“翻轉(zhuǎn)課堂+混合式”教學(xué)模式在物理化學(xué)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(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南通 226000

物理化學(xué)實驗作為化學(xué)師范、應(yīng)用化學(xué)、化工、高分子等專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)必修課，綜合了化學(xué)領(lǐng)域中各分支學(xué)科所需要的基本操作技能和基本研究方法，是培養(yǎng)學(xué)生基本操作能力、科學(xué)研究能力、綜合創(chuàng)新能力的重要實踐環(huán)節(jié)，在基礎(chǔ)化學(xué)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(xué)資源建設(shè)的逐漸完備，物理化學(xué)實驗教學(xué)改革的方向在朝著線上與線下相結(jié)合、課堂實踐與課外自主學(xué)習(xí)相結(jié)合的混合模式推進。

1 混合式教學(xué)與翻轉(zhuǎn)課堂

混合式教學(xué)(Blended teaching)是將傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)(線上)與課堂教學(xué)(線下)相結(jié)合，并融合二者優(yōu)勢的新型教學(xué)模式[1–3]，是目前高校教學(xué)改革的一個重要研究方向。翻轉(zhuǎn)課堂(Flipped classroom)是指學(xué)生在課前通過看視頻講座、自己查閱資料、同學(xué)之間討論等方式自主學(xué)習(xí)，課堂上學(xué)生通過展示學(xué)習(xí)成果、相互交流、合作探究等形式，在教師的引導(dǎo)下，完成知識的吸收內(nèi)化過程[4]。翻轉(zhuǎn)課堂不僅關(guān)注知識目標(biāo)的達成，而且關(guān)注綜合能力的培養(yǎng)，如自主學(xué)習(xí)能力、提煉總結(jié)能力、語言表達能力、創(chuàng)新能力等。混合教學(xué)模式下的翻轉(zhuǎn)課堂既能最大化地利用現(xiàn)代多媒體和信息技術(shù)，又能充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體作用。

近年來多所高校的物理化學(xué)實驗進行了翻轉(zhuǎn)課堂和混合式教學(xué)的嘗試。謝愛娟、伍水生等[5–7]基于SPOC的物理化學(xué)實驗混合教學(xué)模式開展了物理化學(xué)實驗翻轉(zhuǎn)式教學(xué)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(xué)實驗翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)案例設(shè)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(zhuǎn)課堂的教學(xué)成效，并通過實踐及統(tǒng)計假設(shè)檢驗，全面評價了該教學(xué)模式。

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

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

過去的兩年中，教學(xué)團隊利用愛課程平臺的SPOC和慕課堂，進行了物理化學(xué)實驗線上線下混合式課程改革，取得了較好的教學(xué)效果，受到學(xué)生的普遍歡迎。為了鞏固和完善前期的教學(xué)改革成果，進一步調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，本學(xué)年團隊在前期改革的基礎(chǔ)上，探索了翻轉(zhuǎn)課堂在物理化學(xué)實驗混合式教學(xué)中的應(yīng)用。

2 物理化學(xué)實驗混合式教學(xué)中翻轉(zhuǎn)課堂的實施

2.1 混合式教學(xué)中翻轉(zhuǎn)課堂的實施過程

學(xué)習(xí)包括知識的輸入和輸出兩個過程，知識的輸出是翻轉(zhuǎn)課堂的重要組成部分。實驗課堂上知識的輸出不僅指學(xué)生正確進行實驗操作，而且包括學(xué)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(xiàn)象進行合理的解釋。本次翻轉(zhuǎn)課堂探索的重點在于強化學(xué)生知識輸出的訓(xùn)練。由表1可見，本次教學(xué)實施過程的主要變化是：在教師強調(diào)實驗重點之前，先讓兩名學(xué)生介紹實驗原理和操作，然后讓其他學(xué)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(dǎo)學(xué)生討論。教學(xué)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(xué)生的課堂參與度；同時，為了避免聽講的同學(xué)懈怠，也給他們布置了糾正、補充、提問的任務(wù)。

表1 翻轉(zhuǎn)課堂實施前后教學(xué)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(xué)期共進行6個實驗，分別是“燃燒熱的測定(6學(xué)時)”“雙液系氣液平衡相圖的繪制(6學(xué)時)”“純液體飽和蒸氣壓的測定(5學(xué)時)”“凝固點降低法測定溶質(zhì)摩爾質(zhì)量(5學(xué)時)”“旋光法測定蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)的速率常數(shù)(5學(xué)時)”“電池電動勢的測定(5學(xué)時)”，共32學(xué)時。

