张　强, 张海峰, 唐　岩, 于歆杰

(1. 青海大学 水利电力学院, 青海 西宁　810016;2. 清华大学 电机系 电力系统国家重点实验室, 北京　100084)



电路原理基于SPOC翻转课堂教学模式的实施

张强1, 张海峰1, 唐岩1, 于歆杰2

(1. 青海大学 水利电力学院, 青海 西宁810016;2. 清华大学 电机系 电力系统国家重点实验室, 北京100084)

以电路原理课程为例,对如何利用小型私人在线课程SPOC更好地为在校学生提供服务提出了具体实施方案。利用学堂在线平台和清华大学电路原理MOOC资源,在本科生中实施了基于SPOC翻转课堂的教学模式试点,取得了显著的教学改革成果。创新的教学模式及教学组织赋予学生完整、深入的学习体验,提高了学生的学习兴趣、课程的完成率和优秀率。

MOOC； SPOC； 翻转课堂

在互联网技术日益发达的今天,由互联网技术支撑的全新知识传播模式和学习方式正在颠覆传统的学习模式,MOOC(massive open online course)便是其中之一,它开启了“指尖上学习”的新时代[1-2]。2014年秋季学期,青海大学电路原理教学组利用学堂在线平台和清华大学电路原理MOOC资源,在青海大学水电学院大二本科生实施了基于SPOC (small private online course)翻转课堂的教学模式。

1　MOOC和SPOC的特点

“massive(大型)”和“ open(开放)”使得MOOC具有如下特点:利用大数据、人工智能的手段将学习变成不受时间、空间限制；实现资源共享；隐藏的教育平台,成就线下教育创新。与此同时,由于没有监督机制所导致的高辍学率以及教师无法因材施教、缺乏情感沟通,又成了MOOC存在的主要不足[3]。

我们需要探究如何更好地发挥MOOC在高等教育领域的优势,同时克服MOOC的不足,更好地实现MOOC落地。在这样的背景下,UC Berkeley的Armando Fox提出了SPOC这样的可能性。

SPOC模式的主要特点为:在线课程容量较小(small),而且只针对后续实施翻转课堂的学生和其他部分感兴趣的学生开放(private),便于教师及时了解学生课外学习进展；经过精心设计后,SPOC视频、讲间练习、每周作业、复习Flash、讨论区、Wiki等资源可以作为实施翻转课堂教学改革的课前预习素材，比传统的预习教材内容简单、手段丰富。

将上述SPOC和翻转课堂结合,可以在其他条件不变的前提下,以在校学生为主,缩小选课人数,让选课学生心理上产生一种“公开对外宣示的责任感”,从而提高他对所选课程的完成率[4]。

2　MOOC平台提供信息技术支持

2013年10月10日,清华大学发布了我国大陆第一个由高校主导的MOOC平台:学堂在线(xuetangX)。以电路课程为例,学堂在线分别开设了MITx: 6_002x(电路与电子学)与TsinghuaX: 20220214X(电路原理)2门课程供电路课程学习者使用。全面的视频、讲间练习、每周作业、复习Flash、讨论区、Wiki等资源资料,基本可满足各高校教学大纲要求。

3　基于SPOC的翻转课堂

为了能够实施SPOC,需要与MOOC平台合作,针对某个高校的需求,搭建 “公有云”,或在某个高校中设立服务器,搭建“私有云”。二者的区别主要在于对学校出口带宽的需求不同,能够并行提供服务的学生量不同,但都能够提供MOOC平台上的所有资源,对于教师和学生而言,使用感受是完全一样的。

使用公有云或私有云搭建供本校学生使用的平台,称为SPOC平台。授课教师需要利用SPOC平台,针对本校教学进度和教学大纲,对SPOC平台资源进行剪裁和调整。学时分配、章节顺序与本校大纲对应,必要时部分内容可以根据本校学生的认知水平上传自制视频。课程信息发布、关键时间节点设置等都由授课教师按照自身授课需求设定。

