以“學生為中心+專業為導向”的環境基礎化學教學改革探索

王娜娜，孫慧，宋剛

廣州大學環境科學與工程學院，廣州 516000

為了防控2020年初的新冠肺炎疫情，教育部采取“停課不停教、停課不停學”的應急措施，學校有序開展線上教學，成功實現了現代信息技術在教育教學中的運用[1]，并取得了可喜的成效。教育部為了鞏固疫情期間在線教學成果，深入推動多種形式的線上、線下、線上與線下相結合、實體與虛擬相結合、課內教學與課外實踐相結合等教學模式創新，切實推動高等教育人才培養的“質量革命”[2]。其中，線上教學指明了未來教學發展的新形式，將傳統線下教學的特色和線上教學的優點有效融合，為未來大學教育教學改革開辟了新途徑，這也是我國在大學教育教學中推行“互聯網+”的主要驅動力。

環境科學作為一門跨學科領域的專業，對學生的培養以知識復合化和能力綜合化為導向，在看待問題、分析問題及解決問題時要求學生具有發展的眼光和全局的視角。結合習近平總書記在全國教育大會上對教育工作“培養什么人、怎樣培養人、為誰培養人”這一根本問題的深入剖析[3]，環境科學專業基礎課程“環境基礎化學”的課程教學需與時俱進地進行改革，以學生為中心、專業為導向進行教學設計，實現高質量的環境專業本科生培養的育人目標。

1 環境基礎化學教學的基本情況

環境基礎化學為環境科學專業學生必修的學科基礎課程，開設在本科教學的第一學期，理論教學總學時為48學時。環境基礎化學包含無機化學和分析化學兩部分內容，無機化學涉及到物質的結構基礎、化學反應的一般原理以及酸堿平衡、沉淀溶解平衡、氧化還原平衡和配位平衡這四大反應平衡；分析化學則是基于上述四大化學平衡建立定量分析方法以及與之相關的數據處理方法，具體課程體系如圖1所示。該課程不僅具有理論可驗證性，同時具有可實踐性，如指導水體化學需氧量的定量分析、有害重金屬離子的沉淀去除等。環境科學專業的必修和選修課程如環境化學、環境監測、環境樣品前處理等均是以環境基礎化學為理論基礎進行延伸與拓展，掌握環境基礎化學的基本理論知識有助于清晰認識污染物在環境中的行為。因此，研習該課程可以夯實學生在環境污染預防與控制、資源利用與生態保護等環境問題方面的理論基礎和實踐技能，為其畢業后的學習深造和工作奠定必要的基礎，也是培養學術型和應用型高素質環境人才的必要條件。

基于此，我們開展了教學情況反饋調查，以獲取學生對環境基礎化學課程授課情況的實時信息，為本門課程的教學改革提供指導和參考。本次調查利用“問卷星”小程序，面向環境科學專業2017-2020級四個年級的244名在校學生展開。問卷內容囊括了學生的化學基礎和學習習慣、教師授課方式、教學手段、知識點分布以及學生課堂參與度等多個方面，共收集238份有效問卷。針對調查結果，我們對環境基礎化學課程的教學情況做了詳細的分析和總結，并探討了該門課程教改的側重點和具體措施。

圖1 環境基礎化學課程體系

2 當前環境基礎化學教學局限性分析

2.1 學生基礎一般，學習習慣和方法不可取

問卷調查結果表明，這四個年級的在校學生在高中階段學習過無機化學方面的基本理論知識。其中，50.01%的學生表示其化學基礎一般，只有6.72%的學生認為自己化學基礎較好，另有7.56%的學生自評化學基礎很差。因此，80.26%的學生表示對無機化學的興趣一般(圖2)。這種非積極性的學習興致所產生的最直接表象就是學生學習的主觀能動性下降，進而無法養成良好的學習習慣，如課前預習、課后復習和獨立按時完成作業等。盡管授課教師已有所強調，只有5.88%的學生會經常做課前預習，48.32%的學生只是偶爾做預習，12.61%的學生則從不做預習。課后復習情況在作業任務的驅動下略有改善，但只有13.03%的同學積極主動做課后復習，絕大部分同學在做作業時才偶爾主動復習相關知識點(圖2)。此外，根據學生對本門課程與未來專業知識學習的貢獻性和關聯度的反饋情況來看，大多數學生認為，除物質的聚集狀態外，其他內容如四大化學反應平衡、定量分析基礎、化學反應的一般原理及物質結構基礎均對未來專業能力的培養很重要。由此可見，學生已意識到環境基礎化學對于專業學習的重要性，那么如何培養并提高學生學習的主觀能動性是未來教學過程中重點關注的方向之一。

圖2 學生化學基礎及感興趣度(上)和知識復習情況(下)

