基于翻转课堂的微电子实验教学模式改革与实践
摘 要：针对微电子专业实验教学模式的现状和存在的问题，探索了基于微课的翻转课堂在专业实验教学体系的应用，阐述了翻转课堂教学模式的基本特点、教学活动设计、教学环境设计和考核方法，列举了专业实验课程中翻转课堂的应用实例。该教学模式对实验课堂进行了空间和时间上的延伸，将传统课堂上的“先教后学”转变为“先学后教”，学生心态从“要我学”转变为“我要学”，为实验教学的进一步发展提供了新思路。
娄永乐; 冯晓丽; 康海燕， 高教学刊 发表时间：2021-08-08 期刊
关键词：翻转课堂;微课;实验教学;教学改革
集成电路是我国进口金额最大的物品，75%以上的集成电路依赖进口，高端集成电路几乎 100%依赖进口。随着中美贸易摩擦的不断升级，集成电路再一次被推向贸易战争的风口，2019 年第一季度集成电路进口金额为 646.45 亿美金，是我国逆差最大的行业，远远高于石油、铁矿石等。《中国集成电路产业人才白皮书(2017- 2018)》显示，截至 2017 年底，我国集成电路产业现有人才存量约为 40 万人，人才缺口达 32 万人，李克强总理在 2018 年的政府工作报告中指出：加快制造强国建设，推动集成电路、第五代移动通信等产业发展。微电子专业实验是针对微电子科学与工程专业和集成电路设计与集成系统专业本科生的一门必修专业课程，是学生对专业知识进行内化和科学实验训练的重要基础，也是提高学生专业技能和接轨集成电路产业的必要环节。
随着信息化技术的快速发展，教学模式从传统的板书授课转变为多媒体授课，随着互联网技术的广泛应用，翻转课堂、MOOC 等依托互联网为传播媒介的教学模式应运而生[1-4]。翻转课堂的教学模式是教师通过互联网平台，在课前向学生推送知识点的讲解等信息[5-7]，学生自主规划学习时间和学习节奏，在课前完成自主学习，教学活动主体由教师变为了学生，教师不再占用大量的课堂时间讲授知识点，而是引导和协助学生完成课前的资料查找和课堂上的讨论，增强学生的课堂参与度。学生的学习时间从课堂上扩展到了课堂外，学习时间和学习方法更加灵活和主动。
为了不断提高集成电路人才的培养质量，高校教师需要不断改进和提升微电子专业实验课程的实验内容和授课方法，强化理论、实践、产业人才需求相结合的教学模式，提高学生的专业素养和实践能力[8]。
一、专业实验课程的教学现状和存在的问题
在传统的专业实验教学中，教师在课堂上先集中讲解实验原理和实验仪器的使用方法，再根据实验目的和实验内容引导学生思考和操作，有些较复杂的实验需要教师提前设计好实验操作步骤，学生按照步骤一步步地完成实验。在此教学过程中，不管是板书还是多媒体授课，其教学活动的主体均为教师，教学模式均为教师课堂授课，学生被动接受。这种教学模式下，课堂上每个学生接受的信息总量和授课时间是相同的，但每个学生对信息的吸收和内化所需时间不同，教师与学生的互动也比较片面，无法在课堂上了解到所有学生对知识的掌握程度，这就容易造成学生学习效果的差异性。
除此之外，在实验室的开放时间和实验课时的限制下，学生需要在有限的课堂时间中完成额定的实验内容，在实验原理讲解占用较多时间的情况下，留给学生深入思考和动手操作的时间非常紧张，学生无法充分发挥其主观能动性;受实验场地的限制，学生在课后很难再针对实验内容进行温故和探讨，遗忘速度非常快。传统教学模式下，实验教师与学生的交流只能依靠课堂互动和实验报告，并且很难避免实验报告的抄袭现象，导致实验教师无法对学生进行公正有效的评价。
二、微课和翻转课堂的特点