每次實驗每組安排兩名同學(xué)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(xué)生輪流一次之后，由學(xué)生主動報名。實驗室準(zhǔn)備有投影儀和黑板，但考慮到每個學(xué)生能力的差異，同時為了避免有的學(xué)生因翻轉(zhuǎn)課堂投入太多精力而可能造成厭學(xué)情緒，對學(xué)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(xué)中翻轉(zhuǎn)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(yù)習(xí)

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(yù)習(xí)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(chǔ)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(yù)習(xí)測試和講解

實驗課堂上，通過慕課堂發(fā)布題目，對學(xué)生的預(yù)習(xí)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(jié)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(xué)生講解、師生討論探究

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

接著教師對學(xué)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(nèi)容是否正確等方面展開，對講解過程中的優(yōu)點給予肯定和表揚，不足的地方給予適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)，對講解有誤的地方進行糾正。

然后教師對學(xué)生提問，引導(dǎo)學(xué)生討論。鑒于預(yù)習(xí)測試題多為選擇題和判斷題，對學(xué)生預(yù)習(xí)情況的考查并不全面，教師對學(xué)生就與實驗相關(guān)的基礎(chǔ)內(nèi)容進行提問可以進一步考查學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，糾正和完善學(xué)生對實驗的理解。和實驗相關(guān)的拓展性內(nèi)容可以引發(fā)學(xué)生的深入思考，同時有利于學(xué)生在實驗過程中，更好地觀察實驗現(xiàn)象，記錄實驗數(shù)據(jù)。

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(huán)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(dǎo)討論的過程中，要堅持學(xué)生主體、教師主導(dǎo)的原則。為了討論內(nèi)容具有合適的廣度和深度，問題的設(shè)計可以采用集體備課的方式。

2.2.4 教師強調(diào)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(xì)節(jié)和技巧較多，難以一一展現(xiàn)在教材和實驗視頻中，也需要教師結(jié)合實驗儀器在課堂上傳授。

2.2.5 實驗期間巡回指導(dǎo)+適時討論

有一些討論適合在實驗操作結(jié)束后，學(xué)生對實驗有一定直觀感受的基礎(chǔ)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(yīng)，應(yīng)當(dāng)如何改進實驗裝置？

這類問題發(fā)布在SPOC的討論區(qū)，學(xué)生可以在討論區(qū)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(dǎo)學(xué)生查閱文獻，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

3 物理化學(xué)實驗混合式教學(xué)中翻轉(zhuǎn)課堂的實施成效

3.1 學(xué)習(xí)效果

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

首先，分析兩個年級學(xué)生的學(xué)業(yè)水平是否存在顯著性差異。

根據(jù)兩個年級學(xué)生的高考成績在各自省內(nèi)的排名及其所在省份參加高考的理科生總數(shù)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(tǒng)計分析，在5%的顯著性水平下，采用獨立樣本t檢驗評估學(xué)生成績是否存在顯著性差異。結(jié)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(yè)基礎(chǔ)課，包括無機及分析、有機化學(xué)、物理化學(xué)、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(xué)的教師，因此可以認(rèn)為在學(xué)習(xí)該課程前學(xué)生學(xué)業(yè)水平一致。

表2 高考校正成績組統(tǒng)計量

表3 高考校正成績t檢驗結(jié)果

然后，分析翻轉(zhuǎn)課堂實施前后學(xué)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(xué)生的6個實驗報告成績?nèi)∑骄?，得到學(xué)生的實驗報告成績。使用SPSS對兩個年級學(xué)生的實驗報告成績進行統(tǒng)計分析，采用獨立樣本t檢驗評估學(xué)生成績是否存在顯著性差異。表4和表5的結(jié)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(zhuǎn)課堂+混合式”教學(xué)的實驗報告成績顯著優(yōu)于“混合式”教學(xué)。

表4 實驗報告成績組統(tǒng)計量

表5 實驗報告成績t檢驗結(jié)果

圖3為采用兩種不同教學(xué)模式學(xué)生實驗報告成績各分?jǐn)?shù)段的占比情況，可以看出采用“翻轉(zhuǎn)課堂+混合式”教學(xué)，實驗報告成績高分段人數(shù)比例上升，學(xué)生實驗報告質(zhì)量明顯提高。

