安全工程專業(yè)基礎(chǔ)課翻轉(zhuǎn)課堂探索應(yīng)用與研究
——以《燃燒學》的翻轉(zhuǎn)課堂教學為例

李賢斌講師 汪金輝副教授 宋光明教授 許 濤講師 劉江虹教授

(1.上海海事大學 海洋科學與工程學院，上海 201306；2.上海海事大學 教務(wù)處，上海 201306)

0 引言

隨著國家社會經(jīng)濟高速發(fā)展，各類安全事故屢有發(fā)生，近年來安全工程高級人才的社會需求量日益增大，高等院校在安全教育工作中發(fā)揮重要作用，國內(nèi)開設(shè)安全工程本科專業(yè)的高校也不斷增加。目前我國高校安全工程人才培養(yǎng)的指引和要求有國際工程教育專業(yè)認證、雙一流學科建設(shè)、新工科建設(shè)及中國特色教育體系[1-4]。吳超等[5]就安全教育學原理提煉出安全教育雙主導(dǎo)向、安全教育反復(fù)、安全教育層次經(jīng)驗、安全教育順應(yīng)建構(gòu)、安全教育環(huán)境適應(yīng)及安全教育動態(tài)超前等6條下屬三級基礎(chǔ)原理。任國友[6]早在2007年就將教學改革、教學與實踐結(jié)合、廣泛運用現(xiàn)代教育技術(shù)等方法作為提升安全工程專業(yè)課中大學生創(chuàng)新能力與素質(zhì)培養(yǎng)的基本對策?！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》[7]高度重視信息技術(shù)對教育發(fā)展的革命性影響?！督逃畔⒒臧l(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》則要求利用信息技術(shù)開展啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式教學，探索建立以學習者為中心的教學模式。

翻轉(zhuǎn)課堂(Flipped Classroom，亦稱顛倒課堂)與傳統(tǒng)教授式教學不同，將知識傳授放在課堂外，學生自由的選擇最佳時間接受新知識，而把知識內(nèi)化過程放在課堂上，以便生生、師生間有更多的交流和溝通，將傳統(tǒng)以教師為中心的“課堂講授—課后作業(yè)”顛倒為以學生為學習主體的“課前學習—課堂討論”，其中教師充分發(fā)揮主導(dǎo)作用，倡導(dǎo)“主導(dǎo)—主體”式教學，強調(diào)師生雙方的積極性，形成互動式教學。翻轉(zhuǎn)課堂作為一種信息技術(shù)與課堂教學緊密結(jié)合的新型教學模式正是在這樣背景下進入我國并得到推廣。中國高教版《地平線報告》預(yù)測了未來5年內(nèi)中國高等教育技術(shù)應(yīng)用的技術(shù)發(fā)展、關(guān)鍵趨勢和重要挑戰(zhàn)，并將翻轉(zhuǎn)課堂認定為1年之內(nèi)采納的技術(shù)之首[8]。Salman Khan[9]及其創(chuàng)立的非盈利機構(gòu)可汗學院(Khan Academy)里程碑式推進作用使翻轉(zhuǎn)課堂教學模式被越來越多的教師熟知并應(yīng)用，并成為全球教育界關(guān)注的教學理念。高等工程教育越來越關(guān)注學生工程能力的培養(yǎng)，翻轉(zhuǎn)課堂的教學理念倡導(dǎo)教師的主導(dǎo)作用，突顯學生的主體地位，注重能力培養(yǎng)，特別是工科學生實踐能力、創(chuàng)新能力、團隊合作等多項工程核心能力的培養(yǎng)，正好契合國際工程教育專業(yè)認證、新工科教育、上海市應(yīng)用型本科試點專業(yè)的要求。

為有效培養(yǎng)安全工程人才知識基礎(chǔ)、創(chuàng)新能力、工程實踐能力等滿足社會需求的綜合安全能力，作者探索性地將翻轉(zhuǎn)課堂教學模式應(yīng)用于安全科學與工程專業(yè)基礎(chǔ)課《燃燒學》的教學，分析其教學效果，對參與翻轉(zhuǎn)課堂的學生進行問卷調(diào)查，研究該教學模式在類似課程中的可行性，以期為進一步的安全工程專業(yè)教學改革和課程建設(shè)提供實踐案例和參考。

