“翻轉課堂+混合式”教學模式在物理化學實驗課程中的探索與實施

賈雪平，丁津津，朱玥，繆建文，葛存旺，張躍華，葛明

南通大學化學化工學院，江蘇 南通 226000

物理化學實驗作為化學師范、應用化學、化工、高分子等專業的一門重要的專業基礎必修課，綜合了化學領域中各分支學科所需要的基本操作技能和基本研究方法，是培養學生基本操作能力、科學研究能力、綜合創新能力的重要實踐環節，在基礎化學實驗中占有非常重要的地位。

近年來，隨著微課、慕課(MOOC)、私播課(SPOC)、虛擬仿真實驗等教學資源建設的逐漸完備，物理化學實驗教學改革的方向在朝著線上與線下相結合、課堂實踐與課外自主學習相結合的混合模式推進。

1 混合式教學與翻轉課堂

混合式教學(Blended teaching)是將傳統的網絡教學(線上)與課堂教學(線下)相結合，并融合二者優勢的新型教學模式[1–3]，是目前高校教學改革的一個重要研究方向。翻轉課堂(Flipped classroom)是指學生在課前通過看視頻講座、自己查閱資料、同學之間討論等方式自主學習，課堂上學生通過展示學習成果、相互交流、合作探究等形式，在教師的引導下，完成知識的吸收內化過程[4]。翻轉課堂不僅關注知識目標的達成，而且關注綜合能力的培養，如自主學習能力、提煉總結能力、語言表達能力、創新能力等。混合教學模式下的翻轉課堂既能最大化地利用現代多媒體和信息技術，又能充分發揮教師的主導作用和學生的主體作用。

近年來多所高校的物理化學實驗進行了翻轉課堂和混合式教學的嘗試。謝愛娟、伍水生等[5–7]基于SPOC的物理化學實驗混合教學模式開展了物理化學實驗翻轉式教學的探索。胡俊平等[8]以“原電池電動勢的測定”為例研究了基于微課的物理化學實驗翻轉課堂教學案例設計。李秋艷等[4]以“粘度法測高聚物的分子量”為例，探索了翻轉課堂的教學成效，并通過實踐及統計假設檢驗，全面評價了該教學模式。

翻轉課堂雖具有諸多優點，但其成效會受到班級規模、學生自主學習的能力和意愿等因素的影響。例如，若班級規模較大，學生課堂展示的參與人數比例較小，學習效果很可能出現兩極分化。對于自主學習能力和表達能力強的學生，他們有能力且愿意在翻轉課堂上進行課堂展示，而這個展示過程的確會進一步地調動其自主學習的積極性，形成正向反饋；而對于自主學習能力和表達能力弱的學生，在翻轉課堂實施過程中，課堂展示與討論環節參與度低，長此以往會進入學習退步、動力減弱的惡性循環[9]。

目前，混合教學模式下的翻轉課堂應用于物理化學實驗中的教學研究仍處在探索期，如何減少可能會出現的學習效果兩極分化的情況，提高課堂的參與度，使翻轉課堂成為一種常規方法運用到教學中，讓大部分學生得到鍛煉，使翻轉課堂真正成為一種具有普適性的常規方法運用到教學中，仍需進一步研究。

過去的兩年中，教學團隊利用愛課程平臺的SPOC和慕課堂，進行了物理化學實驗線上線下混合式課程改革，取得了較好的教學效果，受到學生的普遍歡迎。為了鞏固和完善前期的教學改革成果，進一步調動學生學習的積極性和主動性，本學年團隊在前期改革的基礎上，探索了翻轉課堂在物理化學實驗混合式教學中的應用。