圖3 實驗報告成績分布比較

3.2 學(xué)生評價

通過慕課堂發(fā)布問卷，對2019級高分子材料專業(yè)的69名學(xué)生進行調(diào)查，收集學(xué)生對“翻轉(zhuǎn)課堂+混合式”教學(xué)相關(guān)的反饋意見。問卷為無記名方式。所有問卷在本學(xué)期最后一次實驗課發(fā)出，學(xué)生在實驗室內(nèi)完成。發(fā)布問卷前再次向?qū)W生強調(diào)，問卷內(nèi)容不會影響學(xué)生的成績，請學(xué)生如實填寫。68名同學(xué)參與了問卷調(diào)查，均為有效問卷。調(diào)查問卷的數(shù)據(jù)使用Excel收集并處理，處理統(tǒng)計結(jié)果用百分?jǐn)?shù)(選擇人數(shù)/總?cè)藬?shù)×100%)表示，并用柱狀圖進行分析對比。

問題1、2的結(jié)果表明(表6、圖4)：本次調(diào)查對象80.9%明確表示喜歡“翻轉(zhuǎn)課堂+混合式”教學(xué)模式，比18級喜歡“混合式”教學(xué)模式的比例(91.9%)有所下降[10]。和18級相比，19級學(xué)生每次預(yù)習(xí)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(diào)查對象喜歡“翻轉(zhuǎn)課堂+混合式”教學(xué)的人數(shù)比例下降的原因。

問題3的結(jié)果表明(表6、圖4)，與調(diào)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(xué)預(yù)習(xí)所花的時間明顯增加，部分原因是物理化學(xué)實驗原理和操作更加復(fù)雜，另一部分由于教師對學(xué)習(xí)任務(wù)提出了更高的要求。少部分同學(xué)認(rèn)為實驗視頻讓預(yù)習(xí)變得更容易，預(yù)習(xí)所花的時間減少。

圖4 關(guān)于“翻轉(zhuǎn)課堂+混合式”教學(xué)模式的調(diào)查結(jié)果

表6 關(guān)于“翻轉(zhuǎn)課堂+混合式”教學(xué)模式的調(diào)查問題

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

圖5 關(guān)于“翻轉(zhuǎn)課堂”的調(diào)查結(jié)果

表7 關(guān)于“翻轉(zhuǎn)課堂”的調(diào)查問題

問題10的調(diào)查結(jié)果表明(表8、圖6)，教師的點評和補充可以加深學(xué)生對實驗原理和過程的理解，拓展學(xué)生的思維，教師在教學(xué)中有效發(fā)揮了引領(lǐng)和主導(dǎo)作用。問題11、13的調(diào)查結(jié)果表明，83.8%的學(xué)生明確表示喜歡翻轉(zhuǎn)課堂，因為翻轉(zhuǎn)課堂能夠督促學(xué)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(xué)生通過翻轉(zhuǎn)課堂認(rèn)識到自己語言表達能力的不足，并決心在以后的學(xué)習(xí)中努力改進。從問題13的調(diào)查結(jié)果還可以看到，大部分學(xué)生認(rèn)為自己在物理化學(xué)實驗課程中提升了主動學(xué)習(xí)、獨立思考的能力，提高了理論聯(lián)系實際的能力，增強了團隊合作精神。

圖6 “翻轉(zhuǎn)課堂+混合式”教學(xué)模式對學(xué)生能力、情感和態(tài)度的影響調(diào)查結(jié)果

問題12、14為主觀調(diào)查題(表8)，學(xué)生紛紛表達了對翻轉(zhuǎn)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(xué)的回答：“翻轉(zhuǎn)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(xù)這種模式”，“以后想當(dāng)教師，翻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)課堂+混合式”教學(xué)模式對學(xué)生能力、情感和態(tài)度的影響調(diào)查問題

4 結(jié)語

為了鞏固和完善前期物理化學(xué)實驗混合式教學(xué)改革的成果，開展了將翻轉(zhuǎn)課堂作為一種常規(guī)的教學(xué)方法融入實驗課堂的探索實踐。實踐表明，“翻轉(zhuǎn)課堂+混合式”教學(xué)模式有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績，鍛煉邏輯思維能力和語言表達能力，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。在今后的教學(xué)中，我們將繼續(xù)堅持以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)的原則，利用好現(xiàn)代信息技術(shù)創(chuàng)造的便利，借鑒其他高校的成功經(jīng)驗[1–9]，不斷探索提高教學(xué)質(zhì)量的途徑和方法，為培養(yǎng)高素質(zhì)人才而努力。