“翻轉課堂”教學法在無機及分析化學課程教學中的實踐與效果分析

高瓊芝，劉英菊，張聲森，楊思源，蔡欣，劉海峰，周曉華

華南農業大學材料與能源學院，無機及分析化學教學團隊，廣州 510642

翻轉課堂起源于拉格、普拉特和特里亞創造的“顛倒課堂”[1]。傳統的高等教育教學以“講授-課后作業”的形式開展，這種教學方式促進了布盧姆分類學定義的順序思維技能的低階思維技能的發展[2]。翻轉課堂教學法則顛覆了這一點，提前把教學資料提供給學生，讓學生先自學，在面對面上課的時候則進行探究性學習來解決問題。因此，低階思維能力如記憶和理解在課外時間按學生自己的步調進行，而高階的主動學習技能，如分析和評估可在同學的支持和教師的指導下在課堂上得到訓練。多篇文獻表明，先自學后面對面教學的翻轉課堂模式提高了學生的綜合能力和高階思維技巧訓練的參與度，考試成績和學生滿意度得到提高[3–5]。傳統教學中被動的、講授式的灌輸知識方式促進了學生低階思維能力的發展(如認知、理解能力)，但因參與度低導致知識的記憶保留率較低。因此，開展翻轉課堂教學模式，運用積極的學習方法，對學生高階思維能力的培養有潛在的優勢。近年來，高等學校教育方式逐漸從以教師為中心的教學法向以學生為中心的教學法轉變，學生在多個學科的學習成績得到提高，分析、綜合、評估等高階創新能力得到發展。

自2011年以來，隨著我國課程教育改革的不斷深入和信息技術的發展，《國家中長期教育改革和發展綱要(2010–2020年)》將“提高質量”確定為各級各類教育發展的主體，有關翻轉課堂的研究從無到有，發展迅速[6–8]。翻轉課堂在科學、技術、工程和數學(STEM)類學科的教學上越來越受到歡迎。大量研究表明，國內外在高等教育領域翻轉課堂教學法使用得越來越頻繁[9–12]。但人們對這種教學方法存在一種誤解，即這種教學法適用于所有人。翻轉課堂教學法沒有明確的定義系統，也無法充分描述如何實現翻轉課堂的教學策略。就像所有的教學方法一樣，它也有實際的局限性，需要考慮學生動機和實施過程中的技術問題。學生可能因為以前沒有經歷過翻轉課堂學習，對這個方法的設置不太熟悉而令其望而生畏。隨著翻轉課堂教學法的成功開展，我們發現，學習效果的好壞很大程度上依賴于學生投入課前資料學習的主動性和自律性。也有學生會抵制，他們擔憂自己應該對自己的主動學習負責？或者相反只是被動地接受傳統教學法課上的知識灌輸？如果在實施翻轉課堂教學法之前，向學生仔細解釋這種方法潛在的好處，可以很大程度上緩解學生的這些擔憂。值得注意的是，少數學生對新方法的抵制，可能使學習處于不利地位，盡管研究表明大部分的學習者都歡迎在教學中使用這種新方法。但在這種方法中，課前學習階段缺乏與教師的聯系也可以被視為一種缺陷，學生遇到問題時不能立即和教師溝通，從而導致學習的混亂或因困難而放棄學習。盡管在接下來面對面的教學環節中學生有機會和教師澄清課前學習中遇到的問題，但可能會因為時間間隔太長，從而忘記引起他們困惑的確切問題。

在本文研究中，采用翻轉課堂和傳統教學法對本科一年級學生進行無機及分析化學課程的教學，旨在讓學生體驗不同的學習方式，學習化學熱力學的計算、水溶液體系四大化學平衡的計算、滴定分析法等知識模塊；模塊學習結束后通過總結性評估和匿名問卷調查來評估學生的學習成績以及學習滿足感。

