“MOOC+翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)法在材料綜合實驗教學(xué)改革中的應(yīng)用研究

傅 斌何朝成閆 慧韓 潔

（1.天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300384；2.天津理工大學(xué)理學(xué)院，天津300384）

材料綜合實驗是一門面對本科生的材料類專業(yè)實驗課，這門課程開設(shè)的目的主要在于為材料學(xué)科的學(xué)生們提供一個鞏固和驗證課堂所學(xué)理論知識，并將其與實際相結(jié)合的平臺。課程要求教學(xué)內(nèi)容與工程實踐緊密結(jié)合，肩負著培養(yǎng)學(xué)生獨立實驗?zāi)芰?、分析與研究能力，以及理論聯(lián)系實際能力的責(zé)任，故而多數(shù)理工類高校材料科學(xué)相關(guān)專業(yè)均設(shè)有此門課程，并積極進行實驗室建設(shè)以及教學(xué)模式的改革與探索。

一、傳統(tǒng)的材料綜合實驗教學(xué)模式與前期的改革嘗試

在多年的教學(xué)實踐中，筆者發(fā)現(xiàn)材料綜合實驗課程的教學(xué)中，存在著“實驗前統(tǒng)一指導(dǎo)，實驗中偶爾輔導(dǎo)，實驗后只收報告”的模式[1]。在這種傳統(tǒng)的教學(xué)方式中，任課教師在實驗開始之前基本不會對學(xué)生有相關(guān)指導(dǎo)，課程開始后教師首先集中講解本次課程所設(shè)實驗的基本理論及操作步驟等內(nèi)容，其后學(xué)生開始實際動手完成實驗，課下根據(jù)實驗所得結(jié)果撰寫實驗報告，教師根據(jù)學(xué)生上交的實驗報告給出本次實驗得分，學(xué)期末匯總所有實驗成績，平均后即為該課程最終成績。

針對這種教學(xué)模式可能引起的學(xué)生動手不動腦，以及成績評定與實際實驗?zāi)芰γ摴?jié)的問題，我們采取了引導(dǎo)式實驗內(nèi)容課前教學(xué)等方式對其進行了改革嘗試[1]，并在教學(xué)中加以運用，取得了較為理想的效果。但在實際教學(xué)中仍發(fā)現(xiàn)了一些新的問題，如教師布置課前學(xué)習(xí)任務(wù)后，大部分學(xué)生認(rèn)真進行了學(xué)習(xí)和思考并運用于實驗中，大大縮短了課堂上統(tǒng)一講授的時間，有效延長了實際動手時間，但仍可看到少數(shù)學(xué)生面對實驗設(shè)備時對實驗內(nèi)容和流程茫然不知，明顯沒有完成教師布置的前期教學(xué)環(huán)節(jié)。對于這部分學(xué)生，或耽誤課上時間單獨為其做講述和演示，或只能任其放棄本次實驗的練習(xí)，無論哪種處理方式，均非理想的解決方案。

二、新型教學(xué)模式的引入與應(yīng)用

在前期教學(xué)改革實踐的基礎(chǔ)上，伴隨著MOOC（massive open online course）這種新型教學(xué)模式的產(chǎn)生和發(fā)展，我們對上述存在的新問題進行了分析和思考，并引入“MOOC+翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)形式，對材料綜合實驗課進行了新的改革嘗試。在全新的教學(xué)模式中，學(xué)生可以自主選擇在線學(xué)習(xí)的具體方式，無論是用電腦還是用手機，無論是網(wǎng)絡(luò)播放還是下載視頻，學(xué)習(xí)都不再受到時間、空間的限制，學(xué)生可以充分利用零碎時間進行有效學(xué)習(xí)，并且可以結(jié)合自身學(xué)習(xí)情況，隨時隨地對難點和關(guān)鍵點進行反復(fù)學(xué)習(xí)。這種新穎的教學(xué)模式極大的提高了學(xué)生實驗課前理論學(xué)習(xí)的積極性，與前期教學(xué)改革中“實驗指導(dǎo)書+ppt課件”的自學(xué)材料相比，視頻類素材無疑對學(xué)習(xí)者更具吸引力。教學(xué)反饋顯示，學(xué)生對MOOC中提供的教學(xué)視頻表現(xiàn)出了很高的興趣，基本杜絕了實驗前不做預(yù)習(xí)的現(xiàn)象。同時，借助動態(tài)影像和聲音，教學(xué)視頻更加易于突出重點、難點。例如在“金相試樣制備及組織分析”實驗中磨樣環(huán)節(jié)是一個教學(xué)難點，以往僅通過幾幅圖片體現(xiàn)磨制試樣時的正確與錯誤手法，學(xué)生并不能明確感受到該知識點的難度，也無法直觀感受到不同手法所帶來的不同結(jié)果。而在MOOC視頻中，指導(dǎo)教師通過動態(tài)影像直接以多角度結(jié)合特寫鏡頭演示不同的磨樣方向、手腕動作，并立即展示出不同手法下制備出的不同樣品形態(tài)信息 （表面平整度、劃痕方向、有無拖尾等），同時通過語音提示該知識點需反復(fù)觀看與感受，使得學(xué)生可以明確獲知學(xué)習(xí)重點，并且看的清楚、學(xué)的明白。

