基于云班课翻转课堂X射线衍射教学的设计

郭惠　周诗文

［摘 要］如今的教育背景要求教师改进传统单一的教学模式，帮助学生主动地接受知识，完成知识内化，促进学生创新能力与合作交流能力的提升。目前的教育更加强调学生之间的交流合作，推动信息技术进入校园，与教育实践相结合，成为目前教育改革的重要手段，云班课在课堂教学中得到了广泛的应用。X射线衍射实验对于学生的综合素养要求较高，在具体的实验过程中，学生要掌握精密仪器的构造原理和应用范围，完成实验操作，并分析处理实验获得的数据。基于云班课平台的翻转课堂教学模式在X射线衍射教学中得到了广泛的应用，进一步实现了课程改革。文章系统地介绍了云班课和翻转课堂的技术支持，分析基于云班课翻转课堂深度学习教学新设计流程，更好地开展课程设计，促进学生深度学习。

［关键词］云班课；翻转课堂；深度学习；X射线衍射

［中图分类号］G642.0［文献标识码］A［文章编号］2095-3437（2024）01-0078-04

X射线衍射是研究结晶物质结构和物象的重要手段，在材料学、化学、矿物学、晶体学等相关研究中起到极为重要的作用。X射线衍射通过物质结构的分析，选择样品的用量极少，只需要1毫米左右的晶体就能获得样品的三维信息，这也使得这一项技术手段得到广泛的应用。大学物理课程学到光的衍射时，讲到X射线衍射这个物理现象时，有的学生不知道X射线是什么，学完单元内容还是处于不了解的状态。然而，在高校实际教学过程中，大型仪器的成本较高，数量有限，即使有专业背景的学生在实验过程中也只能通过教师的演示加以学习，很少有可以动手实践的机会。为此，大学物理课程如果能更好地完成这个抽象内容的先导教学，利用云班课辅助X射线衍射实验深度学习，不仅能实现课程目标，而且能促进学生后续课程的学习，激发学生学习的热情。

一、云班课翻转课堂

（一）云班课

2017年，蓝墨云班课3.0正式上线之后改名为云班课，解决了网络教学平台无法实现课堂互动的问题。云班课能实现课堂的互动，采集师生的行为数据，在深度学习算法和大数据的支持下，运用用户画像技术为每一位教师和学生进行画像，根据用户画像提出具体建议，让教师和学生更清楚地认识自己的优势和不足。通过具体的诊断，有助于教师完成个性化教学，充分借助教育大数据的智能操作实现因材施教[1]。云班课以学生成长的三维模型为目标，兼顾了课堂教学和线上教学的优势，满足了师生实时沟通交流的需求[2]。云班课主要包括五个板块：资源管理模块、成员管理模块、活动管理模块[3]、消息管理模块、详情管理[4]，教师端和学生端各个板块的功能如图1所示。借助云班课可以完成教学资源的推送，实现课堂教学，也能完成后续的教学管理与评价，让学生利用碎片化时间完成自主学习[5]。对于重点内容和难点内容，学生可以反复学习，对于自己感兴趣或者是有疑问的板块，也可以在学习过程中随时提出问题，和教师私聊，在教师的帮助下解答疑问。

（二）翻转课堂的发展

翻转课堂以学生为主体，让学生根据自己的学习进度观看教师提供的教学视频，并且能反复观看，随时暂停，在遇到自己无法解决的问题时，可以和其他学生以及教师及时交流。翻转课堂打破了传统的教育方式，通过学生在课下学习，课上交流和完成作业、共同解决问题，将时间还给学生，让学生成为课堂的主人，是信息技术与教育融合的成功案例[6]。在“教”与“学”的过程中，翻转课堂有助于学生思维、自主协作能力的进一步提升[7]。

