基于SPOC的應用化學專業(yè)實驗翻轉(zhuǎn)課堂教學實踐與思考*

張小華，杜翠翠，朱日龍，陳金華，周海暉，何德良，劉婭莉，李永軍

(湖南大學化學化工學院，湖南 長沙 410082)

翻轉(zhuǎn)課堂教學改變了“老師在課堂上講課，布置家庭作業(yè)，讓學生回家練習”的傳統(tǒng)教學模式。課堂不再是單純的老師灌輸知識學生接受知識，而是基于學生自主在線上已完成知識學習之后的師生之間互動場所，學生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，老師引導學生運用知識解決問題。特別是針對實驗課程的學習，如果按照傳統(tǒng)教學模式，單純的課堂時間要求完成理論學習、動手操作以及解決實際問題的知識運用必然是非常有限的，而翻轉(zhuǎn)課堂教學可以讓學生在課堂有更充足的時間進行實際操作和探索，一方面可以完成知識回顧，更好地將理論和實際結(jié)合，另一方面實現(xiàn)將知識轉(zhuǎn)化為解決實際問題的能力?？梢哉f，翻轉(zhuǎn)課堂教學模式提高了學生在教學過程中的參與度，極大地激發(fā)學生學習積極性和主動性，為提升教學效率和教學質(zhì)量提供了有效的保障，目前在國內(nèi)外得到廣泛關(guān)注和應用[1-2]。

本文以湖南大學應用化學專業(yè)實驗為例介紹基于SPOC翻轉(zhuǎn)課堂教學的高校專業(yè)實驗的教學改革實踐，并對“翻轉(zhuǎn)課堂教學模式”與傳統(tǒng)“課堂教學”的學習評價體系進行比較，思考“在線教學”或“混合教學”給高校實驗教學改革帶來的積極效應以及應用中可能存在的問題，以此進一步優(yōu)化高校實驗教學模式，為推動科技創(chuàng)新發(fā)展和社會進步更好地培養(yǎng)研究型和復合應用型人才。

1 SPOC及翻轉(zhuǎn)課堂教學概述

SPOC是小規(guī)模限制性在線課程(Small Private Online Course)的英文縮寫，是在大規(guī)模在線課程(massive online open course)即MOOC[3-4]的基礎上發(fā)展來的。由于MOOC具有在線開放性、時空靈活性、網(wǎng)絡互動性等特點，為實現(xiàn)優(yōu)秀數(shù)字化教學資源全網(wǎng)絡開放共享提供了有效途徑，也為高校教育教學開啟了在線開放式教學的新模式。目前，國內(nèi)外開啟了網(wǎng)易公開課、清華學堂在線、coursera、EDX、iversity及futurelearn等眾多的知名MOOC平臺[5]。但是隨著MOOC平臺上課程數(shù)量和學生數(shù)量增加，也引發(fā)了諸多的教學質(zhì)量問題。比如，課程門檻低導致基礎較差的學生學習積極性不高；課程的開放性使得課程學習沒有緊迫感，課程完成率很低；還有就是純網(wǎng)絡教學的方式使得教師無法很好地掌握學生學習情況，教學質(zhì)量不能保障等。而且，MOOC也不適應于實踐類課程。為此，加州大學伯克利分校的阿曼德·福克斯教授最早提出了具有Small和Private特征的SPOC課程的概念[6]，相對于MOOC的Massive和Open而言，SPOC學生規(guī)模較小，同時對學生設置限制性準入條件。

基于SPOC課程的翻轉(zhuǎn)課堂教學通常的做法是教師將預先錄制好的或者由已有的在線MOOC視頻資源剪輯的多個獨立專題小視頻、學習建議要求、自學環(huán)節(jié)自測題等材料上傳到教學管理平臺；之后學生通過平臺結(jié)合老師提供的教材、PPT、視頻等進行獨立學習，完成并提交相關(guān)自測題，并反饋學習中存在的疑問；接下來，教師根據(jù)平臺學生學習和提到的相關(guān)疑問的情況制訂課堂教學進度以及重點、難點，更有針對性地開展課堂教學，同時根據(jù)實際的學習情況進行相應的課堂或者平臺練習以鞏固所學知識或進行適度的知識拓展和延伸。反過來，學生通過課前自主預習、課堂學習以及相關(guān)練習，進一步對學習專題知識進行總結(jié)、歸納、反思。

