新工科背景下“環(huán)境工程原理”翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的探索及實(shí)踐*

張春紅，羅春梅

(云南大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650500)

為深入貫徹全國教育大會(huì)精神和《中國教育現(xiàn)代化2035》，2019年10月，教育部印發(fā)了《關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》(教高〔2019〕6號(hào))和《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》 (教高〔2019〕8號(hào))，指出強(qiáng)化課堂設(shè)計(jì)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力和專業(yè)志趣；培養(yǎng)學(xué)生深度分析、大膽質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的精神和能力；創(chuàng)新教學(xué)方法以提升教學(xué)效果為目的。翻轉(zhuǎn)課堂(Flipped Classroom)是一種新興的有別于傳統(tǒng)課堂的教學(xué)模式[1-5]。與傳統(tǒng)教學(xué)相比，它將傳統(tǒng)課堂“預(yù)習(xí)—課堂講授—復(fù)習(xí)”的學(xué)習(xí)流程翻轉(zhuǎn)為“課前自主學(xué)習(xí)—課中知識(shí)內(nèi)化—課后總結(jié)提高”的學(xué)習(xí)步驟，本質(zhì)上是一種先學(xué)后教的模式，更符合人類認(rèn)知規(guī)律，現(xiàn)成為實(shí)施差異化教學(xué)和個(gè)性化教學(xué)的有效手段，在國內(nèi)外的教育教學(xué)領(lǐng)域獲得快速發(fā)展[6]。

“環(huán)境工程原理”是云南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程擔(dān)負(fù)著由理論到工程、由基礎(chǔ)到專業(yè)的橋梁作用，對(duì)環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生的業(yè)務(wù)素質(zhì)、工程能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起著至關(guān)重要的作用。新工科建設(shè)背景下，云南大學(xué)的“環(huán)境工程原理”的學(xué)時(shí)縮短至36學(xué)時(shí)，如何在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)將知識(shí)保質(zhì)保量地傳授，成為一個(gè)關(guān)系專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要問題。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，我校對(duì)“環(huán)境工程原理”的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式進(jìn)行了探索和實(shí)踐。

1 教學(xué)實(shí)踐的痛點(diǎn)

“環(huán)境工程原理”的教學(xué)目的主要是讓學(xué)生掌握環(huán)境污染控制的基礎(chǔ)原理、基本理論，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、分析和解決問題的能力和工程思維，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)打好理論基礎(chǔ)。但是，在傳統(tǒng)教學(xué)模式的教學(xué)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)“環(huán)境工程原理”的教學(xué)存在如下痛點(diǎn)。

1)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性低，大多數(shù)學(xué)生是被動(dòng)參與學(xué)習(xí)。 “環(huán)境工程原理”中有大量的原理、晦澀難懂的公式及其推導(dǎo)、應(yīng)用，許多同學(xué)還沒開始學(xué)，打開教材看到大量的數(shù)學(xué)公式后就產(chǎn)生了畏難的心理，導(dǎo)致課程學(xué)習(xí)過程中不愿意積極參與教學(xué)而是被動(dòng)參與學(xué)習(xí)，喪失主動(dòng)學(xué)習(xí)和獨(dú)立思考的能力，影響了課程的教學(xué)效果。

2)傳統(tǒng)課堂上，“滿堂灌”、“填鴨式”的教學(xué)方式導(dǎo)致學(xué)生在一節(jié)課的時(shí)間內(nèi)去理解晦澀難懂的原理、方程意義很難，而在理解基礎(chǔ)上的應(yīng)用原理、公式去分析和解決問題更是難上加難，因此學(xué)習(xí)效果較差。

3)評(píng)價(jià)方式過于單一，評(píng)價(jià)體系包括平時(shí)成績、期中考試和期末考試成績，注重期末考試結(jié)果，不重視過程性評(píng)價(jià)。這種評(píng)價(jià)體系下，部分學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)不認(rèn)真，期末考試前突擊學(xué)習(xí)而通過期末考試，因此非常不利于學(xué)生學(xué)好 “環(huán)境工程原理”的知識(shí)，學(xué)生的專業(yè)能力得不到培養(yǎng)和提高。

