【在线教学案例分享】电路原理小班完全翻转课堂在线教学案例
电机系 电路原理教学组 朱桂萍一、课堂基本情况
电路原理课程是电类各专业本科必修的第一门工程类核心课，属于“量大面广”的硬课。课程的具体情况请参见《电路原理课程在线教学案例》（链接附于文末）。本案例主要介绍电路原理小班完全翻转课堂的在线实施方法。
清华大学电路原理教学组从2013年春季学期开始实施小班完全翻转课堂。与传统的大班课堂相比，小班完全翻转课堂在各个环节的区别如下表所示。
表1 电路原理小班完全翻转课堂与大班课堂的对比
二、教学常态下小班完全翻转课堂的实施情况
2.1 小班完全翻转课堂的教学设计
相对于大班部分翻转和小规模的轻量级翻转（参见《电路原理课程在线教学案例》一文），小规模的完全翻转在传统教学模式上需要进行的改动最大，需要从教学环境、教学方法和教学内容上进行特别的设计，才能保证良好的教学效果。
完全翻转课堂的教学环境设计，一要采用便于进行小组讨论的桌椅摆放方式；二要配备足够多的板书空间，黑板或白板均可，便于多组学生同时进行习题演算和讨论；第三最好能保证可靠的无线网络链接，便于利用雨课堂等教学工具获得实时的教学反馈。
完全翻转课堂的教学方法也要进行深入考虑。很多老师在传统教学模式中采用的教学方法也可以在翻转课堂中使用，比如基于问题的学习（Problem Based Learning, PBL）、基于项目的学习（Project Based Learning, PBL）、基于产出的教育（Outcome Based Education, OBE）、提问式教学等。但在采用这些教学方法时，需要针对翻转课堂的特点进行精心设计，设计时建议遵循以下三个原则：
（1）突出以学生为中心，因为学生进入课堂之前不再是一张白纸，他们已经通过课前的线上学习，对大部分理论知识点都已经有所了解甚至已经基本掌握，所以课堂讨论必须以学生为中心，重点讨论解决其疑难问题，教师不必也不能再追求教学过程的内在逻辑性和知识体系的完整性，而是要追求通过讨论，帮助学生自主发现知识点之间的内在联系，并能建立起正确而完整的知识体系。这个过程体现的是一种“建构主义”的学习方法。
（2）强调小组合作。考虑到大多数中国学生不太敢于或不太愿意在公共场合发表个人意见的特点，课堂讨论很容易陷入“冷场”，而这恰恰是体现翻转课堂核心价值之所在。因此在课堂内鼓励学生进行小组合作，对于别的同学提出的问题或老师给出的习题先在小组内进行讨论，然后推选出一个代表来回答，这样学生的心理压力就会小很多，即使回答错了也不会觉得太尴尬，进而影响以后的发言积极性。
（3）给予充分时间讨论，鼓励挑战权威，鼓励创新。在传统授课模式下，学生的创新性思维和研究性学习能力没有得到充分的培养，一个重要的原因就是学时不够，老师要在有限的学时内完成教学任务，只能在课堂时间内赶进度、满堂灌，学生根本没有时间没有机会去表达自己的想法。而在翻转课堂教学模式下课堂上有充分的时间可以展开讨论，对于一些定理定律，鼓励学生追根溯源，了解其提出背景，鼓励和引导学生创新性地将这些经典理论应用到学科或产业的前沿领域，解决新的技术问题。
教学内容的分割和设计是成功实施翻转课堂教学的关键。教师要精心对所有教学内容进行分割，确定哪些内容是要求学生在课前进行自学的，哪些是要在课堂上进行讨论的，哪些是要在课后通过练习进一步提高的。内容分割既要夯实基础，又要有难度进阶，让学生在学习过程中既要感受到挑战，又要经常有成就感，才能使其在一学期的学习过程中始终保持饱满的学习热情，并真正有所收获。
2.2常态教学环境下小班完全翻转课堂实践
清华大学电路原理教学组自2013年春季学期开始进行翻转课堂教学实践，到2019年春季学期为止已经完成了11个学期的小班完全翻转课堂教学，得到了同学们的普遍认可，并且将这种教学模式向国内30多所高校进行了推广，产生了广泛而积极的影响。
小班完全翻转课堂教学的线上学习依托教学组2013年自己录制的“电路原理”MOOC课程[5]，其中包含了99讲、240个、总计时长约22.5小时的视频，198道讲间练习题和109道综合练习题，内容包括电阻电路、动态稳态的暂态分析和正弦稳态分析三大部分，完全能够满足课前学习的需要。