2.2 課時安排不足，教學模式傳統

本門課程主要采用“教師講解-學生接受”的傳統線下教學模式，通過“課后作業+學生出勤+閉卷考試”的方式考核學生對知識點的掌握程度。環境基礎化學課程總共有十章內容(圖1)，重點講授的內容有八章，每一章節內容都關系到污染物在環境介質中遷移轉化和控制治理的理論基礎。而本門課程只有48學時，存在基本理論知識多、定律公式龐雜、基礎性強、內容抽象以及學時緊等問題。在此背景下，要完成核心內容的有效教學，對授課教師和聽課學生的時間管控均提出了嚴格的要求。這對無機化學基礎薄弱且興趣一般的學生來說，教師沒有時間重復講解，自己又跟不上理解的速度，就只好充當聽眾，只聽不思考，導致學習興趣逐漸下降。問卷調查和教學評價的結果也表明，學生認為“講課內容太枯燥無聊”，也認識到“理論課的上課內容相對枯燥無味是不可避免的”，意識到“需要學生提前預習，才能讓課堂不那么枯燥，要發揮個人主觀能動性”。同時，還透露了他們對于課程教學形式的訴求，如希望“課堂形式可豐富些”“理論教學中的重難點可以用不同方式講解”“不要純理論，可以結合實驗課”以及“多課堂問答，帶著學生做題”等，并“建議在PPT里多放一些視頻”。另外，學生對于課堂的幽默氛圍也提出了要求。可見，教師在課堂上主導把握、學生單向輸入的現有教學模式，已無法滿足學生的學習興趣與需求。因此，對于授課教師來說，如何在有限的授課時間內將課程內容講得通俗易懂且幽默風趣，使學生既能快樂吸收理論知識，又能理解其在環境領域中的應用方向，從而初步具備解決環境領域中相關問題的能力，是今后教學目標中需要改進和完善的方向。

2.3 教學形式單一，未充分利用互聯網的優勢

結合問卷調查和教學評價的情況發現，學生希望課堂上能有不同的教學形式，以增加課堂趣味性。例如，在課堂上插播相關教學視頻來幫助其理解知識點，教學過程可以采用雨課堂等新穎的教學手段，對重難點知識的講解進行適當的錄播以幫助其課后復習等。可見，若能在傳統授課模式中嫁接互聯網教學，無疑能帶給學生新的課堂體驗，從而有效提高其學習參與度。這主要基于“互聯網+”以下幾方面優點：1) 利用移動終端開展教學活動，沒有明顯的時間和地域限制性；2) 網絡平臺上有大量免費的課程學習視頻，學生可根據需求自主學習，不局限于教師的課堂講授；3) 課堂教學中插播短視頻，幫助學生理解的同時可提高其課堂投入度；4) 智慧教學工具的引入使手機在課堂上的功能由娛樂轉化為學習；5) 利用互聯網學習不僅可以讓教師的教學能力和表達技巧與時俱進，更能有效激發學生學習的主觀意識。

2.4 教學過程中的專業導向性不足

無機及分析化學是非化學類理、工、農、醫等相關專業的通用公共基礎課程。但不同專業的學生在具體應用無機化學知識時側重點有所不同，應根據專業特點量身定制教學目標。對于環境科學專業而言，將如何利用基礎化學理論知識分析與解決環境問題設定為具體教學目標，能確保學生在每節教學課中真正學有所獲。然而，基于課時少、知識點多的矛盾關系，環境基礎化學現有的教學系統還不夠完善和成熟，教師往往照本宣科地講授教材上的內容或根據學時選擇相對重要的知識詳細講解。由于教師的主觀性較強，知識點之間的關聯性則容易受限，多數情況下學生無法將所學知識用于實際問題的分析。對此，學生在問卷調查中建議，在“理論教學過程中可以聯系理論應用的領域或者行業的相關事例進行講解，多結合實際”。

3 “互聯網+”背景下環境基礎化學課程教改探討

李克強總理在2019年《政府工作報告》中明確提出要發展“互聯網+教育”，促進優質資源共享[4]。在信息技術和數字技術的助力下，互聯網科技與教育領域相結合成為一種新的教育形式，也引起了對當前高等教育傳統模式的深遠思考。利用“互聯網+”的衍生效應，打造“學生為中心+專業為導向”的環境基礎化學課程線上線下混合教學模式，對于改善現有教學的局限性和實現高質量教學具有重要意義。