2 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的探索與實(shí)踐

2.1 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)過程

本著“學(xué)生主體，教師主導(dǎo)”的教學(xué)指導(dǎo)思想，本課程的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式為基于“雨課堂”的課前線上自主學(xué)習(xí)，課中課堂教學(xué)的知識(shí)內(nèi)化，課后知識(shí)鞏固和拓展教學(xué)環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)，具體流程見圖1。

圖1 翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)流程

2.1.1 課前線上自主學(xué)習(xí)

課前線上自主學(xué)習(xí)是翻轉(zhuǎn)課堂能夠順利進(jìn)行的關(guān)鍵，合適的課前學(xué)習(xí)既能提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能幫助其實(shí)現(xiàn)既定的學(xué)習(xí)目標(biāo)。因此，根據(jù)學(xué)習(xí)的主題和重難點(diǎn)合理安排教學(xué)內(nèi)容就顯得尤為重要，內(nèi)容不僅要“專”和“精”，還要具有比較好的可控性和延伸性。在本課程教學(xué)改革積累中，已形成 “環(huán)境工程原理”的課前教學(xué)資料庫：線上自主學(xué)習(xí)任務(wù)單(以下簡稱任務(wù)單)和線上自主學(xué)習(xí)課件(以下簡稱學(xué)習(xí)課件)。教學(xué)團(tuán)隊(duì)課前通過雨課堂教學(xué)平臺(tái)，向?qū)W生推送任務(wù)單和學(xué)習(xí)課件等學(xué)習(xí)資料。

任務(wù)單主要包括學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)任務(wù)和課堂導(dǎo)入習(xí)題(以填空題和簡答題為主)，其中學(xué)習(xí)目標(biāo)主要包括各章節(jié)不同內(nèi)容的不同要求和培養(yǎng)的能力，讓學(xué)生明白不同內(nèi)容有不同的學(xué)習(xí)要求，在學(xué)習(xí)過程中合理分配學(xué)習(xí)時(shí)間，提高學(xué)習(xí)效率。任務(wù)單根據(jù)章節(jié)順序設(shè)置，預(yù)先發(fā)布在平臺(tái)上，方便學(xué)生學(xué)習(xí)。鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合學(xué)習(xí)目標(biāo)及任務(wù)，通過教材文獻(xiàn)、課程平臺(tái)、互聯(lián)網(wǎng)等多個(gè)渠道完成課前學(xué)習(xí)，并通過回答導(dǎo)入問題和系統(tǒng)自測來檢查課前學(xué)習(xí)效果。如在沉降章節(jié)，任務(wù)單中設(shè)置了“空氣中的PM2.5指的是什么？PM2.5在重力場中為什么很難沉降？”的簡答題，讓學(xué)生自己去查閱文獻(xiàn)，幫助理解重力沉降的過程和原理。

學(xué)習(xí)課件除了主要學(xué)習(xí)內(nèi)容外，還有學(xué)習(xí)視頻、選擇題和判斷題等。學(xué)習(xí)視頻主要包括教師錄制的視頻、引用其他教師的視頻和部分學(xué)堂在線的慕課資源，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中可以反復(fù)觀看學(xué)習(xí)視頻，不受時(shí)間限制。每段視頻時(shí)間長度為10 ～15 min，內(nèi)容包括學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)、部分設(shè)備結(jié)構(gòu)、各單元操作的原理等。其中，設(shè)備的結(jié)構(gòu)及其在工程中的應(yīng)用等內(nèi)容采用生動(dòng)、形象的方式呈現(xiàn)，以便于學(xué)生理解。學(xué)生通過視頻學(xué)習(xí)，在課堂教學(xué)之前就能夠?qū)卧僮髟砑霸O(shè)備形成直觀感性的認(rèn)識(shí)，從而激發(fā)進(jìn)一步學(xué)習(xí)的興趣。例如，列管式換熱器的原理、結(jié)構(gòu)及換熱過程的學(xué)習(xí)視頻中，形象地展示換熱器的結(jié)構(gòu)，并說明列管式換熱器的管程和殼程的定義等，這樣有助于加深學(xué)生對(duì)列管式換熱器的理解。