二、基于云班课翻转课堂教学的流程

基于云班课的翻转课堂教学模式以建构主义学习理论和主体性教育理论为基础，充分借助云班课的各项数字化资源，从学生的认知规律出发，让所有学生参与到学习中来，无论是学生独立学习还是小组合作学习，其最终目的都是激发学生的主观能动性，提高学生的创新能力与合作交流能力。基于云班课的翻转课堂教学模式如图2所示[8]。学生通过云班课完成课程的学习，并完成自身知识架构的构建，提高学生的综合能力。

在云班课教学平台上，教师可以通过手机端或电脑端进行访问，创建班课，并邀请学生加入其中，为整个教学课程设计提出不同阶段的教学目标，確定教学任务，选择教学所用到的各种资源，然后推送到云课班的学生端[9]。教师通过引导学生自主学习或小组合作交流，让学生在课堂开始前了解自己没有掌握的知识，让教师了解学情，在课堂中有针对性地加以讲解。评价环节通过学生自评、小组互评、教师评价、平台数据反馈等方式完成评价。

（一）课堂导入

在云班课教学平台上，教学模式发生了显著的改变。在课前，学生通过自主学习，严格按照教师提供的学习任务，配合教学资料确定学习目标，并自己拟定学习计划，在遇到问题时及时与教师、同学沟通交流，完成课前自主学习。在课堂导入环节，更多的是要提高学生的主观能动性，解放学生的个性，将学习的过程交还给学生，促进学生在此过程中有积极的情感体验。

（二）合作交流

在教学中，以学生为中心，根据学生的实际情况选择小组合作的方式，并将小组分配方案发送到云班课平台。学生可以查看具体的分组状态，以小组为单位完成课程的学习。这种方式有助于促进学生之间的沟通交流，也助于教师把控课堂节奏，适时地进行点播，让学生更好地理解课程知识。

（三）课后评价

课后的评价总结主要是在课程结束之后，教师对学生的课堂表现情况、知识掌握情况、合作交流情况进行整体归纳，改变了传统只能以成绩作为学生评价的方式，更为关注学生的综合能力。

三、基于云班课翻转课堂的X射线衍射教学设计

X射线衍射教学过程中，教师引导学生线上提前了解精密仪器的资料和操作视频，掌握大型精密仪器的应用范围、构造和工作原理，并根据教师提供的资料，在课前导入阶段自主完成这些知识的学习。通过小测验，确保学生掌握了基本的知识点之后，进入师生实验室。学生观看教师的演示实验，然后听教师详细讲解。学生观看仪器的操作视频，对仪器有了初步的认识后，了解实验的操作与运行。教师远程控制实验室电脑运行程序，还原数据，最终比对参数是否达到预期结果。具体教学示意如图3所示。

（一）线上教学准备

在线上教学准备阶段，教学时间和维护仪器的素材较为充足，教师要先做好后续的课程实践准备。可在工程师对仪器进行拆解时做好摄像及摄像素材整理工作，以便将这些资料发送给学生，让学生提前了解仪器的运行过程。在日常操作与维护过程中，也要收集相关的材料，组织学生观摩学习。加工及摄像素材整理相关的视频、音频和专家讲解材料后，形成线上教学内容发给学生，并考查学生的学习情况。以单晶X射线衍射仪为例，在仪器正式安装之前，教师做好摄像准备，工程师安装时会对仪器进行详细讲解。仪器安装完成之后，进入运行调试阶段，教师记录可能出现的问题，例如晶体放置、晶体对心等。掌握了前期知识之后，师生正式进入实验室内进行操作，尽可能用最短的时间得到最优测量结果。在操作完成之后，做好相关数据的处理。教师一般通过录屏的方式配以相应的解说，便于学生真实地感受操作过程，也能及时发现存在的问题。经过线上教学素材的收集整理之后，学生可以随时观看这些视频，了解具体操作。教师布置作业，考查学生对仪器结构、操作流程和数据处理的掌握情况，判断学生是否适合进入实验室实践操作。

