基于云班課翻轉(zhuǎn)課堂X射線衍射教學(xué)的設(shè)計(jì)

郭惠　周詩(shī)文

［摘 要］如今的教育背景要求教師改進(jìn)傳統(tǒng)單一的教學(xué)模式，幫助學(xué)生主動(dòng)地接受知識(shí)，完成知識(shí)內(nèi)化，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力與合作交流能力的提升。目前的教育更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生之間的交流合作，推動(dòng)信息技術(shù)進(jìn)入校園，與教育實(shí)踐相結(jié)合，成為目前教育改革的重要手段，云班課在課堂教學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用。X射線衍射實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)生的綜合素養(yǎng)要求較高，在具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生要掌握精密儀器的構(gòu)造原理和應(yīng)用范圍，完成實(shí)驗(yàn)操作，并分析處理實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)。基于云班課平臺(tái)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式在X射線衍射教學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了課程改革。文章系統(tǒng)地介紹了云班課和翻轉(zhuǎn)課堂的技術(shù)支持，分析基于云班課翻轉(zhuǎn)課堂深度學(xué)習(xí)教學(xué)新設(shè)計(jì)流程，更好地開展課程設(shè)計(jì)，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。

［關(guān)鍵詞］云班課；翻轉(zhuǎn)課堂；深度學(xué)習(xí)；X射線衍射

［中圖分類號(hào)］G642.0［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A［文章編號(hào)］2095-3437（2024）01-0078-04

X射線衍射是研究結(jié)晶物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物象的重要手段，在材料學(xué)、化學(xué)、礦物學(xué)、晶體學(xué)等相關(guān)研究中起到極為重要的作用。X射線衍射通過(guò)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析，選擇樣品的用量極少，只需要1毫米左右的晶體就能獲得樣品的三維信息，這也使得這一項(xiàng)技術(shù)手段得到廣泛的應(yīng)用。大學(xué)物理課程學(xué)到光的衍射時(shí)，講到X射線衍射這個(gè)物理現(xiàn)象時(shí)，有的學(xué)生不知道X射線是什么，學(xué)完單元內(nèi)容還是處于不了解的狀態(tài)。然而，在高校實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，大型儀器的成本較高，數(shù)量有限，即使有專業(yè)背景的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也只能通過(guò)教師的演示加以學(xué)習(xí)，很少有可以動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)。為此，大學(xué)物理課程如果能更好地完成這個(gè)抽象內(nèi)容的先導(dǎo)教學(xué)，利用云班課輔助X射線衍射實(shí)驗(yàn)深度學(xué)習(xí)，不僅能實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)，而且能促進(jìn)學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。

一、云班課翻轉(zhuǎn)課堂

（一）云班課

2017年，藍(lán)墨云班課3.0正式上線之后改名為云班課，解決了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)無(wú)法實(shí)現(xiàn)課堂互動(dòng)的問(wèn)題。云班課能實(shí)現(xiàn)課堂的互動(dòng)，采集師生的行為數(shù)據(jù)，在深度學(xué)習(xí)算法和大數(shù)據(jù)的支持下，運(yùn)用用戶畫像技術(shù)為每一位教師和學(xué)生進(jìn)行畫像，根據(jù)用戶畫像提出具體建議，讓教師和學(xué)生更清楚地認(rèn)識(shí)自己的優(yōu)勢(shì)和不足。通過(guò)具體的診斷，有助于教師完成個(gè)性化教學(xué)，充分借助教育大數(shù)據(jù)的智能操作實(shí)現(xiàn)因材施教[1]。云班課以學(xué)生成長(zhǎng)的三維模型為目標(biāo)，兼顧了課堂教學(xué)和線上教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，滿足了師生實(shí)時(shí)溝通交流的需求[2]。云班課主要包括五個(gè)板塊：資源管理模塊、成員管理模塊、活動(dòng)管理模塊[3]、消息管理模塊、詳情管理[4]，教師端和學(xué)生端各個(gè)板塊的功能如圖1所示。借助云班課可以完成教學(xué)資源的推送，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)，也能完成后續(xù)的教學(xué)管理與評(píng)價(jià)，讓學(xué)生利用碎片化時(shí)間完成自主學(xué)習(xí)[5]。對(duì)于重點(diǎn)內(nèi)容和難點(diǎn)內(nèi)容，學(xué)生可以反復(fù)學(xué)習(xí)，對(duì)于自己感興趣或者是有疑問(wèn)的板塊，也可以在學(xué)習(xí)過(guò)程中隨時(shí)提出問(wèn)題，和教師私聊，在教師的幫助下解答疑問(wèn)。

