翻转课堂教学改革研究
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摘要：探究对分课堂+翻转课堂混合式教学方法在生物医学超声技术中的应用效果。研究表明，实施对分课堂+翻转课堂的混合教学方法后，学生的成绩明显提高，其中优、良的占比分别从13%和25%上升到19%和36%，而不及格占比由11%下降到2%。此外，该方法还能培养团结协作意识，提高个人竞争力，促进全面发展。
关键词：对分课堂；翻转课堂；生物医学超声技术
对分课堂是复旦大学张学新教授提出的一种新的教学模式[1]，该教学方法包括讲授、独立学习、独立做作业、小组讨论和全班交流5个环节。虽然这5个环节是日常教学中常规的教学手段，但不同的结构安排就能实现不同的教学效果。对分课堂明确了开展各环节的出发点、要求和步骤，讲授环节采用精讲留白的方式，在宏观层面上告诉学生为何学、学什么和如何学，以激发学生学习兴趣为目的，着重展开知识框架和重、难点，并结合留白的艺术手段，使学生有时间去思考，而非传统的讲解。讲授环节还包括布置作业，理想的作业建议围绕梯度性、基本性和挑战性等7个特点开展，既要起到温习巩固课堂内容的目的，又要具有挑战性，让学生在内化阶段产生疑惑和问题。此外，提出“亮考帮”的理念，完成作业时总结学会了什么，有什么收获，还有什么疑惑之处，为之后的讨论环节做好铺垫。对分课堂最初的出发点是延迟讨论，希望学生利用较为充裕的课后时间来消化吸收上节课的内容，也就是说本次课堂讨论上次课堂的内容，该形式称为隔堂对分[2]，完整的隔堂对分流程见图1。小组讨论环节通常以4人为一个小组，进行15~25分钟的生生交流，组内充分分享各自的“亮考帮”，互帮互助、答疑解惑，并凝练小组最终的“亮考帮”结果。然后教师随机抽取3~4个小组学生代表发言，最后教师就学生的疑问和遗漏的知识点进行总结。由于有些课程内容相对简单，也可以利用课堂时间让学生完成自学过程，从而有了隔堂对分的简化版，称为当堂对分[3-4]。教学环节的结构安排不变，只是每个环节的时间被缩短。翻转课堂始于美国，翻译为“FlippedClassroom”或“InvertedClassroom”[5]。该教学方法真正进入大众视野是2007年，美国科罗拉多州的化学教师为给缺席的学生补课，使用视频软件录制PPT并配备相应的语音供学生学习，而课堂上主要进行问题辅导。伴随互联网的发展，翻转课堂逐渐在全球引发热议和深入研究。翻转课堂以“先学后教”和“学进去教别人”的理念开展自主式学习、探究式学习和合作式学习[6-7]。该教学方法依托网络教学平台，包括3个部分：课前导学、课堂活动和课后拓展，如图2所示。课前导学让学生利用课余时间学习与下次课堂内容相关的视频资源、网络资料、课本教参等，这些参考资料需要教师做相关的功课，尤其是录制与下次课堂内容相关的微视频，然后分享到学习平台，同时发布相关的作业和任务。学生在自学之后进行自测，从而发现自身的学习漏洞，总结未解决的疑问，待下次课堂解决。课堂活动以充分调动学生的学习主动性为出发点，围绕学生的疑问，灵活采用分组讨论或课堂展示等手段让学生相互学习和帮助。该环节教师是引导者，引导学生积极参与、主动思考。同时，还需有针对性地解答学生解决不了的难点问题，升华学习内容。最后的课后拓展环节的目的在于温习巩固课堂知识点，并做知识迁移和创新，从而提升学生的学习能力。该环节教师在网络平台布置任务，学生利用课余时间完成。
1对分课堂+翻转课堂的提出
