基于翻轉課堂的植物纖維化學實驗教學模式設計

趙 強 張學銘 金小娟 段東成

1.北京林業大學材料科學與技術學院 北京 100083

2.濟南綠博環保科技有限公司 山東濟南 250100

植物纖維化學實驗是林產化工(制漿造紙專業方向)最重要的一門專業基礎實踐課。該課程主要內容包括植物纖維宏觀結構觀察、微觀結構觀察、纖維長寬度測定、木材原料水分、灰分、苯醇抽提物、纖維素、木素、聚戊糖含量的測定及木素顯色反應等實驗。該課程實踐性強、專業性強，是連接四大基礎化學和制漿造紙專業實驗課程的重要紐帶，為植物纖維原料的合理利用、制漿工藝、漂白工藝的制訂及造紙廢水的處理提供理論支持[1,2]。該課程涉及樹木學、高等有機化學、儀器分析等多個學科，內容比較抽象和枯燥。由于上課時間及教學資源的限制，傳統課堂教學模式講解植物纖維化學實驗的難度較大，學生學習比較困難。翻轉課堂(Flipped Class)是指學生課前自主學習教師提供的視頻或課件資料，課堂上參與教師組織的教學互動活動，師生之間密切互動的一種教學模式[3]。翻轉課堂將傳統課上教學過程與學生自主學習進行轉換，這種教學模式是對傳統教學模式的一種顛覆性嘗試[4]。隨著這種教學模式的推廣和應用，全國各大高校近幾年也對這種教學模式進行了諸多嘗試和研究，但多數改革還是針對理論課程進行，實踐教學方面的應用相對偏少[5]。盡管如此，也有部分高校將翻轉課程模式教學成功應用到實驗教學課程中，并取得了很好的教學效果[6]。本課題組將翻轉課堂應用于造紙專業課實驗課程的教學中，受到學生的歡迎，驗證了在實驗教學中應用翻轉課堂教學模式的可行性。

目前各大高校植物纖維化學實驗課程的授課模式普遍還是傳統的課堂教學模式，存在著教學方式單一、實驗課時相對不足及設計性、創新性實驗內容偏少等問題。翻轉課堂教學模式中教師從知識灌輸者變為學生的指導和啟發者，而學生則從被動學習轉為主動學習。這種新型的翻轉課堂混合教學模式應用到植物纖維化學實驗教學中，可切實提高學生的實驗效果，培養學生的科研實驗素質，以適應新工科人才的技術需求。

1 翻轉課堂應用于植物纖維化學實驗課程的可行性

植物纖維化學實驗是高校林產化工(制漿造紙方向)專業的必修課程。學習本課程之前，學生已經具備無機化學、有機化學、分析化學及物理化學等基礎知識，對植物纖維化學實驗中的化學滴定、藥品配制、數據處理等知識完全有能力自主學習。而對于課程中比較抽象難懂的實驗，翻轉課堂就更有意義。例如，纖維的宏觀結構和微觀結構觀察實驗部分，相對比較抽象，傳統課堂教學上，很多學生在有限的課堂時間里，無法從顯微鏡中觀察到教師講的內容，對這部分知識一知半解。翻轉課堂的實驗內容是由教師提前錄制，教師在木材切片上，找到典型細胞形態圖片后通過計算機投射到大屏幕上。整個操作過程從顯微鏡的調校、切片中典型細胞形態的尋找步驟到細胞形態的詳細講解，通過視頻教學的方式呈現給學生，學生再進入實驗室實驗操作時就會得心應手。翻轉課堂的教學可以彌補傳統課堂的不足。

另外，教師在前期的教學過程中積累了豐富的植物纖維化學實驗課程素材，例如，教學PowerPoint、實驗教材、纖維形態圖片、視頻資料等素材，為植物纖維化學實驗翻轉課堂的開設提供了必要條件。

2 基于翻轉課堂的教學模式設計

根據目前植物纖維化學實驗課程教學中存在的問題，結合翻轉課堂的特點，針對翻轉課堂在植物纖維化學實驗課中的應用模式進行了設計。

2.1 網絡平臺教學素材準備及發布

翻轉課堂的開設需要有網絡平臺的支撐，目前國內已有很多成熟運行的網絡教學平臺，也有部分高校教務部門自行建設網絡平臺。網絡平臺搭建好后，需要教師提供豐富的教學資料。

植物纖維化學實驗可分為驗證性實驗和設計性實驗兩大類。驗證性實驗教師要準備的課程素材中，微視頻是重要內容之一。微視頻的錄制與傳統課堂講課內容不同，教師需要將每個實驗拆分為小的知識點單元，以拆分的知識點內容為藍本逐一錄制，視頻時長控制在5～15分鐘。除了微視頻，教師還需要準備其他的課程素材，包括教學大綱、課程介紹、講課課件、教材、動畫等。

設計性實驗則是針對某個專業問題，讓學生根據所學的理論知識，自己設計出詳細的實驗方案，并完成實驗操作，分析實驗數據，最終解決問題。這種類型的實驗對學生創新實驗思維的培養大有裨益。翻轉課堂突破了時間和空間的限制，教師可根據實際生產或科研工作中出現的問題讓學生討論、交流、設計方案，引導學生聯系理論知識，解決實際問題，擴展科研思維。

