基于翻转课堂的植物纤维化学实验教学模式设计

赵 强 张学铭 金小娟 段东成

1.北京林业大学材料科学与技术学院 北京 100083

2.济南绿博环保科技有限公司 山东济南 250100

植物纤维化学实验是林产化工(制浆造纸专业方向)最重要的一门专业基础实践课。该课程主要内容包括植物纤维宏观结构观察、微观结构观察、纤维长宽度测定、木材原料水分、灰分、苯醇抽提物、纤维素、木素、聚戊糖含量的测定及木素显色反应等实验。该课程实践性强、专业性强，是连接四大基础化学和制浆造纸专业实验课程的重要纽带，为植物纤维原料的合理利用、制浆工艺、漂白工艺的制订及造纸废水的处理提供理论支持[1,2]。该课程涉及树木学、高等有机化学、仪器分析等多个学科，内容比较抽象和枯燥。由于上课时间及教学资源的限制，传统课堂教学模式讲解植物纤维化学实验的难度较大，学生学习比较困难。翻转课堂(Flipped Class)是指学生课前自主学习教师提供的视频或课件资料，课堂上参与教师组织的教学互动活动，师生之间密切互动的一种教学模式[3]。翻转课堂将传统课上教学过程与学生自主学习进行转换，这种教学模式是对传统教学模式的一种颠覆性尝试[4]。随着这种教学模式的推广和应用，全国各大高校近几年也对这种教学模式进行了诸多尝试和研究，但多数改革还是针对理论课程进行，实践教学方面的应用相对偏少[5]。尽管如此，也有部分高校将翻转课程模式教学成功应用到实验教学课程中，并取得了很好的教学效果[6]。本课题组将翻转课堂应用于造纸专业课实验课程的教学中，受到学生的欢迎，验证了在实验教学中应用翻转课堂教学模式的可行性。

目前各大高校植物纤维化学实验课程的授课模式普遍还是传统的课堂教学模式，存在着教学方式单一、实验课时相对不足及设计性、创新性实验内容偏少等问题。翻转课堂教学模式中教师从知识灌输者变为学生的指导和启发者，而学生则从被动学习转为主动学习。这种新型的翻转课堂混合教学模式应用到植物纤维化学实验教学中，可切实提高学生的实验效果，培养学生的科研实验素质，以适应新工科人才的技术需求。

1 翻转课堂应用于植物纤维化学实验课程的可行性

植物纤维化学实验是高校林产化工(制浆造纸方向)专业的必修课程。学习本课程之前，学生已经具备无机化学、有机化学、分析化学及物理化学等基础知识，对植物纤维化学实验中的化学滴定、药品配制、数据处理等知识完全有能力自主学习。而对于课程中比较抽象难懂的实验，翻转课堂就更有意义。例如，纤维的宏观结构和微观结构观察实验部分，相对比较抽象，传统课堂教学上，很多学生在有限的课堂时间里，无法从显微镜中观察到教师讲的内容，对这部分知识一知半解。翻转课堂的实验内容是由教师提前录制，教师在木材切片上，找到典型细胞形态图片后通过计算机投射到大屏幕上。整个操作过程从显微镜的调校、切片中典型细胞形态的寻找步骤到细胞形态的详细讲解，通过视频教学的方式呈现给学生，学生再进入实验室实验操作时就会得心应手。翻转课堂的教学可以弥补传统课堂的不足。

另外，教师在前期的教学过程中积累了丰富的植物纤维化学实验课程素材，例如，教学PowerPoint、实验教材、纤维形态图片、视频资料等素材，为植物纤维化学实验翻转课堂的开设提供了必要条件。

2 基于翻转课堂的教学模式设计

根据目前植物纤维化学实验课程教学中存在的问题，结合翻转课堂的特点，针对翻转课堂在植物纤维化学实验课中的应用模式进行了设计。

2.1 网络平台教学素材准备及发布

翻转课堂的开设需要有网络平台的支撑，目前国内已有很多成熟运行的网络教学平台，也有部分高校教务部门自行建设网络平台。网络平台搭建好后，需要教师提供丰富的教学资料。

植物纤维化学实验可分为验证性实验和设计性实验两大类。验证性实验教师要准备的课程素材中，微视频是重要内容之一。微视频的录制与传统课堂讲课内容不同，教师需要将每个实验拆分为小的知识点单元，以拆分的知识点内容为蓝本逐一录制，视频时长控制在5～15分钟。除了微视频，教师还需要准备其他的课程素材，包括教学大纲、课程介绍、讲课课件、教材、动画等。

设计性实验则是针对某个专业问题，让学生根据所学的理论知识，自己设计出详细的实验方案，并完成实验操作，分析实验数据，最终解决问题。这种类型的实验对学生创新实验思维的培养大有裨益。翻转课堂突破了时间和空间的限制，教师可根据实际生产或科研工作中出现的问题让学生讨论、交流、设计方案，引导学生联系理论知识，解决实际问题，扩展科研思维。