1 教學方法

1.1 課程的設置

無機及分析化學課程為我校農林理工等各專業學生的必修基礎課，課程共48學時，3.0學分，以每周4學時對大一學生開展教學，12周完成全部教學內容。

為了比較傳統教學法與翻轉課堂教學法的不同教學效果，我們對大一生物科學類專業的兩個平行班(非基地班、非丁穎班)學生采用小班式教學，學生學習能力和文化基礎基本一致；其中1班27名同學采用傳統教學法，2班36位同學采用翻轉課堂教學法。36名同學分成6個小組，每個小組6名學生(樣本數n = 36)，在第一學期12周的教學周期內，共12學時開展課堂面對面的交流，其他時間以課前學生觀看視頻、完成線上小測和課后作業、教師進行課外在線指導和答疑等形式進行。在12周的教學中，教師為學生提供充分的時間觀看視頻、復習、提出問題、反復閱讀教材和視頻材料等。課程內容包含化學熱力學、酸堿平衡、沉淀溶解平衡、配位平衡、氧化還原平衡、誤差與數據分析、滴定分析法等模塊的基本概念、基本原理和相關計算，核心內容以熱力學的計算、四大平衡的分析計算、酸堿滴定分析的計算為主，是學生將來進行專業學習的重要化學基礎。

1.2 課程的實施

第一階段，教師在我校教育在線平臺發布一系列涵蓋課程重難點內容的在線視頻、PPT課件、章節討論題等；學生在課前觀看視頻材料、閱讀教材，并完成10次在線章節小測和7次課后作業等，然后以小組為單位對學習中遇到的問題進行討論與總結，小組討論的過程中教師通過釘釘在線課堂進行點對點指導，隨后小組總結問題、歸納知識點。第二階段，學生回到課堂，各小組在課堂上與教師和同學一起討論研究，教師把視頻中的核心概念與例題以及學生遇到的重難點問題進行歸納總結。例如，針對水溶液的解離平衡內容，從在線小測、課后作業以及小組討論中，教師發現學生在解多重平衡計算題時思路不太清晰，線下課堂時教師通過分解多重平衡為單重平衡的方法，引導學生利用分步平衡一步一步深入分析并解決問題，直到理解透徹。線下課堂能夠讓學生對重難點的知識更加深入理解，對學習中積累的問題徹底厘清，進一步增強學習的信心。第三階段，課程期末考核評估。

課程視頻、課后討論題、在線小測、課后作業等其他課程資料通過學校的教育在線平臺發布。在整個教學的12周內，視頻材料每兩周(第1、3、5、7、9和11周)提供一次，每周提供大約30分鐘的短視頻。第1周包括化學熱力學第一定律、反應的熱效應、反應進行方向的判據、化學平衡等；第3周包括酸堿質子理論、酸或堿溶液pH值的計算、兩性物質溶液pH值的計算、緩沖溶液的概念與配制等；第5周包含沉淀-溶解平衡的概念與計算、配合物的結構與命名、配位平衡的計算等；第7周包含氧化還原反應的配平、原電池的概念及電池符號、電極電勢與電動勢的概念、氧化還原反應方向的判據、能斯特方程、氧化還原反應的應用等；第9周重點為四大平衡的綜合分析與計算；第11周包含數據分析與處理的方法、酸堿滴定的分析與計算等。發放視頻等材料的當周要求學生觀看視頻、閱讀教材、并嘗試完成用來檢查學習效果的線上小測，之后一周(即第2、4、6、8、10和12周)的前半周學生以小組為單位，討論線上發布的討論題，并試圖通過組內討論解決各自學習中的基本問題；較為復雜的問題先由指導教師通過釘釘課堂直播進行點對點的引導，隨后各小組在教師的指導下澄清問題，進一步總結本組學習中的遇到的各種問題。在雙周的后半周面對面的輔導課上，各組之間通過同學間的討論和教師引導作為指導方法進行問題討論與總結，解決線上學習中遇到的較為復雜的問題。

1.3 課程的評估

期末考核包括23個在線問題，學生需在第14周完成。作為在線學習的最后一個模塊，占課程總成績的40%。采用傳統教學方法的學生也用同樣的題目進行測試。表1總結了翻轉課堂教學的時間節點與內容。

表1 翻轉課堂教學環節時間節點與內容

為了鼓勵學生積極參與在線視頻觀看、在線小測、組內討論、課堂討論、課后作業等各個教學環節，翻轉課堂教學法的總評成績以平時成績為主，占總評成績的60%，具體考核方式與標準見表2。傳統教學法的考核方式以期末考核為主，占總評成績的60%，平時成績占40%。

