基于翻转课堂模式的“木材保护与改性”实验课程教学改革

(北京林业大学材料科学与技术学院，北京 100083)

木材科学与工程专业隶属于林业工程一级学科，是北京林业大学的特色专业，也是国家级重点学科，旨在培养能够从事现代木材及木制品加工、工艺设计、产品开发与技术管理等方面的高级工程技术人才。“木材保护与改性”是针对该专业本科生开设的一门重要的专业课程，该课程将理论与实践相结合，从木材的天然缺陷与自身不足出发，讲授木材保护与改性的原因、原理及采取的主要方法。木材保护与改性是通过木材保护手段避免木材劣化，以及通过木材改性手段克服木材的天然缺陷，改善木材在某一方面的性能，对于提高木材利用率、增加木材附加值、延长木材使用寿命、保障国家木材安全，具有非常重要的作用。该课程主要内容包括木材生物劣化和保管、木材的生物危害防治处理、木材阻燃处理、木材尺寸稳定化处理、木材软化处理、木材强化处理、木材材色处理、木材表面改性处理等方面的内容，具有很强的综合性和应用性[1]。

作为“木材保护与改性”课程体系重要的组成部分，“木材保护与改性”实验课程教学有助于强化学生对课堂理论知识的掌握，同时还能够培养学生的实践能力，激发学生的创新思维，其教学效果对提高学生的理论知识水平和实际应用能力具有重要的影响[2]。然而，当前该实验课的教学模式还是以教师讲解演示和学生按实验指导书操作为主，实验内容固定，实验任务单一、缺乏变化。因此，该实验课程课堂气氛活跃度不高、学生的学习兴趣度不浓、学生的参与感与主动性不足，教学效果急待改善。为了激发学生自主学习的积极性，让学生主导实验课堂，“木材保护与改性”实验课程组尝试在教学中引入了翻转课堂教学模式，以充分发挥学生在实验中的主体地位，让该课程的理论知识和实践相结合，切实提高“木材保护与改性”实验课程的教学质量。

一、“木材保护与改性”实验课程教学存在的主要问题

“木材保护与改性”课程体系由理论教学和实验教学2个部分组成，其中实验教学部分为12学时，占“木材保护与改性”课程总学时数的25%。实验内容主要包括：木材的防腐处理、木材天然耐腐性的实验室检测、木材的尺寸稳定性处理与性能检测、木材的阻燃处理与阻燃性能检测、木材的材色处理与颜色检测等。在当前的实验教学模式下，主要存在以下几点问题，需要加以研究思考，并进行改革探索。

(一)实验教学以教师为主体，学生对教师的依赖性高、参与感不足

在实际的教学实施过程中，“木材保护与改性”实验课程大多采用以任务驱动为导向的实验教学模式。在这种模式下，教师会提前安排好每节课的实验内容，并将实验指导书发给学生，要求学生主动预习实验内容。首先，在实验开始时，教师讲解实验的原理和具体内容，并演示主要实验操作步骤，告知学生要完成的主要实验任务；其次，将学生进行分组，学生根据实验指导书的操作提示进行实验；最后，在实验结束后，学生提交实验报告，教师根据实验报告的完成情况进行考核评分。在这样的实验教学流程中，主要存在以下几点弊端。

1.实验预习达不到预期效果

由于实验指导书的叙述较为抽象，缺乏直观性，学生对实验目的、原理、仪器及步骤的理解普遍存在困难，在预习时难以将指导书的内容与具体操作联系起来。从课前的提问环节笔者发现，学生的预习效果普遍不佳。因此，在实验课开始时，教师需花费大量时间对实验的相关内容进行详细的讲解，导致学生后续进行实验操作的时间不足，教师普遍反映指导实验课压力大、效率低[3]。

2.学生在实验过程中对教师的依赖性较强

在实验进行过程中，学生为了按时完成实验任务，往往会机械式地照搬实验指导书上的步骤和方法，缺乏主动思考的过程，多处于被动接受知识的状态，不能积极主动地参与实验过程，致使学生的实践精神的训练和培养受到严重抑制。因此，一旦脱离了实验指导书，学生就不能熟练运用所掌握的知识来解决实际问题。此外，对于难度较大的实验项目，部分学生对指导教师的依赖性较强，不是通过组内与组间相互讨论分析问题、解决问题，而是一旦碰到问题就举手等待教师的指导，等待的过程同时也浪费了大量课堂时间，影响了实验教学的效率。这种教学方法一方面更加强化了教师的主导地位，另一方面也限制了学生的主动性和创造性，不利于学生实践能力的培养。