在具体教学过程中，课前会给学生发送一份 “课前安排”，内容包括观看MOOC平台的视频，完成相关练习以及阅读教材的相关章节、难度相对低一点的2-3道相应的练习题以及基于便携式实验设备完成的验证型实验内容等。视教学需要还会在部分章节发送一些补充阅读材料。学生两人一组完成实验，需要自己设计实验方案、选择元器件参数，并搭建具体电路进行测试。
课堂讨论内容主要包括三部分：课前学习过程这遇到的问题，难度较高的练习或基本理论的工程应用，实验方案讨论或实验结果检查。课堂讨论以学生为中心展开。图1是课堂习题讨论和实验讨论的实际情景。
图1 电路原理翻转课堂课内讨论情景
课后学生要完成的考核性内容包括：笔头作业和研究型实验。笔头作业通常每周8道题左右。研究型实验是小班翻转课堂教学的难点和亮点。传统教学模式下电路原理实验是独立于理论课的一门课程，跨春秋两个学期，实验数量分别为5个（春季学期）+ 4个（秋季学期）。实验内容及完成过程有明确的实验指示书，基于分立器件完成。这种模式下的实验基本多为验证性实验，挑战性低，也不易开发新的实验，对理论学习的帮助不大。翻转课堂教学模式下实验与理论学习有机融合，基于便携式实验设备和虚拟仪器技术，教师可以根据理论教学的进展同步布置实验任务，既有验证型的也有研究性的，不仅实验数量大大增加（春季学期15个+秋季学期8个），研究型实验也占到了40%以上。这种安排给了学生极大的挑战，通过课堂讨论、小组合作等形式完成实验任务后，学生会有非常大的成就感，学习兴趣也油然而生。而且，利用便携式实验设备，学生还可以随时将自己脑海中灵光一现的一些想法及时加以验证，为锻炼创新性思维提供了良好的物质基础。
2.3 智慧实验平台
关于翻转课堂中使用的便携式实验设备，六年来从最初的单机版发展到现在的基于雨课堂的智慧实验平台——“雷实验”，如图2所示。基于雷实验平台的智慧实验流程如图3所示。
图2 雷实验设备外观
图3 电路原理智慧实验系统功能与流程
电路原理智慧实验系统是移动互联技术、虚拟仪器技术、电子技术深度结合的产物，它具有以下几个突出特点：
（1）实验不再受时间、空间限制
雷实验设备如图2所示，大小约为23.5×19×3.3cm，通过USB连接线与电脑相连后，可以输出±5 V和±12 V直流电源，有2路模拟输入、2路模拟输出、8路数字输入/输出，最大采样率可达100Mbps，输出最大功率为500mW，可以满足绝大多数电子实验的需求。学生可以在各种场所进行实验，有移动网络信号的地方就可以把实验过程中得到的结果上传，没有信号时也可以先单机实验，保存实验结果，待有信号再上传。
（2）线上线下充分结合
线上线下的充分结合，一方面有效保证了实验过程和实验结果的真实性，另一方面便于教师进行管理——这是电路原理智慧实验系统与单机版“口袋实验室”的最大区别。学生在“雨课堂”微信公众号中收到教师布置的新实验通知后，需要用自己的微信登录，然后才能在智慧实验系统中进行实验。实验所需的仿真软件是完全内置的，实物电路需要多角度拍照上传，系统可获取硬件设备的序列号，与波形对应的真实数据同步上传，这些措施都有效保证了实验过程和实验结果的真实性。教师通过“雨课堂”可以随时查询学生的实验状态，便于及时提醒和管理。目前市场上很多种单机版的“口袋实验室”虽然也给学生提供了比较方便的实验平台，有些已经考虑到与MOOC教育相结合，但教师对学生在课外的实验情况基本无法掌握，相应地，实验过程和实验结果的真实性也无从保证。
（3）自动生成实验报告
电路原理智慧实验系统通过流程设计，形成了一个清晰、简洁、全面的实验报告模板，学生只需根据提示在每一个实验步骤中将相应的内容（如仿真电路、仿真结果、实验结果及其与仿真结果的对比等）截屏或拍照上传，在结束实验时智慧实验系统就会自动生成实验报告。与实验相关的其它内容也可以以附件形式上传，最终将一并加入实验报告，在保证实验报告规范化的同时也为个性化研究预留了空间。
（4）实验报告可线上、线下批阅
对于实验报告，教师可以直接在手机端或实验平台配套的软件中进行线上批阅，也可以在雨课堂的网页版下载后进行线下批阅，兼顾了不同年龄段教师的工作习惯。
为公平起见，采用翻转课堂教学模式的学生在期中期末都需要与年级其他同学同时同卷考试，2013-2016的数据表明，参加翻转课堂教学模式的同学其卷面平均成绩比采用传统教学模式的平行班大约高出8-10分，取得了预期的教学效果。