為了及時(shí)獲得學(xué)生對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)效果，學(xué)習(xí)課件中有針對(duì)性的設(shè)計(jì)了一些選擇題和判斷題，供學(xué)生學(xué)習(xí)過程中思考并解答，檢測其線上自主學(xué)習(xí)成效，圖2 為對(duì)流體阻力定義的檢測結(jié)果截屏。

圖2 線上自主學(xué)習(xí)檢測結(jié)果

以上過程在雨課堂教學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行，雨課堂直接記錄了每位學(xué)生觀看學(xué)習(xí)視頻的時(shí)間與進(jìn)度、線上自主學(xué)習(xí)效果，方便教師掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)程并督促學(xué)生學(xué)習(xí)。同時(shí)，對(duì)于課前學(xué)習(xí)中遇到的問題，學(xué)生在課程網(wǎng)站互動(dòng)區(qū)或QQ交流群中留言討論，實(shí)現(xiàn)學(xué)生與學(xué)生、學(xué)生與老師間的多方位實(shí)時(shí)交流。老師選擇部分有代表性的問題進(jìn)入課堂，組織同學(xué)實(shí)施更大范圍、更深層次的討論。

2.1.2 課中課堂教學(xué)

課堂上，教師先對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)成果做點(diǎn)評(píng)，以及學(xué)生在線上自主學(xué)習(xí)時(shí)遇到的問題進(jìn)行答疑解惑，還會(huì)幫助學(xué)生把碎片化的知識(shí)系統(tǒng)化。例如，根據(jù)學(xué)生線上學(xué)習(xí)和習(xí)題的完成情況，對(duì)于一些出錯(cuò)率比較高的知識(shí)點(diǎn)，教師設(shè)計(jì)隨堂測試題，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和吸收；對(duì)一些容易產(chǎn)生誤解或容易混淆的知識(shí)點(diǎn)，教師通過選擇題和投票題的方式幫助學(xué)生深入理解和掌握知識(shí)點(diǎn)。例如，對(duì)“顆粒物的流體阻力的方向與顆粒物在流體中運(yùn)動(dòng)方向相反”這個(gè)易混淆的知識(shí)點(diǎn)，設(shè)計(jì)選擇題幫助學(xué)生來理解，選項(xiàng)中設(shè)計(jì)了兩個(gè)干擾選項(xiàng)：流體的流向、顆粒物的運(yùn)動(dòng)方向。

課堂上，探究式和小組協(xié)作等不同的教學(xué)方式組融合應(yīng)用，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式有機(jī)融合，既能增強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識(shí)，又能加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)化；同時(shí)能充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體作用，大大提高雙方的效率。對(duì)于一些原理、公式的推導(dǎo)，教師會(huì)設(shè)計(jì)一些討論題，讓學(xué)生分組討論，每個(gè)問題的討論時(shí)間控制在8～10 min。例如，在第五章沉降課堂教學(xué)中，教師針對(duì)知識(shí)點(diǎn)“顆粒物在重力場中的沉降過程”，教師先設(shè)計(jì)一道討論題：將顆粒物在重力場中的沉降過程分解成三個(gè)階段，讓學(xué)生組成4人小組討論其中一個(gè)階段顆粒物的沉降，然后把每個(gè)小組討論的結(jié)果在教師的引導(dǎo)下組合成顆粒物在重力場中沉降的完整過程，并順利導(dǎo)出沉降速率的定義。而對(duì)于某些原理、公式的應(yīng)用，會(huì)選用探究式教學(xué)方法，例如探究“顆粒物在不同流態(tài)時(shí)的沉降速率計(jì)算方法”，具體過程如下：布置課堂任務(wù)“已知 20 ℃，常壓狀態(tài)下空氣密度為 1.205 kg/m3，黏度為1.81×10-5Pa·s，求直徑為 40 μm，密度為 1.5 kg/m3的球形顆粒在 20 ℃ 的常壓空氣中的沉降速率?！?在學(xué)生分組計(jì)算討論幾分鐘后，部分學(xué)生提出：“沉降速率的計(jì)算需要先確定流體阻力系數(shù)，而流體阻力系數(shù)的計(jì)算與顆粒物的雷諾數(shù)有關(guān)，需要確定顆粒物的流動(dòng)狀態(tài)，顆粒物的流動(dòng)狀態(tài)的確定又需要顆粒物的沉降速率，這個(gè)問題的關(guān)鍵點(diǎn)是判斷顆粒物的流動(dòng)狀態(tài)？”教師通過引用“受力分析中判斷彈力是否存在的假設(shè)法”提出問題“那如果假設(shè)顆粒物處于層流或者湍流區(qū)呢？”引導(dǎo)學(xué)生找到沉降速率計(jì)算的一種計(jì)算法“試差法”。最后，教師再對(duì)整個(gè)過程中出現(xiàn)的難點(diǎn)問題進(jìn)行講解和補(bǔ)充，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)整節(jié)課的知識(shí)進(jìn)行總結(jié)和梳理，推動(dòng)學(xué)生注重知識(shí)的內(nèi)化和應(yīng)用，培養(yǎng)其提出、分析和解決問題的能力。

