基于翻转课堂的工程类实验课程教学模式设计

邓晓燕 周锡恩 袁 玲 孙宗海

1.华南理工大学自动化科学与工程学院 广东广州 510641 2.华南农业大学工程学院 广东广州 510642

翻转课堂是近几年国内外教育者关注较多的教学模式之一[1,2]，是一种将传统课上教学过程与课下学习活动进行转换的新型教学形式[3]。最早将翻转课堂应用于课堂教学的是美国科罗拉多州林地公园高中的2名教师，他们对传统课堂进行了颠覆性的尝试[4]。目前，伴随着该模式的成功运用，很多高校也逐渐对这种教学模式进行了研究和尝试，但大部分都是针对理论课程的教学，较少应用在实验教学当中[5]。尽管如此，一些国内高校提出并成功应用了翻转课堂教学模式于实践教学环节当中，也在一定程度上验证了翻转课堂在实验教学中的可行性和有效性。

本文分析了目前工程类实践教学环节普遍存在的若干问题，设计了翻转课堂教学模式，并根据过程控制工程实验课程的特点以及原有的课程基础和资源，将该模式应用于过程控制工程实验教学当中，翻转课堂的教学模式的成功应用将推动过程控制工程实验教学新模式的探索，有助于提高学生学习兴趣，增强学生自主学习能力、工程实践能力、创新能力和协作攻关的能力，为工程类专业实验课程开展翻转课堂教学模式提供了借鉴。

1 工程类实验课程中普遍存在的问题

过程控制是自动化技术的重要分支，是控制理论、生产工艺、计算机技术和仪器仪表等知识相结合的一门综合性应用学科，其理论性、综合性和实践性都很强。随着自动化和计算机技术的迅猛发展，工业过程越来越复杂，过程控制实验课程改革显得尤为重要，当前课程教学中存在着如下亟待解决的问题，也是工程类实验课程普遍存在的问题。

1.1 学生课堂实验时间不足

传统的实验教学模式中，教师在课堂上先对本次实验原理进行讲解，然后对标准实验过程进行示范，占用了学生大量课堂实验时间，导致学生没有更多的时间进行讨论和思考，更难以对实验进行优化和创新。

1.2 过于限定实验内容

教学中过多地限定了实验内容和步骤[6]，学生一般只需要按照实验指导书中的步骤一步步操作即可完成实验，缺乏创新性，没有提供更多的机会让学生自主学习，因此很难调动起学生的积极性和创造性。

1.3 师生间缺乏交流

工程类实验课程普遍存在着实验设备台套数少，每台实验设备学生使用的人数较多，导致教师无法兼顾不同层次学生，师生之间缺乏交互。如某学院过程控制工程实验室共有8台PCT-IV过程控制实验装置，每年针对5个班共约250学生，承担着3门实验课共64学时的教学工作量。

2 工程类实验课程翻转课堂教学模式设计

本文根据工程类实验课程的特点和存在的问题，对翻转课堂的教学模式进行了设计，具体实施的流程如图1所示。主要包括了课前工作、课堂活动和课后工作三部分。

图1 过程控制实验课程翻转课堂教学流程图

2.1 课前工作

实验前工作包括教师课前准备和学生课前自主学习。

(1)教师课前准备包括整理教学资源、发布教学资源以及布置教学任务三方面。

整理教学资源：实验课前，教师明确教学目标，明确学习的重点、难点和方法，分析学习内容，将设置的实验项目细化成较小和较完整的知识单元，并为学生提供约十分钟左右的微视频和相关的文字资料等。

发布教学资源：通过实验教学中心网站、QQ群和微信公众号等进行发布，便于学生随时随地进行交流和问题指导。

布置教学任务：教师指导学生进行自主学习，引导学生对所学知识进行意义建构，列举知识点。学生在课前观看教学视频后完成教师预设的问题，教师布置理论设计、课程问题测试、调研任务和虚拟仿真实验。

(2)学生课前自主学习是翻转课堂的关键环节，自主学习的成功与否将影响课堂活动的顺利进行。学生通过下载相关教学资源，学习实验教学内容，理清实验思路以及和理论的关系，以及深入理解基本理论后进行实验设计，并完成问题测验、虚拟仿真实验或调研任务。学生可将问题答案和虚拟仿真实验结果提交给任课教师。

