基于翻轉課堂的微電子實驗教學模式改革與實踐

　　摘 要：針對微電子專業實驗教學模式的現狀和存在的問題，探索了基于微課的翻轉課堂在專業實驗教學體系的應用，闡述了翻轉課堂教學模式的基本特點、教學活動設計、教學環境設計和考核方法，列舉了專業實驗課程中翻轉課堂的應用實例。該教學模式對實驗課堂進行了空間和時間上的延伸，將傳統課堂上的“先教后學”轉變為“先學后教”，學生心態從“要我學”轉變為“我要學”，為實驗教學的進一步發展提供了新思路。

　　婁永樂; 馮曉麗; 康海燕， 高教學刊 發表時間：2021-08-08 期刊

　　關鍵詞：翻轉課堂;微課;實驗教學;教學改革

　　集成電路是我國進口金額最大的物品，75%以上的集成電路依賴進口，高端集成電路幾乎 100%依賴進口。隨著中美貿易摩擦的不斷升級，集成電路再一次被推向貿易戰爭的風口，2019 年第一季度集成電路進口金額為 646.45 億美金，是我國逆差最大的行業，遠遠高于石油、鐵礦石等。《中國集成電路產業人才白皮書(2017- 2018)》顯示，截至 2017 年底，我國集成電路產業現有人才存量約為 40 萬人，人才缺口達 32 萬人，李克強總理在 2018 年的政府工作報告中指出：加快制造強國建設，推動集成電路、第五代移動通信等產業發展。微電子專業實驗是針對微電子科學與工程專業和集成電路設計與集成系統專業本科生的一門必修專業課程，是學生對專業知識進行內化和科學實驗訓練的重要基礎，也是提高學生專業技能和接軌集成電路產業的必要環節。

　　隨著信息化技術的快速發展，教學模式從傳統的板書授課轉變為多媒體授課，隨著互聯網技術的廣泛應用，翻轉課堂、MOOC 等依托互聯網為傳播媒介的教學模式應運而生[1-4]。翻轉課堂的教學模式是教師通過互聯網平臺，在課前向學生推送知識點的講解等信息[5-7]，學生自主規劃學習時間和學習節奏，在課前完成自主學習，教學活動主體由教師變為了學生，教師不再占用大量的課堂時間講授知識點，而是引導和協助學生完成課前的資料查找和課堂上的討論，增強學生的課堂參與度。學生的學習時間從課堂上擴展到了課堂外，學習時間和學習方法更加靈活和主動。

　　為了不斷提高集成電路人才的培養質量，高校教師需要不斷改進和提升微電子專業實驗課程的實驗內容和授課方法，強化理論、實踐、產業人才需求相結合的教學模式，提高學生的專業素養和實踐能力[8]。

　　一、專業實驗課程的教學現狀和存在的問題

　　在傳統的專業實驗教學中，教師在課堂上先集中講解實驗原理和實驗儀器的使用方法，再根據實驗目的和實驗內容引導學生思考和操作，有些較復雜的實驗需要教師提前設計好實驗操作步驟，學生按照步驟一步步地完成實驗。在此教學過程中，不管是板書還是多媒體授課，其教學活動的主體均為教師，教學模式均為教師課堂授課，學生被動接受。這種教學模式下，課堂上每個學生接受的信息總量和授課時間是相同的，但每個學生對信息的吸收和內化所需時間不同，教師與學生的互動也比較片面，無法在課堂上了解到所有學生對知識的掌握程度，這就容易造成學生學習效果的差異性。

　　除此之外，在實驗室的開放時間和實驗課時的限制下，學生需要在有限的課堂時間中完成額定的實驗內容，在實驗原理講解占用較多時間的情況下，留給學生深入思考和動手操作的時間非常緊張，學生無法充分發揮其主觀能動性;受實驗場地的限制，學生在課后很難再針對實驗內容進行溫故和探討，遺忘速度非常快。傳統教學模式下，實驗教師與學生的交流只能依靠課堂互動和實驗報告，并且很難避免實驗報告的抄襲現象，導致實驗教師無法對學生進行公正有效的評價。