(二)实验内容固定，课程考核评分“重结果、轻过程”，对学生创新思维的训练不足

由于课时受限，“木材保护与改性”实验课程的教学内容相对固定，通常按照教学大纲或实验指导书的要求开展，未能结合学生的兴趣和想法进行实验任务的拓展。因而，即使在学生分组后，小组与小组之间的实验任务也完全一致，缺乏多变性。例如，“木材染色实验”，学生所用到的染料类型、染色剂浓度、染色工艺完全一样，最终木材的染色效果缺乏对比性，严重影响了学生的创造精神和学习热情的发挥。

目前，“木材保护与改性”实验课程的考核依据主要以考勤情况和实验报告撰写的质量为主。实验报告的撰写格式要求固定，一般由实验名称、实验目的、实验原理、实验药品与设备、实验步骤、实验结果等组成。学生在完成实验后，照抄实验指导书的内容就可以提交实验报告，导致实验报告千篇一律，且缺乏差异性。同时，实验报告通常主观片面，教师根据每位学生的实验报告质量进行考核，在整个评分环节中，忽视了对学生实践操作能力和观察能力的评价。因此，教师在考核时，仅凭实验报告的撰写情况，无法判断学生对实验内容、实验操作及方法的掌握程度，更无法评价学生发现问题、思考问题和解决问题的能力，不利于学生的全面发展。此外，部分学生的实验报告撰写存在相互抄袭的现象，严重影响了“木材保护与改性”实验课程的教学质量，导致该实验教学流于形式，达不到预期的目的和效果，背离了“木材保护与改性”实验教学的初衷。这样的教学模式不仅严重影响了学生对“木材保护与改性”实验课程的学习热情与兴趣，而且也与社会对木材科学与工程类应用型人才的需求背道而驰。

二、基于翻转课堂教学模式的“木材保护与改性”实验课程教学改革的实践

针对以上出现的问题，“木材保护与改性”实验课程组尝试将翻转课堂教学模式引入到“木材保护与改性”实验课程教学中，对“木材保护与改性”实验课程进行初步的改革与探索。翻转课堂(flipped classroom)起源于美国科罗拉多州，是近年来新起的一种全新教学模式，其核心是将学习的主动权交给学生[4]。学生先在课前根据教师提供的学习资料(课件、动画、视频、文献等)进行新知识的学习，完成“知识的传授”；然后在课堂上通过教师引导、学生讨论、协作探究等活动，师生共同完成学习任务，帮助学生实现“知识的内化”[5]。在翻转课堂教学模式的初步实践中，“木材保护与改性”实验课程的教学过程被扩展为课前、课中和课后3个阶段，见图1。

图1 “木材保护与改性”实验课程实施翻转课堂教学模式的流程

(一)教师的课前准备

“木材保护与改性”实验课开始前，教师根据每次课的实验内容准备预习材料，包括视频、课件、文献、动画等形式，内容涵盖对实验任务、实验原理、实验步骤及注意事项等部分的解析，为学生在课上的具体操作奠定基础。对于重点设备或仪器的操作，教师可以提前录制好操作指导视频，并在容易出错或关键步骤的地方进行讲解和强调。

课程开始一周前，教师将预习材料通过班级QQ群或以微信公众号推送等形式下发给学生；学生利用课余时间，结合教师所给的资料进行理论知识的学习，并观看操作解说视频，直至完全了解实验任务、熟悉实验步骤、掌握仪器和设备的操作方法。另外，教师还可以布置预习作业，设置1～2个问题，以检查预习效果，从而有针对性地在课堂上解决学生的主要问题。同时，教师还可以根据实验内容让学生提前设计实验方案，从而提高实验课程的效率。

(二)学生的课前学习

教师将学生分组，一般3～5人一组，组建实验课程学习小组。教师要求同组的学生安排好时间，共同观看视频、完成实验课前的预习工作，并提交预习作业。组建学习小组主要有3个方面目的：第一，学习小组即实验任务小组，有助于学生进行实验分工，培养团队协作能力；第二，小组集体学习有助于营造学习氛围，同学之间可以相互监督、相互促进；第三，组建小组方便学生进行讨论，一些简单的问题可以通过组内或组间讨论来解决，如遇到解决不了的问题也可以在QQ群及时向教师咨询。这种方式不仅锻炼了学生发现问题和解决问题的能力，还能加深学生对知识点的印象，提高学习主动性，从而节约课堂时间，提高上课质量。

