“MOOC+翻转课堂”教学法在材料综合实验教学改革中的应用研究

傅 斌何朝成闫 慧韩 洁

（1.天津理工大学材料科学与工程学院，天津 300384；2.天津理工大学理学院，天津300384）

材料综合实验是一门面对本科生的材料类专业实验课，这门课程开设的目的主要在于为材料学科的学生们提供一个巩固和验证课堂所学理论知识，并将其与实际相结合的平台。课程要求教学内容与工程实践紧密结合，肩负着培养学生独立实验能力、分析与研究能力，以及理论联系实际能力的责任，故而多数理工类高校材料科学相关专业均设有此门课程，并积极进行实验室建设以及教学模式的改革与探索。

一、传统的材料综合实验教学模式与前期的改革尝试

在多年的教学实践中，笔者发现材料综合实验课程的教学中，存在着“实验前统一指导，实验中偶尔辅导，实验后只收报告”的模式[1]。在这种传统的教学方式中，任课教师在实验开始之前基本不会对学生有相关指导，课程开始后教师首先集中讲解本次课程所设实验的基本理论及操作步骤等内容，其后学生开始实际动手完成实验，课下根据实验所得结果撰写实验报告，教师根据学生上交的实验报告给出本次实验得分，学期末汇总所有实验成绩，平均后即为该课程最终成绩。

针对这种教学模式可能引起的学生动手不动脑，以及成绩评定与实际实验能力脱节的问题，我们采取了引导式实验内容课前教学等方式对其进行了改革尝试[1]，并在教学中加以运用，取得了较为理想的效果。但在实际教学中仍发现了一些新的问题，如教师布置课前学习任务后，大部分学生认真进行了学习和思考并运用于实验中，大大缩短了课堂上统一讲授的时间，有效延长了实际动手时间，但仍可看到少数学生面对实验设备时对实验内容和流程茫然不知，明显没有完成教师布置的前期教学环节。对于这部分学生，或耽误课上时间单独为其做讲述和演示，或只能任其放弃本次实验的练习，无论哪种处理方式，均非理想的解决方案。

二、新型教学模式的引入与应用

在前期教学改革实践的基础上，伴随着MOOC（massive open online course）这种新型教学模式的产生和发展，我们对上述存在的新问题进行了分析和思考，并引入“MOOC+翻转课堂”的教学形式，对材料综合实验课进行了新的改革尝试。在全新的教学模式中，学生可以自主选择在线学习的具体方式，无论是用电脑还是用手机，无论是网络播放还是下载视频，学习都不再受到时间、空间的限制，学生可以充分利用零碎时间进行有效学习，并且可以结合自身学习情况，随时随地对难点和关键点进行反复学习。这种新颖的教学模式极大的提高了学生实验课前理论学习的积极性，与前期教学改革中“实验指导书+ppt课件”的自学材料相比，视频类素材无疑对学习者更具吸引力。教学反馈显示，学生对MOOC中提供的教学视频表现出了很高的兴趣，基本杜绝了实验前不做预习的现象。同时，借助动态影像和声音，教学视频更加易于突出重点、难点。例如在“金相试样制备及组织分析”实验中磨样环节是一个教学难点，以往仅通过几幅图片体现磨制试样时的正确与错误手法，学生并不能明确感受到该知识点的难度，也无法直观感受到不同手法所带来的不同结果。而在MOOC视频中，指导教师通过动态影像直接以多角度结合特写镜头演示不同的磨样方向、手腕动作，并立即展示出不同手法下制备出的不同样品形态信息 （表面平整度、划痕方向、有无拖尾等），同时通过语音提示该知识点需反复观看与感受，使得学生可以明确获知学习重点，并且看的清楚、学的明白。