2 物理化學實驗混合式教學中翻轉課堂的實施

2.1 混合式教學中翻轉課堂的實施過程

學習包括知識的輸入和輸出兩個過程，知識的輸出是翻轉課堂的重要組成部分。實驗課堂上知識的輸出不僅指學生正確進行實驗操作，而且包括學生能夠講述實驗原理和過程、積極參與課堂討論和對實驗現象進行合理的解釋。本次翻轉課堂探索的重點在于強化學生知識輸出的訓練。由表1可見，本次教學實施過程的主要變化是：在教師強調實驗重點之前，先讓兩名學生介紹實驗原理和操作，然后讓其他學生進行糾正和補充，接著教師進行點評、糾正、補充，再拋出問題引導學生討論。教學實施過程中，將實驗講解分為原理和操作兩個模塊，是為了提高學生的課堂參與度；同時，為了避免聽講的同學懈怠，也給他們布置了糾正、補充、提問的任務。

表1 翻轉課堂實施前后教學過程的比較

本校的物化實驗每組配備6套實驗儀器，每2人一組，每組最多安排12人。本學期共進行6個實驗，分別是“燃燒熱的測定(6學時)”“雙液系氣液平衡相圖的繪制(6學時)”“純液體飽和蒸氣壓的測定(5學時)”“凝固點降低法測定溶質摩爾質量(5學時)”“旋光法測定蔗糖轉化反應的速率常數(5學時)”“電池電動勢的測定(5學時)”，共32學時。

每次實驗每組安排兩名同學分別講解實驗原理和操作，確保機會落實到每個人。有的實驗小組不足12人，最后的幾次實驗講解，通常是在每個學生輪流一次之后，由學生主動報名。實驗室準備有投影儀和黑板，但考慮到每個學生能力的差異，同時為了避免有的學生因翻轉課堂投入太多精力而可能造成厭學情緒，對學生講解實驗過程是否使用黑板或PPT不做強行要求。

2.2 混合式教學中翻轉課堂的實施——以“雙液系氣液平衡相圖的繪制”實驗為例

2.2.1 課前預習

在SPOC上觀看實驗原理和操作講解視頻，完成視頻中的互動測試以及隨堂測驗。圖1為“雙液系氣液平衡相圖的繪制”實驗的互動測試和隨堂測試題。實驗預習的主要目的是了解實驗的基本原理和操作，因此大部分試題是針對實驗的基礎知識。

圖1 雙液系氣液相圖的繪制實驗的互動測試(左)和隨堂測試(右)

2.2.2 課堂上的預習測試和講解

實驗課堂上，通過慕課堂發布題目，對學生的預習情況進行檢測，測試題和前面的互動測試和隨堂檢測題類似。測試結束后，針對錯誤率較高的題目進行簡單評講。圖2是某實驗小組慕課堂“雙液系氣液平衡相圖的繪制”測試情況。

圖2 某實驗小組慕課堂“雙液系氣液平衡相圖的繪制”測試情況

2.2.3 學生講解、師生討論探究

兩名學生講解實驗原理和操作后，其他學生可以就他們的講解進行補充、糾正。學生的補充和糾正通常是針對實驗細節的，例如“對樣品加熱之前，應該先打開冷凝水”“取液相樣品測折光率之前應當先進行冷卻”等，學生的提問通常較少。

接著教師對學生進行點評、補充、糾正，通常從語言是否流暢、條理是否清晰、內容是否正確等方面展開，對講解過程中的優點給予肯定和表揚，不足的地方給予適當的指導，對講解有誤的地方進行糾正。

然后教師對學生提問，引導學生討論。鑒于預習測試題多為選擇題和判斷題，對學生預習情況的考查并不全面，教師對學生就與實驗相關的基礎內容進行提問可以進一步考查學生的預習情況，糾正和完善學生對實驗的理解。和實驗相關的拓展性內容可以引發學生的深入思考，同時有利于學生在實驗過程中，更好地觀察實驗現象，記錄實驗數據。