此外，根据不同的实验内容，教师还可以要求学生在课前学习过程中提交实验设计方案。例如，在进行“木材防腐处理实验”前，教师可以设定防腐木材的不同使用环境，如是否在户外、是否接触地面、是否接触海水等不同场景，让学生以小组为单位选择使用环境，教师提供相关的参考资料，让学生根据所学知识进行思考、讨论，并确定拟使用防腐剂的种类、浓度、载药量、透入度、应用等级，以及拟采用的防腐处理工艺(涂刷、浸泡、真空、真空-加压等)，最终以小组形式撰写实验方案。学生在确定最终的实验方案前，要与教师进行讨论，教师认为实验方案合格后，可作为课堂实验操作的依据，各小组独立完成实验。这样个性化的实验设计，一方面丰富了实验的教学内容，提高了学生的学习热情；另一方面也培养了学生的创新与实践能力。

(三)课堂实验的组织实施

实验课上，教师根据预习作业和实验设计方案的完成情况，针对普遍性的问题，用大约10分钟的时间进行讲解，并再次强调关键步骤的操作规范及注意事项。由于学生在课前已经基本掌握了整体的实验过程，在教师演示重要实验步骤后，学生在课堂上可以直接进行实验操作，以小组形式独立完成实验。教师只需在旁走动，观察每位学生的操作过程，及时进行点评和纠正。如果学生遇到问题，教师可以建议其再次查阅视频或学习资料，也可以进行现场指导，直至学生能够正确掌握。同时，在学生操作过程中，教师应记录学生的操作错误类型及次数，作为考核的参照依据。

(四)课后作业的要求与课程成绩的考核评价

实验课结束后，学生需对实验课中测试的数据进行处理，对实验结果展开分析与讨论，总结实验中不足的地方及其相应的改进方法，并根据格式要求以小组为单位提交实验报告。有研究指出，良好的评分体系有利于促进学生的学习兴趣，提高教学质量[6]。为此，在课程考核评价方面，“木材保护与改性”实验课程组摒弃原有“唯实验报告”的评分形式，而是采用多维度的考量标准给出学生“木材保护与改性”实验课程的成绩。学生的成绩主要分成3个部分：一是教师根据小组的课前学习情况及实验方案制定情况，给予每个小组综合评价分(占总分的30%)；二是对于学生个体的评分，教师应根据学生在提问、交流、实验操作等方面的表现进行综合评分(占总分的50%)；三是小组实验报告的撰写成绩，教师应根据实验报告撰写的完整情况、数据处理与分析情况进行打分(占总分的20%)。

三、基于翻转课堂教学模式的“木材保护与改性”实验课程教学改革的效果

“木材保护与改性”实验课程组针对梁希班的“木材保护与改性”实验课程进行了一学期的改革与实践，从问卷调查的结果来看，该实验课程的教学效果得到了显著改善，其中以下2点提高最为明显，见表1。

(一)提高了学生的学习自主性

课前推送预习材料、布置实验方案的制定等任务，有助于消除学生“应付实验”的思想，激发学生的学习热情。从表1中的问题1可以看出，93.3%的学生认为课前发放预习材料对于他们实验课程的学习很有帮助。从与学生课后的交谈中发现，让他们带着问题和任务去学习，会使得课前预习更具有针对性，预习效果更加显著。问题2表明，预习材料和实验方案的制定具有一定难度，遇到问题时，20%的学生选择自己查找资料解决，13.3%的学生会寻求教师的指导和帮助，而大部分学生则会通过小组讨论的形式自己解决。因此，在课前预习阶段，学习的主动权、自主权被交还给学生，提高了学生自主学习的能力，以及分析问题和解决问题的能力。

表1 基于翻转课堂教学模式的“木材保护与改性”实验课程教学改革效果的调查结果

(二)培养了学生的团队协作能力

翻转课堂教学模式的实施，解决了此前实验课程中“学生依赖性强、模仿教师完成实验操作”的问题。课前小组的预习讨论与实验方案的制定、课中实验任务的操作、课后实验数据的整理都是以小组为单位完成的。以实验过程中的操作为例(问题3)，绝大部分的小组都能在团队协作的基础上熟练完成实验，仅有20%的小组在个别操作时需要教师的协助。然而，在以往的实验教学过程中，普遍存在1～2组学生不能按时完成既定实验任务的情况。因此，通过小组合作的模式，学生在课前、课中和课后这3个阶段的团队协作能力都得到了充分的锻炼和提高，这也为他们今后的科研与工作奠定了基础。

对于教师而言，翻转课堂的教学模式能够减轻教师的重复性工作，但同时也对教师的能力提出了更高的要求。为此，教师需要不断学习，运用现代的科技手段进行教学，提升自己的教学水平，以保证翻转课堂教学模式的有效运行。

资助项目：北京市教育委员会支持中央在京高校人才培养共建项目青年教学名师子项目——“木材保护与改性”课程体系建设，项目编号2018GJMS003。