翻轉課堂在有機化學專業綜合實驗課程中的教學實踐

馮 建, 遇 麗, 熊 偉, 蘇小東

(重慶科技學院 化學化工學院, 重慶 401331)

我校正在按照建立現代職業技術教育體系、推動高等教育分類管理、服務現代產業發展的要求,探索中國特色應用技術大學的辦學體制,力求促進學校更好地服務重慶區域乃至全國的經濟與社會發展[1]。有機化學專業綜合實驗是我?；瘜W化工相關專業高年級學生必修的實踐課程,重點培養學生運用化學的基本理論、基礎知識和基本技能來解決科學研究與工業生產中的實際問題,培養學生研制開發有機化工產品的綜合能力。翻轉課堂在各大高校的相關實驗教學中已得到了成功應用,并顯示出良好的教學效果[2-6]。將翻轉課堂引入了有機化學專業綜合實驗課程,進行了教學實踐,探索適用于我校特色發展的教學方法和模式。

1 傳統實驗教學模式的問題

1.1 實驗學時不足

有機化學專業綜合實驗學時只有32個,根據不同專業安排了4～6個綜合型或設計型實驗,大部分實驗時間需要6～10 h。由于人才培養計劃和整體課程設置的影響,有機化學專業綜合實驗的學時數基本不能上調。因此,實際進行教學時,為了學生能夠完成實驗,一般將實驗安排在某一天全天進行,教師無償加班指導學生實驗,實驗時間可以得到一定的延長。即便如此,由于講解實驗、儀器藥品準備及學生操作不熟練等諸多原因,課堂時間依舊非常緊張,部分學生需要將時間延長至晚上才能勉強完成各個步驟,導致學生實驗后身心疲憊,打擊了學生后繼學習的積極性。

1.2 師生交流互動較少

傳統實驗教學的知識傳授過程依賴于教師,在課堂上,教師主要忙于講解實驗目的、實驗原理、實驗裝置及操作步驟等。在實驗過程中,雖然教師會給予學生一一指導,但這種指導一般僅限于糾正學生的操作錯誤。由于學生人數較多(一個教學班為40～60人),教師往往也只能發現一個問題糾正一個問題。學生為了在有限的時間內完成實驗內容,通常只會按照講解進行操作,很少思考實驗過程中出現的問題,更談不上去分析解決問題。這樣一來,教師和學生之間的交流較少,師生之間缺乏專業知識的交流討論,教學過程缺乏針對性,難以滿足不同水平學生的需要。

1.3 實驗預習流于形式

有機化學專業綜合實驗課程中所涉及的基礎知識和基本操作,學生在先修課程中已經學習并操作過。在進行實驗時,需要學生綜合已學知識和技能,研制合成出相關的有機化合物。因此,該課程的課前預習非常重要。教師一般會要求學生做好預習,并檢查相關的預習筆記。然而,部分學生的預習過于敷衍,只會摘抄教材中有關的實驗步驟,忽視了實驗項目涉及到的基本操作,對實驗中可能出現的問題毫無預見和準備。

2 翻轉課堂教學模式的設計

針對有機化學專業綜合實驗的學科特點和教學要求,設計了引入翻轉課堂后的教學模式,大致分為課前、課堂和課后3個實施階段,在此過程中教師和學生既保留了部分傳統角色,又實現了角色的互換(見圖1)。

圖1 有機化學專業綜合實驗翻轉課堂教學模式的基本流程

2.1 課前階段

(1) 教師工作內容。根據有機化學專業綜合實驗的教學目標,在分析具體實驗內容和學生學習情況后,教師將預開設實驗項目的教學微視頻、PPT課件、電子文檔和其他相關素材上傳至網上虛擬實驗平臺以及QQ群,要求學生課前進行相關學習和測試。依托重慶市化學化工實驗教學示范中心,本課程的網上虛擬實驗平臺已經建設完成(見圖2)。按照教師需求,平臺設計嵌入了課程開設實驗項目的基本教學內容,包括實驗目的、實驗原理、儀器藥品、實驗裝置、實驗步驟和注意事項等。教師利用該平臺可以進行相關內容的編輯,對教學內容作進一步的完善和補充。通過網絡途徑,所有的教學資料和布置的任務能夠第一時間傳達給學生。

