基于云班課翻轉課堂X射線衍射教學的設計

郭惠　周詩文

［摘 要］如今的教育背景要求教師改進傳統單一的教學模式，幫助學生主動地接受知識，完成知識內化，促進學生創新能力與合作交流能力的提升。目前的教育更加強調學生之間的交流合作，推動信息技術進入校園，與教育實踐相結合，成為目前教育改革的重要手段，云班課在課堂教學中得到了廣泛的應用。X射線衍射實驗對于學生的綜合素養要求較高，在具體的實驗過程中，學生要掌握精密儀器的構造原理和應用范圍，完成實驗操作，并分析處理實驗獲得的數據?；谠瓢嗾n平臺的翻轉課堂教學模式在X射線衍射教學中得到了廣泛的應用，進一步實現了課程改革。文章系統地介紹了云班課和翻轉課堂的技術支持，分析基于云班課翻轉課堂深度學習教學新設計流程，更好地開展課程設計，促進學生深度學習。

［關鍵詞］云班課；翻轉課堂；深度學習；X射線衍射

［中圖分類號］G642.0［文獻標識碼］A［文章編號］2095-3437（2024）01-0078-04

X射線衍射是研究結晶物質結構和物象的重要手段，在材料學、化學、礦物學、晶體學等相關研究中起到極為重要的作用。X射線衍射通過物質結構的分析，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，這也使得這一項技術手段得到廣泛的應用。大學物理課程學到光的衍射時，講到X射線衍射這個物理現象時，有的學生不知道X射線是什么，學完單元內容還是處于不了解的狀態。然而，在高校實際教學過程中，大型儀器的成本較高，數量有限，即使有專業背景的學生在實驗過程中也只能通過教師的演示加以學習，很少有可以動手實踐的機會。為此，大學物理課程如果能更好地完成這個抽象內容的先導教學，利用云班課輔助X射線衍射實驗深度學習，不僅能實現課程目標，而且能促進學生后續課程的學習，激發學生學習的熱情。

一、云班課翻轉課堂

（一）云班課

2017年，藍墨云班課3.0正式上線之后改名為云班課，解決了網絡教學平臺無法實現課堂互動的問題。云班課能實現課堂的互動，采集師生的行為數據，在深度學習算法和大數據的支持下，運用用戶畫像技術為每一位教師和學生進行畫像，根據用戶畫像提出具體建議，讓教師和學生更清楚地認識自己的優勢和不足。通過具體的診斷，有助于教師完成個性化教學，充分借助教育大數據的智能操作實現因材施教[1]。云班課以學生成長的三維模型為目標，兼顧了課堂教學和線上教學的優勢，滿足了師生實時溝通交流的需求[2]。云班課主要包括五個板塊：資源管理模塊、成員管理模塊、活動管理模塊[3]、消息管理模塊、詳情管理[4]，教師端和學生端各個板塊的功能如圖1所示。借助云班課可以完成教學資源的推送，實現課堂教學，也能完成后續的教學管理與評價，讓學生利用碎片化時間完成自主學習[5]。對于重點內容和難點內容，學生可以反復學習，對于自己感興趣或者是有疑問的板塊，也可以在學習過程中隨時提出問題，和教師私聊，在教師的幫助下解答疑問。

（二）翻轉課堂的發展

翻轉課堂以學生為主體，讓學生根據自己的學習進度觀看教師提供的教學視頻，并且能反復觀看，隨時暫停，在遇到自己無法解決的問題時，可以和其他學生以及教師及時交流。翻轉課堂打破了傳統的教育方式，通過學生在課下學習，課上交流和完成作業、共同解決問題，將時間還給學生，讓學生成為課堂的主人，是信息技術與教育融合的成功案例[6]。在“教”與“學”的過程中，翻轉課堂有助于學生思維、自主協作能力的進一步提升[7]。

二、基于云班課翻轉課堂教學的流程

基于云班課的翻轉課堂教學模式以建構主義學習理論和主體性教育理論為基礎，充分借助云班課的各項數字化資源，從學生的認知規律出發，讓所有學生參與到學習中來，無論是學生獨立學習還是小組合作學習，其最終目的都是激發學生的主觀能動性，提高學生的創新能力與合作交流能力?；谠瓢嗾n的翻轉課堂教學模式如圖2所示[8]。學生通過云班課完成課程的學習，并完成自身知識架構的構建，提高學生的綜合能力。

在云班課教學平臺上，教師可以通過手機端或電腦端進行訪問，創建班課，并邀請學生加入其中，為整個教學課程設計提出不同階段的教學目標，確定教學任務，選擇教學所用到的各種資源，然后推送到云課班的學生端[9]。教師通過引導學生自主學習或小組合作交流，讓學生在課堂開始前了解自己沒有掌握的知識，讓教師了解學情，在課堂中有針對性地加以講解。評價環節通過學生自評、小組互評、教師評價、平臺數據反饋等方式完成評價。

（一）課堂導入

在云班課教學平臺上，教學模式發生了顯著的改變。在課前，學生通過自主學習，嚴格按照教師提供的學習任務，配合教學資料確定學習目標，并自己擬定學習計劃，在遇到問題時及時與教師、同學溝通交流，完成課前自主學習。在課堂導入環節，更多的是要提高學生的主觀能動性，解放學生的個性，將學習的過程交還給學生，促進學生在此過程中有積極的情感體驗。

（二）合作交流

在教學中，以學生為中心，根據學生的實際情況選擇小組合作的方式，并將小組分配方案發送到云班課平臺。學生可以查看具體的分組狀態，以小組為單位完成課程的學習。這種方式有助于促進學生之間的溝通交流，也助于教師把控課堂節奏，適時地進行點播，讓學生更好地理解課程知識。