1 課程現(xiàn)狀

《燃燒學》是安全工程等專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要研究火災(zāi)及爆炸等熱動力災(zāi)害發(fā)生、發(fā)展及熄滅的基本規(guī)律，是防滅火設(shè)計與技術(shù)研發(fā)的理論基礎(chǔ)，是一門與工程熱力學、傳熱學、流體力學等學科綜合的基礎(chǔ)性學科，主要包括緒論、燃燒的化學基礎(chǔ)、燃燒的物理基礎(chǔ)、著火與滅火基本理論、可燃氣體的預(yù)混燃燒、可燃氣體的擴散燃燒、可燃液體的燃燒、可燃固體的燃燒等8個章節(jié)內(nèi)容。正由于其學科特點，理論跨學科理解難度大，并需開展實驗配合教學，所以學生比較難以掌握，而且此門課程的掌握程度還關(guān)系到相關(guān)學科的進一步學習。為提高教學效果，已有不少教學工作者對該課程及相關(guān)課程進行了教學改革[3]，使用“探究式”“案例式”“研究式”等教學方法[10-11]，在教學過程提高了學生分析問題、解決問題的能力與意識。

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)特別是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，翻轉(zhuǎn)課堂運用越來越多，可為傳統(tǒng)的課堂提供補充，而不是將其取代，董占海[12]對課堂翻轉(zhuǎn)度進行了準實驗研究確定了課程較好教學效果的“黃金分割模式”。而本文應(yīng)用的課程《燃燒學》是一門比較抽象且需要開展課程內(nèi)實驗的課程，必然存在部分章節(jié)不適合開展翻轉(zhuǎn)課堂，本輪授課典型性地選擇了謝苗諾夫自燃理論、鏈鎖反應(yīng)自燃理論、三元系爆炸極限圖、可燃液體的閃燃與爆炸溫度極限、可燃固體的陰燃等5個知識點作為翻轉(zhuǎn)教學內(nèi)容，具體知識要點,見表1。

表1 翻轉(zhuǎn)課堂知識點

2 充分利用信息化平臺，探索性開展翻轉(zhuǎn)課堂教學

2017-2018學年，上海海事大學“燃燒學”課程組開始進行翻轉(zhuǎn)課堂的教學改革，該學期有安全工程專業(yè)兩個班共66人研修《燃燒學》。目標是在不削弱基礎(chǔ)概念與知識傳授的基礎(chǔ)上，更好的培養(yǎng)學生的工程能力，提升課程的教學質(zhì)量。

(1)課程準備。

上海海事大學為構(gòu)建“一體化數(shù)字化教學支撐環(huán)境”建設(shè)有支持師生互動式教學、使用與評估并重的教學網(wǎng)絡(luò)平臺。課程組為部分翻轉(zhuǎn)課堂知識要點錄制10分鐘內(nèi)的微視頻，本輪共錄制了10個微視頻，連同相關(guān)課件習題上傳至教學網(wǎng)絡(luò)平臺，并在平臺上發(fā)起若干類似討論及評價的教學活動。為適應(yīng)翻轉(zhuǎn)課堂教學模式，課程組重新制作相關(guān)課件，突出重點，簡單扼要，為課堂討論和互動環(huán)節(jié)留出空間。

(2)課前、課中、課后環(huán)節(jié)設(shè)置。

課前，學生需要使用教學網(wǎng)絡(luò)平臺觀看微視頻，利用平臺的學習材料進行個性化學習，將傳統(tǒng)課堂中教師講授的內(nèi)容進行課前學習，自我控制學習時間和節(jié)奏，同時需要學生完成平臺上布置的課程作業(yè)，并可以在平臺討論交流，實現(xiàn)互動教學。以“可燃液體的閃燃與爆炸溫度極限”為例(本節(jié)均以此為例)，課程組制作了“閃點的計算”和“溫度爆炸極限”兩個短視頻，并附上了“閃燃與溫度爆炸極限”的討論話題和相關(guān)習題。

課中作為翻轉(zhuǎn)課堂的重要環(huán)節(jié)，老師首先針對課前學習內(nèi)容進行梳理與回顧，邀請部分學生上講臺講解學習要點(見表1)及遇到困難，并組織學生分組討論，大致了解學生們的學習情況，特別是解決學生自主學習過程中遇到的問題，提倡生生交流討論，互相答疑并糾正錯誤的理解，以讓每位學生均理解問題的本質(zhì)。然后課堂上組織進行習題討論，包括較少時間的課前的習題解析(課程組上傳至“教學網(wǎng)絡(luò)平臺”的相關(guān)習題)，新布置難度較大或者應(yīng)用型習題，以提升學生運用知識解決問題的能力。最后各組學生提出自己的問題并由其他小組討論解決。這三個環(huán)節(jié)中教師控制討論節(jié)奏，引導(dǎo)討論方向，必要時提供解決思路。

課后學習主要將討論的問題和知識點進行總結(jié)，讓學生繪制知識關(guān)系圖，完成相關(guān)作業(yè)，分析實際問題并參與設(shè)計研究型實驗(柴油及混油開閉杯閃點實驗)等。