2 應用化學專業(yè)實驗SPOC課程翻轉(zhuǎn)課堂教學實踐

2017年2月，教育部發(fā)布的《關(guān)于開展“新工科”研究與實踐的通知》指出，各高校應立足國際工程教育改革發(fā)展前沿，研究發(fā)達國家工程教育新趨勢、新策略，以工程實踐能力強、創(chuàng)新能力強、具備國際競爭力的高素質(zhì)復合型人才為“新工科”專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量標準[7]。在“新工科”背景下，作為高校人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)和教育教學不可或缺的重要內(nèi)容，工科專業(yè)實驗教學在擁有難得發(fā)展機遇的同時，也面臨了實用性更強、交叉性更廣、綜合性更高的新要求和新挑戰(zhàn)[8]。以湖南大學“應用化學專業(yè)實驗課程”教學為例。湖南大學應用化學專業(yè)其前身金屬腐蝕與防護專業(yè)成立于1962年，2001年更名為應化專業(yè)，2002年批準為湖南省重點建設學科。作為應用化學專業(yè)必修課程，“應用化學專業(yè)實驗課程”側(cè)重于學生操作動手技能、綜合實踐應用能力和科學素養(yǎng)的培養(yǎng)，是應用化學專業(yè)學生極為重要的實踐環(huán)節(jié)[9]?！皯没瘜W專業(yè)實驗課程”傳統(tǒng)的教學總體上分為“實驗預習”、“實驗課堂”以及“實驗結(jié)果評測”等三個階段?！皩嶒烆A習”主要由學生單方面完成，基本上不存在師生互動，預習很難達到對實驗原理、實驗內(nèi)容、實驗難點等預先了解的要求?！皩嶒炚n堂”大都由教師對實驗原理、實驗操作步驟及實驗注意事項等進行講解并演示，學生基本上是機械地依照教師講授內(nèi)容和課本按部就班地進行實驗操作[10-11]，缺少獨立思考?！皩嶒灲Y(jié)果評測”缺乏有效的評價體系和方式，過多依賴于實驗報告的內(nèi)容，特別是對學生實驗過程操作技能和創(chuàng)新能力難以進行有效評價[12]。顯然，傳統(tǒng)的專業(yè)實驗教學已經(jīng)很難滿足“新工科”專業(yè)人才培養(yǎng)的要求。為此，我們基于兼具慕課開放性、靈活性、互動性以及線上線下混合教學特點的SPOC課程，于2018年下半學年開始開展了應用化學專業(yè)實驗翻轉(zhuǎn)課堂的立體化教學模式。

2.1 課程平臺

我們在“愛課程網(wǎng)”(http://www.icourses.cn/)注冊登錄并通過認證后再登錄并訪問“中國大學MOOC”平臺(https://www. icourse163.org/)，利用平臺申請創(chuàng)建了應用化學專業(yè)綜合實驗獨立SPOC課程作為實驗翻轉(zhuǎn)課堂教學的網(wǎng)絡平臺。下圖為湖南大學應用化學專業(yè)綜合實驗獨立SPOC課程網(wǎng)絡平臺首頁 (圖 1)。