而課堂授課部分采取翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法，教師和學(xué)生的角色部分互換[2-4]。指導(dǎo)教師要求學(xué)生課前借助MOOC自習(xí)，尤其是實驗原理部分，線下基本不再講述，而實驗課堂上，教師不再作為直接授課者，而是充當(dāng)提問者，起到間接講授的目的。以“陶瓷材料的制備與性能”實驗為例，其中一個環(huán)節(jié)為孔隙率的測定，該方法即“靜力稱重法”，所包含的原理需要一定時間的思考才能完全理解。在傳統(tǒng)教學(xué)中教師當(dāng)堂講述，相當(dāng)比例的學(xué)生根本不能理解，后續(xù)實驗變成機械的動手，流于形式；而僅通過MOOC自習(xí)，又無法獲知學(xué)生對該原理的理解程度。故教師采用翻轉(zhuǎn)課堂的方式，在課前告知學(xué)生該知識點的重要性，上課時采用學(xué)生講述、教師提問的模式：由學(xué)生根據(jù)自己的理解，簡要說明該方法的根本原理，教師根據(jù)備課內(nèi)容，以容易產(chǎn)生的錯誤理解向?qū)W生“請教”，由學(xué)生進行答疑，從而實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。通過這一教學(xué)模式，教師驗證了學(xué)生對該理論的掌握程度，同時激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，在后續(xù)實驗中顯示，學(xué)生對該原理的良好掌握和延伸思考，對于顯、隱氣孔率等相關(guān)概念的理解起到了很好的促進作用。

在上述新型教學(xué)模式中，教師的角色由傳達者變?yōu)橐龑?dǎo)者、協(xié)調(diào)人與總結(jié)者，學(xué)生則由對知識的被動接受變?yōu)橹鲃蛹橙?。由于實驗類課程具有動手操作重于理論學(xué)習(xí)的屬性，故而“MOOC+翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)形式與該類課程具有極好的兼容性，可謂量身定做，學(xué)生在實驗室外（線上）自主學(xué)習(xí)，在實驗室內(nèi)（線下）親自動手、互相配合、各抒己見，通過思維與實踐的結(jié)合真正達到掌握實驗技能的目的。

三、應(yīng)用環(huán)節(jié)中新問題的思考與應(yīng)對

上述新型教學(xué)模式的實施，較好的解決了實驗課堂上時間分配的難題，在教學(xué)成果上也初見成效。但在對MOOC以及翻轉(zhuǎn)課堂的應(yīng)用中，我們也發(fā)現(xiàn)了諸多新問題，這些問題的產(chǎn)生，并非是新手段的固有缺陷，而更多的是在對其應(yīng)用過程中某些環(huán)節(jié)的把握上需要改進。由于MOOC這一教學(xué)模式允許和鼓勵學(xué)生自主選擇國內(nèi)甚至國際名校的專家授課，在應(yīng)用嘗試的初期，本課程授課時較多選擇了網(wǎng)絡(luò)平臺已有的實驗課程教學(xué)視頻，但由于材料綜合實驗課的特有的“實驗類”課程屬性，導(dǎo)致教學(xué)實施中發(fā)現(xiàn)一些問題。此處僅就筆者在近幾年應(yīng)用這一模式的教學(xué)實踐中產(chǎn)生的若干思考進行闡述與探討。