3.1 雨課堂+BOPPPS模型，創新教學方式

問卷調查中學生建議“課堂上多關注同學反應”，這表明學生意識到其在課堂上的主體地位。教師要避免灌輸式的教學模式，應以學生為中心，注重激發學生的學習興趣，引導其積極思考問題，培養其分析問題的能力。利用雨課堂、微信小程序等智慧教學工具可實現由教師為中心轉向以學生互動為主，而移動智能手機是完成這一轉變的重要媒介[5]。教師通過雨課堂可將課前預習、教學課件和課后考查有效串聯起來，同時還能利用彈幕功能活躍課堂氛圍。在整個教學過程中，教師能及時掌握學生學習情況，并作適時反饋；學生亦可充分地思考和互動交流，不會覺得“枯燥無聊”。BOPPPS模型作為一種強調以學習者為中心的全方位參與和及時反饋交流的教學模式，可根據教學目標將學習過程拆分為導言(Bridge-in)、目標(Objective)、前測(Pre-assessment)、參與式學習(Participatory Learning)、后測(Post-assessment)及總結(Summary)六個相互關聯的學習環節，在有效提升學生注意力的同時，幫助教師改善教學質量[6]。該模型理念與雨課堂的推廣功效不謀而合。

基于環境基礎化學課程涉及的原理公式多、內容抽象、傳統教學效果不理想等問題，本門課程利用雨課堂豐富的輔助功能將BOPPPS模型“以學生為中心”的思路運用于課程教學改革設計(圖3)。首先，針對學生目前預習頻率低、上課跟不上節奏的情況，根據BOPPPS模型中的“導言、目標和前測”環節，設計一份課前預習課件，于上課前提前2天推送給學生。預習課件內容包含三方面：1) 一段小視頻、生活中的小事例或人物故事，由此提出一個關于新知識的疑問，啟發學生思考去尋求答案；2) 明確的學習目標和要求，便于學生了解重、難點內容，有的放矢；3) 預習習題，幫助學生了解其對基本概念、原理的掌握和對公式簡單運用的程度，以合理分配課堂時間。其次，針對BOPPPS模型中的“參與式學習”環節，課堂上教師根據學生課前的預習效果細化重點和難點知識的講解，再通過雨課堂將課件同步推送到學生手機，進一步實時了解學生“不懂”和“收藏”的內容以作教學調整。同時，利用雨課堂的限時答題、開啟彈幕以及課堂點名提問等方式加強與學生的互動教學，也滿足學生“多課堂問答，多給學生抒發自己想法的機會”的要求(48.32%的學生希望一堂90分鐘的課程有3-5次提問，36.97%的學生表示老師視情況而定)。再者，新一章內容結束后，根據BOPPPS模型中“后測和總結”的思路，將知識點總結設計成一套題量為20-30的復習題試卷和一份思維導圖，課后通過雨課堂推送給學生，檢測學生學習效果的同時幫助其系統化回顧和掌握教學內容。

圖3 BOPPPS模型教學思路協同雨課堂的教學設計

3.2 借助翻轉課堂，強化學生主體地位

翻轉課堂是一種以學生為中心的教學模式，強調學生個性化學習，學生利用豐富的信息化資源在課下自學，教師由授課轉為“導學”和“助學”[7]。中國大學MOOC平臺發布了來自大連理工大學和天津大學的無機化學國家精品課程以及其他高校的無機化學在線課程，這為學生提供了大量高質量的自學素材。環境基礎化學課程關于“物質的聚集狀態”和“物質結構基礎”章節，部分內容學生在高中階段簡單學過，且內容相對容易理解，適合翻轉課堂教學。另外，對于“是否愿意接受本門課程設置學生分組講解環節”的問卷調查結果表明，50.00%的學生接受這種形式(12.61%很愿意，37.39%愿意)，24.79%表示無所謂。因此，本門課程的教學改革可沿著“智慧課堂+MOOC課程+部分翻轉課堂”線上線下混合式教學模式，即學生課前線上觀看MOOC視頻，分組協作完成預留任務，課中教師主導學生按組討論，培養學生主動自學、積極互動和樂于交流的學習模式。具體設計方案為：根據教學進度表在指定的教學周每45分鐘課預留30分鐘時間給學生進行匯報講解，剩余15分鐘教師進行點評和補充，至少提前1-2周布置這一任務給學生；4-5人自行成一組，討論并分配任務(包括收集整理資料、制作PPT、匯報講解和現場答疑)；教師和學生根據每組任務完成度、PPT質量和現場匯報表現進行綜合評分，作為平時成績；課后通過問卷星等小程序收集學生對于分組教學的意見和建議，同時通過雨課堂推送章節復習小測習題。教學流程如圖4所示。