教师将课程学习素材准备好后，发布到学校的教学网站或第三方网络教学平台，并设置好课程公告、开课时间、讨论与交流栏、成绩评定标准等信息。

2.2 学生自主学习阶段

这个阶段是翻转课堂最为关键的一个环节，学生自主学习的质量决定了最终的教学效果。学生登录网站根据教师提供的学习目标、学习任务、学习内容在课下自行安排时间进行学习。学习过程中遇到问题，可以在讨论区留言咨询教师或在小组内讨论交流。

2.3 课堂实验及课程评价

学生经过网络课程的学习后，对实验课程中的重点和难点有了清晰的认识。在课堂实验上，针对网络课程中存疑的知识点进行分组讨论，这期间教师只是起到引导和启发的作用。学生把前期学习存在的问题解决后，进行实验室实验操作。课堂实验操作通过前面环节的铺垫、课程讨论的确认，学生实验过程十分顺利。课程评价方面，翻转课堂对学生的评价贯穿整个教学过程，从网络课程的学习、讨论到课堂实验操作、学生间的互评等都计入学生的综合评价。

3 翻转课堂在植物纤维化学实验教学中的实施案例

为了展示翻转课堂在植物纤维化学实验中的应用，以纤维素含量测定实验为例，重点探讨上述翻转课堂教学模式中三个环节的具体实施。

3.1 教师发布教学素材和任务单

教师提前在网络平台上发布纤维素含量测定实验的PowerPoint课件、教材、实验的具体操作流程、注意事项、实验操作视频等资料。另外还需要制订出纤维素含量测定实验的任务单(见表1)，并发给学生。

表1 纤维素含量测定实验任务单

3.2 学生自主学习阶段

学生登录教学网站，根据教师下达的任务单，认真学习实验内容，观看实验视频，思考教师提出的问题。学生可以将网络课程里的疑问发布到讨论区和同伴进行交流或咨询教师。例如，纤维素含量测定实验里需要配制硝酸乙醇溶液，在配制此溶液的过程中有两个注意事项(一是量取硝酸和乙醇的量器不可共用；二是配制时，硝酸往乙醇里面少量多次加入)，教材和视频里面会重点指出。如果学生不认真观看视频操作，实际动手操作时很可能出现意外情况。关于硝酸乙醇溶液的配制，学生可以根据以前的理论知识在讨论区预判实验过程中出现的状况。例如：如果配制过程中，量器混用会出现什么情况？配制时乙醇往硝酸里面加入会出现什么情况？通过自主学习和小组讨论，最终教师与学生对实验中的细节问题形成共识，再进入实验室实验。这种互动参与式讨论，是翻转课堂自主学习阶段很重要的一环，将学生的角色从被动实验变为主动参与学习，是对传统课堂教学的有益补充。

3.3 课堂实验及课程评价

网络课程学完后，学生进入实验室进行实际操作。实验课堂上，教师会针对实验中出现的注意事项和核心知识点再重点提醒，同时解答学生存在的疑问，引导学生顺利完成实验。在了解整个实验过程中的关键知识点和注意事项后，学生对实验中可能出现的情况也有清晰的认知。例如视频中的爆沸现象、硝酸乙醇的错误配制方法产生的后果等，学生再动手操作时，就会格外注意，保证了实验的顺利进行。学生的成绩评定，教师综合学生自主学习(占30%)、实验操作(占30%)、实验报告(占20%)、单元测试(占10%)和最终的考试(占10%)等几个环节综合评定。

3.4 课后延伸

学生经过网络学习和课堂实验后，掌握了纤维素含量的测定方法，但也要让学生认识到硝酸乙醇法测定纤维素的方法虽然纯度高但也存在对纤维素的破坏程度大、测定的数据偏低等问题。能否应用无损的测定方法获得纤维素的含量呢？引导学生去查阅相关文献资料，了解应用现代仪器分析的方法来测定纤维素(或木素、聚戊糖等)的含量的可行性。如果可行，让学生提交具体的实验设计方案。这样的引导会增加学生探索实验的兴趣，逐步将验证性实验内容延伸到设计性实验内容和科研实验内容，为学生后期的科研实验打下坚实的基础。

4 结语

植物纤维化学实验课程在传统的教学模式中存在一些问题，教师结合翻转课堂的优势，将翻转课堂教学模式应用到植物纤维化学实验教学中，取得较理想的实验效果，提升了学生的实验积极性和创新思维能力。翻转课堂将成绩评定贯穿整个实验过程，评价标准更趋合理，学生的实验参与度更高。翻转课堂教学模式在植物纤维化学实验教学中的成功应用将推动这门实验课程的教学改革，提高学生的实验教学质量，助力学生创新实验思维的培养。