（二）翻轉(zhuǎn)課堂的發(fā)展

翻轉(zhuǎn)課堂以學(xué)生為主體，讓學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度觀看教師提供的教學(xué)視頻，并且能反復(fù)觀看，隨時(shí)暫停，在遇到自己無(wú)法解決的問(wèn)題時(shí)，可以和其他學(xué)生以及教師及時(shí)交流。翻轉(zhuǎn)課堂打破了傳統(tǒng)的教育方式，通過(guò)學(xué)生在課下學(xué)習(xí)，課上交流和完成作業(yè)、共同解決問(wèn)題，將時(shí)間還給學(xué)生，讓學(xué)生成為課堂的主人，是信息技術(shù)與教育融合的成功案例[6]。在“教”與“學(xué)”的過(guò)程中，翻轉(zhuǎn)課堂有助于學(xué)生思維、自主協(xié)作能力的進(jìn)一步提升[7]。

二、基于云班課翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的流程

基于云班課的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論和主體性教育理論為基礎(chǔ)，充分借助云班課的各項(xiàng)數(shù)字化資源，從學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律出發(fā)，讓所有學(xué)生參與到學(xué)習(xí)中來(lái)，無(wú)論是學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)還是小組合作學(xué)習(xí)，其最終目的都是激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力與合作交流能力?；谠瓢嗾n的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式如圖2所示[8]。學(xué)生通過(guò)云班課完成課程的學(xué)習(xí)，并完成自身知識(shí)架構(gòu)的構(gòu)建，提高學(xué)生的綜合能力。

在云班課教學(xué)平臺(tái)上，教師可以通過(guò)手機(jī)端或電腦端進(jìn)行訪問(wèn)，創(chuàng)建班課，并邀請(qǐng)學(xué)生加入其中，為整個(gè)教學(xué)課程設(shè)計(jì)提出不同階段的教學(xué)目標(biāo)，確定教學(xué)任務(wù)，選擇教學(xué)所用到的各種資源，然后推送到云課班的學(xué)生端[9]。教師通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)或小組合作交流，讓學(xué)生在課堂開始前了解自己沒(méi)有掌握的知識(shí)，讓教師了解學(xué)情，在課堂中有針對(duì)性地加以講解。評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)通過(guò)學(xué)生自評(píng)、小組互評(píng)、教師評(píng)價(jià)、平臺(tái)數(shù)據(jù)反饋等方式完成評(píng)價(jià)。

（一）課堂導(dǎo)入

在云班課教學(xué)平臺(tái)上，教學(xué)模式發(fā)生了顯著的改變。在課前，學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)，嚴(yán)格按照教師提供的學(xué)習(xí)任務(wù)，配合教學(xué)資料確定學(xué)習(xí)目標(biāo)，并自己擬定學(xué)習(xí)計(jì)劃，在遇到問(wèn)題時(shí)及時(shí)與教師、同學(xué)溝通交流，完成課前自主學(xué)習(xí)。在課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)，更多的是要提高學(xué)生的主觀能動(dòng)性，解放學(xué)生的個(gè)性，將學(xué)習(xí)的過(guò)程交還給學(xué)生，促進(jìn)學(xué)生在此過(guò)程中有積極的情感體驗(yàn)。

