基于大数据学习分析的大学化学翻转课堂教学模式的构建与实践

王凤春，徐 敏，袁 刚，付立海

科技在进步，教育在发展，高等学校化学教学既要适应新时期社会发展需要，更要体会习近平总书记在全国高等教育大会上的讲话精神，转变教学理念.无机化学实验课堂应适时地引入并充分实施新型教学模式［1-4］，从而提高课堂教学效果，培养学生的综合能力.

信息时代，各类数字学习APP 已经收集并储存了大量有关学生复杂学习行为的数据，以供研究者分析.教育领域也适时适当地运用学习分析对教学平台上学生学习情况进行统计整理，同时在线对学生学习关注点、学习时间、学习习惯及学习效果进行分析，为学生提供高质量和个性化的学习体验.

学习分析是“大数据”在教育领域中的应用.截止到目前，国内外对“学习分析”的定义没有具体、详细的阐述［5］，只是对学生的学习行为、学习目的、学习目标等进行共性描述.学习分析通过对教学过程中的师生行为进行分析，可以预估学生的学习状况和行为，促进学生积极参与学习，为学生设计个性化学习.总之，大数据时代背景下，利用学习分析可以对教学过程中的每个环节进行数据收集、分析，从而运用更合适的教学模式提高教学效果，改善学生学习环境，提高学习积极性.常见的学习分析工具主要包括学习网络分析工具、学习内容分析工具、学习能力分析工具与学习行为分析工具等［6-8］.

本文综合运用各种学习分析工具对大学化学翻转课堂教学模式进行了探索构建，并结合国内外高等教育教学模式研究的成功经验，重点探讨了高等师范院校无机化学实验课程的教学思路，提出了实施翻转课堂教学模式的具体实践，并结合学生学情进行了分析和评价.

1 基于学习分析的大学化学翻转课堂教学模式的构建

自2011 年我国提出翻转课堂教学模式以来，大学教学面临着较大的挑战，能否充分调整师生角色和体现学生的主体性都需要我们研究和尝试［1］.本文结合当前化学专业发展的特点和教学模式特征基于学习分析进行新的教学模式构建，详见图1.

图1 翻转课堂教学模式构建步骤

1.1 建立学习平台

执行翻转课堂教学首先要求教师明确课程教学目的与知识要点，选择性设计好与课堂教学内容相配套的导学文案、录制相关视频及PPT 等课件、设计学生习题自测等.利用学习通、雨课堂等平台建立学习课程和学习班级，让学生在班级群里熟悉每一章的学习目的及要求，完成教师布置的学习清单，并通过完成自测试卷来检测学习效果等，还可以在中国大学生等网络教学平台下载慕课、微课、微视频等，在学生日常交流软件上如微信、微博、QQ 等建立虚拟学习社区，学生可以利用教学资源进行学习，教师也可以提供自己的教学PPT、视频等，让学生在虚拟的学习社会进行讨论、交流，充分做好预习和复习［9］，并进行数据统计，及时分析、公布分析结果，让学生了解自己的学习情况.

1.2 课堂知识学习

课堂知识需层次化、智慧化学习.课堂上，教师根据教学内容和相关问题，可将学生分成若干学习小组，引导学生根据前几章所学知识发挥团队精神和合作互助意识，共同探讨本节课所学内容.如在大学无机化学第二册第十八章非金属元素小结，本章有四个层次的教学要求：①了解非金属单质元素部分的知识，并为学习金属元素部分提供一些规律性的知识；②熟悉元素在周期表中的位置及原子结构的特点；③理解和掌握非金属元素单质及其重要化合物的结构、性质及其变化规律；④培养积极思维、归纳总结、分析和解决问题的能力.学习内容主要有三点：①氢氧化物的酸碱性及其规律；②含氧阴离子的结构及其规律；③含氧酸的强度及其规律，其中，含氧酸的强度及其规律是学习难点.教学过程中教师可以因材施教，对学生进行个性化设计，分层次指导，达到递增性进步，并对不同层次的学习内容进行四个等级（优秀、良好、中等、及格）的评价，呈现不同的课程内容和学习方式，供学生选择类别学习［10］.

