际领先的方法技术，为未来发展提供更高的平台。这些内容改革都对教师提出了更高的要求，即“高度专业的教师”。

2.教学视频设计与制作

地球物理仪器课程具有较强的实践操作性，是一门应用性课程。但由于仪器体积庞大、价格昂贵，大规模的实验耗费财力物力巨大，在规定课时内无法完成更多实验内容。因此，在“翻转课堂”中，第一个重点工作在于设计与制作“线上”教学视频,主要包括以下方面：

（1）地球物理勘探基础理论：针对重、磁、电、震以及放射性等不同地球物理方法，设置基础理论内容课程。

（2）交叉学科应用技术：在本专业学生已经学习了仪器仪表类大部分专业课程的基础上，这里强调电子、计算机和机械等交叉学科的应用技术，从理论转换为实践，突出工程应用中的关键技术。

（3）地球物理仪器原理：针对各种方法对应的地球物理仪器，从经典机械式仪器过渡到当下主流智能仪器，每种仪器以机械结构、电路原理、野外实验操作、数据处理等方面作为教学内容。该部分为教学视频的重点环节，可结合教师的实际物探经验，同时引用网上资源进行补充，使学生能够对地球物理仪器进行全面、快速、深入的掌握。

（4）仪器装备研发整体流程：以地球物理仪器为切入点，研究其它通用类仪器的开发过程，以点带面，使学生从特色仪器入手从而学习其它通用仪器的研发方法。

3.教学管理系统开发

在设计与制作教学视频的基础上，开发基于Web或智能终端的教学管理系统，使学生能够不受时间、地点的限制，自主支配时间，并有针对性的反复学习重点知识。同时，通过管理系统提供学习反馈情况以提高教师教学质量，统计学生点击率以帮助教师分析学习难点。教学管理系统的开发使传统课堂中固定的教学地点与时间得到彻底改变，即“灵活自由的环境”。

图2 教学管理系统架构

本研究中应用C#语言，基于MVC框架开发了地球物理仪器教学管理系统，系统架构如图2所示。

4.课堂教学活动设计

在课堂教学中，必须转变思维，以学生作为主体，成为课堂真正的主人，教师只进行辅助与指导，服务学生完成教学内容，首先达到“学习文化的转变”。针对课堂教学设计包括以下阶段，即“精心策划的内容”：

（1）答疑解惑：教师根据教学进度考核学生自主学习效果，并针对交流问题进行解答。这一阶段主要以消化知识，掌握基础为目的。

（2）研究性学习：教师引入开放性项目或扩展性专题，引导学生进行研究性学习。这一阶段作为“翻转课堂”教学模式的核心内容，学生以小组为单位，对专题内容展开探索和讨论，找出引入的开放式项目问题，分析问题原因，提出解决方案。这种通过“同伴教学”，以“项目式教学”为切入点的新颖方式充分启发了学生解决问题的创新性思维，同时培养了整体团队协作能力。

（3）实践应用：增加实践环节比例，使学生动手实现自己的方案。这一阶段可以对国内外仪器进行模仿和改进，或直接提出创新性的仪器设计方案。本内容不受课堂时间限制，可延续到课下在实验室继续进行。学院从软硬件等条件上鼓励和支持学生进行实践操作。

（4）总结改进：上述两个阶段教师不干预学生思路和方法，只是在最后阶段进行总结，对每个小组的方案或论点进行分析、概括，并给予指导意见，解决学生疑难，并改善自己提出的方案。同时，引导学生认识到仪器分析与研发的复杂性、多样性和系统性。

四、总结

基于“翻转课堂”进行地球物理仪器课程的教学改革，颠覆了传统课上、课下的教学内容和教学主体，弥补了传统课堂当下存在的问题。本研究内容通过学院内近两年三个专业的教学改革实践，受到了学生一致的认可和接受，逐步培养了学生的独立自主学习意识和实践创新能力。近3年学院不同团队连续参加国家级及省级创新创业大赛、挑战杯和地球物理竞赛等学科竞赛，并取得国家级一等奖，省级一等奖等优异成绩。同时，针对“翻转课堂”教学方法在地球物理仪器课程中的研究尚在起步阶段，无论是理论还是实践需要进一步深入，以最大化的服务于学生，提高学生的创新能力和综合素质。

[1]刘光鼎.发展地球立体探测技术，提高地学仪器装备水平[J].地球物理学报,2013,56(11):3607-3609.

[2]陆其鹄，吴天彪，林君.地球物理仪器学科发展研究报告[J].地球物理学进展,2009,24(2):750-758.

[3]方根显.地球物理勘探课程群教学内容改革的研究[J].东华理工大学学报（社会科学版）,2008,27(3):273-275.

[4]乔纳森·伯格曼，亚伦·萨姆.翻转课堂与慕课教学一场正在到来的教育变革[M].北京：中国青年出版社，2015.

[5]赵俊芳，崔莹.翻转课堂的内在意蕴及高校教学改革的未来走向[J].中国高教研究,2016,6:105-110.

[6]谢迎娟，林善明，陈俊风，蔡昌春.基于翻转课堂的教学研究与实践[J].电气电子教学学报,2016,38(6):19-22.

[7]Lage M.,Platt C.&Treglia M.Inverting the Classroom:A gateway to Creating an Inclusive Learning Environment[J].Journal of Economic Education,2000,31(1):30-43.

[8]郑小军.可汗学院式微课个案研究及其微课开发启示——以《角的定义》为例[J].中国教育信息化,2017,20:15-18.

[9]Grald C Cannod,Janet E Burge,Michael T Helmick.Using the Inverted Classroom to each Software Engineering[R].USA:Miami University Technical Reports,2007.

[10]方江雄，刘花香，刘军，钟念兵，杨志超，侯庆明.SPOC翻转课堂模式在虚拟仪器课程中的应用研究[J].中国教育信息化,2016,24:20-23.

[11]孙茂松.雏凤清声桐花路——清华大学的MOOC实践[J].中国教育信息化，2015，1:4-5.

[12]崔凡.“翻转课堂”模式在环境工程物探教学中的应用[J].科教文汇，2015,312：60-61.