基于翻轉課堂模式的“木材保護與改性”實驗課程教學改革

(北京林業大學材料科學與技術學院，北京 100083)

木材科學與工程專業隸屬于林業工程一級學科，是北京林業大學的特色專業，也是國家級重點學科，旨在培養能夠從事現代木材及木制品加工、工藝設計、產品開發與技術管理等方面的高級工程技術人才。“木材保護與改性”是針對該專業本科生開設的一門重要的專業課程，該課程將理論與實踐相結合，從木材的天然缺陷與自身不足出發，講授木材保護與改性的原因、原理及采取的主要方法。木材保護與改性是通過木材保護手段避免木材劣化，以及通過木材改性手段克服木材的天然缺陷，改善木材在某一方面的性能，對于提高木材利用率、增加木材附加值、延長木材使用壽命、保障國家木材安全，具有非常重要的作用。該課程主要內容包括木材生物劣化和保管、木材的生物危害防治處理、木材阻燃處理、木材尺寸穩定化處理、木材軟化處理、木材強化處理、木材材色處理、木材表面改性處理等方面的內容，具有很強的綜合性和應用性[1]。

作為“木材保護與改性”課程體系重要的組成部分，“木材保護與改性”實驗課程教學有助于強化學生對課堂理論知識的掌握，同時還能夠培養學生的實踐能力，激發學生的創新思維，其教學效果對提高學生的理論知識水平和實際應用能力具有重要的影響[2]。然而，當前該實驗課的教學模式還是以教師講解演示和學生按實驗指導書操作為主，實驗內容固定，實驗任務單一、缺乏變化。因此，該實驗課程課堂氣氛活躍度不高、學生的學習興趣度不濃、學生的參與感與主動性不足，教學效果急待改善。為了激發學生自主學習的積極性，讓學生主導實驗課堂，“木材保護與改性”實驗課程組嘗試在教學中引入了翻轉課堂教學模式，以充分發揮學生在實驗中的主體地位，讓該課程的理論知識和實踐相結合，切實提高“木材保護與改性”實驗課程的教學質量。

一、“木材保護與改性”實驗課程教學存在的主要問題

“木材保護與改性”課程體系由理論教學和實驗教學2個部分組成，其中實驗教學部分為12學時，占“木材保護與改性”課程總學時數的25%。實驗內容主要包括：木材的防腐處理、木材天然耐腐性的實驗室檢測、木材的尺寸穩定性處理與性能檢測、木材的阻燃處理與阻燃性能檢測、木材的材色處理與顏色檢測等。在當前的實驗教學模式下，主要存在以下幾點問題，需要加以研究思考，并進行改革探索。

(一)實驗教學以教師為主體，學生對教師的依賴性高、參與感不足

在實際的教學實施過程中，“木材保護與改性”實驗課程大多采用以任務驅動為導向的實驗教學模式。在這種模式下，教師會提前安排好每節課的實驗內容，并將實驗指導書發給學生，要求學生主動預習實驗內容。首先，在實驗開始時，教師講解實驗的原理和具體內容，并演示主要實驗操作步驟，告知學生要完成的主要實驗任務；其次，將學生進行分組，學生根據實驗指導書的操作提示進行實驗；最后，在實驗結束后，學生提交實驗報告，教師根據實驗報告的完成情況進行考核評分。在這樣的實驗教學流程中，主要存在以下幾點弊端。

1.實驗預習達不到預期效果

由于實驗指導書的敘述較為抽象，缺乏直觀性，學生對實驗目的、原理、儀器及步驟的理解普遍存在困難，在預習時難以將指導書的內容與具體操作聯系起來。從課前的提問環節筆者發現，學生的預習效果普遍不佳。因此，在實驗課開始時，教師需花費大量時間對實驗的相關內容進行詳細的講解，導致學生后續進行實驗操作的時間不足，教師普遍反映指導實驗課壓力大、效率低[3]。

2.學生在實驗過程中對教師的依賴性較強

在實驗進行過程中，學生為了按時完成實驗任務，往往會機械式地照搬實驗指導書上的步驟和方法，缺乏主動思考的過程，多處于被動接受知識的狀態，不能積極主動地參與實驗過程，致使學生的實踐精神的訓練和培養受到嚴重抑制。因此，一旦脫離了實驗指導書，學生就不能熟練運用所掌握的知識來解決實際問題。此外，對于難度較大的實驗項目，部分學生對指導教師的依賴性較強，不是通過組內與組間相互討論分析問題、解決問題，而是一旦碰到問題就舉手等待教師的指導，等待的過程同時也浪費了大量課堂時間，影響了實驗教學的效率。這種教學方法一方面更加強化了教師的主導地位，另一方面也限制了學生的主動性和創造性，不利于學生實踐能力的培養。