学生可以选择在线学习或资源下载。视频资源下载到个人电脑或手机后,使得学习不再受时间、空间限制。每一段3～8 min的碎片化资源讲述着一个完整的知识点,这使得学生可以充分利用零碎时间进行有效学习,随时随地调出较难知识点进行反复学习，学习变得随心所欲，正式开启了SPOC学习模式。

课堂授课采取翻转课堂教学方法。教师和学生的角色发生变化,实现翻转[5-8]。教师充当主持、引导、协调、总结的角色；学生的角色从过去的被动接受变为如今的主动汲取。学生在课堂上自主讲解、激烈讨论、各抒己见,在自学与互学的模式中,通过大家思维的碰撞真正达到学习知识的目的。

SPOC与翻转课堂的结合即为基于SPOC翻转课堂教学模式。青海大学于2014年8月29日正式开启了基于SPOC教学模式的序幕——“电路原理”翻转课堂,并把实验与理论学习相结合。

3.1翻转课堂组织

课堂上,教师进行动态课堂组织,包括知识点讨论、习题讨论、实验演示及讨论三大环节。从理念层面,可以总结为以下几点经验:

首先,引入情感教育模式。课堂以交流讨论为主,形成教师与学生面对面、学生与学生面对面的交流讨论。多表扬、多鼓励,在激发学生学习兴趣、提高学习能力的同时,提高学生的语言表达能力。

其次,引入团队合作与竞争模式。当学习遇到困难的时候,让学生不再感到孤立无援。一进课堂,他便属于一个团队。翻转班24人,6人一组分成4个团队,最初由学生自由组合形成。每一个团队以面对面讨论模式安排座位,每个人的成长都与团队成长密切相关。自己学的状态在这样的模式下被彻底推翻。这种模式推崇互帮互助、共同进步,锻炼团队合作能力。团队中的灵魂人物可培养其领导力。课前每个学生就知识点问题进行线上学习并在团队中讨论。课上对仍不清楚的问题,团队成员轮流发表意见,不同团队的学生可以给出不同答案，由此可进入PK模式。听别人在讲什么,自己有什么不同观点,为了团队的荣誉而战。这样,一种良性竞争机制便产生了。这样的机制会大大激发学生的斗志,挖掘他们的潜能。教师需要习惯不说或少说,将更多说的机会让给学生,让学生间的思维碰撞更猛烈。讲台让给学生,黑板成为学生的天地。教师充当主持、引导、协调、总结的角色,组织高效的翻转课堂。

第三,习题对电路学习者而言至关重要。此次改革中,教师根据授课学生的实际水平,分易、中、难3个层次设计习题,所占比例分别为40%、40%和20%。易题大多摘自青海大学电路原理试题库，中等难度题摘自普通高校考研真题和实际电路分析习题，而难题摘自清华大学或一流高校历年考研真题和工程实例分析。学生只要将课堂讨论易题掌握,便可以轻松通过本校期末考核,而打算考研的学生则要将中等程度甚至难题掌握,满足不同层次学生的不同需求。经常可以看到的场景是一道难题把一位学生难住了,就有团队中的成员一个、两个,最后所有成员跳到黑板前你一言、我一语,很快难题便被攻克，增强了他们的自信心。而在这样集体的智慧中,每个学生恰恰能够清楚地认识到自身知识的短板在哪里。

第四,实验环节是电路教学的重要组成部分。青海大学电路原理分电路原理理论和电路原理实验2门课程。本次改革将实验与理论相结合,对学生的工程素质提出更高的要求。要求学生结合实际工程电路问题,通过线上学习、查阅资料、教师培训等环节,掌握电路建模的原则和方法；采用LabVIEW和Multisim进行电路分析、虚拟实验和电路仿真；利用掌上移动实验设备NI MyDAQ、电路元器件、面包板等实际设备及器件按设计要求或自行设计搭接实际电路；通过软件接入个人电脑实现实际电路测试；还需要将实测电路与仿真结果进行对比分析。整个过程旨在培养学生理论联系实际的综合素质和动手能力,激发学习的潜能和个人创新能力,提高工程设计报告分析和写作能力。本课程安排10个实验,如表1所示。