微课是以视频为载体，以知识点的讲解为主要内容的教学活动，其特点是“短、小、精、悍”。短是指微课视频的时长要短，学习者对视频课程的参与度拐点是 9 分钟左右，时长超过 12 分钟时，学习者的参与度明显降低;小是课程选题要小，视频课程要有较强的针对性和明确的主题;精是微课的核心，一方面内容设计要精良，除了围绕知识点展开讲解，还可以提出一些与知识点相关的问题，从而引起学习者的思考和探究，另一方面是微课制作要精良，教师发音清晰并配以字幕，图像比例适中，保证学习者能看清课件中的细节;悍是学习效果劲悍，学习者通过观看微课视频，能够快速有效地理解和掌握知识点。
翻转课堂是教师录制微课视频，并通过网络推送给学生，学生在课前完成微课视频的观看和思考，教师在课堂上组织和引导学生针对教学内容进行交流和讨论，并针对学生的掌握情况进行补充讲解，学生在课后完成一些拓展性的应用实践或小组作业，教师可以通过网络平台给予一定的指导。可以看出，翻转课堂借助微课和网络，从传统的以教为中心的教学转变成为以学为中心的教学。
三、专业实验课程的改革思路
教育学家约翰·杜威曾经说过：“如果我们用昨天的方式教今天的学生，等于扼杀了学生的明天。”随着科学技术的进步，构成教学活动的元素、主体以及需求都在发生改变，因此教师的教学设计和教学方法也要与时俱进、顺应时代的变迁，专业实验课程也需要改革并实施新的教学模式[9-11]。
(一)教学活动设计
教学过程通常分为三个阶段，分别是课前、课堂和课后。对于以教为中心的传统实验教学而言，课前阶段通常是学习者对实验内容进行预习的过程，在缺乏教师指导的情况下，学生既抓不住重点，又缺乏主动学习和思考的动力，因此许多学生敷衍了事或不预习直接上课;课堂阶段教师集中讲解实验原理和仪器使用方法，受实验课时限制，学生在实验课堂上无法进行深入思考和探索，只能机械模仿;课后阶段学生撰写实验报告，教师根据实验报告给出成绩，该次实验即为完成，学生无法温习，教师亦无法给出反馈。针对上述短板，实验课程改革的首要目标就是要实现学生个性化、自主化的学习，促使学生有效学习行为的产生[12]。
1. 课前布置任务
课前任务包含微课学习和课前测验两部分，要求学生在进入实验课堂前完成。微课是教师针对实验内容录制的教学视频，基于前文所述的“短、小、精、悍”等特点，微课视频需控制在十分钟以内，每个微课视频是一个或几个知识点的串联。对实验类的微课而言，一个完整的微课程应包含以下几部分内容：(1)实验背景和实验目的。向学生介绍实验背景可以加深学生对专业领域的了解，避免学生只懂理论不懂应用;向学生说明实验目的可以帮助学生更好地把握此次实验的重点，让学生带着思索和探究展开学习。(2)实验原理。实验原理包含理论课堂上讲过的专业理论知识和学生未曾接触过的实验相关知识。以四探针法测量样品电阻率和掺杂浓度实验为例，学生在物理课程中学习过电阻率的概念和计算方法，在半导体工艺课程中学习过掺杂浓度的概念和计算方法，但是四探针测量电阻率的原理和方法并没有哪门课程讲过，掺杂浓度与电阻率和掺杂类型的关系学生也没有深入思考过，这些都需要在实验原理部分进行详细的讲解。(3)实验仪器的使用方法。向学生讲解实验仪器的构造和原理可以帮助学生加深对实验原理的理解，仍以四探针法测量样品的电阻率和掺杂浓度实验为例，通过解释四根探针的排列位置和间距，可以引导学生进一步理解电阻率的推导过程以及四探针法的原理。同时需要向学生说明该实验的重点、难点以及仪器操作过程中需要特别注意的地方，但尽量避免全程演示，以免削弱学生主动思考的积极性。(4)实验拓展。实验拓展的目的是引导学生学会通过查找文献进一步探索该实验。例如，在学生观看完四探针法的微课视频后，教师可以给学生留下两个课前思考题：什么是薄层电阻?如何利用电阻率计算样品的薄层电阻?