(二)實驗內容固定，課程考核評分“重結果、輕過程”，對學生創新思維的訓練不足

由于課時受限，“木材保護與改性”實驗課程的教學內容相對固定，通常按照教學大綱或實驗指導書的要求開展，未能結合學生的興趣和想法進行實驗任務的拓展。因而，即使在學生分組后，小組與小組之間的實驗任務也完全一致，缺乏多變性。例如，“木材染色實驗”，學生所用到的染料類型、染色劑濃度、染色工藝完全一樣，最終木材的染色效果缺乏對比性，嚴重影響了學生的創造精神和學習熱情的發揮。

目前，“木材保護與改性”實驗課程的考核依據主要以考勤情況和實驗報告撰寫的質量為主。實驗報告的撰寫格式要求固定，一般由實驗名稱、實驗目的、實驗原理、實驗藥品與設備、實驗步驟、實驗結果等組成。學生在完成實驗后，照抄實驗指導書的內容就可以提交實驗報告，導致實驗報告千篇一律，且缺乏差異性。同時，實驗報告通常主觀片面，教師根據每位學生的實驗報告質量進行考核，在整個評分環節中，忽視了對學生實踐操作能力和觀察能力的評價。因此，教師在考核時，僅憑實驗報告的撰寫情況，無法判斷學生對實驗內容、實驗操作及方法的掌握程度，更無法評價學生發現問題、思考問題和解決問題的能力，不利于學生的全面發展。此外，部分學生的實驗報告撰寫存在相互抄襲的現象，嚴重影響了“木材保護與改性”實驗課程的教學質量，導致該實驗教學流于形式，達不到預期的目的和效果，背離了“木材保護與改性”實驗教學的初衷。這樣的教學模式不僅嚴重影響了學生對“木材保護與改性”實驗課程的學習熱情與興趣，而且也與社會對木材科學與工程類應用型人才的需求背道而馳。

二、基于翻轉課堂教學模式的“木材保護與改性”實驗課程教學改革的實踐

針對以上出現的問題，“木材保護與改性”實驗課程組嘗試將翻轉課堂教學模式引入到“木材保護與改性”實驗課程教學中，對“木材保護與改性”實驗課程進行初步的改革與探索。翻轉課堂(flipped classroom)起源于美國科羅拉多州，是近年來新起的一種全新教學模式，其核心是將學習的主動權交給學生[4]。學生先在課前根據教師提供的學習資料(課件、動畫、視頻、文獻等)進行新知識的學習，完成“知識的傳授”；然后在課堂上通過教師引導、學生討論、協作探究等活動，師生共同完成學習任務，幫助學生實現“知識的內化”[5]。在翻轉課堂教學模式的初步實踐中，“木材保護與改性”實驗課程的教學過程被擴展為課前、課中和課后3個階段，見圖1。

圖1 “木材保護與改性”實驗課程實施翻轉課堂教學模式的流程

(一)教師的課前準備

“木材保護與改性”實驗課開始前，教師根據每次課的實驗內容準備預習材料，包括視頻、課件、文獻、動畫等形式，內容涵蓋對實驗任務、實驗原理、實驗步驟及注意事項等部分的解析，為學生在課上的具體操作奠定基礎。對于重點設備或儀器的操作，教師可以提前錄制好操作指導視頻，并在容易出錯或關鍵步驟的地方進行講解和強調。

課程開始一周前，教師將預習材料通過班級QQ群或以微信公眾號推送等形式下發給學生；學生利用課余時間，結合教師所給的資料進行理論知識的學習，并觀看操作解說視頻，直至完全了解實驗任務、熟悉實驗步驟、掌握儀器和設備的操作方法。另外，教師還可以布置預習作業，設置1～2個問題，以檢查預習效果，從而有針對性地在課堂上解決學生的主要問題。同時，教師還可以根據實驗內容讓學生提前設計實驗方案，從而提高實驗課程的效率。

(二)學生的課前學習

教師將學生分組，一般3～5人一組，組建實驗課程學習小組。教師要求同組的學生安排好時間，共同觀看視頻、完成實驗課前的預習工作，并提交預習作業。組建學習小組主要有3個方面目的：第一，學習小組即實驗任務小組，有助于學生進行實驗分工，培養團隊協作能力；第二，小組集體學習有助于營造學習氛圍，同學之間可以相互監督、相互促進；第三，組建小組方便學生進行討論，一些簡單的問題可以通過組內或組間討論來解決，如遇到解決不了的問題也可以在QQ群及時向教師咨詢。這種方式不僅鍛煉了學生發現問題和解決問題的能力，還能加深學生對知識點的印象，提高學習主動性，從而節約課堂時間，提高上課質量。