（二）线下实物教学

线上教学完成后，学生对仪器的基本信息有了较好的掌握。教师可以通过分组的方式循环开展教学。在正式教学开始之前，教师要带领学生回忆之前学习过的内容，强调在实践操作中可能出现的问题，解决学生关注的难点。达到预期目标之后，教师带领学生开始实验，尽可能地节约实验时间。例如对于单晶X射线衍射仪来说，X光源是50kV高压，X射线对人身体会有一定的影响，在仪器使用过程中，玻璃是防X射線辐射的铅玻璃，仪器正常运转过程中不能开关舱门，必须先按开关，之后才能打开样品舱门，确定衍射点[10]。每组学生完成实验之后，需要对数据进行后期处理，根据原始的数据及测试之后用来还原测试的图分析数据，确定原始的衍射点数据，然后还原得到晶体的原始数据，并借助专业软件加以分析，了解分子晶体结构知识。在晶体数据解析完成后，需要学生进一步分析晶体结构，通过参照相关文献资料描述晶体，画出晶体结构图等。

（三）考核

对于学习过程的考核，包括学生在线上和线下教学中的表现、实践操作中仪器操作是否精准、对数据处理的情况等，对学生进行综合性的评价。

（四）教学总结

学生在数据解析上具有较大的差异，有些学生无法正确解析晶体数据。经过课程学习之后，学生可以顺利地解析普通小分子晶体，学习更有成就感，从而激发学生学习的热情。翻转课堂的教学模式在实验之初就让学生了解到课程的基础知识，在实验之后融入相关内容，更好地帮助学生完成课程理论知识的学习。不过在实验完成之后，后续需要分析处理的数据量较大，学生在短时间内很难准确操作，这是单元学习的挑战。教师要注重对学生的引导，让学生在实验完成之后迅速地处理相关数据，在课后进一步巩固相关知识。X射线衍射教学中，涉及仪器教学极为专业，学生在有限的时间内很难完全掌握正确的使用方法和数据分析，在课程完成之后，随着时间的推移，学生可能会对操作细节有所遗忘，需要教师再次讲解示范。

四、结语

信息技术在教育行业得到了广泛的应用，云班课平台是高效实施翻转课堂教学模式的重要技术支撑，为教育现代化的实现提供助力。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 李鹏吾，刘荣海，周静波，等.基于深度学习的耐张线夹压接缺陷X射线影像智能识别[J].南方电网技术，2022，16（3）：126-133.

[2] 段韶鹏.基于深度学习的网路图像缺陷识别方法[J].长江信息通信，2022，35（3）：89-91.

[3] 杨庭威，曹丹平，杜南樵，等.基于深度学习的接收函数横波速度预测[J].地球物理学报，2022，65（1）：214-226.

[4] 严卫，钱振江，周立凡，等.深度学习下大学生自主学习模式研究与探索：基于蓝墨云班课平台的实践[J].电脑知识与技术，2021，17（10）：173-175.

[5] 王革，李亮.X射线成像和深度学习的交叉融合[J].CT理论与应用研究，2022，31（1）：1-12.

[6] 叶君，吴胜龙，何婉芬，等.SPOC与“翻转课堂”结合在天然高分子实验教学中的探索与实践[J].广东化工，2021，48（5）：225-226.

[7] 罗正敏，吴亮，张兴敏.基于云班课的翻转课堂自主协作教学模式效果研究[J].机械职业教育，2020（6）：42-48.

[8] 张小虎，黄鑫，张克东.促进深度学习的课堂教学改革研究[J].文学教育（下），2020（2）：60-62.

[9] 付秀丽，戴波.以学生为中心的大班教学模式改革与实践[J].计算机教育，2019（5）：107-109.

[10] 周正东.结合翻转课堂和行李安检案例的核电子学教学探索[J].科技资讯，2016，14（13）：121-122.

［责任编辑：黄紧德］