（二）合作交流

在教學(xué)中，以學(xué)生為中心，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況選擇小組合作的方式，并將小組分配方案發(fā)送到云班課平臺(tái)。學(xué)生可以查看具體的分組狀態(tài)，以小組為單位完成課程的學(xué)習(xí)。這種方式有助于促進(jìn)學(xué)生之間的溝通交流，也助于教師把控課堂節(jié)奏，適時(shí)地進(jìn)行點(diǎn)播，讓學(xué)生更好地理解課程知識(shí)。

（三）課后評(píng)價(jià)

課后的評(píng)價(jià)總結(jié)主要是在課程結(jié)束之后，教師對(duì)學(xué)生的課堂表現(xiàn)情況、知識(shí)掌握情況、合作交流情況進(jìn)行整體歸納，改變了傳統(tǒng)只能以成績(jī)作為學(xué)生評(píng)價(jià)的方式，更為關(guān)注學(xué)生的綜合能力。

三、基于云班課翻轉(zhuǎn)課堂的X射線衍射教學(xué)設(shè)計(jì)

X射線衍射教學(xué)過(guò)程中，教師引導(dǎo)學(xué)生線上提前了解精密儀器的資料和操作視頻，掌握大型精密儀器的應(yīng)用范圍、構(gòu)造和工作原理，并根據(jù)教師提供的資料，在課前導(dǎo)入階段自主完成這些知識(shí)的學(xué)習(xí)。通過(guò)小測(cè)驗(yàn)，確保學(xué)生掌握了基本的知識(shí)點(diǎn)之后，進(jìn)入師生實(shí)驗(yàn)室。學(xué)生觀看教師的演示實(shí)驗(yàn)，然后聽教師詳細(xì)講解。學(xué)生觀看儀器的操作視頻，對(duì)儀器有了初步的認(rèn)識(shí)后，了解實(shí)驗(yàn)的操作與運(yùn)行。教師遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室電腦運(yùn)行程序，還原數(shù)據(jù)，最終比對(duì)參數(shù)是否達(dá)到預(yù)期結(jié)果。具體教學(xué)示意如圖3所示。

（一）線上教學(xué)準(zhǔn)備

在線上教學(xué)準(zhǔn)備階段，教學(xué)時(shí)間和維護(hù)儀器的素材較為充足，教師要先做好后續(xù)的課程實(shí)踐準(zhǔn)備?？稍诠こ處煂?duì)儀器進(jìn)行拆解時(shí)做好攝像及攝像素材整理工作，以便將這些資料發(fā)送給學(xué)生，讓學(xué)生提前了解儀器的運(yùn)行過(guò)程。在日常操作與維護(hù)過(guò)程中，也要收集相關(guān)的材料，組織學(xué)生觀摩學(xué)習(xí)。加工及攝像素材整理相關(guān)的視頻、音頻和專家講解材料后，形成線上教學(xué)內(nèi)容發(fā)給學(xué)生，并考查學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。以單晶X射線衍射儀為例，在儀器正式安裝之前，教師做好攝像準(zhǔn)備，工程師安裝時(shí)會(huì)對(duì)儀器進(jìn)行詳細(xì)講解。儀器安裝完成之后，進(jìn)入運(yùn)行調(diào)試階段，教師記錄可能出現(xiàn)的問(wèn)題，例如晶體放置、晶體對(duì)心等。掌握了前期知識(shí)之后，師生正式進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行操作，盡可能用最短的時(shí)間得到最優(yōu)測(cè)量結(jié)果。在操作完成之后，做好相關(guān)數(shù)據(jù)的處理。教師一般通過(guò)錄屏的方式配以相應(yīng)的解說(shuō)，便于學(xué)生真實(shí)地感受操作過(guò)程，也能及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)線上教學(xué)素材的收集整理之后，學(xué)生可以隨時(shí)觀看這些視頻，了解具體操作。教師布置作業(yè)，考查學(xué)生對(duì)儀器結(jié)構(gòu)、操作流程和數(shù)據(jù)處理的掌握情況，判斷學(xué)生是否適合進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐操作。