圖2 虛擬實驗平臺截圖

(2) 學生學習內容。學生根據個人時間和自身基礎,在課前開展自主學習,這一過程是翻轉課堂能否順利進行的關鍵環節。為了督促學生完成課前學習,利用網上虛擬實驗平臺對每個學生的學習進度進行監控,盡量讓布置的所有學習任務在線上完成。例如,首次觀看實驗微視頻不能拖動網上播放器的進度條,也不能最小化,必須觀看完成后才能進行其他操作。學生在完成電子資源的觀看和必要的文獻資料查閱后,還需要通過平臺設置的測試。測試方式除常規的問卷答題外,還包括實驗裝置的模擬安裝,可以從儀器箱中選擇儀器進行組裝,從藥品箱中選擇加入藥品,當所有儀器連接正確且藥品添加適當時才能通過測試。例如,圖3為正確安裝的普通蒸餾裝置,如果儀器安裝出錯,對應的連接處會有提示。學生在這種模擬實驗中能夠對所犯的錯誤及時更正,從而避免在真實操作中再犯相同錯誤。學生在學習過程中可以記錄疑問,相互之間也可以交流討論,并將問題和建議及時反饋給教師,以便教師在課前根據學習情況及時調整教學方法和授課內容?？紤]到學生在先修課程中對部分有機合成實驗設備尚未接觸過實物(如旋轉蒸發儀),所以學生還可以提前預約到開放實驗室進行直觀體驗。

圖3 模擬安裝的普通蒸餾裝置

2.2 課堂階段

(1) 教師工作內容。課堂上,教師主要引導學生運用課前自主學習的相關知識去解決有機合成中真實出現的問題。根據課前學生的測試水平和提出的主要問題,對講解內容進行優化,通過組織小組討論和巡查指導等方式解答學生存在的疑問,最后組織學生總結實驗過程,點評實驗操作,記錄實驗完成的質量、操作規范性及團隊合作情況等。在課堂實施過程中,教師的講解時間大大縮短,主要時間用于學生進行實驗操作、問題思考及討論交流。針對學生課前自主學習中存在較多問題的實驗項目,教師可以讓學生先進行裝置安裝、過程描述、互動糾錯和相互問答,學生經過充分的交流討論后,教師進行歸納總結,這樣能夠加深學生的主觀認識,鞏固掌握相關知識點,從而提高實驗的成功率。鑒于有機化學專業綜合實驗涉及的項目大都存在一些危險性和安全隱患,而引入翻轉課堂后學生的自由支配時間較長,教師監管難度增大,因此在加強實驗室的安全管理上也進行了相應的改革實踐[7]。在進行課堂教學時配備了專門的實驗管理人員,配合任課教師完成實驗教學工作,保障實驗安全順利地進行。因此,教師除了和學生進行交流討論外,還需要和實驗管理人員進行有效溝通,明確各自分工,確保實驗室內所有人員的人身安全和財產安全。

(2) 學生學習內容。這個階段,學生要充分展示課前自主學習的成果,大膽發表自己的見解,與老師和同學進行積極交流,尋求解答在課前產生的疑問或困惑。部分學生可以主動預先演示實驗流程,讓老師和同學提問、交流。在充分理解自我學習內容和教師講解的基礎上,學生獨立操作完成實驗,盡量自主分析解決實驗過程中出現的問題。實驗中注重團隊協作和交流互動,及時汲取已出現問題的同學的經驗和教訓,避免自己出現類似的操作錯誤。同時,要做好實驗記錄,包括實驗的詳細操作步驟、藥品用量、反應條件、實驗現象、儀器型號和廠家等。

2.3 課后階段

(1)教師工作內容。課堂教學完成后,教師及時總結學生的反饋信息,與學生繼續通過面對面或QQ討論的方式進行交流溝通,解決遺留問題,幫助學生總結實驗成功的經驗和失敗的教訓。對學生完成的實驗報告進行批改,著重評價學生對反應基本原理、實驗裝置、產品純化處理等單元的理解與掌握情況,根據具體學情對已有教學資料做進一步的優化和完善。在進行成績評價時,需要考慮學生對于問題的多角度思考和創新性見解。另外,教師根據課程內容可以共享一些相關的課外綜合實驗視頻,指定部分有興趣的學生查閱文獻資料、組建科研團隊,以大學生科技創新項目等形式拓展課外實驗,進一步培養學生開發有機化工產品的綜合能力,滿足學生個性化發展的需求。

(2) 學生學習內容。在完成課內實驗后,學生要對自己的實驗過程進行自我評價與反思,結合整理完善的實驗記錄對每一實驗環節回顧分析,明確各個操作步驟的設計目的,然后再認真完成實驗報告。報告中除了常規要求涵蓋的實驗目的、原理、裝置和步驟等,還必須畫出有機產品的純化過程圖,清晰地表示出每一操作步驟保留和廢棄的物質。例如,進行萃取時,要表示出有機層和水層分別包含的主要化學物質；進行重結晶時,需明確母液和結晶中含有的主副產品。在完成上述學習內容時,學生可以登錄網上虛擬實驗平臺,重復觀看實驗微視頻、PPT講義和其他相關資料,溫故知新,夯實基礎。另外,利用教師共享的課外綜合實驗視頻和圖書館電子資源,學生可以選擇感興趣的實驗課題,自主設計實驗方案,與老師和同學積極交流探討,申請進行課外拓展實驗,提升自己的實驗技能和創新能力。因為課外實驗需要額外的經費開銷,除部分教師利用自己的科研經費給予支持外,學校和學院提供了許多可供申請的項目,包括科技創新訓練計劃、優秀創新人才培養資助計劃、創業訓練實踐計劃、學科競賽等,這些項目為有機化學專業綜合實驗的課外拓展提供了有效支持,為學生綜合能力的培養發展提供了平臺。

