二维码技术在翻转课堂教学中的应用*--以材料化工大型仪器设备实验教学为例

尚明屹，吴 堃，杨 勇，孙婧婧

(厦门理工学院 材料科学与工程学院，福建 厦门 361024)

为适应新时代发展的需要，《国家中长期教育改革和发展规划纲要》 《高等教育专题规划》等文件的发布，以及“双一流”专业建设、工程教育认证、新工科的大力推进，对高校人才培养提出了新的要求。培养具有创新能力、动手能力、正确的人生观和世界观的综合性人才已经逐渐成为高校人才培养的重点。在材料、化学、化工研究领域，大型仪器设备是连接新材料“制备-性能-应用”的重要桥梁，是探索材料本质、开发新材料和解决实际生产问题的关键。因此，在高校科研、教学中，大型仪器设备扮演着重要的角色，不仅是科研工作的重要基础保障，也是材料化工本科实验教学中培养学生分析问题和解决问题的能力、激发学生的创新意识、培养学生的创新能力和提高学生的综合素质的基础条件之一[1]。能否使用大型仪器是体现理工科本科生科研素质及创新能力的一个重要标志[2]。

我校理工科专业居多，随着近年来国家经费的支持，购置了包括红外光谱仪、紫外光谱仪、光电子能谱仪、透射电镜、扫描电镜等多台大型仪器设备。同时，随着人才培养要求重点的转变，经过多轮培养计划修订，多个专业在大三学年开设了大型仪器设备相关的实验课程。作为大三的专业核心课程，大型仪器设备相关实验既是基础化学实验的延伸拓展，更是基础实验和学生将其应用在后续毕业设计及科研工作的关键枢纽。经过近几年追踪调查，发现在材料、化工专业相关行业的就业面试和考研面试中，经常涉及到大型仪器设备相关的面试题目。在实验中表现良好的学生，参加面试时也更受HR或导师的青睐，在后续职业生涯和学习深造中也能有良好的个人发展。

然而，大型仪器设备精密、贵重，涉及到实验原理复杂，操作软件多为英文版本，参数设置注意事项多，制样工艺复杂，维护成本高[3]，大部分机时应用于科学研究。在这个背景下，大型仪器设备用于材料化工本科实验教学还存在着诸多问题。如何利用先进的教学手段和科学技术改善目前的现状，是我们在材料化工大型仪器实验教学中的重点和难点。

1 大型仪器设备用于材料化工本科实验教学存在的问题

1)仪器台套数少，部分实验变成了演示实验

目前大型仪器设备一般只有1台或2台，大部分实验教学中均是将学生分成10～15人/组进行循环实验。除去教师讲解仪器原理、演示操作的时间，学生自己动手操作的时间比较少，导致部分实验变成了演示实验[4]，学生很难在有限的时间内完成对仪器的了解和认识。

2)实验讲义形式单一，基本上以文字为主

学生预习时基本上都是机械的抄写，对仪器并没有直观的认识，实际动手操作时即使对着详细的操作流程也有可能不知道从何开始，而且盲目的操作仪器也很有可能导致仪器损坏，没有达到真正预习的效果。

3)教学过程中师生互动较少

现在的实验教学过程中，学生仅仅是根据已指定好的实验样品和步骤，逐一操作得到实验数据，留给学生想象、思考和发挥的空间较少，师生互动性低，不利于对学生动手、动脑能力和创新能力的培养。

4)测试样品单一，测试数据同一化

全班共用同一组样品或每组用一个样品，大型仪器的精密性决定了同样的样品数据差异性很小，导致学生在处理实验数据时抄袭较多，实验报告辨识度不够，不能有效的区分学生实验教学成果的好坏，也不利于学生真正实践能力的培养。

5)实验时间协调困难

实验基本上都是分组进行大循环实验，一门5个实验的课程需要安排至少10次课，教师和学生的时间很难协调，实验教学效果难以保障。

6)实验相对独立，没有与其他实验和理论课有效融合

现有的教学模式下，材料化工大型仪器设备实验和专业相关的其他实验相对独立割裂，变成了单纯的数据测量型实验，没有真正起到“制备-表征-应用”的桥梁作用[5]，不利于学生探索精神和综合思维能力的培养。如何将大型仪器设备实验和专业相关的其他实验和理论融合交叉，让学生在实验中学会解决实际问题的能力，成为了目前材料化工实验教学改革的重要方向。

2 翻转课堂在材料化工大型仪器设备实验教学中的实施过程

针对目前材料化工大型仪器设备实验课程存在的问题，主要的解决方法要从转换教学模式、丰富教学内容和重新架构实验教学项目实施方式等方面入手。将无限的课外时间交给学生去自学思考交流，有限的课堂时间交给学生去实际操作，以期达到大型仪器设备的实验教学目的，有效提高教学质量，真正激发学生的创新意识和培养学生的创新能力。