以下為提問和討論的問題舉例：

【問題1】如何測定平衡時氣相和液相的組成？

【問題2】為什么沸點要進行壓力校正？

【問題3】純乙醇和純環己烷的折光率是已知的，為什么還要測定這兩個樣品的折光率？

【問題4】為什么沸點要進行露莖校正？

【問題5】測定折光率時，為什么要通25 °C恒溫水？如果恒溫槽壞了怎么辦？

在提問和引導討論的過程中，要堅持學生主體、教師主導的原則。為了討論內容具有合適的廣度和深度，問題的設計可以采用集體備課的方式。

2.2.4 教師強調實驗重點

本實驗的重點包括沸點測定操作、阿貝折光儀的使用、沸點儀中更換樣品的注意事項等。另外，有些實驗操作細節和技巧較多，難以一一展現在教材和實驗視頻中，也需要教師結合實驗儀器在課堂上傳授。

2.2.5 實驗期間巡回指導+適時討論

有一些討論適合在實驗操作結束后，學生對實驗有一定直觀感受的基礎上開展。問題舉例：實驗的主要誤差來源有哪些？

2.2.6 課后討論(線上+線下)

因為課堂時間的限制，一部分拓展性討論可以放在課后。

問題舉例：阿貝折光儀測定折光率的原理是什么？如果要減小分餾效應，應當如何改進實驗裝置？

這類問題發布在SPOC的討論區，學生可以在討論區參與討論，也可以與教師通過微信、QQ等方式，也可以在下次實驗的課間進行。

這類問題的提出主要目的是引導學生查閱文獻，培養學生的綜合能力，激發學生的創新思維。

3 物理化學實驗混合式教學中翻轉課堂的實施成效

3.1 學習效果

選取高分子材料專業18級和19級學生實驗報告進行比較(翻轉課堂實施前后總評成績的構成不同，無法比較)，其中18級學生采用的是“混合式”教學，19級學生采用的是“翻轉課堂+混合式”教學。

首先，分析兩個年級學生的學業水平是否存在顯著性差異。

根據兩個年級學生的高考成績在各自省內的排名及其所在省份參加高考的理科生總數進行換算，得到高考校正成績。換算公式如下：

使用SPSS軟件進行統計分析，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。結果示于表2和表3，表明高分子材料18級和19級高考成績不存在顯著性差異。此外，兩個年級的主要專業基礎課，包括無機及分析、有機化學、物理化學、無機及分析實驗、有機實驗的任課教師相同，且均為從事多年教學的教師，因此可以認為在學習該課程前學生學業水平一致。

表2 高考校正成績組統計量

表3 高考校正成績t檢驗結果

然后，分析翻轉課堂實施前后學生的成績是否存在顯著性差異。

將實驗報告成績A記為95分，A?記為90分，依次類推，B = 85分，B?= 80分，C = 75分，C?= 70分，D = 65分，D?= 60，E = 50分，將每個學生的6個實驗報告成績取平均，得到學生的實驗報告成績。使用SPSS對兩個年級學生的實驗報告成績進行統計分析，采用獨立樣本t檢驗評估學生成績是否存在顯著性差異。表4和表5的結果表明兩個年級成績存在顯著性差異(p = 0.000；t檢驗)，采用“翻轉課堂+混合式”教學的實驗報告成績顯著優于“混合式”教學。

表4 實驗報告成績組統計量

表5 實驗報告成績t檢驗結果

圖3為采用兩種不同教學模式學生實驗報告成績各分數段的占比情況，可以看出采用“翻轉課堂+混合式”教學，實驗報告成績高分段人數比例上升，學生實驗報告質量明顯提高。

圖3 實驗報告成績分布比較

3.2 學生評價

通過慕課堂發布問卷，對2019級高分子材料專業的69名學生進行調查，收集學生對“翻轉課堂+混合式”教學相關的反饋意見。問卷為無記名方式。所有問卷在本學期最后一次實驗課發出，學生在實驗室內完成。發布問卷前再次向學生強調，問卷內容不會影響學生的成績，請學生如實填寫。68名同學參與了問卷調查，均為有效問卷。調查問卷的數據使用Excel收集并處理，處理統計結果用百分數(選擇人數/總人數×100%)表示，并用柱狀圖進行分析對比。