1.3 自我检验评价

在每节课的小结环节，教师将对四个层次的教学要求的达标情况进行统计，并分析各层次的达标情况，指导学生判断自己是否达到了既定的目标，同时也要指导学生做好自我评价，加强和巩固所学知识，从而达到较好的复习效果.教师要指导学生全面提升思维方式，提高自主学习能力，并为每个学生建立反馈交流档案，让学生充分了解自己的学习行为及学习效果，同时教师为其进行总结评价，并将此作为本学期平时成绩的一部分，教师通过对每个学生的分析可随时对教学过程进行总结，调整教学内容和教学方案，并及时进行必要的修改以取得良好的教学效果.

1.4 问卷调查

学期课程结束或每个月结束后定期进行问卷调查，以了解学生的学习状态.具体问卷如《翻转课堂教学模式学生学习情况问卷调查》《课堂教学情况问卷调查表》《课程教学质量评价调查问卷》等，让学生回答以下问题：你喜欢现在的教学模式吗？你认为现在的课堂跟以前的课堂最大的不同是什么？你认为现在的教学模式对你的课业负担有影响吗？你认为现在课堂气氛好吗？在课堂上，你愿意参与交流并进行展示吗？新课前会做好充分预习吗？你有上课做笔记或做批注的习惯吗？对于老师编写的预习提纲，你是怎么完成的？对于每节课的检测、巩固内容你都能顺利完成吗？你认为在这种课堂模式下，你们班的学习风气有改变吗？对于现在的课堂教学模式，你最需要提高的能力是什么？对于现在的课堂教学模式，你还有好的意见或建议吗？你认为课堂上老师最需要解决的问题是什么？通过以上问题分析出学生学情，任课教师便可直观了解课堂现状，以采取有效调整与干预措施，开展精准互动.

总之，每一次课堂教学在应用翻转课堂教学模式时要注意要求学生六会：会看视频、会自我评价、会记笔记、会提问题、会把握时间、会分享；做到两个核心：关心每位学生、关注个体差异化学习.

2 基于学习分析的大学化学翻转课堂教学模式的实践

下文以学生在熟练掌握水浴加热、减压过滤、蒸发、结晶等基本操作的前提下，以北京师范大学主编的《无机化学实验》教材中合成硫酸亚铁铵章节为例，通过翻转课堂教学模式深入探讨水浴加热、减压过滤等内容.

2.1 课前预习阶段

在开展实验前一周，教师把实验需要预习的有关事项发布到学习通教学平台上，学生可利用课余时间上网查阅相关文献资料，积极开展预习准备工作.在开展硫酸亚铁铵合成实验课前，课前预习环节应明确以下问题：

①了解本实验的各项基本操作并做好预习，了解本实验所需的各种实验材料及仪器；

②查阅相关资料，了解与本实验相关的实验原理及制备方法；

③了解如何设计实验的方法和反应的装置；

④了解如何提纯（NH4）2SO4·FeSO4·6H2O及纯度检验的方法.

通过对实验前设置问题的预习，不但能巩固学生以前学习的知识，掌握实验的原理、目的、方法和注意事项等内容，也能避免教师在实验前利用过多时间进行“注入式”讲解，同时还可提高学生动手实验的能力，开拓学生的知识面.

2.2 实验前讨论阶段

实验前需讨论下列问题：

问题一：硫酸亚铁铵采取何种合成方法？实验反应的原理是什么？如何提高实验反应产率？

教师可指定一名学生一边在黑板前讲解一边书写实验反应的原理，这有利于教师了解学生掌握基本理论的情况，提高学生的综合表达能力，促进学生实现理论与实践的充分结合.教师也可向学生进行提问，如对于提高实验反应产率问题有什么新的见解，以便了解学生对知识的掌握情况，充分体现以学生为主体的翻转课堂教学模式.

问题二：实验过程中的第一次水浴加热与第二次水浴加热目的有什么不同？

引导学生掌握前者为合成反应，升温是为了加快反应；后者应该是蒸发，目的是减少水份.