（二）線下實(shí)物教學(xué)

線上教學(xué)完成后，學(xué)生對(duì)儀器的基本信息有了較好的掌握。教師可以通過(guò)分組的方式循環(huán)開展教學(xué)。在正式教學(xué)開始之前，教師要帶領(lǐng)學(xué)生回憶之前學(xué)習(xí)過(guò)的內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)在實(shí)踐操作中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，解決學(xué)生關(guān)注的難點(diǎn)。達(dá)到預(yù)期目標(biāo)之后，教師帶領(lǐng)學(xué)生開始實(shí)驗(yàn)，盡可能地節(jié)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間。例如對(duì)于單晶X射線衍射儀來(lái)說(shuō)，X光源是50kV高壓，X射線對(duì)人身體會(huì)有一定的影響，在儀器使用過(guò)程中，玻璃是防X射線輻射的鉛玻璃，儀器正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不能開關(guān)艙門，必須先按開關(guān)，之后才能打開樣品艙門，確定衍射點(diǎn)[10]。每組學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)之后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理，根據(jù)原始的數(shù)據(jù)及測(cè)試之后用來(lái)還原測(cè)試的圖分析數(shù)據(jù)，確定原始的衍射點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后還原得到晶體的原始數(shù)據(jù)，并借助專業(yè)軟件加以分析，了解分子晶體結(jié)構(gòu)知識(shí)。在晶體數(shù)據(jù)解析完成后，需要學(xué)生進(jìn)一步分析晶體結(jié)構(gòu)，通過(guò)參照相關(guān)文獻(xiàn)資料描述晶體，畫出晶體結(jié)構(gòu)圖等。

（三）考核

對(duì)于學(xué)習(xí)過(guò)程的考核，包括學(xué)生在線上和線下教學(xué)中的表現(xiàn)、實(shí)踐操作中儀器操作是否精準(zhǔn)、對(duì)數(shù)據(jù)處理的情況等，對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合性的評(píng)價(jià)。

（四）教學(xué)總結(jié)

學(xué)生在數(shù)據(jù)解析上具有較大的差異，有些學(xué)生無(wú)法正確解析晶體數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)課程學(xué)習(xí)之后，學(xué)生可以順利地解析普通小分子晶體，學(xué)習(xí)更有成就感，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式在實(shí)驗(yàn)之初就讓學(xué)生了解到課程的基礎(chǔ)知識(shí)，在實(shí)驗(yàn)之后融入相關(guān)內(nèi)容，更好地幫助學(xué)生完成課程理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。不過(guò)在實(shí)驗(yàn)完成之后，后續(xù)需要分析處理的數(shù)據(jù)量較大，學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)很難準(zhǔn)確操作，這是單元學(xué)習(xí)的挑戰(zhàn)。教師要注重對(duì)學(xué)生的引導(dǎo)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)完成之后迅速地處理相關(guān)數(shù)據(jù)，在課后進(jìn)一步鞏固相關(guān)知識(shí)。X射線衍射教學(xué)中，涉及儀器教學(xué)極為專業(yè)，學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)很難完全掌握正確的使用方法和數(shù)據(jù)分析，在課程完成之后，隨著時(shí)間的推移，學(xué)生可能會(huì)對(duì)操作細(xì)節(jié)有所遺忘，需要教師再次講解示范。

四、結(jié)語(yǔ)

信息技術(shù)在教育行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，云班課平臺(tái)是高效實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的重要技術(shù)支撐，為教育現(xiàn)代化的實(shí)現(xiàn)提供助力。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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［責(zé)任編輯：黃緊德］