而课堂授课部分采取翻转课堂教学方法，教师和学生的角色部分互换[2-4]。指导教师要求学生课前借助MOOC自习，尤其是实验原理部分，线下基本不再讲述，而实验课堂上，教师不再作为直接授课者，而是充当提问者，起到间接讲授的目的。以“陶瓷材料的制备与性能”实验为例，其中一个环节为孔隙率的测定，该方法即“静力称重法”，所包含的原理需要一定时间的思考才能完全理解。在传统教学中教师当堂讲述，相当比例的学生根本不能理解，后续实验变成机械的动手，流于形式；而仅通过MOOC自习，又无法获知学生对该原理的理解程度。故教师采用翻转课堂的方式，在课前告知学生该知识点的重要性，上课时采用学生讲述、教师提问的模式：由学生根据自己的理解，简要说明该方法的根本原理，教师根据备课内容，以容易产生的错误理解向学生“请教”，由学生进行答疑，从而实现翻转。通过这一教学模式，教师验证了学生对该理论的掌握程度，同时激发了学习兴趣，在后续实验中显示，学生对该原理的良好掌握和延伸思考，对于显、隐气孔率等相关概念的理解起到了很好的促进作用。

在上述新型教学模式中，教师的角色由传达者变为引导者、协调人与总结者，学生则由对知识的被动接受变为主动汲取。由于实验类课程具有动手操作重于理论学习的属性，故而“MOOC+翻转课堂”的教学形式与该类课程具有极好的兼容性，可谓量身定做，学生在实验室外（线上）自主学习，在实验室内（线下）亲自动手、互相配合、各抒己见，通过思维与实践的结合真正达到掌握实验技能的目的。

三、应用环节中新问题的思考与应对

上述新型教学模式的实施，较好的解决了实验课堂上时间分配的难题，在教学成果上也初见成效。但在对MOOC以及翻转课堂的应用中，我们也发现了诸多新问题，这些问题的产生，并非是新手段的固有缺陷，而更多的是在对其应用过程中某些环节的把握上需要改进。由于MOOC这一教学模式允许和鼓励学生自主选择国内甚至国际名校的专家授课，在应用尝试的初期，本课程授课时较多选择了网络平台已有的实验课程教学视频，但由于材料综合实验课的特有的“实验类”课程属性，导致教学实施中发现一些问题。此处仅就笔者在近几年应用这一模式的教学实践中产生的若干思考进行阐述与探讨。

1.实验类课程的MOOC教学，应尽量结合本校的教学环境

对于本科生层面的实验类教学，即便是同一个实验也会由于平台的不同而带来陌生感。实验课不同于其它讲授为主的课程，不同学校的实验室、实验设备等资源各不相同，应用外校教师拍摄的实验课程视频时，学生们看到的环境、仪器设备，均不能保证在实际动手时完全一样，例如综合实验中涉及到的SEM、XRD等设备，目前不同院校不同实验室中所购置并使用的型号常常不同，其外观、操作方式、参数表达等方面也各有不同，有些甚至差别很大，这种差异对于已有较高程度理论与实验基础的研究生来说不构成太大问题，但在本科教学中却无法忽视。这是因为，一般来说研究生对于仪器设备的使用目的及其涉及到的原理等信息有较为明确的认知，即便视频所学与实际所用有所差别，也较容易自行解决；而本课程所面对的教学对象为本科生，课程中所涉及到的仪器设备，可能是人生中第一次见到，其相关知识储备只是某些课程中有所提及的基本原理，如果在实际操作时面对的仪器与自学时有较大不同，则前期的在线学习将无法指导其动手实践，轻则影响教学的完成，重则可能损坏仪器，甚至造成人身伤害。

对于上述问题，笔者认为，因实验这一形式的特殊性，如希望学生能够很好的将学习视频与实际操作相结合，课内动手时不产生陌生感，MOOC视频中出现的场景、设备应尽量与学校现有资源相一致。对于本科生层面实验类课程的MOOC开展，不宜简单直接照搬线上已有资源，或任由学生自行搜索外校课程，而应在本校真正进行教学的实验室中，面对学生课堂上将用到的仪器设备进行操作和讲解，并将其制成视频资源供本校学习。这种做法可以做到“所见即所得，所学即所用”，学生在踏入实验室的一瞬间会产生强烈的熟悉而非陌生感，无论实验环境还是操作仪器，都与前期线上自学中所见到的没有区别，在接下来的翻转课堂环节中，自信心得到加强，学生甚至会有跃跃欲试之感，极大的增进了动手操作的积极性。