1.實驗類課程的MOOC教學(xué)，應(yīng)盡量結(jié)合本校的教學(xué)環(huán)境

對于本科生層面的實驗類教學(xué)，即便是同一個實驗也會由于平臺的不同而帶來陌生感。實驗課不同于其它講授為主的課程，不同學(xué)校的實驗室、實驗設(shè)備等資源各不相同，應(yīng)用外校教師拍攝的實驗課程視頻時，學(xué)生們看到的環(huán)境、儀器設(shè)備，均不能保證在實際動手時完全一樣，例如綜合實驗中涉及到的SEM、XRD等設(shè)備，目前不同院校不同實驗室中所購置并使用的型號常常不同，其外觀、操作方式、參數(shù)表達等方面也各有不同，有些甚至差別很大，這種差異對于已有較高程度理論與實驗基礎(chǔ)的研究生來說不構(gòu)成太大問題，但在本科教學(xué)中卻無法忽視。這是因為，一般來說研究生對于儀器設(shè)備的使用目的及其涉及到的原理等信息有較為明確的認(rèn)知，即便視頻所學(xué)與實際所用有所差別，也較容易自行解決；而本課程所面對的教學(xué)對象為本科生，課程中所涉及到的儀器設(shè)備，可能是人生中第一次見到，其相關(guān)知識儲備只是某些課程中有所提及的基本原理，如果在實際操作時面對的儀器與自學(xué)時有較大不同，則前期的在線學(xué)習(xí)將無法指導(dǎo)其動手實踐，輕則影響教學(xué)的完成，重則可能損壞儀器，甚至造成人身傷害。

對于上述問題，筆者認(rèn)為，因?qū)嶒炦@一形式的特殊性，如希望學(xué)生能夠很好的將學(xué)習(xí)視頻與實際操作相結(jié)合，課內(nèi)動手時不產(chǎn)生陌生感，MOOC視頻中出現(xiàn)的場景、設(shè)備應(yīng)盡量與學(xué)?，F(xiàn)有資源相一致。對于本科生層面實驗類課程的MOOC開展，不宜簡單直接照搬線上已有資源，或任由學(xué)生自行搜索外校課程，而應(yīng)在本校真正進行教學(xué)的實驗室中，面對學(xué)生課堂上將用到的儀器設(shè)備進行操作和講解，并將其制成視頻資源供本校學(xué)習(xí)。這種做法可以做到“所見即所得，所學(xué)即所用”，學(xué)生在踏入實驗室的一瞬間會產(chǎn)生強烈的熟悉而非陌生感，無論實驗環(huán)境還是操作儀器，都與前期線上自學(xué)中所見到的沒有區(qū)別，在接下來的翻轉(zhuǎn)課堂環(huán)節(jié)中，自信心得到加強，學(xué)生甚至?xí)熊S躍欲試之感，極大的增進了動手操作的積極性。

2.應(yīng)敢于取舍、突出重點，結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂，完成教學(xué)目標(biāo)

筆者在承擔(dān)學(xué)校網(wǎng)絡(luò)通識課的教學(xué)工作中感覺到，能夠通過網(wǎng)絡(luò)將外校專家名師的講課現(xiàn)場搬到本校學(xué)生眼前，是教學(xué)資源合理利用的一種極為有效的措施。學(xué)生宛若置身于名校名師講課現(xiàn)場，與在座同學(xué)一起聆聽教誨汲取知識。但對于實驗類課程，是否也可以只是將教師講授場景拍下來后進行時空平移呢？通過近年的教學(xué)實踐來看，答案是否定的。與大多數(shù)講授類的課程不同，實驗課的講授部分雖然也是通過教師講解來完成，但它的后續(xù)環(huán)節(jié)是動手操作，而非記住某些定理或完成相應(yīng)習(xí)題，這一特點決定了在實驗類MOOC的課程設(shè)置上一定要有取舍，有重點。

（1）教師可“放棄”對實驗相關(guān)的理論部分的講解

對于材料綜合實驗，其中每一個實驗都是課堂上所學(xué)知識點的實踐化，其實驗理論部分（如實驗原理等）必須讓學(xué)生掌握，否則會影響到實驗?zāi)康睦斫饧昂罄m(xù)操作的進行，這部分也是傳統(tǒng)實驗課中教師需要花費時間講授的主要內(nèi)容之一。但在新型教學(xué)模式下，基于對學(xué)生注意力集中時間的考慮，視頻時長被嚴(yán)格控制在10-15分鐘，教師不可能也沒有必要一字一句去講解原理部分，教學(xué)實踐反映教師甚至可以不出現(xiàn)在這部分內(nèi)容之中。取而代之的是，實驗相關(guān)原理可以直接摘自課本，并通過文字或圖片簡單直觀地呈現(xiàn)給學(xué)生，教師避免出現(xiàn)在該部分視頻中并無需講解。這種實驗理論的呈現(xiàn)方式，使學(xué)生可以較快的在頭腦中搜尋到曾經(jīng)學(xué)過的知識點，教師不在畫面中也避免了動態(tài)內(nèi)容分散注意力，干擾對知識點的回憶。同時，直接用靜態(tài)文字或圖片呈現(xiàn)，也方便學(xué)生在需要思考或查閱資料時隨時暫停，保證了對實驗理論“記得起，找得到”。而對于某些較難理解的實驗原理，教師可如前文第二部分中所述，充分利用翻轉(zhuǎn)課堂的方式引導(dǎo)學(xué)生獨立思考，從而吃透理論。