翻转课堂也称为“颠倒课堂”，是指重新调整课堂内外的时间，将学习的决定权从教师转移给学生。在课前，学生通过丰富的多媒体资源完成自主学习，通过网络实现在线讨论，自行查阅需要的材料，设计实验方案。在课内，教师针对性的解决学生预习过程中的问题，学生专注于实验项目的主动学习，对实验课程的内容获得更深层次的理解。在课后，学生通过完成实验报告，加强对所学知识的掌握和运用，进一步进行个性化的拓展学习。在这种教学过程中，教师仅仅是学习的指导者，而学生成为主动学习者而不是信息的被动接受者。翻转课堂在材料化工大型仪器设备实验教学中的实施过程包括以下几个阶段：

1)课前--教师教学材料准备和学生的自主学习阶段

保障翻转课堂顺利实施的前提在于充分的教学准备。因此，教师根据需要对用于教学的大型仪器设备准备丰富的教学材料，建立材料化工大型仪器设备实验教学资源库。鉴于大型仪器设备复杂精密的特殊性，每台仪器的实验教学资源库以仪器的生活应用实例作为引入点，使用动画、图片、3D模拟等丰富有趣的表达形式，制作仪器设备原理和应用的多媒体课件[6]，充分激发学生学习的兴趣，使学生由浅入深、逐层深入的进行学习。制作规范性的实验操作视频和数据处理方法的视频，学生可重复观看，多次学习。

除了构建实验教学资源外，为了避免实验项目同一化导致的数据差别不大，抄袭较多的问题，我们通过多元化实验项目的设计来解决。针对不同专业，我们设置了解决更适合相关专业问题的实验项目，测试不同的实验样品，解决不同的理论问题。对于同一专业，我们也准备同类别的多种不同样品。另外，实验的样品可来源于学生先前实验合成的样品。这样既能有效避免实验报告抄袭和同一化带来的评分困难，也可以实现材料化工大型仪器实验教学与其他课程之间的联系，更关键的是让学生通过预习自行设计实验方案，采用探究式、启发式实验教学模式，充分调动学生主动学习的能力。

在教师教学材料准备的基础上，学生在课前进行充分的自主学习，自由组队，探讨实验方案。

2)课中--学生的课堂实践和教师的课堂指导

翻转课堂实施的重要前提是学生在预习阶段能真正通过自学掌握了仪器设备相关的知识。为了检验学习的效果，我们设计了课堂小测验，凝练每台仪器的重要原理、制样操作、数据处理部分的内容形成填空和选择题供学生作答。在操作仪器之前，通过小测验，教师可迅速了解每位学生预习情况，进行针对性讲解和强调。小测验的成绩也作为实验成绩的一部分，以考促学，每位学生都要完成，也避免了问问题式考查中都是一两个学习积极的学生作答的弊端。

在教师针对性讲解后，学生按照规范性的实验操作视频进行实验方案的实践，教师在课堂上的主要角色是课堂的指导者。

3)课后--学生的知识内化应用和教师的总结反馈

在课后，学生通过课堂实践得到实验数据，按照实验方案要求，完成对数据的处理和实验报告的撰写。教师在每年实验课结束后，挑选优秀的实验报告形成优秀实验报告库，供学生参考和改进，帮助学生更好地总结实验成果。在这个阶段，我们借助微信或微信群等实时交流工具建立了一对一、相互讨论的渠道，及时解决学生在全程实验教学中遇到的问题。为了更进一步实施教学改革，不断改善教学内容和方式，在学生实验报告上设置“学习心得体会”栏以及在讲义后附上意见反馈渠道，形成良好的反馈机制。根据学生的反馈意见，教师再不断打磨和充实教学资源以及改进教学方式方法，形成良好的正向反馈，促进课程教学的不断完善。

在材料和化工的大型仪器设备实验教学中，红外光谱仪、紫外光谱仪、光电子能谱仪等应用范围广，可快速定性分析样品的化学成分和结构，其课程实施流程如图1所示。其他的大型仪器设备实验教学也可以以此为基础，根据仪器特性“因器制宜”优化课程实施流程。

图1 翻转式材料化工大型仪器设备实验教学课程实施流程

将翻转课堂的教学模式应用在材料化工大型仪器设备实验教学中，可将教师从重复繁琐但并缺乏直观和形象的口头讲解中抽离出来，将更多的精力用于教学材料的准备细化、针对性解答学生预习中遇到的问题点以及仪器操作的主要关键点、样品测试的方案设计讨论等。在一次次的思想碰撞中，达到相互促进不断提高教学效果的目的，有效提高教学互动性，充分挖掘学生主动性。教师不再重复大量的讲解内容，留给学生课堂实践的时间大大增加，实验分组可实现10～15人减少到4～5人或更少，让每个学生真正参与到仪器的实际操作中。