表2 翻轉課堂教學法考核形式與內容

所有參與翻轉課堂學習的學生必須完成翻轉課堂的視頻學習、在線小測、課后作業、小組討論、課堂討論和期末總結性測試的環節。學生自愿完成反饋問卷，沒有獎勵，即使不完成問卷調查也不會被處罰。

2 結果統計分析方法

為了分析翻轉課堂教學法與傳統教學法對學生學習效果、滿意度等方面的差異，本論文采用統計分析方法對兩個主要方面進行了比較分析。

第一個研究的問題是：翻轉課堂教學法是否對學生的學習成績產生了顯著的影響。本文通過比較同學期內同一教師采用傳統教學法或翻轉課堂教學法對學生的學習成績進行比較，然后使用統計產品與服務解決方案(Statistical Product and Service Solutions，SPSS)軟件進行統計分析[13]，在5%的顯著性水平下，采用獨立樣本t檢驗評估學生成績是否存在顯著性差異；采用卡方分析比較單個問題的成績。

第二個研究的問題是：確定學生對其翻轉課堂學習經歷的滿意程度，以及他們對翻轉課堂教學法的總體看法。滿意度通過匿名問卷調查獲得，最后一次課堂面對面教學后發給學生調查問卷，評分采用利克特量表，根據滿意程度分別為5分、4分、3分、2分和1分(非常滿意為5分，滿意為4分，基本滿意為3分，不滿意為2分，非常不滿意為1分)學生選取一個滿意度的分值，采用雙尾二項式檢驗分析學生的滿意度。對翻轉課堂教學的總體看法通過匿名收集學生填寫的文本信息獲得。

3 結果與討論

3.1 學生參與度

統計了學生每周觀看視頻的總次數和總觀看時間，估算出每個學生平均每周觀看視頻約三次(表3)。這些數據表明學生能很好地利用線上視頻資源進行學習，視頻利用率較高。

表3 每周視頻學習時間與次數

3.2 學生綜合表現統計與分析

36名生物科學類學生參加翻轉課堂的學習，其中男生20人(56%)，女生16人(44%)。全部36名(100%)學生自愿完成了問卷調查和在線測驗。采用SPSS軟件比較翻轉課堂教學法和傳統教學法學生的平均成績(平均成績為期末考核的平均成績，傳統教學法與翻轉課堂教學法的總評成績組成比例不同，不能比較)，結果于圖1和表4所示。

表4 采用翻轉教學法和傳統教學法學生平均成績統計分析表

圖1 平均成績t檢驗結果

圖1在線測試的總體成績t檢驗結果表明，采用翻轉課堂教學法與傳統教學法整體成績差異顯著(p= 0.000；t檢驗)，采用翻轉課堂教學法的學生平均成績較傳統教學法提高了14.7% (置信區間為95%)，表明在大一學生中推廣翻轉課堂教學法具有一定的現實意義。

表5和圖2為采用兩種不同教學法學生成績各分數段的占比情況。從表5可以看出，采用傳統教學法學生成績主要的分布區域為60–69，而采用翻轉課堂教學法學生成績的主要分布區域為80–89和90–100之間；圖2的柱狀圖中明顯看出70–79、80–89、90–100中高分數段人數占比翻轉課堂較傳統教學得到了顯著提高，尤其是優秀率(90–100)較傳統教學提高了29.6%；而60–69、0–59低分數段人數翻轉課堂教學比傳統教學呈現明顯下降，不及格人數比較傳統教學法下降了9.2%。這些數據表明，翻轉課堂教學法更有利于學生對專業知識的理解，學生整體成績的提高效果明顯。

表5 不同教學法各分數段人數占比表

圖2 分數段占比柱狀圖

3.3 逐個問題分析

課程的最后階段，對兩個班的學生統一進行在線期末考核，考核包括23個在線問題，其中單選題16個、簡答題3個、計算題4個。然后分別針對每個問題的答題結果進行了四格表卡方檢驗，以確定是否存在顯著差異，圖3為問題1 (0.10 mol·L-1NaOH滴定同濃度HAc (=4.75)的pH突躍范圍為7.75–9.70，若滴定同濃度的HB (=2.75)的pH突躍范圍為多少？)的卡方檢驗結果。兩組學生使用完全相同的23個問題進行測試，比較采用翻轉課堂教學法與傳統教學法學生之間成功完成的比例，基于5%的顯著性水平上，發現在23個問題中有5個問題采用翻轉教學法的學生比對照組有了明顯的進步，學生的通過率增加10%–30%。另外還有2個問題差異接近顯著性，p值為0.065和0.089，通過率分別比對照組提高了11%和8%。

