基于SPOC的应用化学专业实验翻转课堂教学实践与思考*

张小华，杜翠翠，朱日龙，陈金华，周海晖，何德良，刘娅莉，李永军

(湖南大学化学化工学院，湖南 长沙 410082)

翻转课堂教学改变了“老师在课堂上讲课，布置家庭作业，让学生回家练习”的传统教学模式。课堂不再是单纯的老师灌输知识学生接受知识，而是基于学生自主在线上已完成知识学习之后的师生之间互动场所，学生发现问题、提出问题，老师引导学生运用知识解决问题。特别是针对实验课程的学习，如果按照传统教学模式，单纯的课堂时间要求完成理论学习、动手操作以及解决实际问题的知识运用必然是非常有限的，而翻转课堂教学可以让学生在课堂有更充足的时间进行实际操作和探索，一方面可以完成知识回顾，更好地将理论和实际结合，另一方面实现将知识转化为解决实际问题的能力。可以说，翻转课堂教学模式提高了学生在教学过程中的参与度，极大地激发学生学习积极性和主动性，为提升教学效率和教学质量提供了有效的保障，目前在国内外得到广泛关注和应用[1-2]。

本文以湖南大学应用化学专业实验为例介绍基于SPOC翻转课堂教学的高校专业实验的教学改革实践，并对“翻转课堂教学模式”与传统“课堂教学”的学习评价体系进行比较，思考“在线教学”或“混合教学”给高校实验教学改革带来的积极效应以及应用中可能存在的问题，以此进一步优化高校实验教学模式，为推动科技创新发展和社会进步更好地培养研究型和复合应用型人才。

1 SPOC及翻转课堂教学概述

SPOC是小规模限制性在线课程(Small Private Online Course)的英文缩写，是在大规模在线课程(massive online open course)即MOOC[3-4]的基础上发展来的。由于MOOC具有在线开放性、时空灵活性、网络互动性等特点，为实现优秀数字化教学资源全网络开放共享提供了有效途径，也为高校教育教学开启了在线开放式教学的新模式。目前，国内外开启了网易公开课、清华学堂在线、coursera、EDX、iversity及futurelearn等众多的知名MOOC平台[5]。但是随着MOOC平台上课程数量和学生数量增加，也引发了诸多的教学质量问题。比如，课程门槛低导致基础较差的学生学习积极性不高；课程的开放性使得课程学习没有紧迫感，课程完成率很低；还有就是纯网络教学的方式使得教师无法很好地掌握学生学习情况，教学质量不能保障等。而且，MOOC也不适应于实践类课程。为此，加州大学伯克利分校的阿曼德·福克斯教授最早提出了具有Small和Private特征的SPOC课程的概念[6]，相对于MOOC的Massive和Open而言，SPOC学生规模较小，同时对学生设置限制性准入条件。

基于SPOC课程的翻转课堂教学通常的做法是教师将预先录制好的或者由已有的在线MOOC视频资源剪辑的多个独立专题小视频、学习建议要求、自学环节自测题等材料上传到教学管理平台；之后学生通过平台结合老师提供的教材、PPT、视频等进行独立学习，完成并提交相关自测题，并反馈学习中存在的疑问；接下来，教师根据平台学生学习和提到的相关疑问的情况制订课堂教学进度以及重点、难点，更有针对性地开展课堂教学，同时根据实际的学习情况进行相应的课堂或者平台练习以巩固所学知识或进行适度的知识拓展和延伸。反过来，学生通过课前自主预习、课堂学习以及相关练习，进一步对学习专题知识进行总结、归纳、反思。

2 应用化学专业实验SPOC课程翻转课堂教学实践

2017年2月，教育部发布的《关于开展“新工科”研究与实践的通知》指出，各高校应立足国际工程教育改革发展前沿，研究发达国家工程教育新趋势、新策略，以工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型人才为“新工科”专业人才培养质量标准[7]。在“新工科”背景下，作为高校人才培养的重要环节和教育教学不可或缺的重要内容，工科专业实验教学在拥有难得发展机遇的同时，也面临了实用性更强、交叉性更广、综合性更高的新要求和新挑战[8]。以湖南大学“应用化学专业实验课程”教学为例。湖南大学应用化学专业其前身金属腐蚀与防护专业成立于1962年，2001年更名为应化专业，2002年批准为湖南省重点建设学科。作为应用化学专业必修课程，“应用化学专业实验课程”侧重于学生操作动手技能、综合实践应用能力和科学素养的培养，是应用化学专业学生极为重要的实践环节[9]。“应用化学专业实验课程”传统的教学总体上分为“实验预习”、“实验课堂”以及“实验结果评测”等三个阶段。“实验预习”主要由学生单方面完成，基本上不存在师生互动，预习很难达到对实验原理、实验内容、实验难点等预先了解的要求。“实验课堂”大都由教师对实验原理、实验操作步骤及实验注意事项等进行讲解并演示，学生基本上是机械地依照教师讲授内容和课本按部就班地进行实验操作[10-11]，缺少独立思考。“实验结果评测”缺乏有效的评价体系和方式，过多依赖于实验报告的内容，特别是对学生实验过程操作技能和创新能力难以进行有效评价[12]。显然，传统的专业实验教学已经很难满足“新工科”专业人才培养的要求。为此，我们基于兼具慕课开放性、灵活性、互动性以及线上线下混合教学特点的SPOC课程，于2018年下半学年开始开展了应用化学专业实验翻转课堂的立体化教学模式。