（三）課后評價

課后的評價總結主要是在課程結束之后，教師對學生的課堂表現情況、知識掌握情況、合作交流情況進行整體歸納，改變了傳統只能以成績作為學生評價的方式，更為關注學生的綜合能力。

三、基于云班課翻轉課堂的X射線衍射教學設計

X射線衍射教學過程中，教師引導學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用范圍、構造和工作原理，并根據教師提供的資料，在課前導入階段自主完成這些知識的學習。通過小測驗，確保學生掌握了基本的知識點之后，進入師生實驗室。學生觀看教師的演示實驗，然后聽教師詳細講解。學生觀看儀器的操作視頻，對儀器有了初步的認識后，了解實驗的操作與運行。教師遠程控制實驗室電腦運行程序，還原數據，最終比對參數是否達到預期結果。具體教學示意如圖3所示。

（一）線上教學準備

在線上教學準備階段，教學時間和維護儀器的素材較為充足，教師要先做好后續的課程實踐準備?？稍诠こ處煂x器進行拆解時做好攝像及攝像素材整理工作，以便將這些資料發送給學生，讓學生提前了解儀器的運行過程。在日常操作與維護過程中，也要收集相關的材料，組織學生觀摩學習。加工及攝像素材整理相關的視頻、音頻和專家講解材料后，形成線上教學內容發給學生，并考查學生的學習情況。以單晶X射線衍射儀為例，在儀器正式安裝之前，教師做好攝像準備，工程師安裝時會對儀器進行詳細講解。儀器安裝完成之后，進入運行調試階段，教師記錄可能出現的問題，例如晶體放置、晶體對心等。掌握了前期知識之后，師生正式進入實驗室內進行操作，盡可能用最短的時間得到最優測量結果。在操作完成之后，做好相關數據的處理。教師一般通過錄屏的方式配以相應的解說，便于學生真實地感受操作過程，也能及時發現存在的問題。經過線上教學素材的收集整理之后，學生可以隨時觀看這些視頻，了解具體操作。教師布置作業，考查學生對儀器結構、操作流程和數據處理的掌握情況，判斷學生是否適合進入實驗室實踐操作。

（二）線下實物教學

線上教學完成后，學生對儀器的基本信息有了較好的掌握。教師可以通過分組的方式循環開展教學。在正式教學開始之前，教師要帶領學生回憶之前學習過的內容，強調在實踐操作中可能出現的問題，解決學生關注的難點。達到預期目標之后，教師帶領學生開始實驗，盡可能地節約實驗時間。例如對于單晶X射線衍射儀來說，X光源是50kV高壓，X射線對人身體會有一定的影響，在儀器使用過程中，玻璃是防X射線輻射的鉛玻璃，儀器正常運轉過程中不能開關艙門，必須先按開關，之后才能打開樣品艙門，確定衍射點[10]。每組學生完成實驗之后，需要對數據進行后期處理，根據原始的數據及測試之后用來還原測試的圖分析數據，確定原始的衍射點數據，然后還原得到晶體的原始數據，并借助專業軟件加以分析，了解分子晶體結構知識。在晶體數據解析完成后，需要學生進一步分析晶體結構，通過參照相關文獻資料描述晶體，畫出晶體結構圖等。

（三）考核

對于學習過程的考核，包括學生在線上和線下教學中的表現、實踐操作中儀器操作是否精準、對數據處理的情況等，對學生進行綜合性的評價。

（四）教學總結

學生在數據解析上具有較大的差異，有些學生無法正確解析晶體數據。經過課程學習之后，學生可以順利地解析普通小分子晶體，學習更有成就感，從而激發學生學習的熱情。翻轉課堂的教學模式在實驗之初就讓學生了解到課程的基礎知識，在實驗之后融入相關內容，更好地幫助學生完成課程理論知識的學習。不過在實驗完成之后，后續需要分析處理的數據量較大，學生在短時間內很難準確操作，這是單元學習的挑戰。教師要注重對學生的引導，讓學生在實驗完成之后迅速地處理相關數據，在課后進一步鞏固相關知識。X射線衍射教學中，涉及儀器教學極為專業，學生在有限的時間內很難完全掌握正確的使用方法和數據分析，在課程完成之后，隨著時間的推移，學生可能會對操作細節有所遺忘，需要教師再次講解示范。

四、結語

信息技術在教育行業得到了廣泛的應用，云班課平臺是高效實施翻轉課堂教學模式的重要技術支撐，為教育現代化的實現提供助力。

［ 參 考 文 獻 ］

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[3] 楊庭威，曹丹平，杜南樵，等.基于深度學習的接收函數橫波速度預測[J].地球物理學報，2022，65（1）：214-226.

[4] 嚴衛，錢振江，周立凡，等.深度學習下大學生自主學習模式研究與探索：基于藍墨云班課平臺的實踐[J].電腦知識與技術，2021，17（10）：173-175.

[5] 王革，李亮.X射線成像和深度學習的交叉融合[J].CT理論與應用研究，2022，31（1）：1-12.

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[8] 張小虎，黃鑫，張克東.促進深度學習的課堂教學改革研究[J].文學教育（下），2020（2）：60-62.

[9] 付秀麗，戴波.以學生為中心的大班教學模式改革與實踐[J].計算機教育，2019（5）：107-109.

[10] 周正東.結合翻轉課堂和行李安檢案例的核電子學教學探索[J].科技資訊，2016，14（13）：121-122.

［責任編輯：黃緊德］