2.1.3 課后鞏固與提升

“環(huán)境工程原理”的課程性質(zhì)應(yīng)用性強(qiáng)，課后拓展作業(yè)有助于培養(yǎng)學(xué)生的成就感，使學(xué)生具備解決日常生活或環(huán)境科學(xué)與工程中的實(shí)際工程問題的能力，進(jìn)而增強(qiáng)學(xué)生的工程觀念。教師在課堂教學(xué)之后會(huì)給學(xué)生布置課后作業(yè)，或者根據(jù)章節(jié)內(nèi)容布置拓展性作業(yè)。課后作業(yè)包括教材中的習(xí)題或自測題，而拓展性作業(yè)則相對(duì)靈活，為生活中的常見問題。例如，新冠疫情期間為什么需要公共場合佩戴醫(yī)用外科口罩而不是其他類型的口罩？佩戴醫(yī)用外科口罩與實(shí)際生活密切相關(guān)，有助于啟發(fā)學(xué)生積極思考過濾的原理和過濾效率。

教師會(huì)及時(shí)檢查學(xué)生對(duì)課后提升拓展作業(yè)的完成情況，并于后續(xù)課堂教學(xué)中進(jìn)行評(píng)價(jià)，以加深學(xué)生的印象。

2.2 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的實(shí)踐

本文以“顆粒物在重力場中的沉降過程”為例來展示翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式在“環(huán)境工程原理”實(shí)踐過程，實(shí)施過程如表1所示，學(xué)生與教師雙方共同配合完成教學(xué)任務(wù)。

表1 顆粒物在重力場中沉降過程的教學(xué)過程

3 翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)過程的考核體系改革

傳統(tǒng)課堂的評(píng)價(jià)指標(biāo)單一，只有平時(shí)成績、期中考試和期末考試，整個(gè)教學(xué)過程都是教師評(píng)價(jià)，側(cè)重于考試結(jié)果而忽視學(xué)生學(xué)習(xí)過程的管理。為了更好的進(jìn)行課程管理，對(duì)翻轉(zhuǎn)課堂模式的評(píng)價(jià)體系進(jìn)行了改革，且重新制定了較為詳細(xì)的評(píng)價(jià)細(xì)則，見表2。翻轉(zhuǎn)課堂注重過程性評(píng)價(jià)，且對(duì)學(xué)習(xí)過程的評(píng)價(jià)細(xì)則明確化，評(píng)價(jià)的方式多樣化，除了教師評(píng)價(jià)，還有生生互評(píng)和雨課堂系統(tǒng)評(píng)價(jià)。另外，增大了過程性評(píng)價(jià)成績的占比(50%)，而期末考試成績占比(50%)。與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式實(shí)施過程中，學(xué)生平時(shí)投入更多的時(shí)間和精力進(jìn)行學(xué)習(xí)，因此提高平時(shí)成績的占比有利于激發(fā)學(xué)生平時(shí)自主學(xué)習(xí)的積極性。