3 二维码技术在翻转课堂中的应用

在翻转课堂实施的过程中，我们涉及到大量的视频、动画、测验、信息反馈和建立优秀实验报告库等。在以前的材料化工实验教学改革中，采用教学网站等形式将这些内容呈现给学生。而随着智能设备的不断普及，对于学生而言，电脑的使用频率下降，而用智能设备打开网站，网站的完整度无法呈现，同时对网络的要求较高，不能做到随时随地的学习。

随着网络技术的发展，二维码技术的不断普及，可有效改善这一现状。二维码是万物互联的重要载体，它的出现极大方便了人们的生活。二维码作为一种信息储存、传输和识别技术，可将文字、图片、声音、视频等以数字化的信息进行编码捆绑。随着4G/5G无线互联网的迅速发展，智能手机和平板等移动通讯设备广泛普及，二维码不再受到时空和硬件设备的限制，已广泛渗透到日常生活的方方面面。二维码技术成本低、转码耗时少、占用内存小，在码不改变的前提下可不断更新内容。作为万物互联的重要载体，二维码正在成为数字经济、工业互联网、智能制造等领域不可或缺的经济因素[7-8]。在材料化工大型仪器翻转教学课堂的实施过程中，二维码被广泛应用在如下场景：

1)构建立体化的实验讲义

为了使材料化工大型仪器设备实验教学材料的生动性大幅提升，实验教学材料的准备过程中，涉及到3D动画、演示文稿讲解、视频等，利用网站呈现这些教学材料不利于学生使用智能设备观看。我们通过相关技术将多媒体资源生成二维码，附在传统的讲义上，形成文字精简、形式内容丰富的立体化实验讲义。让学生看到文字的同时能随时随地使用手机、平板电脑等智能终端扫描二维码打开立体化讲义，看到抽象文字相应的讲解，简化学习资料，实现“码”上学习，达到课堂教学与网络教学的同步，极大提高了学生自主学习的兴趣和主动性。

同时，科学技术发展极其迅速，大型仪器设备更新换代很快，所以大型仪器设备的实验教学材料也要与时俱进，不断更新，注重创新性与研究性内容相结合。教师可在保持二维码不变的情况下，后台随时更新二维码内容，以达到立体化讲义的与时俱进，还可以通过后台扫描量等实时跟踪学生的学习情况。

2)课堂小测验的完成和成绩跟踪

传统课堂测验采用纸质版发放的形式完成，不利于成绩的及时反馈和教学资源的保存。我们将难度相当的不同的几套题目通过问卷星等生成二维码，学生在课堂开始前，扫描二维码进入答题，提交后，教师可在后台即时看到学生答题情况，了解学生预习的情况，快速挑选出大型仪器设备原理和操作中需要进一步强调的重点和难点。

3)仪器规范操作视频的呈现

二维码技术还可推广到大型仪器设备操作视频的呈现方面，我们将规范的操作流程文档和操作视频用二维码贴于仪器旁边，只需占据仪器旁边 2 cm×2 cm 左右大小的位置，便于学生在操作时遇到不明白的地方实时观看。

4)优秀实验报告库的建立

在优秀实验报告库建设方面，我们也借助二维码技术来实现，将优秀实验报告扫描为电子版，以学生学号+专业+实验名称的形式命名，将多个实验报告集合，生成一个二维码贴于立体化讲义的最后，供学生处理实验报告时参考。随着每年实验结束，可在码保持不变的情况，及时更新优秀实验报告库。

5)交流讨论和意见反馈渠道的搭建

在立体化讲义后可以附上教师微信和课程微信群的二维码，供学生一对一交流和相互讨论，有问题“码”上问，及时解决学生在全程实验教学中遇到的问题。同时，在讲义后附上意见反馈二维码，有意见“码”上说，形成良好的反馈机制。

将二维码应用在材料化工大型仪器设备实验教学中，较网站或发送文件的传统模式，可在时间成本、经济成本、便捷度等方面有很大的提升，具体如表1所示。

表1 传统模式和二维码技术应用模式在材料化工大型仪器实验教学中的应用对比

4 结语

在材料和化工类学生的实验教学中，大型仪器设备实验教学占据着非常重要的地位，我们通过丰富的实验教学资源库作为载体，实施“翻转课堂”的教学模式，并采用二维码技术将丰富的多媒体资源、优秀实验报告库和意见反馈渠道等融入讲义，化繁为简，将更多的时间留给学生主动思考和创造，增加教学的互动性，充分锻炼学生的思考和动手能力。让学生在大型仪器设备实验课程的课堂上，不仅仅局限于学会仪器的开、关，流于形式和完成任务，而是学会大型仪器的实际应用和拓展，为大型仪器的学习赋予内涵，有效激发学生的学习潜能，对培养具有创新能力、动手能力、正确的人生观和世界观的综合性材料化工类人才起到真正的促进作用。