对分课堂和翻转课堂均以调动学生自主学习、提高教学效果为目的，利用课余时间进行学习探索，在课堂进行答疑解惑。不同之处是对分课堂在课堂上讲授下次课堂需讨论的内容，且对课堂讨论的安排较为模式化；而翻转课堂采用微视频等方式让学生自学下次课堂内容，课堂活动未做明确规定，比较灵活，同时还需开展课后拓展。翻转课堂的教学方式会占用学生大量的课余时间，不仅要完成下次课程的自学和自测，还需要完成课后拓展任务。应用型本科医学院校的学生并不希望在课余时间被安排较多的学习任务，这意味着大部分学生无法完成翻转课堂安排的课后任务。为探究更适合应用型本科医学院校学生的教学方法，提出对分课堂+翻转课堂的混合教学模式，以取两者之长，避两者之短。该混合式教学方法以对分课堂的结构为基础，将翻转课堂课前导学的微视频等线上资料引入对分课堂的独立学习环节，丰富学生的学习资料，提供更多的学习途径。将翻转课堂展示环节灵活地插入对分课堂的全班交流环节，通过学会的学生去讲去教，让全体学生从不同角度思考和学习。
2对分课堂+翻转课堂的教学过程
对分课堂+翻转课堂的教学过程包括课堂讲授、课后内化和课堂活动。由于课后内化和课堂活动是以学生为主体的自学和互学环节，此处以生物医学超声技术课程的球形声场重建为例，详细阐述课堂讲授内容，主要分3个部分：为何学、学习框架、学习思路和布置作业。
2.1为何学
医学超声作为四大医学影像技术之一，被广泛应用到肝脏、甲状腺和乳房等疾病的检查，辅助疾病的及时发现和治疗。生物医学超声技术课程通过理论学习和实验实训结合的方式，学习医学超声发展、超声物理基础、压电材料和换能器分类以及换能器的声场重建模型相关内容，可以为今后的学习和工作做好铺垫。超声换能器的声场重建内容是本课程的重点内容之一，要求理解声场重建的数学模型，并利用工具去仿真分析声场的空间分布。
2.2学习框架（见图3）
如图3（a）所示，超声换能器声场分布的计算包括两个部分，首先计算换能器微元面积对空间上任意位置的声场贡献，然后通过积分运算求取整个换能器的声场分布。声场计算的数学模型中，较为复杂的是如何划分微元，如图3（b）所示，可以按两个步骤进行，第一步沿平行于换能器口径平面的方向切割，得到N个半径不同的圆盘，第二步将每个圆盘对应的球冠表面积区域划分为M个微矩形即可。
2.3学习思路
借鉴高等数学中微积分的概念，若要计算不规则曲线所包围的面积，则将该面积区域划分为无数个小矩形，通过叠加这些矩形面积计算出不规则曲线所包围的面积。三维坐标下的球形换能器示意图如图4所示，声场模型的建立首先计算球面上某个微元面积dS对空间上任意一点T的贡献，可以表示为[8]：dp（r′）=jpck2πu（R）exp（-（jk+α）｜R-r′｜）｜R-r′｜dS。其中ρ是换能器介质密度，c为超声波的声速，k指波数，u表示振动质点的振速，α是角度。通过球面面积的积分运算，可以得到最终球形换能器在空间上任意一点的声场分布为：p（r′）=jρck2πsu（R）exp（-（jk+α）｜R-r′｜）｜R-r′｜dS由于数值仿真是离散的，需要将第2个公式进行离散化处理，如下式：p（r′）=CΣnH（rn）△Sn。其中C=jρck2π，H（rn）=u（R）exp（-jk+α）｜rn｜｜rn｜，△Sn指第n个微元的面积。该数学模型的思路明确后，需要攻克的难题是如何划分球面微元和相应的计算过程。现给出球形换能器微元的示意图（见图5），经过两次切割之后，微元实际是由两个半径不同的圆环所包围的面积中的一个微矩形。需要注意的是，微矩形的长和宽均为弧长。课后作业共有5个题目，针对精讲中需要大家掌握的基本知识、留白问题和重点问题，请学生根据自己的兴趣和能力有选择性地以“亮考帮+悟”的形式完成本次课程的课后作业。除完成每个题目本身外，还要总结思考学会的知识点，在学习知识的同时感悟学习过程中思想精神层面的收获，比如勇于批判、团结互助等。
3成绩评价