(3)實施成果。

從學生角度出發(fā)，有更好的表現(xiàn)，提高了學生的通過率，為學生之后的課程學習打下堅實的基礎(chǔ)，準時拿到學位證。學生自主學習的能力在翻轉(zhuǎn)課堂中顯得尤為重要，需采取多種措施保證學生課前進行在線學習，如學生的瀏覽記錄、評價在線課程內(nèi)容難易程度、提交遇到的困難等。因此翻轉(zhuǎn)課堂的教學模式需要學生的自主學習能力，相反，也能通過該模式的教學培養(yǎng)學生的自主學習能力，達到良性循環(huán)的效果。課堂上的討論環(huán)節(jié)(即表達自己遇到的問題及回答別人的問題)鍛煉了學生的表述能力。

在學習成績方面課程組對實施翻轉(zhuǎn)課堂教學模式的學生進行測評分析，與上一年度(2016-2017年度)傳統(tǒng)教學模式下學生的考試成績進行對比，見表2，學生的考試成績進步明顯。從表2中可以分析發(fā)現(xiàn)：翻轉(zhuǎn)課堂教學模式下取得“優(yōu)秀”的學生人數(shù)有15人(22.73%)，相比上一年度有14.93%的增幅。取得“良好”和“中”的人數(shù)有小幅下降，在“及格”檔的學生人數(shù)明顯減少。不過“不及格”的人數(shù)卻有所增加，這3名學生在課堂上表現(xiàn)較差，自主學習能力較低，且沒有進行課前學習，翻轉(zhuǎn)課堂參與度低。

表2 燃燒學翻轉(zhuǎn)課堂與傳統(tǒng)課堂學生成績對比

以考試中類似的應(yīng)用性題型相同難度考查的本輪翻轉(zhuǎn)課堂教學模式作為翻轉(zhuǎn)課堂教學內(nèi)容的“三元系爆炸極限圖”為例分析該教學模式的效果，見表3。從表3中可以發(fā)現(xiàn)，翻轉(zhuǎn)課堂模式下該題的平均得分率沒有明顯變化，且由于表2中不及格的3位學生中有2位得了0分，導(dǎo)致平均得分率產(chǎn)生小幅度的下降(0.66%)。相較上一年度，該題得滿分的學生數(shù)量明顯增多，進一步驗證了自主學習能力及參與度對翻轉(zhuǎn)課堂教學模式下知識掌握度的影響，翻轉(zhuǎn)課堂教學理念對那些積極進取、努力學習的孩子更有效。

表3 “三元系爆炸極限圖”應(yīng)用性題型得分率分析

從教師角度出發(fā)，實施翻轉(zhuǎn)課堂對教師自身能力也有所提高，包括對課堂的全局把握能力以及對工程實際問題的抽象、提煉能力。作為翻轉(zhuǎn)課堂的一線實踐者，在這個過程中作者的教師專業(yè)素養(yǎng)不斷提升，各翻轉(zhuǎn)課堂知識點均需要制作服務(wù)本課程教學需求的微視頻，翻轉(zhuǎn)課堂則與學生的交流更加深度，雖然課前備課時間增加，但課后批改作業(yè)的時間相對減少，可以用于學生個性化、有意義的指導(dǎo)。傳統(tǒng)課堂上，教師不得不補充一些某些學生已經(jīng)掌握的知識，從而無法為課程本身留出充分的時間，翻轉(zhuǎn)課堂中要充分考慮到學生的個體差異，這一點我們課程組還需要加強，防止出現(xiàn)不自主學習又不積極參與翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。

3 教學反饋問卷調(diào)查分析

為積累經(jīng)驗、開展教學反思，課題組設(shè)計15題(其中9道單選題、2道多選題、2道主觀題、2道矩陣量表題)問卷，內(nèi)容主要包括學生對翻轉(zhuǎn)課堂教學方式認可度、與傳統(tǒng)講授教學方式對比、翻轉(zhuǎn)自我評價、學生對老師評價等，通過“問卷星”向參與本次翻轉(zhuǎn)課堂教學模式的學生發(fā)放了調(diào)查問卷，回收有效問卷57份。

圖1所示課前學習情況的調(diào)查，92.98%的學生進行了課前學習，其中有77.36%采用微視頻學習，而其他22.64%則采用其他途徑進行課前學習；圖2所示問卷調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有50.88%的學生習慣于微視頻學習，排在微視頻學習之前的有“教材自學”(89.47%)和“課件學習”(87.72%)，這一現(xiàn)象在一定程度上佐證了當前“慕課”遇到的困境[13]，且與文獻[14]得到的結(jié)論類似，翻轉(zhuǎn)的關(guān)鍵不在于高科技媒介，而在于人的高層認知和高階思維的形成。