表1　青海大学翻转班实验

从表1实验安排可以看出,实验难度依次递增。认真完成实验7、8、9,可以很好地为实验10打下基础。实验设计环环相扣,让学生在兴趣的带领下,逐步深入,最终实现终极实际电路。成功之后使学生从心底燃起成就感和满足感,同时深刻体会到任何一个简单实际电路的实现都是由对一个个知识点的深刻理解和实践训练积累而成,对训练其工程素质有很大帮助。

为突出每个学生的特质,突出个性化、创新性设计要求,大部分实验教师不给出具体电路,只提出实验任务、仿真要求和实物需要达到的效果及测试要求。教师只对少部分实验给出实验原理并给予一定的辅导。例如第5个实验,教师提前一周下达实验任务:

(1) 自行设计电路测定一节干电池的戴维南等效电路；

(2) 有仿真,有 myDAQ 实测；

(3) 对结果进行分析并写出完整详细的实验设计报告。

实验任务由2人一组的团队完成。课上教师对实验结果进行检查,并对学生实际中遇到的问题展开讨论。最后一定要对学生的不同想法、不同实验方法给出评价,并给出明确的解决办法。第10个实验即简易电子琴电路的实现,采用基于项目的学习(project based learning, PBL)模式开展[9-11],在开课初期布置下去,具体任务如表2所示,学期末以分组竞赛形式验收。此举极大地提升了学生的学习兴趣、创新能力及工程应用能力、查阅资料能力、撰写报告能力。

表2　基于项目的实验设计任务

3.2教师、学生课外工作

(1) 教师课外工作。为上好翻转课堂,教师需要在课下首先根据本课程大纲要求通过前文中提到的一系列手段实现SPOC模式,并对学生开放资源。其次,教师需要提前对课上要讨论的知识点、课上习题、实验任务进行设计,并提前一周下发。

(2) 学生课外学习。学生要想积极参与翻转课堂,课下首先需要根据教师提前一周下发的相应知识点观看SPOC平台对应视频,充分利用讨论区对知识点疑惑问题展开线上讨论,通过线上讲间练习及时对知识点进行消化,通过线上作业对知识点内容进一步巩固,完成线上学习任务,充分训练个人学习能力。其次,学生通过教材阅读、资料查阅、团队讨论等环节对知识点、习题及实验等环节进一步学习,完成线下相应任务。依据清华大学的成功经验,我们要求学生在课后自行绘制知识脉络图,将碎片化的知识用自己理解的方式重新整合,达到既见树木又见森林的目的。

4　实施效果

青海大学基于SPOC的电路原理翻转课堂实施一学期,效果良好。翻转课堂成员来自2013级电气工程及其自动化专业,24人,他们大一学年的平均成绩在2013级电气工程自动化专业152人中排名29。青海大学是“211工程”学校,每年都招收来自全国25个省市的优秀学生,同时也招收大量来自青海本地的相对一般的学生,二者的高考平均成绩相差150分左右。第一次实施基于SPOC翻转课堂时,我们选择成绩比较优秀的学生作为教改对象,主要目的是实施分层次教学,落实卓越计划拔尖创新人才培养需求。

4.1线上成绩

青海大学电路原理SPOC平台上共计84个quiz,学生完成得分情况都可以从SPOC后台数据中获得。图1、图2、图3分别是青海大学翻转班24人quiz的平均分、翻转班陆某某和高某某quiz成绩。从平均分曲线来看,学生对第28个quiz掌握仅达到了40%,第59个quiz 仅有50%掌握率。通过平台资源我们可知,这2道题对应的知识点分别是第17讲和第56讲:最大功率传输和并联二阶电路。这说明这部分的内容大部分学生没能掌握。仔细分析,原因是这部分视频相对青海大学学生认知水平而言较难。教师掌握此信息后可以课堂上着重讲解,或者今后自制此知识点视频上传,达到有针对性地全方位服务学生自主学习的目的。