（2）教師可“放棄”對實驗流程中所有細節(jié)的逐一展示

非實驗類課程的視頻呈現(xiàn)方式，一般多為教師課堂上授課過程的實拍，教師整堂課的一言一行會完整呈現(xiàn)給網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)者。但如以同樣的模式實施實驗類MOOC教學(xué)，教師事無巨細完整示范該實驗流程，則會無謂增加時長，造成觀看者注意力下降，雖然學(xué)的全但也忘的快，抓不住重點。針對這一現(xiàn)象，要求授課教師（或MOOC制作者）在前期課程設(shè)計中要在對該實驗所有環(huán)節(jié)非常熟悉的基礎(chǔ)上，提煉出需要呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者的必要和重點環(huán)節(jié)，略去非重點環(huán)節(jié)，并可有意識地隱去一些不影響學(xué)生操作但會引發(fā)思考的知識點不做講解，留待其自行發(fā)現(xiàn)和分析，以增加實驗中的動腦訓(xùn)練。以材料綜合實驗中“金相試樣制備及組織分析”為例，這是一個非常典型的綜合性實驗，涉及到取樣、鑲樣、磨樣、拋光、浸蝕和顯微組織觀察等多個環(huán)節(jié)，其中又包含磨制時砂紙的選擇、磨樣的正確與錯誤手法、拋光機的正確使用、浸蝕的技巧等諸多知識點。如將這些內(nèi)容全部灌輸給學(xué)生，則實際操作時可能反而無所適從。因此授課教師可在制作課程時對知識點進行分類：諸如取樣原則、砂紙牌號選擇等較容易通過直接觀察獲知的環(huán)節(jié)可略去不講；熱鑲冷鑲、干磨法濕磨法的區(qū)別和適用范圍等會讓學(xué)生產(chǎn)生思考的問題，可以只演示但不做特意講解，留待實驗過程中解決；而對于磨樣的手法技巧、拋光機使用注意事項、浸蝕手法和時間把握等重要環(huán)節(jié)，不但要在視頻中反應(yīng)，而且應(yīng)重點展示將其講透。這樣可將視頻控制在10-15分鐘以內(nèi)，學(xué)生自學(xué)后會對其中3-5個知識點產(chǎn)生極深的印象，從而容易記住流程中的重要節(jié)點及其注意事項。而在實際操作時，授課教師可結(jié)合實際樣品在動手過程中引導(dǎo)學(xué)生思考不同材料的鑲嵌方法，以及不同磨制方法的特點，在講解的同時可立即加以實踐，從而更加有效的培養(yǎng)學(xué)生獨立實驗、分析問題的能力，做到動手與動腦同步，實驗不走過場。通過這種方式的教學(xué)實踐，很多學(xué)生對該實驗產(chǎn)生了更加濃厚的興趣，部分學(xué)生更是參加了金相制備比賽并獲得優(yōu)異成績 （2018年全國大學(xué)生金相技能大賽二等獎）。

（3）應(yīng)有針對性重點講解與實驗安全性相關(guān)內(nèi)容

因其材料綜合實驗的課程性質(zhì)所致，授課的現(xiàn)場部分無法避免的會面臨與安全相關(guān)的環(huán)節(jié)，如沒有提前強調(diào)，輕則造成設(shè)備損壞，重則可能導(dǎo)致人身傷害。雖然針對該課程設(shè)置了2學(xué)時的實驗室安全教育，但教學(xué)實踐顯示，不同實驗涉及到的環(huán)境、設(shè)備、試劑及樣品各有不同，故仍應(yīng)對每一個實驗再專門制作有針對性的安全教育。這類視頻可以是整個實驗教學(xué)視頻中的一個重點，也可以單獨做成小視頻（3-5分鐘以內(nèi)）加以強調(diào)。如前文所述“金相試樣制備及組織分析”實驗中，拋光機在運轉(zhuǎn)時安全操作位置為“9點鐘”方向（以拋光盤順時針旋轉(zhuǎn)為例），在其余位置拋光時如樣品不慎飛出，均可能擊中周邊人員。教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，即便是現(xiàn)場強調(diào)，仍然有很多學(xué)生不以為意，為此筆者制作了相關(guān)視頻課程，在有安全防護的條件下，實際展示了在不同拋光位置上樣品飛出的情景。該視頻應(yīng)用于教學(xué)后，基本沒有再發(fā)現(xiàn)此類情況，不但避免了安全隱患，而且對培養(yǎng)學(xué)生良好的實驗習(xí)慣起到了積極作用。