微课视频在制作的过程中，可以添加动画效果帮助学生理解一些较为晦涩的概念和原理，也可以生动展示出与专业内容相关的工艺步骤，加深学生对专业课程的认知能力。如图 1 所示，在录制干涉显微镜测量二氧化硅薄膜厚度实验时，在微课中插入楔形台阶形状的二氧化硅薄膜工艺制备流程视频，相较于枯燥的文字知识，学生对真实的工艺流程视频会更加感兴趣。
在微课视频制作完成后，教师可通过网络平台向学习者推送微课和课前测验。基于微课学习时长较短的特点，学习者可以利用碎片化时间随时随地进行学习，对较难的知识点可以重复观看。课前测验是教师查漏补缺、检查学生知识盲区和薄弱点的一种手段，不作为本次实验的评分依据，因此课前测验可以是匿名的，以便获得学生对知识点掌握的真实数据。
2. 课堂实践操作
课堂实践操作是专业实验课程的核心，包含课前测验点评和仪器操作两部分。课前测验点评阶段，教师根据测验结果对学生知识点的盲区进行讲解，部分同学存在疑惑或错误的地方可以组织大家进行讨论，把师生互动转换为生生互动，在讨论过程中教师起到把握方向的作用，如果发现有概念性的错误，需及时纠正。相较于传统课堂上的教师提问学生举手回答而言，生生互动可以让学生更加轻松、更加容易畅所欲言，尤其是对于性格内向的学生来说，这种方法更加容易全身心参与进课堂讨论中。
仪器操作部分开始前教师可以将实验的重点难点或容易发生错误的步骤作为思考题布置给学生，让学生带着问题在实验操作和数据处理过程中寻找答案。以干涉显微镜测量二氧化硅薄膜厚度实验的课堂为例，在仪 器操作前通过网络平台向学生推送本次实验的思考题：(1)台阶处的干涉条纹为什么会发生弯曲?(2)如何消除空转误差?(3)为什么读坐标时要使用绿光?(4)为什么十个弯曲度各不相等?学生在实验完成后提交答案，教师根据答题结果可掌握此次实验课程的薄弱环节，再次组织学生进行讨论、操作或集中讲解，以保证学生在本节课程结束前彻底掌握实验原理和仪器操作。仪器操作部分结束后的问题收集和点评是将传统实验教学课后实验报告的思考题放在了课堂上，解决了课后实验教师见不到学生，无法针对共性问题给学生反馈的弊端。
3. 课后巩固与提升
课后巩固与提升包含两个部分，分别为实验报告撰写和对实验的探索与提升。实验报告撰写部分要求所有学生独立完成，在实验报告中对课堂上采集的实验数据进行处理和误差分析，实验报告提交后教师可针对共性问题给学生推送讲解文件和本次实验的总结。实验探索与提升部分为附加项，鼓励学有余力的学生对本次实验进行复盘分析，找出实验过程中可改进的步骤，与实验教师预约时间后进入实验室进行验证。对专业知识扎实且动手能力强的学生，可独立设计创新实验或科研实验并申请仪器使用权限，申请成功后在专任教师的指导下完成实验或参加竞赛。这两部分弥补了传统实验课堂课后无反馈的短板，让学生在实验课结束后不仅可以收到作业点评，还能获得进一步探索的条件和机会。
4. 考核方法
传统的实验课堂中，实验课程的考核成绩分为课堂成绩和课下成绩，课堂成绩是教师根据学生在课堂上的表现进行的主观评价，占总成绩的 40%，课下成绩为学生实验报告的书面成绩和期末实验能力测试，占总成绩的 60%。翻转课堂模式下的实验课程考核包含形成性评价和总结性评价。形成性评价包含课堂讨论、操作技能、思考题反馈三部分，所占权重分别为 15%、30%、15%;总结性评价包含实验报告和期末实验能力测试两部分，所占权重分别为 15%和 25%。相较传统实验课堂而言，翻转课堂的成绩评定方法更加注重学习过程，弱化了书面成绩，考核评价标准也更为严谨、客观和全面。
(二)教学环境设计