　　二、微課和翻轉課堂的特點

　　微課是以視頻為載體，以知識點的講解為主要內容的教學活動，其特點是“短、小、精、悍”。短是指微課視頻的時長要短，學習者對視頻課程的參與度拐點是 9 分鐘左右，時長超過 12 分鐘時，學習者的參與度明顯降低;小是課程選題要小，視頻課程要有較強的針對性和明確的主題;精是微課的核心，一方面內容設計要精良，除了圍繞知識點展開講解，還可以提出一些與知識點相關的問題，從而引起學習者的思考和探究，另一方面是微課制作要精良，教師發音清晰并配以字幕，圖像比例適中，保證學習者能看清課件中的細節;悍是學習效果勁悍，學習者通過觀看微課視頻，能夠快速有效地理解和掌握知識點。

　　翻轉課堂是教師錄制微課視頻，并通過網絡推送給學生，學生在課前完成微課視頻的觀看和思考，教師在課堂上組織和引導學生針對教學內容進行交流和討論，并針對學生的掌握情況進行補充講解，學生在課后完成一些拓展性的應用實踐或小組作業，教師可以通過網絡平臺給予一定的指導。可以看出，翻轉課堂借助微課和網絡，從傳統的以教為中心的教學轉變成為以學為中心的教學。

　　三、專業實驗課程的改革思路

　　教育學家約翰·杜威曾經說過：“如果我們用昨天的方式教今天的學生，等于扼殺了學生的明天。”隨著科學技術的進步，構成教學活動的元素、主體以及需求都在發生改變，因此教師的教學設計和教學方法也要與時俱進、順應時代的變遷，專業實驗課程也需要改革并實施新的教學模式[9-11]。

　　(一)教學活動設計

　　教學過程通常分為三個階段，分別是課前、課堂和課后。對于以教為中心的傳統實驗教學而言，課前階段通常是學習者對實驗內容進行預習的過程，在缺乏教師指導的情況下，學生既抓不住重點，又缺乏主動學習和思考的動力，因此許多學生敷衍了事或不預習直接上課;課堂階段教師集中講解實驗原理和儀器使用方法，受實驗課時限制，學生在實驗課堂上無法進行深入思考和探索，只能機械模仿;課后階段學生撰寫實驗報告，教師根據實驗報告給出成績，該次實驗即為完成，學生無法溫習，教師亦無法給出反饋。針對上述短板，實驗課程改革的首要目標就是要實現學生個性化、自主化的學習，促使學生有效學習行為的產生[12]。

　　1. 課前布置任務

　　課前任務包含微課學習和課前測驗兩部分，要求學生在進入實驗課堂前完成。微課是教師針對實驗內容錄制的教學視頻，基于前文所述的“短、小、精、悍”等特點，微課視頻需控制在十分鐘以內，每個微課視頻是一個或幾個知識點的串聯。對實驗類的微課而言，一個完整的微課程應包含以下幾部分內容：(1)實驗背景和實驗目的。向學生介紹實驗背景可以加深學生對專業領域的了解，避免學生只懂理論不懂應用;向學生說明實驗目的可以幫助學生更好地把握此次實驗的重點，讓學生帶著思索和探究展開學習。(2)實驗原理。實驗原理包含理論課堂上講過的專業理論知識和學生未曾接觸過的實驗相關知識。以四探針法測量樣品電阻率和摻雜濃度實驗為例，學生在物理課程中學習過電阻率的概念和計算方法，在半導體工藝課程中學習過摻雜濃度的概念和計算方法，但是四探針測量電阻率的原理和方法并沒有哪門課程講過，摻雜濃度與電阻率和摻雜類型的關系學生也沒有深入思考過，這些都需要在實驗原理部分進行詳細的講解。(3)實驗儀器的使用方法。向學生講解實驗儀器的構造和原理可以幫助學生加深對實驗原理的理解，仍以四探針法測量樣品的電阻率和摻雜濃度實驗為例，通過解釋四根探針的排列位置和間距，可以引導學生進一步理解電阻率的推導過程以及四探針法的原理。同時需要向學生說明該實驗的重點、難點以及儀器操作過程中需要特別注意的地方，但盡量避免全程演示，以免削弱學生主動思考的積極性。(4)實驗拓展。實驗拓展的目的是引導學生學會通過查找文獻進一步探索該實驗。例如，在學生觀看完四探針法的微課視頻后，教師可以給學生留下兩個課前思考題：什么是薄層電阻?如何利用電阻率計算樣品的薄層電阻?