3 翻轉課堂教學效果的評價

在進行翻轉課堂的教學實踐時,將近2年化學專業的學生隨機分成了2個人數相當的平行班,其中一個班級為實驗班,采用翻轉課堂的教學模式,另一班級為對照班,采用傳統教學模式。主要從實驗完成率與成功率、實驗報告完成情況、網上評教與調查結果及課外實驗開展情況等幾個方面,對比評價了翻轉課堂在有機化學專業綜合實驗課程中的實踐效果。

3.1 實驗完成率與成功率

實驗完成率是指學生在規定時間內順利完成所有實驗操作并獲得目標產物,實驗成功率主要考量產品的產量與純度。以實驗項目中耗時最長的2-乙?；h己酮的合成為例,在規定的8 h內,實驗班的完成率為100%,最終都能夠獲得產品,2-乙?；h己酮的產量為2～3.5 g,純度普遍高于90%。對照班在同樣的時間內完成率僅為65%左右,并且有個別學生實驗失敗(無目標產物),完成實驗的學生獲得產品的產量大都低于2g,純度平均低于85%。其他實驗項目的情況與2-乙酰基環己酮的合成基本類似。由此可見,采用翻轉課堂的教學模式后,學生在課前可以充分地學習和交流,大幅提高了實驗的完成率與成功率。

3.2 實驗報告完成情況

按照評分標準,實驗班學生實驗報告的平均成績整體高于對照班,其書寫水平也更勝一籌,主要體現在對實驗原理的理解深度、實驗裝置作圖的規范性、實驗步驟與現象記錄的準確性,以及對相關問題思考的深度和廣度?？梢钥闯?在翻轉課堂教學中,由于學生主導了整個實驗過程,其學習態度更為積極、學習興趣也更為濃厚,實驗報告的高質量完成也就水到渠成。

3.3 網上評教與調查結果

利用學校教務管理信息系統的學生評教與問卷調查功能,在完成所有有機化學專業綜合實驗項目后,學生對課程的教學效果進行了評分,并反饋了相關意見。采用傳統教學模式的對照班,評分連續2年不到80分,學生反映的問題主要包括師生交流不足、課堂實驗參與度不高、操作練習時間不夠等。對比發現,引入翻轉課堂后的班級,整體評分連續2年高于90分。學生對翻轉課堂的教學模式給予了充分肯定,普遍認為教師提供的電子資源和網上虛擬實驗平臺對學習很有幫助,通過課程學習獲得了豐富的理論知識和嫻熟的實驗技能,學會了團隊緊密合作與高效溝通,激發了對有機合成的興趣。

3.4 課外實驗開展情況

統計結果表明,實驗班學生申請進行課外拓展實驗的熱情遠高于對照班,獲得大學生科技創新訓練計劃等項目的立項數也更多。在課外實驗中,實驗班學生自主設計與創新的綜合能力普遍較強,能夠有效地進行文獻查閱并及時吸取總結,能夠積極主動地與教師進行交流探討,大膽發表自己的見解。這主要得益于翻轉課堂的教學是以學生為中心,給予了學生充分的自主權,鍛煉提高了學生的相關綜合能力。

4 總結與思考

目前,國家正在深化高等教育改革,積極推進高等教育的內涵式發展[8-9]。翻轉課堂打破了傳統教學的固有模式,其以學生為中心的教學理念符合改革發展的方向,有利于提高教育質量。有機化學專業綜合實驗作為一門理工科的實踐類課程,注重培養學生的操作技能和應用能力,從學科角度出發,比較適合采用翻轉課堂的教學模式[10-11]。教學實踐證明,翻轉課堂的引入提高了課堂教學效率,充分激發了學生的學習興趣和實驗熱情,得到了學生的普遍好評,獲得了良好的教學效果。

翻轉課堂并非只是簡單地將知識傳授過程放到課堂之外,而是對傳統課堂的優化和創新。在教學實踐中也不能完全摒棄傳統教學模式。教師作為知識傳授者的傳統角色是職業賦予的,無論科學技術如何發達,教學視頻和網上虛擬實驗平臺等電子資源也不能完全替代教師,否則翻轉課堂就變成了在線課程。同時,學生的知識水平和綜合素質必定參差不齊,并非每一個學生都能較好地適應翻轉課堂,自覺性差的學生難以做到自主學習?；谏鲜鲈?盡管翻轉課堂強調教師和學生角色的轉變,但在有機化學專業綜合實驗等實踐類課程中,教師和學生尚需保留部分傳統角色。

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