问题三：根据铁的用量还是硫酸铵的用量来计算硫酸亚铁铵的产率？铁的用量过多对制备硫酸亚铁铵有何影响？重点是从节约和经济角度考虑，培养学生环保经济的思想.

问题四：实验装置如何设计？实验步骤如何？减压过滤有何特点？什么情况下应用减压过滤？抽滤时应注意哪些事项？步骤有哪些？

问题五：在合成硫酸亚铁铵的过程中为什么要控制溶液pH 值在1～2？

2.3 实验操作阶段

在实验操作阶段应明确以下注意事项：

①铁屑要保持清洁，避免使用有锈蚀的铁屑，因锈蚀的铁屑的主要成分三氧化二铁无法被铁完全还原，使铁离子留在溶液中而影响产品的质量.

②铁屑颗粒不宜太细，最好为丝状.

③硫酸的浓度要适宜，一般选择3 mol·L-1.由学生讨论分析浓度大小对反应快慢、产品质量与纯度的影响.

④为保持溶液呈酸性，抑制水解，在反应基本结束后加硫酸溶液，趁热过滤，且要用两层滤纸迅速抽滤，以防止溶液在吸滤瓶中冷却而析出硫酸亚铁晶体，导致损失.

2.4 课后总结阶段

课后总结阶段需要思考以下问题：

①为什么硫酸亚铁铵在定量分析中可以用来配制亚铁离子的标准溶液？

②蒸发浓缩至表面出现结晶薄膜后，为什么要缓慢冷却再减压抽滤？

③该实验有哪些成败关键点？有什么心得体会？

问题①和问题②主要为了进一步拓展该实验的内容，拓宽学生的知识面；问题③有利于培养学生的总结归纳习惯，为今后科研和实验积累经验.

2.5 教学效果评价阶段

通过开展翻转课堂实践教学，在合成硫酸亚铁铵实验过程中收到了良好的教学效果，具体如下：

①利用实验前设置的问题，学生可较为详细地了解实验内容、实验目的、实验步骤、实验装置和注意事项等问题，可以改变原来一边看教材一边进行实验的不良习惯.

②大大提高了预习报告的质量.主要表现为：学生可以使用简练的语言回答实验提出的问题，同时提高了答题的正确率；不再“依葫芦画瓢”地绘制实验装置图，提高了装置图的创意性和规范性；能科学合理、简洁明了地设计实验步骤.

③学生能更详实地记录实验.学生不但可以及时记录实验现象，并且可以对操作的目的、产生的现象、出现问题及原因分析、讨论的结论和老师拓展的问题等内容进行备注，避免了写回忆录或抄袭的现象.

④大大提高了教学效率，课堂气氛更加活跃，明显提高了学生的综合能力和综合素质.

⑤通过问卷调查，学生认为这种教学模式能积极引导学生进行预习-设计实验-思考实验问题-解决实验问题，充分做好上课准备.这样既培养了学生独立思考的能力又让每个学生锻炼了语言表达能力，为将来从事教育教学奠定了坚实基础.

3 结语

本文立足于大学化学专业学生培养目标的需求，根据学生未来的职业特点和发展方向进行教学内容的设计和教学模式的改革.探讨了基于学习分析对传统大学化学课程教学进行变革的意义及构建方法.本文既重视问题研究，又关注策略研究，并以实证性研究为主，将理论研究和实践探索紧密结合.但在翻转课堂教学模式的构建与实践过程中还需要一定的保障与支持：

①翻转课堂教学模式下，教师要有充足的时间和精力对课件、题库、导学案等资料进行研究和制作，这就需要学校给予大力支持.同时要减少学生的作业量，这样才能让学生有充足的时间对课件进行反复学习，并进行交流和互动.

②教师要具备一定的信息化意识和信息处理能力，学校应定期对教师进行这方面的培训，同时也应重视学校的网络建设，提高网络教学平台的运行速度，并为师生提供优良的、开放式的机房和学科实验室.

③上传的课件应随时为学生开放，不限制观看次数、观看时段，应能保证学生自主支配学习时间，又可以使学生根据需要随时进行复习.同时，课件内容应富有生动性，能够激发学生的兴趣，提升教学效果.