3.MOOC的學(xué)習(xí)應(yīng)有監(jiān)督、有互動、有反饋

如何正確有效的應(yīng)用新型教學(xué)模式，也是教師需要關(guān)注的重要環(huán)節(jié)之一。無論是MOOC還是SPOC都是教學(xué)方法改革和教學(xué)質(zhì)量改進的途徑，而不是教師“偷懶”的手段。固然教學(xué)視頻中所涉及到的內(nèi)容不需要在課堂上重復(fù)講解，但視頻上線后，任課教師仍需與學(xué)生做各種直接間接、線上線下的互動，這樣才可以順利達成預(yù)期的教學(xué)效果。

首先，需要對自學(xué)情況進行監(jiān)督。早期的材料綜合實驗教學(xué)改革中，筆者曾經(jīng)嘗試將每次實驗的課件發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生課前自習(xí)，課堂上教師只講重點環(huán)節(jié)。這一做法使學(xué)生有更加充裕與自由的時間了解即將進行的實驗，也有效地擴展了實際動手操作的時間，收到了較好的效果。但同時也發(fā)現(xiàn)少部分學(xué)生并沒有自覺完成預(yù)習(xí)，課堂上教師只講重點，使得這部分學(xué)生更加不知所云，最終導(dǎo)致無法完成實驗，若此時仍實行傳統(tǒng)的實驗報告評分方式，則不但學(xué)生得不到訓(xùn)練，最終成績更無法反映真實情況。故一方面要施行新型的實驗課評分體系[1]，另一方面，要利用網(wǎng)絡(luò)途徑在線對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進行監(jiān)督（如本校使用的學(xué)習(xí)通、雨課堂等app可提供學(xué)情統(tǒng)計和督學(xué)等相應(yīng)功能），對于課前沒有完成視頻觀看的學(xué)生（尤其是安全重點視頻），取消其參加相應(yīng)實驗的資格，留待完成后重修。

其次，可靈活運用線上作業(yè)、討論、搶答等功能。學(xué)生在自學(xué)教師下發(fā)的相應(yīng)的網(wǎng)上視頻后，授課教師應(yīng)充分利用討論區(qū)對容易產(chǎn)生疑惑的重點難點展開線上討論，力圖通過這種靈活的形式對該類知識點進行課前消化。其后可通過布置線上作業(yè)的方式進一步鞏固，從而完成實驗前的學(xué)習(xí)任務(wù)，充分訓(xùn)練學(xué)生的個人學(xué)習(xí)能力。與此同時可引入網(wǎng)絡(luò)搶答、團隊協(xié)作等功能，引導(dǎo)學(xué)生思考實驗所用的設(shè)備以及所學(xué)原理的后續(xù)應(yīng)用等內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情。

最后，實驗課現(xiàn)場教學(xué)時段中，還應(yīng)充分運用翻轉(zhuǎn)課堂的形式，對學(xué)生的線上學(xué)習(xí)情況加以了解，這也是MOOC教學(xué)結(jié)果的重要反饋途徑，在與學(xué)生面對面交流、討論的過程中，教師可以直觀獲得學(xué)生對知識的掌握情況，并加以進一步引導(dǎo)，使學(xué)生產(chǎn)生更深入思考，從而更好的完成教學(xué)目標(biāo)。

四、結(jié)束語

實驗類課程的教學(xué)直接影響著學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)效果，故對于實驗課結(jié)合新手段的教學(xué)改革是有實際意義的。在上述教學(xué)改革的實踐中我們發(fā)現(xiàn)，在積極運用MOOC結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂等手段的教學(xué)過程中，合理運用校內(nèi)校外資源，充分注重教學(xué)實施細節(jié)，關(guān)注不同課程自身特點，而非簡單的線下教學(xué)線上化，是達成改革目標(biāo)的重要原則，只有遵循此原則并付諸實施，才能夠根據(jù)本校學(xué)生實際能力與興趣，實施有針對性的多層次實踐訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際與個體創(chuàng)新能力，最終達到教學(xué)目的。