微课是翻转课堂的基础，客户端是翻转课堂的载体。目前已有不少公司针对翻转课堂开发出专用客户端，但都存在较为繁琐的注册、客户端打卡、广告推送或收费等问题。相较而言，使用微信平台既不用在手机上额外安装 APP，也不用每次都要打开特定的 APP 进行学习，避免冗余的注册、登录等操作降低学生的学习意愿;教师和学生可以通过公众号、微信群和朋友圈等多种途径进行消息推送和互动。根据腾讯公布的数据， 2019 年第一季度微信的月活跃用户数量达 11.12 亿，在此基础上，作者开课前对本专业大三的学生进行了统计，结果显示本次授课对象拥有智能手机和使用微信的比例均为 100%。信息技术和教学融合是一个复杂的结构不良问题，为了提高教授者和学习者对信息技术的应用和接受能力，运用微信平台开展翻转课堂是一个非常有力的解决途径[13-15]。
仍以干涉显微镜测量二氧化硅薄膜厚度实验为例，在课前通过微信公众号向授课对象推送本次实验的微课视频，并利用微信的问卷星小程序向学生推送匿名问卷，该程序可自动统计答题结果，哪道题错误率较高一目了然。从统计结果可以看出第一题和第六题的错误率较高，如图 2 所示，分别有 30%和 32.5%的学生答错，那么可以就此题在课堂上组织学生展开讨论，共同得出正确结论。
四、实践效果和思考
(一)实践效果
我校微电子专业实验室的 6 位教师共同承担相关专业的实验课程。受仪器设备数量限制，实验室采用小组授课模式，每个实验小组人数上限为 8 人，每学期实验课程人时数约 16000 左右。这种授课模式下，教师需耗费大量时间和精力重复讲述实验原理和仪器使用方法，高强度的工作和重复劳动导致授课效果大打折扣。翻转课堂的授课模式完美地弥补了传统实验课堂中的短板，课前的微课学习不再受时间地点和授课人数的限制，不仅可以实现资源共享，还可以将实验教师从重复劳动中脱离出来，同时节约了课堂上的讲解时间，有效增加了学生的课堂实操时间。
为全面了解学生对翻转课堂的接受程度，本次课程结束后对学生进行了跟踪调研，调研结果显示学生对翻转课堂的接受程度极高，反馈评价也都非常积极，反馈结果归纳如下：(1)微课视频时间短，可以利用碎片化时间学习，反而觉得轻松有趣;(2)传统课堂上通常没有时间独立思考和查找资料，微课视频可以暂停，有充足的时间进行思考;(3)微课效率更高，不用听教师针对基础差的同学反复讲解，浪费学习时间;(4)课前匿名问卷可以放心回答，不怕出现错误;(5)传统课堂听不懂的地方不好意思举手问，翻转课堂可以在匿名问卷中留言，也可以和同学讨论;(6)课前问卷可以自检学习成果，查漏补缺;(7)用课堂讨论代替教师提问，课堂参与度更高;(8)课后的实验报告可以得到反馈和讲解，还可以利用微课进行复习和纠错。
(二)待解决问题
受校园网流量限制，学生有时候需要自费购买流量观看微课视频，因此教师应该解决两点问题：一是保证视频小而精，既能充分利用学生的碎片时间，又能为学生节省流量;二是实验室提供免费无线网，欢迎学生课上或者课下来实验室上网观看微课视频或查阅资料，既为学生节约了流量，又能吸引学生经常来实验室学习和探索，对提升学生的动手能力和创新能力都有积极作用。
五、结束语
本文针对微电子专业实验教学过程存在的问题，提出基于微课的翻转课堂教学模式并进行了实践探究，结果显示该模式存在以下优点：(1)将以教师为中心的实验教学模式转变为以学生为中心的实验教学模式，学生心态从“要我学”转变为“我要学”;(2)将信息技术与教学相融合，增强师生互动，实现更优的学习目标和教学效果;(3)改变考核方式，弱化结果强化过程，培养学生科学探究精神和创新能力。实验教学的翻转课堂顺应了信息化时代学生的认知规律和学习方式，是传统实验教学的升级和转型，如何在此基础上进一步改进、反思和发展，还需教育研究者进行更加深入的研究和探索。