图1　翻转班学生quiz平均分曲线

图2　翻转班陆某某quiz得分曲线

图3　翻转班高某某quiz得分曲线

分析图2、图3,学生陆某某知识点掌握较为扎实,学得较为轻松,在最后的期末考试中,卷面考了100分,证明此种模式学习电路非常适合他。而学生高某某却在学习后期出现了较多的0分,说明她在动态电路和交流电路部分遇到了困难,很多知识点没掌握，在最后的期末考试中,卷面考了63分。能够看出,对她来说,用此种模式学习电路原理是有困难的。这就提醒了授课教师对高某某多给予关注和鼓励。

4.2期中、期末成绩

为进行教学效果评价,与行政班同卷进行期中、期末考试。对照组学生从化工学院自动化专业2个行政班抽取。自动化学生没有参加翻转课堂。从历年的考试成绩看,自动化学生整体水平高于电气学生。本学期实施基于SPOC翻转课堂的教师之一,同期为自动化2个班进行传统模式授课。因此任意抽取2个自动化行政班前12名进行同卷成绩对比是有意义的。将翻转班期中、期末卷面最高成绩、最低成绩、平均成绩与行政班同等水平学生进行比较得出结论,如图4、图5所示。从数据可以看出翻转班平均分分别高出行政班14.2分、11.2分,最高分分别高出8分、4分,最低分分别高出23分、13分。这再一次证明了此种模式能够提高课程的完成率和优秀率。

图4　同卷期中成绩比较

图5　同卷期末成绩比较

4.3实验探索

本学期学生需要完成10个实验。最初我们还担心任务太重,学生的完成情况会不好，但最终的结果是所有的学生顺利完成了任务。令我们惊喜的是,部分学生在兴趣的指引下除了规定的10个实验之外,还自行设计并搭建完成了台灯充电电池、光伏电池板充电器、锂电池电量显示器、调压电源、耳放、汽车点火电路、电磁炮发射器、有源降噪耳机等实际电路。这说明学生的兴趣被点燃后其探索能力和自主学习新知识的能力大大提升,取得的成果得到了清华大学电路组的肯定。

5　结语

基于SPOC的翻转课堂这样的授课模式存在两方面的挑战。从学生层面上看,翻转的模式充分体现“学生中心主义”,需要调动学生自主学习的积极性。从教

师层面看,翻转课堂促使教师对教学的过程及规律进行深刻反思。这给传统的基于教师的教与学带来巨大挑战,激励教师对授课内容进行全面深入的研究。如何让更多,甚至所有的学生成为“学生中心”学习模式的主人,是青海大学下一步改革的主要内容。

References)

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Implementation of flipped classroom teaching modebased on SPOC in Circuit Theory course

Zhang Qiang1, Zhang Haifeng1, Tang Yan1,Yu Xinjie2

(1. School of Hydroelectric Engineering, Qinghai University, Xining 810016,China; 2. State Key Laboratory of Power System, Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084,China)

This paper takes the Circuit Theory course as an example to demonstrate the implementation of the flipped classroom based on SPOC in order to provide better service to college students. This paper uses XuetangX Online platform and Tsinghua Circuit Theory MOOC resources to carry out the flipped classroom based on SPOC for the undergraduate students . Remarkable results of teaching reform were achieved. Complete and profound learning experiences were gained by the students through innovative teaching mode and classroom organizing. Moreover, the completion rate and the success rate of the course were improved.

massive open online course(MOOC); small private online courses (SPOC); flipped classroom

DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.01.049

2015- 05- 10

张强(1978—),女,河北迁安，硕士,副教授,研究方向为电力市场及新能源.

E-mail：zq6321856@163.com

G642.0

B

1002-4956(2016)1- 0187- 04