圖4 “智慧課堂+MOOC課程+部分翻轉課堂”線上線下混合式教學流程

3.3 加強專業導向，培養專業型人才

大學本科教育是培養未來專業型人才的關鍵環節，在教學過程中不僅要以學生為中心，更要注重教學中的專業導向性[8,9]。對于環境科學專業人才的培養，基礎化學教學過程應加強化學知識與現有環境問題的交叉結合，重視培養學生環境專業方面的素養，以鍛煉其解決實際環境問題的能力為出發點。具體可以從三個角度來加強專業導學。首先，理論課融入案例教學，訓練學生的專業性思維。例如在“酸堿平衡與酸堿滴定”一章中講到形體分布時，介紹有毒類金屬銻的形態與水體pH的關系，并延伸到湖南錫礦山作為世界銻礦之都，在開采過程中所引發的一系列環境污染問題，強化學生對重金屬污染事件的認識。講解“沉淀溶液平衡及沉淀滴定”時，介紹“兒童血鉛”“廣西賀江鎘鉈污染”等重金屬污染事件，并向學生拓展水體重金屬污染的處理方法，啟發學生結合酸堿平衡理論和沉淀溶解原理設計重金屬污染水體處理處置的可行性方案。其次，加強配套的實驗教學對理論教學的反哺，通過實踐促進對理論知識的消化，實現學生專業能力和素養的提升。如講解“氧化還原平衡與氧化還原滴定法”時，介紹湖南“鎘大米”事件，通過播放大米中鎘含量分析的實驗操作視頻，引導學生思考氧化劑/還原劑的選擇對于樣品前處理的作用，并初步了解環境樣品定量分析的方法。線下實驗教學中，指導學生采用絡合滴定法進行水體(如礦泉水、飲料、自來水、湖水等)硬度的測定，引導學生了解高錳酸鉀法、碘量法等在水質指標分析方面的應用，認識到所學皆能所用。第三，加強課程思政，培養學生的專業認同感和責任感。如課前適時播放日本水俁病事件、云南陽宗海砷污染等環境污染事件視頻，給學生直觀的視覺沖擊(動畫＞圖片＞文字)，讓學生意識到環境保護的重要性，理解習近平總書記“山水林田湖草是生命共同體”的深刻內涵，激發其專業使命感，進一步提高其專業知識學習的熱情。

3.4 共享教學成果，構建特色專業課程體系

廣州大學環境科學與工程學院環境科學專業課程設置中，環境與化學的交叉課程除了環境基礎化學及實驗外，還有環境儀器分析及實驗、環境化學及實驗、環境監測及實驗、環境監測課程實習等必修課程，以及包括環境土壤學、環境放射化學、土壤污染與修復、廢水碳氮指標檢測原理方法及應用在內的選修課程。這些課程大多以環境基礎化學為理論基礎，在不同環境介質層面，就特定環境維度的問題進行具體拓展和延伸。因此，梳理并明確知識點的層次，厘清這中間的邏輯關系，由淺入深、循序漸進開展專業課教學，有利于學生對知識的深入理解和綜合運用。為適應環境科學專業培養目標和教學需求，可整合環境科學專業化學方向的專業課程教學，將理論和實驗內容進行模塊化設計，構建具有專業特色的課程體系。首先，設置教學模塊。教學模塊除了需要根據學習階段、課時安排、課程特色等設置外，應分為基礎知識體系與應用拓展體系，基礎知識支撐應用實踐，形成模塊化分層次的課程體系。例如，應用拓展型課程環境監測立足于專業定位和實踐能力培養，將環境基礎化學的基礎知識和反應原理融入到環境參數的分析中。其次，建設教學成果共享網絡平臺。現有環境基礎化學教學和相應改革研究成果很多，例如學校層面的星級課程，MOOC平臺國家精品課程等，但這些成果較為分散，實用性受到一定限制。利用“互聯網+”將本校和其他高校關于環境與化學交叉課程的教學及其研究成果集中起來，根據課程的基礎和專業程度進行分類設置，建成適合環境科學專業的教學數據庫。通過這樣一個統一網絡平臺幫助教師有效布置教學工作，對于教師教學能力和學生學習效率的提高十分有益。

4 結語

基于四個年級學生對環境基礎化學課程教學情況反饋的結果，我們制定了相應的教學改革方案。本次教改將“以學生為中心、專業為導向”作為指導思想，在“互聯網+”的惠及下，設計構建雨課堂和BOPPPS模型相結合的教學模式，并融入“智慧課堂+MOOC課程+部分翻轉課堂”的線上線下混合式教學手段，實現教師課堂教學形式的多元化，促進學生積極思考，發揮其學習的主動性，活躍課堂學習氛圍。同時，從培養學生利用專業知識解決實際問題的角度為出發點，利用“互聯網+”的便捷性，將課程資源有效整合，打造環境科學專業化學模塊的特色課程體系，實現課程交流平臺化。后續將在此次環境基礎化學教學改革的基礎上繼續推進以學生為中心的教學改革創新，堅持問題導向、目標導向、結果導向，進一步完善教與學的融合，提升學生綜合能力，以適應國家“十四五”教育發展規劃，促進環境科學高等教育的發展。