圖1 課前學習情況

表4中展示了翻轉(zhuǎn)課堂教學模式中關(guān)于課堂討論參與度、教學環(huán)節(jié)重要度及對課程內(nèi)容選擇教授方式的調(diào)查問卷結(jié)果：在課堂上學生積極(45.61%)、一般(49.12%)參與到討論環(huán)節(jié)，并認為討論是自己掌握知識的重要環(huán)節(jié)(61.40%)，但還是有3名學生選擇不參與討論或抵觸討論環(huán)節(jié)，可能是由于沒有完成自主學習階段任務(wù)，跟不上課堂教學進度，進而對討論產(chǎn)生抵觸。學生對翻轉(zhuǎn)課堂教學模式環(huán)節(jié)重要度為：課前學習(87.72%)>課堂討論(61.40%)>微視頻自學(42.11%)>習題作業(yè)(33.33%)。翻轉(zhuǎn)課堂強調(diào)學生的自主學習，而自主學習的途徑有很多，而通過觀看微視頻是其中較為重要的一種，這與上文的問卷結(jié)果類似。

圖2 課前學習習慣采用的學習途徑

表4 翻轉(zhuǎn)課堂教學模式中關(guān)于課堂討論參與度等的問卷統(tǒng)計

表5和表6分別是學生對《燃燒學》翻轉(zhuǎn)課堂教學模式下自我評價和教師表現(xiàn)的打分情況：由于學生均是第一次參與到翻轉(zhuǎn)課堂的教學模式中，自我評價較低，但配合度分較高(4分：22人(38.60%)，5分：22人(38.60%))，大部分學生也非常希望通過積極參與到翻轉(zhuǎn)課堂學習中提高自己的知識應(yīng)用等能力；學生們對參與此次翻轉(zhuǎn)課堂教學模式的教師打分較高，說明課程組準備微視頻等素材工作得到大部分學生認可。翻轉(zhuǎn)課堂中學生可以按照自己的學習節(jié)奏來進行[9]，制作的教學視頻一直在網(wǎng)站上，但由于大學課程不是自由學習，是有一定時限的，且本輪授課是部分內(nèi)容進行翻轉(zhuǎn)課堂教學，課前自主學習會增加學生的課后任務(wù)量，這也一定程度上增加了教學難度，學生們?nèi)绾魏侠砝谜n后時間也是一個必然要注意的問題。

從表5中還可以發(fā)現(xiàn)，學生認為“作業(yè)及習題完成情況”這一傳統(tǒng)教學模式下的重要環(huán)節(jié)完成較好，說明對傳統(tǒng)教學課堂學習—課后作業(yè)模式比較適應(yīng)，翻轉(zhuǎn)課堂的教學模式還沒有完全適應(yīng)。

從表6中還可以發(fā)現(xiàn)，學生認為教師的表現(xiàn)較好，但相對來說對課上節(jié)奏把控、課上討論質(zhì)量、課堂氛圍這三項分數(shù)較低，這幾項均屬于“課中”范疇，且翻轉(zhuǎn)課堂上對教師的要求更高，由于作者是第一次采用翻轉(zhuǎn)課堂教學模式，在課堂氛圍、討論質(zhì)量及節(jié)奏把控方面還需要完善。因此在以后開展翻轉(zhuǎn)課堂或傳統(tǒng)教學時，還需對師生交流、生生交流及課堂節(jié)奏等課堂管理能力進行針對性強化，補全“課中”這方面的不足。

表5 學生在翻轉(zhuǎn)課堂上的表現(xiàn)自我打分

表6 學生對翻轉(zhuǎn)課堂上的教師表現(xiàn)打分

4 結(jié)論

翻轉(zhuǎn)課堂教學模式探索性應(yīng)用于安全工程專業(yè)課《燃燒學》的教學，通過本輪部分知識點的選擇性應(yīng)用，取得較好成果及反饋，說明工科專業(yè)課程也適合開展翻轉(zhuǎn)課堂教學模式。

學生在翻轉(zhuǎn)課堂上差異化需求更加顯現(xiàn)，自主學習能力強及參與度高的學生獲得較好反饋，知識點掌握更為牢固，期末考評中優(yōu)秀率增幅較大。翻轉(zhuǎn)課堂有利于培養(yǎng)學生的自主學習能力，更新教師教學理念、提高課堂管理能力。翻轉(zhuǎn)課堂中課前學習是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，微視頻自學是重要但并不是必須的，實施過程中需充分考慮學生的個體差異，課程組需加強師生溝通，鼓勵討論，同時防止出現(xiàn)不自主學習又不參與翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。