基于翻轉(zhuǎn)課堂的環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究

王 艷，劉汝海

(中國(guó)海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100)

環(huán)境化學(xué)是本校環(huán)境科學(xué)專業(yè)學(xué)生的必修課程，主要研究有害化學(xué)物質(zhì)在環(huán)境介質(zhì)中的來(lái)源及存在形態(tài)、濃度水平、遷移轉(zhuǎn)化降解等環(huán)境行為及其影響因素[1]。環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)是環(huán)境化學(xué)課程中的重要實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，開設(shè)于大四夏季學(xué)期，共設(shè)計(jì)6個(gè)綜合性或驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，包括海洋沉積物對(duì)銅的吸附、海洋沉積物中砷的污染分析、水中重金屬的污染評(píng)價(jià)、有機(jī)物的正辛醇-水分配系數(shù)、苯酚的光降解速率常數(shù)、土壤中農(nóng)藥的殘留等內(nèi)容，總計(jì)32學(xué)時(shí)。通過(guò)環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，深化環(huán)境化學(xué)課程講授的基本知識(shí)，掌握研究環(huán)境化學(xué)問題的基本方法和手段，提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)科學(xué)的分析能力和實(shí)驗(yàn)技能，使學(xué)生具備熟練的實(shí)驗(yàn)操作能力和獨(dú)立的科研能力。

1 翻轉(zhuǎn)課堂概述

翻轉(zhuǎn)課堂是隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型的教學(xué)模式[2]，這種教學(xué)模式重構(gòu)了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，使信息的傳遞過(guò)程完成于課堂之前，有利于教師及時(shí)、有針對(duì)性地解決學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中存在的問題，更有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的深刻理解和吸收運(yùn)用，自出現(xiàn)以來(lái)受到越來(lái)越多教育工作者的關(guān)注，并在課堂上得到了廣泛的應(yīng)用，取得了良好效果[3-4]。但任何一種教學(xué)方法都有其局限性，傳統(tǒng)翻轉(zhuǎn)課堂需要教師提前準(zhǔn)備教學(xué)資料，并發(fā)送給學(xué)生，學(xué)生前期投入大量精力去理解和學(xué)習(xí)。由于教師缺少有效的方法評(píng)估和把控學(xué)生課前的參與程度，對(duì)于自律性和自主性較差的學(xué)生來(lái)說(shuō)學(xué)習(xí)效果不佳，因此翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法的使用應(yīng)因材施教，根據(jù)學(xué)生的不同基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)需求做出相應(yīng)的調(diào)整。

本研究擬改變?cè)小敖處熤v解一遍、學(xué)生仿作一遍、報(bào)告抄寫一遍”的傳統(tǒng)教學(xué)模式，通過(guò)翻轉(zhuǎn)課堂的運(yùn)用，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣，滿足學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求，并達(dá)到提高學(xué)生環(huán)境樣品采集、前處理、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理等綜合能力的目的。翻轉(zhuǎn)課堂的應(yīng)用對(duì)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、挖掘?qū)W生創(chuàng)造潛質(zhì)、拓展學(xué)生自主實(shí)踐空間具有重要意義，對(duì)提高創(chuàng)新型分析技術(shù)人才培養(yǎng)質(zhì)量具有積極的促進(jìn)作用。

2 環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方法較為單一，學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)課的積極性不高。傳統(tǒng)的教學(xué)模式基本是學(xué)生課前預(yù)習(xí)，教師課堂講解實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)流程及注意事項(xiàng)，學(xué)生按照講義開展實(shí)驗(yàn)、獲取數(shù)據(jù)、完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)試劑的配制、實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)樣品的準(zhǔn)備等工作均由實(shí)驗(yàn)員完成。學(xué)生是教師指令的執(zhí)行者，缺乏自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、完善實(shí)驗(yàn)方案的過(guò)程，這種教學(xué)模式下，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)主動(dòng)性，創(chuàng)新思維得不到有效激發(fā)，綜合素質(zhì)得不到提高，對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握不夠扎實(shí)。在批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生照抄實(shí)驗(yàn)講義，對(duì)于實(shí)驗(yàn)課程中涉及的實(shí)驗(yàn)原理、操作步驟等并沒有體現(xiàn)出自己對(duì)問題的思考，缺乏創(chuàng)新精神和開拓精神，不利于培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力的高素質(zhì)人才。