表2 翻轉(zhuǎn)課堂和傳統(tǒng)課堂的評(píng)價(jià)體系對(duì)比

4 教學(xué)效果與反饋

在環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)2021年、2022年兩個(gè)教學(xué)周期教學(xué)模式的改革，最直觀的效果是學(xué)生的綜合成績，見圖3。在對(duì)2020年(傳統(tǒng)課堂)、2021年(翻轉(zhuǎn)課堂)、2022年(翻轉(zhuǎn)課堂)成績比較后發(fā)現(xiàn)：實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂后，學(xué)生的綜合成績逐年提高。與2020年相比，2022年的及格率提高了16.77個(gè)百分點(diǎn)，優(yōu)秀率提高了8.82個(gè)百分點(diǎn)，良好率提高了30個(gè)百分點(diǎn)；從圖3(b)中發(fā)現(xiàn)，2022年的平均分增加了13分。這些結(jié)果表明，實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)改革后，學(xué)生的成績得到了明顯提高，這可能是在這種“先學(xué)后教”的模式下，學(xué)生能根據(jù)自己的學(xué)習(xí)習(xí)慣和時(shí)間安排學(xué)習(xí)進(jìn)度，發(fā)揮了學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體作用；其次，通過線上線下的實(shí)時(shí)反饋，教師能更準(zhǔn)確地了解到學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)疑惑，從而提供更有針對(duì)性的指導(dǎo)和教學(xué)設(shè)計(jì)[7]，改善了教學(xué)效果。

a.學(xué)生成績的優(yōu)秀率、良好率、及格率；b.學(xué)生成績的平均分和最高分圖3 2020年～2022年的學(xué)生綜合成績對(duì)比

為更好地了解翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)效果，教學(xué)團(tuán)隊(duì)做了一份無記名問卷調(diào)查，發(fā)出去50份調(diào)查問卷，收回46份問卷，回收率為92%。調(diào)查結(jié)果如表3和表4。從表3的數(shù)據(jù)可知，大多數(shù)同學(xué)能適應(yīng)翻轉(zhuǎn)課程教學(xué)模式，在教學(xué)中能支持這種教學(xué)模式的順利實(shí)施。從表4的數(shù)據(jù)可知，絕大多數(shù)同學(xué)感受到翻轉(zhuǎn)課堂模式帶來學(xué)習(xí)效果的提高：學(xué)生的溝通和小組協(xié)作能力、分析和解決問題的能力、自主學(xué)習(xí)和查閱資料的能力得到了提高。

表3 學(xué)生對(duì)翻轉(zhuǎn)課堂的適應(yīng)度和支持程度

表4 學(xué)生對(duì)翻轉(zhuǎn)課堂的感受度

5 結(jié)論

相對(duì)于傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式下的“環(huán)境工程原理”課程教學(xué)充分體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”的理念。通過課前線上自主學(xué)習(xí)、課中課堂教學(xué)多種教學(xué)方法結(jié)合、課后鞏固和提升等環(huán)節(jié)，改革課程評(píng)價(jià)體系，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程性評(píng)價(jià)，從而提升學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性、教學(xué)效率和教學(xué)效果，學(xué)生的綜合成績普遍提高。多數(shù)學(xué)生能接受和支持翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，學(xué)生的各方面能力也有所培養(yǎng)和提高。

但課程的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式還需不斷完善，例如，線上自主學(xué)習(xí)課題中的習(xí)題設(shè)置更加合理和有針對(duì)性，完善評(píng)價(jià)體系中的生生評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和細(xì)則，鼓勵(lì)學(xué)生課后及時(shí)對(duì)每章節(jié)內(nèi)容進(jìn)行歸納總結(jié)，進(jìn)一步提高學(xué)習(xí)效率。