为了准确评估对分课堂+翻转课堂在生物医学超声技术中的实施成效，综合成绩加入了参与性和个人能力的考评，同时利用层次分析法建立了更加科学的评价体系。层次分析法由美国运筹学家SaatyT.L.提出，是一种可解决多目标复杂问题的层次权重决策分析方法，适用于具有不确定性和主观性的事件分析，能够定量明确指标的相对重要性。成绩评定由两级评价指标组成（见图6），通过层次分析法可准确计算各级指标在成绩评定中所占权重。首先计算一级指标中的课堂表现、实验表现和考试成绩，通过两两的重要性比对得到如下的成对比较矩阵：X=11/21/5211/3531，通过计算该矩阵的各行平均值和归一化平均值，可以求取该矩阵的最大特征值λmax为3.006。由于成对比较矩阵的形成具有主观性，可能出现两两因素矛盾的情况，因此需要判断矩阵的一致性。只有符合一致性要求的矩阵才可以被接受，从而计算出相应指标的权重系数。若矩阵的随机一致性比率CR<0.1，则认为符合一致性判断指标，其计算公式如下：CR=λmax-t（t-1）RI，其中t为矩阵阶数，而平均随机一致性指标RI通过查表可知为0.58，因此计算出该矩阵的随机一致性比率为0.005，在可接受的一致性范围内，然后计算得到一级指标的权重分别为0.12、0.24和0.64。同样的，通过两两的重要性比对可得到二级指标的成对比较矩阵分别为：X1=121/21/211/3231、X2=11/323131/21/31、X3=11/31/231321/31。按照上述计算过程，分别得到相应的二级指标的成对比较矩阵的随机一致性比率分别为0.012、0.053、0.053，均符合一致性评判标准。进而得到关于课堂表现的二级指标权重分别为0.31、0.16和0.53，关于实验表现的二级指标权重分别为0.27、0.58和0.15，关于考试成绩的二级指标权重分别为0.15、0.58和0.27。最后，根据上述分析，可计算出各二级指标的总权重（见表1）。表1显示，期末考试占比最高，为37.12%；然后是期中考试和实操能力，分别占比17.28%和13.92%；而积极主动性和分析问题能力所占比例相对较少。从各指标权重可以看出，该成绩评价体系一方面延续传统评价标准中期末考试的重要地位，另一方面也丰富了成绩评价，实现更准确、更全面的评价。
4对分课堂+翻转课堂教学的优势和劣势
4.1优势
4.1.1学习成绩的提高。本文采用优、良、中、及格和不及格来评价学生的综合成绩，对应的分数段分别为≥90分、80~89分、70~79分、60~69分和60分。实施对分课堂+翻转课堂的混合式教学方法后，无论用传统的成绩评定方法还是针对该混合教学模式提出的成绩评价方法，本班学生的成绩都明显提高。基于层次分析法的成绩评定方法结果表明，优、良的占比分别从13%和25%上升到19%和36%，而不及格占比由11%下降到2%。学习成绩是教学效果十分重要的评价指标，该结果表明了对分课堂+翻转课堂在一定程度上可以实现有针对性的、有深度的有效教学。4.1.2个人能力的提高。针对对分课堂+翻转课堂教学模式对个人能力的培养问题，对本班学生进行了课后访谈。反馈结果表明，通过完成开放式的、具有挑战性的课后任务，可以学习不同的资料检索方法，拓展学习途径，同时学习到如何过滤庞大的数据，筛查与研究课题相关的内容。同时，以“亮考帮”形式独立完成作业，有利于帮助学生厘清学习收获和疑惑，加深其对知识点的认识。另外，以分组讨论的形式互帮互助，让学生能从与其他学生的交流中再次审视自我，做到查漏补缺。这些过程培养了学生独立思考、分析问题和解决问题的能力，提升了学生的个人竞争力。4.1.3其他方面的提高。对分课堂+翻转课堂的教学模式充分利用了数字时代学生的特质，灵活利用网络资料，丰富学习内容，有利于提高学生的学习兴趣。另外，现今大学生团结合作的意识薄弱，而对分课堂+翻转课堂的教学模式有助于培养互帮互助的合作精神。同时，可以营造活跃的、良好的学习氛围，对于自控力较差的学生起到了良性作用。
4.2劣势
对分课堂+翻转课堂的混合教学模式对教师的个人能力要求较高，不仅要求具备专业知识，还要求了解学情、收集反馈、合理规划内容等，需要抽出一定的时间投入实践，以得到能力上的提升。同时，对学生的自觉性和自主学习能力要求较高，对于学习热情不高的学生来说，并不愿意在课后花太多时间在学习上，这可能导致班上两极分化严重。此外，该教学方法比较适合小班教学，对于大班教学不太适用。
作者:伍秀玭 李晓欧 司博宇 涂华婷 伍雯 单位:上海健康医学院医疗器械学院重庆大学药学院