3 環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革策略

微信是一種便捷式媒體，具備知識(shí)信息推送、大數(shù)據(jù)獲取、資源共享等功能。以微信平臺(tái)為依托的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式已取得了一定進(jìn)展[5-7]。翻轉(zhuǎn)課堂的前提是學(xué)生課外先學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，課堂上能夠深入?yún)⑴c教師指導(dǎo)的學(xué)習(xí)活動(dòng)，以提升學(xué)習(xí)效果[8]。以微信平臺(tái)為依托，教師通過(guò)微信平臺(tái)推送環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)，并與學(xué)生討論學(xué)習(xí)中遇到的問題。整個(gè)實(shí)驗(yàn)課在教師指導(dǎo)下讓學(xué)生全程參與實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、操作與實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理。實(shí)驗(yàn)報(bào)告增加自主設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)原始記錄等內(nèi)容，以量化學(xué)生自主參與課程的程度，達(dá)到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高綜合研究能力的目的。

3.1 明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)于大四夏季學(xué)期，第三周開始上課，該課程的開設(shè)目的是串聯(lián)學(xué)生之前學(xué)習(xí)的內(nèi)容，使學(xué)生的學(xué)習(xí)、研究能力得到綜合提升。學(xué)生前三年已系統(tǒng)學(xué)習(xí)了環(huán)境化學(xué)相關(guān)課程及實(shí)驗(yàn)，如無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)及實(shí)驗(yàn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)及實(shí)驗(yàn)、海水分析及實(shí)驗(yàn)、儀器分析及實(shí)驗(yàn)、環(huán)境化學(xué)等課程。如果環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)不能把提高學(xué)生綜合能力作為目的，則該課程很容易成為前期開設(shè)實(shí)驗(yàn)課的簡(jiǎn)單重復(fù)，體現(xiàn)不了該課程開設(shè)的初衷。

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式需要學(xué)生高度參與教學(xué)過(guò)程，意味著學(xué)生課下也要花費(fèi)更多精力在課程的準(zhǔn)備上。本課程的6個(gè)實(shí)驗(yàn)全部運(yùn)用該種方式并不現(xiàn)實(shí)，選擇1～2個(gè)適合的綜合性實(shí)驗(yàn)，通過(guò)翻轉(zhuǎn)課堂引導(dǎo)學(xué)生全程參與。學(xué)生每2人為一組，教師通過(guò)微信平臺(tái)推送實(shí)驗(yàn)講義等基本學(xué)習(xí)材料，并設(shè)置與課程有關(guān)且學(xué)生感興趣的研究課題。以水中重金屬污染評(píng)價(jià)為例，提前讓學(xué)生準(zhǔn)備課題——校園景觀河水體重金屬污染評(píng)價(jià)，每個(gè)小組需要在實(shí)驗(yàn)課前提交實(shí)驗(yàn)方案，包括水樣采集方案、前處理方案、測(cè)定方案、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理方案、所需試劑及儀器等。

3.2 學(xué)生反向推送研究資料

講義和要求發(fā)送后，由學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)反向推送完成項(xiàng)目所需查閱的資料，由教師判斷資料的有效性，并依此判斷學(xué)生參與學(xué)習(xí)的程度。教師要在課前通過(guò)微信與學(xué)生討論方案的可行性，解決疑難問題，必要時(shí)指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)長(zhǎng)為5～6學(xué)時(shí)，課上各小組先用大約1個(gè)學(xué)時(shí)交流、討論各自方案的優(yōu)劣，取長(zhǎng)補(bǔ)短，按照各自的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

方案討論過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)反向推送教學(xué)資料的方式，大部分學(xué)生能夠達(dá)到自主學(xué)習(xí)的目的，能夠主動(dòng)去觀察現(xiàn)場(chǎng)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查找現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)資料，考慮到由于沒有明顯污染源，河水重金屬含量不會(huì)太高，所以又通過(guò)自主學(xué)習(xí)的方式找到更先進(jìn)的痕量重金屬測(cè)定方法。

3.3 改革課程評(píng)價(jià)體系，提高學(xué)生主動(dòng)性評(píng)分占比

以往課程成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)形式強(qiáng)調(diào)結(jié)果性評(píng)價(jià)，忽視了過(guò)程性評(píng)價(jià)，片面追求實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性，導(dǎo)致學(xué)生重報(bào)告、輕操作，不利于激發(fā)學(xué)生解決問題的靈活性和創(chuàng)造性。實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)應(yīng)更加關(guān)注學(xué)生求知、探究的過(guò)程，教師要全程監(jiān)督學(xué)生的參與度，但量化該過(guò)程比較困難。對(duì)該過(guò)程的評(píng)價(jià)主要由三部分組成：一是學(xué)生自主完成的實(shí)驗(yàn)方案(占比20%)，方案是否詳細(xì)、科學(xué)，可以反映學(xué)生課下對(duì)資料的掌握程度；二是對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程質(zhì)量的評(píng)價(jià)(占比30%)，設(shè)計(jì)詳細(xì)的過(guò)程評(píng)價(jià)表如表1所示，評(píng)價(jià)學(xué)生操作過(guò)程中的規(guī)范程度；三是對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的評(píng)價(jià)(占比50%)，以學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告中實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄和誤差分析(或?qū)嶒?yàn)失敗的原因分析)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理等為主要依據(jù)。