問題1、2的結果表明(表6、圖4)：本次調查對象80.9%明確表示喜歡“翻轉課堂+混合式”教學模式，比18級喜歡“混合式”教學模式的比例(91.9%)有所下降[10]。和18級相比，19級學生每次預習實驗所花的時間顯著增加(去年A、B、C、D四個選項的占比分別為18.7%、66.7%、14.6%和0.0%)，這也許是本次調查對象喜歡“翻轉課堂+混合式”教學的人數比例下降的原因。

問題3的結果表明(表6、圖4)，與調查對象以前參加的實驗課程(無機、有機、分析實驗)相比，大部分同學預習所花的時間明顯增加，部分原因是物理化學實驗原理和操作更加復雜，另一部分由于教師對學習任務提出了更高的要求。少部分同學認為實驗視頻讓預習變得更容易，預習所花的時間減少。

圖4 關于“翻轉課堂+混合式”教學模式的調查結果

表6 關于“翻轉課堂+混合式”教學模式的調查問題

問題4–9的調查結果表明(表7、圖5)，大部分學生準備翻轉課堂所花的時間為30–60分鐘，42.6%的學生認為增加了學習負擔，82.4%的學生認為準備翻轉課堂有難度，但是卻很少學生因此不喜歡翻轉課堂，大部分學生都愿意進行翻轉課堂的嘗試，甚至有39.7%的同學希望有更多的機會，說明翻轉課堂的確一定程度調動了學生學習的主動性和積極性。而且，在翻轉課堂上，其他同學講解實驗時，絕大部分同學愿意耐心聆聽，并在課前認真預習實驗。表明翻轉課堂實施過程中，學生們相互尊重，共同進步，營造良好的學習氛圍。

圖5 關于“翻轉課堂”的調查結果

表7 關于“翻轉課堂”的調查問題

問題10的調查結果表明(表8、圖6)，教師的點評和補充可以加深學生對實驗原理和過程的理解，拓展學生的思維，教師在教學中有效發揮了引領和主導作用。問題11、13的調查結果表明，83.8%的學生明確表示喜歡翻轉課堂，因為翻轉課堂能夠督促學生更深入地理解實驗原理和操作，鍛煉語言表達。而且一些學生通過翻轉課堂認識到自己語言表達能力的不足，并決心在以后的學習中努力改進。從問題13的調查結果還可以看到，大部分學生認為自己在物理化學實驗課程中提升了主動學習、獨立思考的能力，提高了理論聯系實際的能力，增強了團隊合作精神。

圖6 “翻轉課堂+混合式”教學模式對學生能力、情感和態度的影響調查結果

問題12、14為主觀調查題(表8)，學生紛紛表達了對翻轉課堂的感受以及在物化實驗課中的收獲，以下是摘自部分同學的回答：“翻轉課堂促進了我對實驗的了解，可以讓我更好地掌握實驗原理和步驟，希望以后能繼續這種模式”，“以后想當教師，翻轉課堂可以鍛煉講課的邏輯思維能力和語言表達能力”，“覺得翻轉課堂確實是一種鍛煉，但是輪到自己還是會很緊張”。

表8 “翻轉課堂+混合式”教學模式對學生能力、情感和態度的影響調查問題

4 結語

為了鞏固和完善前期物理化學實驗混合式教學改革的成果，開展了將翻轉課堂作為一種常規的教學方法融入實驗課堂的探索實踐。實踐表明，“翻轉課堂+混合式”教學模式有助于提高學生的學習成績，鍛煉邏輯思維能力和語言表達能力，有效激發學生學習的主動性和積極性。在今后的教學中，我們將繼續堅持以學生為主體，教師為主導的原則，利用好現代信息技術創造的便利，借鑒其他高校的成功經驗[1–9]，不斷探索提高教學質量的途徑和方法，為培養高素質人才而努力。