圖1 湖南大學應用化學專業(yè)綜合實驗獨立SPOC課程網(wǎng)絡平臺

2.2 SPOC課程網(wǎng)絡資源平臺建設

湖南大學應用化學專業(yè)實驗SPOC課程主要從內(nèi)容體系、視頻體系和評價體系三方面進行網(wǎng)絡資源平臺建設。具體實施如下：

2.2.1 內(nèi)容體系建設

內(nèi)容體系建設是課程建設的基礎。在應用化學專業(yè)本科生培養(yǎng)計劃的完整知識框架前提下，以專業(yè)研究方向為單位劃分實驗教學內(nèi)容，建構(gòu)單元主題明確的實驗課程內(nèi)容體系；利用課程中心網(wǎng)絡平臺，收錄、整理、上傳各單元實驗內(nèi)容，包括：實驗原理、實驗目標、實驗儀器設備、實驗操作步驟以及實驗拓展應用領(lǐng)域等，針對單元實驗中的難點、重點及拓展應用等設計主題互動，建立在線預習自我測試區(qū)、實驗交流區(qū)、實驗討論總結(jié)區(qū)和拓展案例討論區(qū)，以此建設適應于自主學習式、啟發(fā)式、探究式及研討式等多種教學方法相結(jié)合的SPOC翻轉(zhuǎn)課堂的網(wǎng)絡資源平臺內(nèi)容體系。

2.2.2 視頻體系建設

獨立小視頻既是實驗SPOC翻轉(zhuǎn)課堂教學模式推行的核心和重要載體。該載體基于湖南大學應用化學專業(yè)培養(yǎng)計劃，并圍繞應用化學專業(yè)實驗大綱要求，對現(xiàn)有應用化學專業(yè)實驗課程中電化學、金屬腐蝕與防護、表面處理技術(shù)、新能源方向的16個核心實驗進行剖析和整理，結(jié)合重點實驗單元的實驗目標、實驗內(nèi)容、實驗原理等突出實驗環(huán)節(jié)的重點和難點，分實驗自主預習階段、老師講解階段、老師演示階段、學生操作階段、實驗分析總結(jié)階段以及實驗拓展討論階段設計和錄制適用于SPOC翻轉(zhuǎn)課堂教學模式的應用化學專業(yè)實驗課程體系網(wǎng)絡資源平臺的獨立小視頻單元。

2.2.3 評價體系建設

客觀、公正、系統(tǒng)的教學評價體系是對學生學習過程和翻轉(zhuǎn)課堂教學模式應用效果進行考察的重要依據(jù)和機制，也是提高“新工科”人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要保障。為此，我們從實驗自主預習階段、操作階段、實驗總結(jié)階段以及拓展討論階段等各個環(huán)節(jié)建立多維度的考評體系：線上自主預習階段要求在線完成有關(guān)實驗原理、實驗目的、實驗內(nèi)容、儀器設備操作、實驗流程的獨立視頻觀看學習，并完成預習自我測試，根據(jù)觀看視頻時長以及完成預習自我測試情況計分，占總評成績30%；課堂實驗階段以2～4人的小組為單位進行相關(guān)實驗，在學生開始實驗之前先由實驗指導老師針對實驗重點、難點對小組每一位成員提問，進一步了解每一位學生的自主預習情況，確定小組成員已清楚了解實驗內(nèi)容、實驗原理、操作等情況后允許學生開始具體的實驗操作，實驗過程中同步查看學生的操作情況，實驗結(jié)束課堂即時提交實驗記錄，根據(jù)預習檢查情況、具體實驗操作情況以及實驗記錄情況評分，占總評成績35%；實驗總結(jié)階段要求線上完成討論題，同時線下提交實驗報告，占總評成績25%；拓展討論部分根據(jù)學生個人情況分析拓展思考題，占總評成績10%。通過以上各個階段多維度的考評可以對學生實驗過程的全程表現(xiàn)以及實驗能力進行綜合考評，包括預習階段對實驗原理等理論知識的掌握程度，操作階段實驗操作的連貫性、正確性和發(fā)現(xiàn)及解決問題能力，以及實驗分析總結(jié)階段對實驗結(jié)果的分析能力，重要的是結(jié)合拓展階段的實踐及應用案例討論環(huán)節(jié)的評價可以更好地引導和培養(yǎng)學生的探究精神及創(chuàng)新能力。

2.3 翻轉(zhuǎn)課堂教學實踐

在此，以“用線性極化技術(shù)測量金屬腐蝕速度”為例闡述湖南大學應用化學專業(yè)實驗SPOC課程翻轉(zhuǎn)課堂教學的實踐過程?！坝镁€性極化技術(shù)測量金屬腐蝕速度”的實驗原理是基于在腐蝕電位附近區(qū)間(Δφ≤±10 mV)，Δφ/ΔI和自腐蝕電流ie之間存在著線性關(guān)系，也就是說表征金屬腐蝕速度的腐蝕電流ie與極化阻力Rp(Δφ/ΔI)符合Stern-Geary方程式:

式中ba、bk為塔菲爾常數(shù)[13]。本實驗中，利用電化學工作站測得碳鋼材料在加有緩蝕劑(硫脲、若丁)或不加緩蝕劑的硫酸腐蝕介質(zhì)中的極化電阻及Tafel曲線的ba、bk常數(shù)，利用Stern-Geary方程式即可求得腐蝕速度。為了學習如何利用電化學工作站采用線性極化方法測定碳鋼在硫酸介質(zhì)中的腐蝕速度，并以此評定硫脲和若丁兩種緩蝕劑對碳鋼在硫酸中的緩蝕效率，學生必須掌握線性極化技術(shù)的原理、掌握電化學工作站的操作。

圖2按課前預習、課堂實驗及課后總結(jié)三個環(huán)節(jié)介紹“用線性極化技術(shù)測量金屬腐蝕速度”實驗基于SPOC進行線上線下翻轉(zhuǎn)課堂教學的實踐過程。課前預習環(huán)節(jié)主要基于線上SPOC課程平臺設置視頻學習區(qū)和討論區(qū)引導學生預先通過視頻學習理解線性極化技術(shù)原理和電化學工作站的使用方法，提前了解并把握線性極化技術(shù)測定碳鋼在硫酸介質(zhì)及硫酸加硫脲、若丁的測試溶液中腐蝕速度的實驗步驟以及關(guān)鍵操作，包括測試溶液配制、測試樣品前處理、線路連接、開路電位測試、參數(shù)設置、數(shù)據(jù)記錄、后處理等，同時重點思考討論區(qū)兩電極體系、三電極體系、同種材料三電極、電位控制、電流控制、緩蝕劑緩蝕效率等相關(guān)問題，并結(jié)合自身課前預習情況提出相關(guān)問題。課堂實驗環(huán)節(jié)則為了同時培養(yǎng)學生獨立實驗和團隊協(xié)作能力按2～4人分組分三個階段開展教學活動：首先，隨堂分組就基本原理、重要知識點、實驗內(nèi)容、關(guān)鍵操作、注意事項等提問，一方面檢查學生課前預習情況，另一方面強調(diào)和加深學生對基本原理、重要知識點等的理解和掌握；接下來各組根據(jù)實驗任務和要求安排組員獨立或協(xié)作開展實際實驗操作，老師對學生儀器操作、實驗操作的規(guī)范性、安全性等進行隨堂考查評價，并就相關(guān)問題給予即時指導；各組完成實驗操作后填寫實驗記錄，老師匯總實驗數(shù)據(jù)及相關(guān)結(jié)果，結(jié)合操作環(huán)節(jié)的具體情況，和學生交流討論“用線性極化技術(shù)測定金屬腐蝕速度”實驗中的重點、難點以及該技術(shù)可行的拓展應用等。課后總結(jié)環(huán)節(jié)通過線下和線上結(jié)合進行：線下按湖南大學實驗報告模板要求完成實驗報告并提交，同時線上在SPOC課程平臺完成討論區(qū)問題和調(diào)查問卷提交，老師根據(jù)實驗報告以及課程平臺導出的統(tǒng)計學習數(shù)據(jù)對學生總結(jié)分析實驗數(shù)據(jù)、理解知識點、發(fā)現(xiàn)和解決關(guān)鍵問題的能力進一步進行評價。