圖3 四格表卡方檢驗結果圖(問題1)

在23個問題中，有19個問題采用翻轉課堂組較傳統教學組整體有所提高。少數案例出現成績反而下降的現象，表明雖然解決了大部分問題，提高了整體通過率，但翻轉課堂教學法并不總是對所有個體同樣有效。

3.4 學生滿意度

36名學生全部完成了匿名5分利克特量表模塊問卷調查。對所有學生回答的問題結果進行整理，同時對逐個問題的認可率和回復信息進行響應分析。數據結果表明，學生對翻轉課堂教學法的回應總體很積極，每個感知水平的反應百分比見表6。

表6 匿名問卷調查總體情況表

圖4中列出了調查問卷的總體概要(共12個問題)。特別值得注意的是，對問題6和7 (“參加輔導前/后對教學材料的信心”)，“強烈贊同”選項的比例從27.8%上升到72.2%，表明課堂討論對解決學生學習中遇到的困難非常重要。對問題8 (“輔導課提高了我對關鍵問題的理解”)，80.6%的學生強烈認為參加課堂輔導提高了他們對關鍵問題的理解；問題1、2 (“我準時參加翻轉視頻學習”“我參加了課堂討論”)的“強烈贊同”比例分別為72.2%和80.6%，且問題12 (“翻轉教學法讓我學習更主動了”)的“強烈贊同”比達到75%，表明絕大部分學生能準時參加課前視頻學習和課堂討論，學生學習的主動性較高。

圖4 問卷調查的回答情況統計圖及問題概要

在完成問卷的36名學生中，31人(86.1%的受訪者)提供了免費的文本信息回復。尤其是感謝有機會與同學一起學習和討論，探究學習中各自遇到的困難并試圖共同解決問題。下面列舉一些典型的對翻轉課堂教學法積極反應的回復：

“每個人都積極寫出自己的答案，不管是對的還是錯的計算。”

“這是一個非常個人化的方法，因為學習過程中有機會清楚地指出我的問題，列出我需要重點關注的學習領域。”

“有機會展示自己解題的方法和討論我們學習中遇到的難題。”

“事實上我們大部分時間都在自學，然后有機會問問題并解決問題。”

“提前完成自學，所以當課堂討論時，我可以集中精力改正錯誤，并請教導師和同學們相關問題。”

“我真的很喜歡我們在一個小組里學習并討論，讓我們更自信地展示和討論。”

4 結語

翻轉課堂教學法以積極主動學習的教育方式，為高等教育努力提高教學和學習質量創造了機會。研究結果表明，積極的學習方式對學生的表現產生了積極的影響。對期末考核的23題逐題分析發現，23個問題中有19個整體表現得到提高，其中5個達到顯著性提高，另外有2個問題接近顯著性提高。問卷調查表明，采用翻轉課堂教學法，學生有足夠的時間進行網上材料的學習，為后來的面對面教學環節做好了充分的準備。學生還特別強調“因為線上材料包含了課程全部內容，可以更獨立自主地學習，因此參加面對面輔導時，感覺更自信了”。雖然這種方法主要靠自學和同學之間的互相學習與討論，但教師的面對面指導仍然非常重要，因為教師可以對錯誤概念及計算進行準確的澄清與指導。總的來說，翻轉課堂教學法培養了學生學習的主動性和高階思維能力，學生對開展翻轉課堂教學滿意度較高，并支持繼續開展翻轉課堂教學法。

從教學的角度來看，翻轉課堂教學法在前期創建在線資源時耗時很多，但可以長期使用，只需逐年更新。后續的研究期待能根據專業的特點制定不同的教學方案，同時優化考核方式，逐步推廣翻轉課堂的試點學生人數，進一步提高學生成績和總體滿意度，繼續完善翻轉課堂教學方法。