表1 環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程評(píng)價(jià)表Tab.1 Evaluation of environmental chemistry experimental process

4 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式效果評(píng)價(jià)

4.1 學(xué)習(xí)效果分析

方案討論完善后，各小組依據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)方案展開實(shí)驗(yàn)。首先，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣，各小組帶著提前準(zhǔn)備的實(shí)驗(yàn)器材去現(xiàn)場(chǎng)采集水樣。對(duì)比傳統(tǒng)教學(xué)模式下學(xué)生的采樣行為可以看出，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的應(yīng)用，可以提高實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性、系統(tǒng)性。以往的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中，在沒有教師提前準(zhǔn)備及教授的情況下，大部分學(xué)生只會(huì)帶著采樣瓶去采樣，而翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式下，學(xué)生會(huì)提前根據(jù)方案準(zhǔn)備干凈的采樣瓶、固定劑、記號(hào)筆、記錄本、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，并考慮到樣品保存等環(huán)節(jié)，現(xiàn)場(chǎng)采樣也能嚴(yán)格按照采樣規(guī)范進(jìn)行。其次，在樣品前處理及測(cè)定過(guò)程中，學(xué)生們都能夠根據(jù)方案有序進(jìn)行分工合作，并清楚每個(gè)步驟的目的。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程以學(xué)生為主，教師擔(dān)當(dāng)場(chǎng)外指導(dǎo)員的角色，只負(fù)責(zé)指出學(xué)生失誤和疏忽的地方。最后，學(xué)生們可能會(huì)通過(guò)不同的實(shí)驗(yàn)程序，得出不一樣的結(jié)論，報(bào)告的批改也不再唯“正確結(jié)果論”，只要能夠?qū)ψ约旱膶?shí)驗(yàn)結(jié)果給出合理的解釋，就是一篇合格的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

4.2 學(xué)生成績(jī)分析

環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)共計(jì)6個(gè)，選擇水環(huán)境重金屬污染評(píng)價(jià)作為研究實(shí)驗(yàn)，并選擇校園景觀河作為研究對(duì)象。實(shí)驗(yàn)操作前，每2個(gè)學(xué)生為一小組，匯報(bào)自己的實(shí)驗(yàn)方案及注意事項(xiàng)，因課前學(xué)生充分利用各種網(wǎng)絡(luò)資源，大部分學(xué)生根據(jù)預(yù)習(xí)資料進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，實(shí)驗(yàn)方案比往屆學(xué)生的更加科學(xué)、詳實(shí)，現(xiàn)場(chǎng)采集水樣時(shí)也更熟練、從容，能夠有條不紊地開展數(shù)據(jù)觀測(cè)和記錄、采樣瓶潤(rùn)洗、固定劑添加等工作。從學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)分析，在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式下學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告平均分最高。數(shù)據(jù)分析顯示，與其他四個(gè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告分?jǐn)?shù)在0.01水平上有顯著差異，只與其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告相比分?jǐn)?shù)略高，但并沒有顯著差異。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中也更加獨(dú)立，主動(dòng)性強(qiáng)，學(xué)生通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)也了解到科研工作的艱辛和繁瑣。

5 結(jié)語(yǔ)

翻轉(zhuǎn)課堂是一種新型的教學(xué)模式，在一定程度上可以提高學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的參與度，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)模式下學(xué)生自主性較差的缺點(diǎn)，但也存在占用時(shí)間過(guò)多、不適合大范圍使用等問題。如何選擇合適的課程或模塊進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)也是教育工作者必須思考的問題。本研究選擇一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的綜合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行課堂翻轉(zhuǎn)，學(xué)生參與教學(xué)資料的上傳工作，能夠?qū)σ酝鶎W(xué)過(guò)的內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)串聯(lián)，這也是教育工作者對(duì)該教學(xué)模式的積極探索。

本次研究中也存在一些不足，如只對(duì)學(xué)生上傳資料的有效性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并不能了解學(xué)生對(duì)該資料的掌握程度；實(shí)驗(yàn)方案的考察也只是針對(duì)小組，并沒有落實(shí)到個(gè)人；對(duì)于自律性較差的學(xué)生，成績(jī)還是不能完全反映平時(shí)的付出。因此，需要對(duì)學(xué)生上傳資料的方式和內(nèi)容進(jìn)行改革，以期使每個(gè)學(xué)生都能夠通過(guò)資料查閱提高綜合實(shí)驗(yàn)技能。