小班翻转课堂实施6年来获得了学生的普遍认可。主讲教师在2013、2015、2017年春季学期的教学评估中都进入了全校前5%。学生反映相比传统教学，这种线上与线下、理论与实验相结合的混合式学习方式获得的知识“印象更深刻”“自己思考得更多”“对知识点的理解更到位”“对解决实际工程问题更有帮助，思路更开阔”“通过实验验证，对知识点的理解更透彻”。在教学组2016、2018、2019年获得的清华大学教学成果特等奖、北京市教学成果一等奖、清华大学教学成果一等奖中，小班完全翻转课堂都是主要成果之一。
三、在线教学环境下小班完全翻转课堂的实施与调整
鉴于在2019年秋季学期已经完成了小班完全翻转课堂学生的报名和选拔工作，以及多年来小班完全翻转课堂的突出成效，2020年春季学期疫情期间电路原理教学组以及教师本人不想因为疫情而放弃这种教学模式，于是从实验设备、教学平台等多个方面积极应对，到目前为止基本在在线教学环境下较好地实施了小班完全翻转课堂教学。
3.1 增加实验设备，加强实验辅导
常态教学环境下，为了减轻学生的学习压力，实验室2人一组合作完成的。在线教学环境下，异地、分散的同学之间无法共用一台设备。为了保证课程教学质量，保证每个同学都能有真刀真枪做实验的机会，教学组紧急购置了12台设备，并在开学前快递到学生手中，为开学后的正常教学做好了准备。
为了帮助学生尽快熟悉实验设备，增加了多种不同形式的实验辅导：
（1）开学第一节课专门对实验设备的使用进行了讲解；
（2）邀请厂家技术代表加入班级微信群，及时回答同学们提出的各种跟硬件有关的问题；
（3）助教及时整理同学们在班级微信群中提出的各种跟实验有关的问题，并进行分门别类的整理，定期更新Q&A；
（4）让同学们跟常态教学环境下一样找好搭档，鼓励搭档之间通过视频会议等进行讨论。
通过上述手段，同学们基本上都比较顺利地完成了课程布置的实验任务。开学至今6周，同学们已经完成了6个实验，提交了4次实验报告，完成情况基本与常态教学环境下的情况相当。
3.2 利用视频会议系统进行视频交互
小班完全翻转课堂的主要特色之一就是课堂上师生之间的充分讨论。在线教学环境下我们希望继续保持这一特色，因此采用了视频会议系统（腾讯会议）+雨课堂的形式进行授课。腾讯会议相当于创造了一个云上教室，师生之间可以像在传统线下教室一样进行讨论，甚至在仿真结果展示方面比线下课堂还要清晰、方便。雨课堂则继续发挥课堂答题、弹幕、投稿等以及教学全过程的数据自动采集功能，为后续教学分析提高可靠的、充分的数据基础。
四、总结
在线教学环境下，小班完全翻转课堂的教学本质上仍然是一种混合式教学，各环节与常态教学环境下的对比如表2所示。
表2 小班完全翻转课堂在两种教学环境下的实施对比
由表2可以看出，在线教学环境下除了课堂讨论方式以及课后作业提交方式由线下转为线上以外，其他所有环节与常态教学环境下完全一致，有力保证了在线教学与传统教学的同质等效。
在线教学进行4周后，教学组进行了一次基于问卷星的问卷调查，主要反馈结果如图4-图8所示。
图4 对雨课堂各项功能的帮助作用的看法（说明：小班完全翻转课堂未采用雨课堂直播形式）
图5 对课堂练习题数量多少为合适的看法
图6 平均每个实验花的时间
图7 “在线教学相比传统教学的优势”词云
图8 几个质性评价指标（满分10分）
反馈结果表明，到目前为止，学生对小班完全翻转课堂在线教学的满意度较高，符合师生预期。后续将基于雨课堂数据反映出的个别学生存在的学习困难，进行有针对性的辅导，进一步提高小班完全翻转课堂的在线教学效果。
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（《电路原理课程在线教学案例》链接：
http://news.tsinghua.edu.cn/publish/thunews/12562/2020/20200330145606457614023/20200330145606457614023_.html）
（清华新闻网4月1日电）
编辑：李晨晖
审核：程曦
2020年04月01日 16:40:05 清华新闻网