　　微課視頻在制作的過程中，可以添加動畫效果幫助學生理解一些較為晦澀的概念和原理，也可以生動展示出與專業內容相關的工藝步驟，加深學生對專業課程的認知能力。如圖 1 所示，在錄制干涉顯微鏡測量二氧化硅薄膜厚度實驗時，在微課中插入楔形臺階形狀的二氧化硅薄膜工藝制備流程視頻，相較于枯燥的文字知識，學生對真實的工藝流程視頻會更加感興趣。

　　在微課視頻制作完成后，教師可通過網絡平臺向學習者推送微課和課前測驗。基于微課學習時長較短的特點，學習者可以利用碎片化時間隨時隨地進行學習，對較難的知識點可以重復觀看。課前測驗是教師查漏補缺、檢查學生知識盲區和薄弱點的一種手段，不作為本次實驗的評分依據，因此課前測驗可以是匿名的，以便獲得學生對知識點掌握的真實數據。

　　2. 課堂實踐操作

　　課堂實踐操作是專業實驗課程的核心，包含課前測驗點評和儀器操作兩部分。課前測驗點評階段，教師根據測驗結果對學生知識點的盲區進行講解，部分同學存在疑惑或錯誤的地方可以組織大家進行討論，把師生互動轉換為生生互動，在討論過程中教師起到把握方向的作用，如果發現有概念性的錯誤，需及時糾正。相較于傳統課堂上的教師提問學生舉手回答而言，生生互動可以讓學生更加輕松、更加容易暢所欲言，尤其是對于性格內向的學生來說，這種方法更加容易全身心參與進課堂討論中。

　　儀器操作部分開始前教師可以將實驗的重點難點或容易發生錯誤的步驟作為思考題布置給學生，讓學生帶著問題在實驗操作和數據處理過程中尋找答案。以干涉顯微鏡測量二氧化硅薄膜厚度實驗的課堂為例，在儀 器操作前通過網絡平臺向學生推送本次實驗的思考題：(1)臺階處的干涉條紋為什么會發生彎曲?(2)如何消除空轉誤差?(3)為什么讀坐標時要使用綠光?(4)為什么十個彎曲度各不相等?學生在實驗完成后提交答案，教師根據答題結果可掌握此次實驗課程的薄弱環節，再次組織學生進行討論、操作或集中講解，以保證學生在本節課程結束前徹底掌握實驗原理和儀器操作。儀器操作部分結束后的問題收集和點評是將傳統實驗教學課后實驗報告的思考題放在了課堂上，解決了課后實驗教師見不到學生，無法針對共性問題給學生反饋的弊端。

　　3. 課后鞏固與提升

　　課后鞏固與提升包含兩個部分，分別為實驗報告撰寫和對實驗的探索與提升。實驗報告撰寫部分要求所有學生獨立完成，在實驗報告中對課堂上采集的實驗數據進行處理和誤差分析，實驗報告提交后教師可針對共性問題給學生推送講解文件和本次實驗的總結。實驗探索與提升部分為附加項，鼓勵學有余力的學生對本次實驗進行復盤分析，找出實驗過程中可改進的步驟，與實驗教師預約時間后進入實驗室進行驗證。對專業知識扎實且動手能力強的學生，可獨立設計創新實驗或科研實驗并申請儀器使用權限，申請成功后在專任教師的指導下完成實驗或參加競賽。這兩部分彌補了傳統實驗課堂課后無反饋的短板，讓學生在實驗課結束后不僅可以收到作業點評，還能獲得進一步探索的條件和機會。

　　4. 考核方法

　　傳統的實驗課堂中，實驗課程的考核成績分為課堂成績和課下成績，課堂成績是教師根據學生在課堂上的表現進行的主觀評價，占總成績的 40%，課下成績為學生實驗報告的書面成績和期末實驗能力測試，占總成績的 60%。翻轉課堂模式下的實驗課程考核包含形成性評價和總結性評價。形成性評價包含課堂討論、操作技能、思考題反饋三部分，所占權重分別為 15%、30%、15%;總結性評價包含實驗報告和期末實驗能力測試兩部分，所占權重分別為 15%和 25%。相較傳統實驗課堂而言，翻轉課堂的成績評定方法更加注重學習過程，弱化了書面成績，考核評價標準也更為嚴謹、客觀和全面。