2.应敢于取舍、突出重点，结合翻转课堂，完成教学目标

笔者在承担学校网络通识课的教学工作中感觉到，能够通过网络将外校专家名师的讲课现场搬到本校学生眼前，是教学资源合理利用的一种极为有效的措施。学生宛若置身于名校名师讲课现场，与在座同学一起聆听教诲汲取知识。但对于实验类课程，是否也可以只是将教师讲授场景拍下来后进行时空平移呢？通过近年的教学实践来看，答案是否定的。与大多数讲授类的课程不同，实验课的讲授部分虽然也是通过教师讲解来完成，但它的后续环节是动手操作，而非记住某些定理或完成相应习题，这一特点决定了在实验类MOOC的课程设置上一定要有取舍，有重点。

（1）教师可“放弃”对实验相关的理论部分的讲解

对于材料综合实验，其中每一个实验都是课堂上所学知识点的实践化，其实验理论部分（如实验原理等）必须让学生掌握，否则会影响到实验目的理解及后续操作的进行，这部分也是传统实验课中教师需要花费时间讲授的主要内容之一。但在新型教学模式下，基于对学生注意力集中时间的考虑，视频时长被严格控制在10-15分钟，教师不可能也没有必要一字一句去讲解原理部分，教学实践反映教师甚至可以不出现在这部分内容之中。取而代之的是，实验相关原理可以直接摘自课本，并通过文字或图片简单直观地呈现给学生，教师避免出现在该部分视频中并无需讲解。这种实验理论的呈现方式，使学生可以较快的在头脑中搜寻到曾经学过的知识点，教师不在画面中也避免了动态内容分散注意力，干扰对知识点的回忆。同时，直接用静态文字或图片呈现，也方便学生在需要思考或查阅资料时随时暂停，保证了对实验理论“记得起，找得到”。而对于某些较难理解的实验原理，教师可如前文第二部分中所述，充分利用翻转课堂的方式引导学生独立思考，从而吃透理论。

（2）教师可“放弃”对实验流程中所有细节的逐一展示

非实验类课程的视频呈现方式，一般多为教师课堂上授课过程的实拍，教师整堂课的一言一行会完整呈现给网络学习者。但如以同样的模式实施实验类MOOC教学，教师事无巨细完整示范该实验流程，则会无谓增加时长，造成观看者注意力下降，虽然学的全但也忘的快，抓不住重点。针对这一现象，要求授课教师（或MOOC制作者）在前期课程设计中要在对该实验所有环节非常熟悉的基础上，提炼出需要呈现给学习者的必要和重点环节，略去非重点环节，并可有意识地隐去一些不影响学生操作但会引发思考的知识点不做讲解，留待其自行发现和分析，以增加实验中的动脑训练。以材料综合实验中“金相试样制备及组织分析”为例，这是一个非常典型的综合性实验，涉及到取样、镶样、磨样、抛光、浸蚀和显微组织观察等多个环节，其中又包含磨制时砂纸的选择、磨样的正确与错误手法、抛光机的正确使用、浸蚀的技巧等诸多知识点。如将这些内容全部灌输给学生，则实际操作时可能反而无所适从。因此授课教师可在制作课程时对知识点进行分类：诸如取样原则、砂纸牌号选择等较容易通过直接观察获知的环节可略去不讲；热镶冷镶、干磨法湿磨法的区别和适用范围等会让学生产生思考的问题，可以只演示但不做特意讲解，留待实验过程中解决；而对于磨样的手法技巧、抛光机使用注意事项、浸蚀手法和时间把握等重要环节，不但要在视频中反应，而且应重点展示将其讲透。这样可将视频控制在10-15分钟以内，学生自学后会对其中3-5个知识点产生极深的印象，从而容易记住流程中的重要节点及其注意事项。而在实际操作时，授课教师可结合实际样品在动手过程中引导学生思考不同材料的镶嵌方法，以及不同磨制方法的特点，在讲解的同时可立即加以实践，从而更加有效的培养学生独立实验、分析问题的能力，做到动手与动脑同步，实验不走过场。通过这种方式的教学实践，很多学生对该实验产生了更加浓厚的兴趣，部分学生更是参加了金相制备比赛并获得优异成绩 （2018年全国大学生金相技能大赛二等奖）。