教師將課程學習素材準備好后，發布到學校的教學網站或第三方網絡教學平臺，并設置好課程公告、開課時間、討論與交流欄、成績評定標準等信息。

2.2 學生自主學習階段

這個階段是翻轉課堂最為關鍵的一個環節，學生自主學習的質量決定了最終的教學效果。學生登錄網站根據教師提供的學習目標、學習任務、學習內容在課下自行安排時間進行學習。學習過程中遇到問題，可以在討論區留言咨詢教師或在小組內討論交流。

2.3 課堂實驗及課程評價

學生經過網絡課程的學習后，對實驗課程中的重點和難點有了清晰的認識。在課堂實驗上，針對網絡課程中存疑的知識點進行分組討論，這期間教師只是起到引導和啟發的作用。學生把前期學習存在的問題解決后，進行實驗室實驗操作。課堂實驗操作通過前面環節的鋪墊、課程討論的確認，學生實驗過程十分順利。課程評價方面，翻轉課堂對學生的評價貫穿整個教學過程，從網絡課程的學習、討論到課堂實驗操作、學生間的互評等都計入學生的綜合評價。

3 翻轉課堂在植物纖維化學實驗教學中的實施案例

為了展示翻轉課堂在植物纖維化學實驗中的應用，以纖維素含量測定實驗為例，重點探討上述翻轉課堂教學模式中三個環節的具體實施。

3.1 教師發布教學素材和任務單

教師提前在網絡平臺上發布纖維素含量測定實驗的PowerPoint課件、教材、實驗的具體操作流程、注意事項、實驗操作視頻等資料。另外還需要制訂出纖維素含量測定實驗的任務單(見表1)，并發給學生。

表1 纖維素含量測定實驗任務單

3.2 學生自主學習階段

學生登錄教學網站，根據教師下達的任務單，認真學習實驗內容，觀看實驗視頻，思考教師提出的問題。學生可以將網絡課程里的疑問發布到討論區和同伴進行交流或咨詢教師。例如，纖維素含量測定實驗里需要配制硝酸乙醇溶液，在配制此溶液的過程中有兩個注意事項(一是量取硝酸和乙醇的量器不可共用；二是配制時，硝酸往乙醇里面少量多次加入)，教材和視頻里面會重點指出。如果學生不認真觀看視頻操作，實際動手操作時很可能出現意外情況。關于硝酸乙醇溶液的配制，學生可以根據以前的理論知識在討論區預判實驗過程中出現的狀況。例如：如果配制過程中，量器混用會出現什么情況？配制時乙醇往硝酸里面加入會出現什么情況？通過自主學習和小組討論，最終教師與學生對實驗中的細節問題形成共識，再進入實驗室實驗。這種互動參與式討論，是翻轉課堂自主學習階段很重要的一環，將學生的角色從被動實驗變為主動參與學習，是對傳統課堂教學的有益補充。

3.3 課堂實驗及課程評價

網絡課程學完后，學生進入實驗室進行實際操作。實驗課堂上，教師會針對實驗中出現的注意事項和核心知識點再重點提醒，同時解答學生存在的疑問，引導學生順利完成實驗。在了解整個實驗過程中的關鍵知識點和注意事項后，學生對實驗中可能出現的情況也有清晰的認知。例如視頻中的爆沸現象、硝酸乙醇的錯誤配制方法產生的后果等，學生再動手操作時，就會格外注意，保證了實驗的順利進行。學生的成績評定，教師綜合學生自主學習(占30%)、實驗操作(占30%)、實驗報告(占20%)、單元測試(占10%)和最終的考試(占10%)等幾個環節綜合評定。

3.4 課后延伸

學生經過網絡學習和課堂實驗后，掌握了纖維素含量的測定方法，但也要讓學生認識到硝酸乙醇法測定纖維素的方法雖然純度高但也存在對纖維素的破壞程度大、測定的數據偏低等問題。能否應用無損的測定方法獲得纖維素的含量呢？引導學生去查閱相關文獻資料，了解應用現代儀器分析的方法來測定纖維素(或木素、聚戊糖等)的含量的可行性。如果可行，讓學生提交具體的實驗設計方案。這樣的引導會增加學生探索實驗的興趣，逐步將驗證性實驗內容延伸到設計性實驗內容和科研實驗內容，為學生后期的科研實驗打下堅實的基礎。

4 結語

植物纖維化學實驗課程在傳統的教學模式中存在一些問題，教師結合翻轉課堂的優勢，將翻轉課堂教學模式應用到植物纖維化學實驗教學中，取得較理想的實驗效果，提升了學生的實驗積極性和創新思維能力。翻轉課堂將成績評定貫穿整個實驗過程，評價標準更趨合理，學生的實驗參與度更高。翻轉課堂教學模式在植物纖維化學實驗教學中的成功應用將推動這門實驗課程的教學改革，提高學生的實驗教學質量，助力學生創新實驗思維的培養。