在此过程中，学生之间通过小组合作交流学习所得，探究实验思路和方法，共同解决问题、形成结论。也可以通过在线网站平台、QQ等与教师交流和讨论问题。

2.2 课堂活动

课堂活动包括以下四部分。

(1)学生对课前的自主学习情况进行汇报，教师掌握学生的预习情况。

(2)学生基于课前的设计进行实验操作，研究解决所遇到的问题，印证理论知识；教师在课堂活动中要注意收集学生的实验过程数据，并将相关数据进行整理。

(3)教师针对学生不能解决的问题、学习中产生的认知偏差、理解不到位的地方等进行讲解、剖析。

(4)学生通过与教师和同学交流探讨问题，进一步完善自己的实验内容，在此过程中，学生可能会产生新的实验思路，并直接对原有实验进行优化或能在此基础上进行创新。

2.3 实验后工作

(1)教师对实验进行总结，指导学生纠正认知偏差，梳理知识体系，总结方法和规律。通过测试检验学生学习效果，让学生在检测中查找自己学习过程中的不足和错误，但对学生的实验评价更注重过程而非结果，尤其是对综合设计性和探索性实验来说。

(2)教师根据实验教学过程采集的数据对学生课前自学情况、课堂表现、考核、现场答辩和实验报告等情况对学生进行评分。

(3)学生对课程进行评价，教师通过评价结果掌握学生是否适应教学模式，促使教师不断调整和修正教学策略。

3 工程类实验课程翻转课堂教学案例

基于工程类实验课程翻转课堂教学模式，以过程控制工程实验课程中的温度单闭环实验为案例，着重对翻转课堂实验教学过程中自主学习、课堂实验、实验评价等进行探讨。

3.1 自主学习

自主学习内容丰富，本文重点对微视频学习和仿真实验进行说明。

(1)微视频学习。主要包括两部分视频。第一个是工厂生产现场教学视频，该视频是和相关企业合作，对课程相关内容的生产现场进行讲解拍摄，如本实验课则选取基于PID注塑机料筒温度控制系统进行现场操作调试讲解，使学生对生产现场有更加直观的了解，对本课程教学意义有更高的认识，并进一步提高学习兴趣。第二个是本次实验课的教学视频，对重难点内容和实验时注意事项进行教学讲解，使学生对本次实验目的、内容等有全面的了解，并对布置的任务进行思考。

(2)仿真实验。我们使用基于MATLAB与VB的过程控制实验仿真软件进行仿真实验，该软件是针对过程控制工程实验课程自主开发的，学生可以通过该软件在自己的电脑上进行温度单闭环实验的仿真，加深对理论知识的理解，便于对实验进行设计，并更好地进行下一步实际操作，还可以用于学有余力的学生在完成课程要求的仿真实验后进行实验改进的试验和进行实验装置缺少的改进型过程控制系统实验，扩展学生的知识面。

3.2 课堂实验

实物实验采用的实验设备是PCT-IV过程控制实验装置，是模拟工厂生产现场，可以满足学生从易到难的过程控制工程实验，还可以自主设计实验。温度单闭环实验目的是通过实验掌握单回路控制系统的构成。学生可自行设计构成温度控制单回路系统，可以采用临界比例度法、阶跃反应曲线法等方法整定单回路控制系统的PID参数，熟悉PID参数对控制系统质量指标的影响，用调节器仪表进行PID参数的自整定和自动控制的投运，另外学生也可以自行设计其他控制算法和与其配套的实验步骤以及方法。

实验过程中，学生自行根据预习时的设计进行实验，并可以与同学和教师讨论交流，根据实验结果调整实验设计，直至达到实验目的。在完成课程要求的实验后，学生可验证预习时的其他实验设计，也可以改进本实验，创新实验方法。教师在此过程中，可对学生进行提问，或人为设置实验故障，检验学生的独立思考能力和动手操作能力。整个实验过程都处于学生之间和学生与教师之间的互动中。

3.3 实验评价

传统的实验评价侧重于课堂实验结果和课后实验报告完成质量，难以全面体现学生的独立思考能力、实际操作与创新能力。而实行翻转课堂后，课前的自主学习是关键环节，在实验评价上要充分体现，经过与众多学生探讨和对教学过程的总结，形成了如表1的实验考评细则，采取扣分制，每次实验可对每名(组)学生进行量化评分。

表1 过程控制工程实验考评细则

4 结语

传统工程类实验教学中存在诸多问题，而这类课程一般是理论性和实践性很强的实验课程，本文通过引进翻转课堂，结合课程特点，设计了工程类实验课程翻转课堂教学模式，并以过程控制工程实验课程中的温度单闭环实验为案例进行了说明，该模式的实施将有效解决工程类实验课程存在的问题，提高学生的独立思考能力。同时，教学资源的准备和实验评价方式的改变提高了对教师的责任心和能力要求。翻转课堂教学模式的成功应用将进一步推动工程类实验课程的教学改革。