圖2 基于SPOC進行翻轉(zhuǎn)課堂教學的過程實踐圖例

3 翻轉(zhuǎn)課堂教學與傳統(tǒng)教學評價體系對照

表1是“線性極化技術(shù)測定金屬腐蝕速度”實驗基于SPOC翻轉(zhuǎn)課堂教學和“動態(tài)恒電位掃描法測定極化曲線”實驗傳統(tǒng)教學中對開課班級部分學生進行評價的情況。從表1不難看出，傳統(tǒng)教學主要是依賴實驗報告對學生的學習進行評價，而基于SPOC翻轉(zhuǎn)課堂教學從學生自主學習、實際操作、實驗總結(jié)分析以及交流討論等多個維度提供了多元的評價依據(jù)。更重要的是，我們注意到在實際操作評價中表現(xiàn)較差的學生自主學習積極性低、分析交流及探究性相對不活潑，而實驗報告撰寫整理較差的學生有一部分卻表現(xiàn)出較強的實際操作能力。以上說明，實驗課程的傳統(tǒng)教學評價中單純的實驗報告對學生實驗過程操作技能和創(chuàng)新能力難以進行有效的評價，而基于SPOC翻轉(zhuǎn)課堂教學中的多維度評價體系可以對學生學習主動性、積極性、實驗操作能力、分析問題、解決問題的能力以及探究和創(chuàng)新思維能力等進行綜合考評。可以說基于SPOC的翻轉(zhuǎn)課堂教學的評價體系應用于專業(yè)實驗教學中可以 更加準確、全面地反應學生的學習過程，并更加真實地檢驗和反饋教學質(zhì)量。

表1 “翻轉(zhuǎn)課堂教學模式”與傳統(tǒng)“課堂教學”的學習評價對照

4 應用化學專業(yè)實驗基于SPOC翻轉(zhuǎn)課堂教學的反饋與問題

湖南大學應用化學專業(yè)實驗于2018及2019兩個年度開展基于SPOC的翻轉(zhuǎn)課堂教學以來，80%以上的學生課前能主動積極地完成線上視頻學習要求，90%以上的學生能很好地跟隨討論區(qū)設置問題的引導，在課堂實際操作中關(guān)注重要知識點和關(guān)鍵操作，順利地完成實驗內(nèi)容，更有35%以上的學生在課堂交流互動和實際操作中表現(xiàn)出強的創(chuàng)新思維能力和操作水平?？傮w上基于SPOC的翻轉(zhuǎn)課堂教學得到開班學生100%的支持和好評，從反饋的意見來看，大家普遍認為翻轉(zhuǎn)課堂教學從以下幾個方面很好地提高了教學效果：一、課前線上基本原理、重要知識點、關(guān)鍵實驗操作等視頻學習方便、高效，不拘于空間、時間限制；二、基于線上視頻不懂的地方可以支持回看；三、視頻時長大都是10分鐘左右，重點突出，能保證學習注意力和學習效果；四、知識原理學習與實際操作演示相結(jié)合，通俗易懂；五、討論區(qū)很好地引導和激發(fā)學生學習中的主動思考，也提供了很好的師生互動平臺；六、課堂中有更充足的時間進行試驗操作并開展相關(guān)的拓展研究；七、基于課前有效的預習，課堂老師可以更有針對性地進行教學指導。當然，學生也提出了翻轉(zhuǎn)課堂教學中初期最大的問題就是課程平臺的注冊認證過程比較繁瑣，期待有更靈活便捷的注冊認證平臺。

5 結(jié) 語

基于SPOC的翻轉(zhuǎn)課堂的實驗教學模式是集傳授理論知識、演示實際操作、推廣實踐應用以及激發(fā)創(chuàng)新思維于一體的立體化教學模式，是培養(yǎng)學生綜合實驗能力以及學生知識運用能力的有效平臺。為了能更好地推進“在線教學”在高校實驗教學中的應用，大力推動實驗教學方法改革、提升實驗教學質(zhì)量，我們必須進一步優(yōu)化線上包括知識原理、內(nèi)容、規(guī)范操作、關(guān)鍵問題、重點討論等視頻內(nèi)容體系及其他教學資源建設；同時加強線上線下師生互動環(huán)節(jié)，基于問題設計更好地引導學生主動認知、積極思辨、深度探究和努力創(chuàng)新；還有就是設立實時有效的、科學合理的評價指標、權(quán)重系數(shù)，建立建全實驗課程全程學生知識原理掌握、操作技能和創(chuàng)新能力的考核機制體系。