　　(二)教學環境設計

　　微課是翻轉課堂的基礎，客戶端是翻轉課堂的載體。目前已有不少公司針對翻轉課堂開發出專用客戶端，但都存在較為繁瑣的注冊、客戶端打卡、廣告推送或收費等問題。相較而言，使用微信平臺既不用在手機上額外安裝 APP，也不用每次都要打開特定的 APP 進行學習，避免冗余的注冊、登錄等操作降低學生的學習意愿;教師和學生可以通過公眾號、微信群和朋友圈等多種途徑進行消息推送和互動。根據騰訊公布的數據， 2019 年第一季度微信的月活躍用戶數量達 11.12 億，在此基礎上，作者開課前對本專業大三的學生進行了統計，結果顯示本次授課對象擁有智能手機和使用微信的比例均為 100%。信息技術和教學融合是一個復雜的結構不良問題，為了提高教授者和學習者對信息技術的應用和接受能力，運用微信平臺開展翻轉課堂是一個非常有力的解決途徑[13-15]。

　　仍以干涉顯微鏡測量二氧化硅薄膜厚度實驗為例，在課前通過微信公眾號向授課對象推送本次實驗的微課視頻，并利用微信的問卷星小程序向學生推送匿名問卷，該程序可自動統計答題結果，哪道題錯誤率較高一目了然。從統計結果可以看出第一題和第六題的錯誤率較高，如圖 2 所示，分別有 30%和 32.5%的學生答錯，那么可以就此題在課堂上組織學生展開討論，共同得出正確結論。

　　四、實踐效果和思考

　　(一)實踐效果

　　我校微電子專業實驗室的 6 位教師共同承擔相關專業的實驗課程。受儀器設備數量限制，實驗室采用小組授課模式，每個實驗小組人數上限為 8 人，每學期實驗課程人時數約 16000 左右。這種授課模式下，教師需耗費大量時間和精力重復講述實驗原理和儀器使用方法，高強度的工作和重復勞動導致授課效果大打折扣。翻轉課堂的授課模式完美地彌補了傳統實驗課堂中的短板，課前的微課學習不再受時間地點和授課人數的限制，不僅可以實現資源共享，還可以將實驗教師從重復勞動中脫離出來，同時節約了課堂上的講解時間，有效增加了學生的課堂實操時間。

　　為全面了解學生對翻轉課堂的接受程度，本次課程結束后對學生進行了跟蹤調研，調研結果顯示學生對翻轉課堂的接受程度極高，反饋評價也都非常積極，反饋結果歸納如下：(1)微課視頻時間短，可以利用碎片化時間學習，反而覺得輕松有趣;(2)傳統課堂上通常沒有時間獨立思考和查找資料，微課視頻可以暫停，有充足的時間進行思考;(3)微課效率更高，不用聽教師針對基礎差的同學反復講解，浪費學習時間;(4)課前匿名問卷可以放心回答，不怕出現錯誤;(5)傳統課堂聽不懂的地方不好意思舉手問，翻轉課堂可以在匿名問卷中留言，也可以和同學討論;(6)課前問卷可以自檢學習成果，查漏補缺;(7)用課堂討論代替教師提問，課堂參與度更高;(8)課后的實驗報告可以得到反饋和講解，還可以利用微課進行復習和糾錯。

　　(二)待解決問題

　　受校園網流量限制，學生有時候需要自費購買流量觀看微課視頻，因此教師應該解決兩點問題：一是保證視頻小而精，既能充分利用學生的碎片時間，又能為學生節省流量;二是實驗室提供免費無線網，歡迎學生課上或者課下來實驗室上網觀看微課視頻或查閱資料，既為學生節約了流量，又能吸引學生經常來實驗室學習和探索，對提升學生的動手能力和創新能力都有積極作用。

　　五、結束語

　　本文針對微電子專業實驗教學過程存在的問題，提出基于微課的翻轉課堂教學模式并進行了實踐探究，結果顯示該模式存在以下優點：(1)將以教師為中心的實驗教學模式轉變為以學生為中心的實驗教學模式，學生心態從“要我學”轉變為“我要學”;(2)將信息技術與教學相融合，增強師生互動，實現更優的學習目標和教學效果;(3)改變考核方式，弱化結果強化過程，培養學生科學探究精神和創新能力。實驗教學的翻轉課堂順應了信息化時代學生的認知規律和學習方式，是傳統實驗教學的升級和轉型，如何在此基礎上進一步改進、反思和發展，還需教育研究者進行更加深入的研究和探索。