此外，根據不同的實驗內容，教師還可以要求學生在課前學習過程中提交實驗設計方案。例如，在進行“木材防腐處理實驗”前，教師可以設定防腐木材的不同使用環境，如是否在戶外、是否接觸地面、是否接觸海水等不同場景，讓學生以小組為單位選擇使用環境，教師提供相關的參考資料，讓學生根據所學知識進行思考、討論，并確定擬使用防腐劑的種類、濃度、載藥量、透入度、應用等級，以及擬采用的防腐處理工藝(涂刷、浸泡、真空、真空-加壓等)，最終以小組形式撰寫實驗方案。學生在確定最終的實驗方案前，要與教師進行討論，教師認為實驗方案合格后，可作為課堂實驗操作的依據，各小組獨立完成實驗。這樣個性化的實驗設計，一方面豐富了實驗的教學內容，提高了學生的學習熱情；另一方面也培養了學生的創新與實踐能力。

(三)課堂實驗的組織實施

實驗課上，教師根據預習作業和實驗設計方案的完成情況，針對普遍性的問題，用大約10分鐘的時間進行講解，并再次強調關鍵步驟的操作規范及注意事項。由于學生在課前已經基本掌握了整體的實驗過程，在教師演示重要實驗步驟后，學生在課堂上可以直接進行實驗操作，以小組形式獨立完成實驗。教師只需在旁走動，觀察每位學生的操作過程，及時進行點評和糾正。如果學生遇到問題，教師可以建議其再次查閱視頻或學習資料，也可以進行現場指導，直至學生能夠正確掌握。同時，在學生操作過程中，教師應記錄學生的操作錯誤類型及次數，作為考核的參照依據。

(四)課后作業的要求與課程成績的考核評價

實驗課結束后，學生需對實驗課中測試的數據進行處理，對實驗結果展開分析與討論，總結實驗中不足的地方及其相應的改進方法，并根據格式要求以小組為單位提交實驗報告。有研究指出，良好的評分體系有利于促進學生的學習興趣，提高教學質量[6]。為此，在課程考核評價方面，“木材保護與改性”實驗課程組摒棄原有“唯實驗報告”的評分形式，而是采用多維度的考量標準給出學生“木材保護與改性”實驗課程的成績。學生的成績主要分成3個部分：一是教師根據小組的課前學習情況及實驗方案制定情況，給予每個小組綜合評價分(占總分的30%)；二是對于學生個體的評分，教師應根據學生在提問、交流、實驗操作等方面的表現進行綜合評分(占總分的50%)；三是小組實驗報告的撰寫成績，教師應根據實驗報告撰寫的完整情況、數據處理與分析情況進行打分(占總分的20%)。

三、基于翻轉課堂教學模式的“木材保護與改性”實驗課程教學改革的效果

“木材保護與改性”實驗課程組針對梁希班的“木材保護與改性”實驗課程進行了一學期的改革與實踐，從問卷調查的結果來看，該實驗課程的教學效果得到了顯著改善，其中以下2點提高最為明顯，見表1。

(一)提高了學生的學習自主性

課前推送預習材料、布置實驗方案的制定等任務，有助于消除學生“應付實驗”的思想，激發學生的學習熱情。從表1中的問題1可以看出，93.3%的學生認為課前發放預習材料對于他們實驗課程的學習很有幫助。從與學生課后的交談中發現，讓他們帶著問題和任務去學習，會使得課前預習更具有針對性，預習效果更加顯著。問題2表明，預習材料和實驗方案的制定具有一定難度，遇到問題時，20%的學生選擇自己查找資料解決，13.3%的學生會尋求教師的指導和幫助，而大部分學生則會通過小組討論的形式自己解決。因此，在課前預習階段，學習的主動權、自主權被交還給學生，提高了學生自主學習的能力，以及分析問題和解決問題的能力。

表1 基于翻轉課堂教學模式的“木材保護與改性”實驗課程教學改革效果的調查結果

(二)培養了學生的團隊協作能力

翻轉課堂教學模式的實施，解決了此前實驗課程中“學生依賴性強、模仿教師完成實驗操作”的問題。課前小組的預習討論與實驗方案的制定、課中實驗任務的操作、課后實驗數據的整理都是以小組為單位完成的。以實驗過程中的操作為例(問題3)，絕大部分的小組都能在團隊協作的基礎上熟練完成實驗，僅有20%的小組在個別操作時需要教師的協助。然而，在以往的實驗教學過程中，普遍存在1～2組學生不能按時完成既定實驗任務的情況。因此，通過小組合作的模式，學生在課前、課中和課后這3個階段的團隊協作能力都得到了充分的鍛煉和提高，這也為他們今后的科研與工作奠定了基礎。

對于教師而言，翻轉課堂的教學模式能夠減輕教師的重復性工作，但同時也對教師的能力提出了更高的要求。為此，教師需要不斷學習，運用現代的科技手段進行教學，提升自己的教學水平，以保證翻轉課堂教學模式的有效運行。

資助項目：北京市教育委員會支持中央在京高校人才培養共建項目青年教學名師子項目——“木材保護與改性”課程體系建設，項目編號2018GJMS003。