（3）应有针对性重点讲解与实验安全性相关内容

因其材料综合实验的课程性质所致，授课的现场部分无法避免的会面临与安全相关的环节，如没有提前强调，轻则造成设备损坏，重则可能导致人身伤害。虽然针对该课程设置了2学时的实验室安全教育，但教学实践显示，不同实验涉及到的环境、设备、试剂及样品各有不同，故仍应对每一个实验再专门制作有针对性的安全教育。这类视频可以是整个实验教学视频中的一个重点，也可以单独做成小视频（3-5分钟以内）加以强调。如前文所述“金相试样制备及组织分析”实验中，抛光机在运转时安全操作位置为“9点钟”方向（以抛光盘顺时针旋转为例），在其余位置抛光时如样品不慎飞出，均可能击中周边人员。教学中发现，即便是现场强调，仍然有很多学生不以为意，为此笔者制作了相关视频课程，在有安全防护的条件下，实际展示了在不同抛光位置上样品飞出的情景。该视频应用于教学后，基本没有再发现此类情况，不但避免了安全隐患，而且对培养学生良好的实验习惯起到了积极作用。

3.MOOC的学习应有监督、有互动、有反馈

如何正确有效的应用新型教学模式，也是教师需要关注的重要环节之一。无论是MOOC还是SPOC都是教学方法改革和教学质量改进的途径，而不是教师“偷懒”的手段。固然教学视频中所涉及到的内容不需要在课堂上重复讲解，但视频上线后，任课教师仍需与学生做各种直接间接、线上线下的互动，这样才可以顺利达成预期的教学效果。

首先，需要对自学情况进行监督。早期的材料综合实验教学改革中，笔者曾经尝试将每次实验的课件发给学生，让学生课前自习，课堂上教师只讲重点环节。这一做法使学生有更加充裕与自由的时间了解即将进行的实验，也有效地扩展了实际动手操作的时间，收到了较好的效果。但同时也发现少部分学生并没有自觉完成预习，课堂上教师只讲重点，使得这部分学生更加不知所云，最终导致无法完成实验，若此时仍实行传统的实验报告评分方式，则不但学生得不到训练，最终成绩更无法反映真实情况。故一方面要施行新型的实验课评分体系[1]，另一方面，要利用网络途径在线对学生的学习情况进行监督（如本校使用的学习通、雨课堂等app可提供学情统计和督学等相应功能），对于课前没有完成视频观看的学生（尤其是安全重点视频），取消其参加相应实验的资格，留待完成后重修。

其次，可灵活运用线上作业、讨论、抢答等功能。学生在自学教师下发的相应的网上视频后，授课教师应充分利用讨论区对容易产生疑惑的重点难点展开线上讨论，力图通过这种灵活的形式对该类知识点进行课前消化。其后可通过布置线上作业的方式进一步巩固，从而完成实验前的学习任务，充分训练学生的个人学习能力。与此同时可引入网络抢答、团队协作等功能，引导学生思考实验所用的设备以及所学原理的后续应用等内容，激发学生们的学习热情。

最后，实验课现场教学时段中，还应充分运用翻转课堂的形式，对学生的线上学习情况加以了解，这也是MOOC教学结果的重要反馈途径，在与学生面对面交流、讨论的过程中，教师可以直观获得学生对知识的掌握情况，并加以进一步引导，使学生产生更深入思考，从而更好的完成教学目标。

四、结束语

实验类课程的教学直接影响着学生创新能力的培养效果，故对于实验课结合新手段的教学改革是有实际意义的。在上述教学改革的实践中我们发现，在积极运用MOOC结合翻转课堂等手段的教学过程中，合理运用校内校外资源，充分注重教学实施细节，关注不同课程自身特点，而非简单的线下教学线上化，是达成改革目标的重要原则，只有遵循此原则并付诸实施，才能够根据本校学生实际能力与兴趣，实施有针对性的多层次实践训练，培养学生理论联系实际与个体创新能力，最终达到教学目的。