2.1 课程平台

我们在“爱课程网”(http://www.icourses.cn/)注册登录并通过认证后再登录并访问“中国大学MOOC”平台(https://www. icourse163.org/)，利用平台申请创建了应用化学专业综合实验独立SPOC课程作为实验翻转课堂教学的网络平台。下图为湖南大学应用化学专业综合实验独立SPOC课程网络平台首页 (图 1)。

图1 湖南大学应用化学专业综合实验独立SPOC课程网络平台

2.2 SPOC课程网络资源平台建设

湖南大学应用化学专业实验SPOC课程主要从内容体系、视频体系和评价体系三方面进行网络资源平台建设。具体实施如下：

2.2.1 内容体系建设

内容体系建设是课程建设的基础。在应用化学专业本科生培养计划的完整知识框架前提下，以专业研究方向为单位划分实验教学内容，建构单元主题明确的实验课程内容体系；利用课程中心网络平台，收录、整理、上传各单元实验内容，包括：实验原理、实验目标、实验仪器设备、实验操作步骤以及实验拓展应用领域等，针对单元实验中的难点、重点及拓展应用等设计主题互动，建立在线预习自我测试区、实验交流区、实验讨论总结区和拓展案例讨论区，以此建设适应于自主学习式、启发式、探究式及研讨式等多种教学方法相结合的SPOC翻转课堂的网络资源平台内容体系。

2.2.2 视频体系建设

独立小视频既是实验SPOC翻转课堂教学模式推行的核心和重要载体。该载体基于湖南大学应用化学专业培养计划，并围绕应用化学专业实验大纲要求，对现有应用化学专业实验课程中电化学、金属腐蚀与防护、表面处理技术、新能源方向的16个核心实验进行剖析和整理，结合重点实验单元的实验目标、实验内容、实验原理等突出实验环节的重点和难点，分实验自主预习阶段、老师讲解阶段、老师演示阶段、学生操作阶段、实验分析总结阶段以及实验拓展讨论阶段设计和录制适用于SPOC翻转课堂教学模式的应用化学专业实验课程体系网络资源平台的独立小视频单元。

2.2.3 评价体系建设

客观、公正、系统的教学评价体系是对学生学习过程和翻转课堂教学模式应用效果进行考察的重要依据和机制，也是提高“新工科”人才培养质量的重要保障。为此，我们从实验自主预习阶段、操作阶段、实验总结阶段以及拓展讨论阶段等各个环节建立多维度的考评体系：线上自主预习阶段要求在线完成有关实验原理、实验目的、实验内容、仪器设备操作、实验流程的独立视频观看学习，并完成预习自我测试，根据观看视频时长以及完成预习自我测试情况计分，占总评成绩30%；课堂实验阶段以2～4人的小组为单位进行相关实验，在学生开始实验之前先由实验指导老师针对实验重点、难点对小组每一位成员提问，进一步了解每一位学生的自主预习情况，确定小组成员已清楚了解实验内容、实验原理、操作等情况后允许学生开始具体的实验操作，实验过程中同步查看学生的操作情况，实验结束课堂即时提交实验记录，根据预习检查情况、具体实验操作情况以及实验记录情况评分，占总评成绩35%；实验总结阶段要求线上完成讨论题，同时线下提交实验报告，占总评成绩25%；拓展讨论部分根据学生个人情况分析拓展思考题，占总评成绩10%。通过以上各个阶段多维度的考评可以对学生实验过程的全程表现以及实验能力进行综合考评，包括预习阶段对实验原理等理论知识的掌握程度，操作阶段实验操作的连贯性、正确性和发现及解决问题能力，以及实验分析总结阶段对实验结果的分析能力，重要的是结合拓展阶段的实践及应用案例讨论环节的评价可以更好地引导和培养学生的探究精神及创新能力。

2.3 翻转课堂教学实践

在此，以“用线性极化技术测量金属腐蚀速度”为例阐述湖南大学应用化学专业实验SPOC课程翻转课堂教学的实践过程。“用线性极化技术测量金属腐蚀速度”的实验原理是基于在腐蚀电位附近区间(Δφ≤±10 mV)，Δφ/ΔI和自腐蚀电流ie之间存在着线性关系，也就是说表征金属腐蚀速度的腐蚀电流ie与极化阻力Rp(Δφ/ΔI)符合Stern-Geary方程式:

式中ba、bk为塔菲尔常数[13]。本实验中，利用电化学工作站测得碳钢材料在加有缓蚀剂(硫脲、若丁)或不加缓蚀剂的硫酸腐蚀介质中的极化电阻及Tafel曲线的ba、bk常数，利用Stern-Geary方程式即可求得腐蚀速度。为了学习如何利用电化学工作站采用线性极化方法测定碳钢在硫酸介质中的腐蚀速度，并以此评定硫脲和若丁两种缓蚀剂对碳钢在硫酸中的缓蚀效率，学生必须掌握线性极化技术的原理、掌握电化学工作站的操作。

图2按课前预习、课堂实验及课后总结三个环节介绍“用线性极化技术测量金属腐蚀速度”实验基于SPOC进行线上线下翻转课堂教学的实践过程。课前预习环节主要基于线上SPOC课程平台设置视频学习区和讨论区引导学生预先通过视频学习理解线性极化技术原理和电化学工作站的使用方法，提前了解并把握线性极化技术测定碳钢在硫酸介质及硫酸加硫脲、若丁的测试溶液中腐蚀速度的实验步骤以及关键操作，包括测试溶液配制、测试样品前处理、线路连接、开路电位测试、参数设置、数据记录、后处理等，同时重点思考讨论区两电极体系、三电极体系、同种材料三电极、电位控制、电流控制、缓蚀剂缓蚀效率等相关问题，并结合自身课前预习情况提出相关问题。课堂实验环节则为了同时培养学生独立实验和团队协作能力按2～4人分组分三个阶段开展教学活动：首先，随堂分组就基本原理、重要知识点、实验内容、关键操作、注意事项等提问，一方面检查学生课前预习情况，另一方面强调和加深学生对基本原理、重要知识点等的理解和掌握；接下来各组根据实验任务和要求安排组员独立或协作开展实际实验操作，老师对学生仪器操作、实验操作的规范性、安全性等进行随堂考查评价，并就相关问题给予即时指导；各组完成实验操作后填写实验记录，老师汇总实验数据及相关结果，结合操作环节的具体情况，和学生交流讨论“用线性极化技术测定金属腐蚀速度”实验中的重点、难点以及该技术可行的拓展应用等。课后总结环节通过线下和线上结合进行：线下按湖南大学实验报告模板要求完成实验报告并提交，同时线上在SPOC课程平台完成讨论区问题和调查问卷提交，老师根据实验报告以及课程平台导出的统计学习数据对学生总结分析实验数据、理解知识点、发现和解决关键问题的能力进一步进行评价。

图2 基于SPOC进行翻转课堂教学的过程实践图例

3 翻转课堂教学与传统教学评价体系对照

表1是“线性极化技术测定金属腐蚀速度”实验基于SPOC翻转课堂教学和“动态恒电位扫描法测定极化曲线”实验传统教学中对开课班级部分学生进行评价的情况。从表1不难看出，传统教学主要是依赖实验报告对学生的学习进行评价，而基于SPOC翻转课堂教学从学生自主学习、实际操作、实验总结分析以及交流讨论等多个维度提供了多元的评价依据。更重要的是，我们注意到在实际操作评价中表现较差的学生自主学习积极性低、分析交流及探究性相对不活泼，而实验报告撰写整理较差的学生有一部分却表现出较强的实际操作能力。以上说明，实验课程的传统教学评价中单纯的实验报告对学生实验过程操作技能和创新能力难以进行有效的评价，而基于SPOC翻转课堂教学中的多维度评价体系可以对学生学习主动性、积极性、实验操作能力、分析问题、解决问题的能力以及探究和创新思维能力等进行综合考评。可以说基于SPOC的翻转课堂教学的评价体系应用于专业实验教学中可以 更加准确、全面地反应学生的学习过程，并更加真实地检验和反馈教学质量。

表1 “翻转课堂教学模式”与传统“课堂教学”的学习评价对照

4 应用化学专业实验基于SPOC翻转课堂教学的反馈与问题

湖南大学应用化学专业实验于2018及2019两个年度开展基于SPOC的翻转课堂教学以来，80%以上的学生课前能主动积极地完成线上视频学习要求，90%以上的学生能很好地跟随讨论区设置问题的引导，在课堂实际操作中关注重要知识点和关键操作，顺利地完成实验内容，更有35%以上的学生在课堂交流互动和实际操作中表现出强的创新思维能力和操作水平。总体上基于SPOC的翻转课堂教学得到开班学生100%的支持和好评，从反馈的意见来看，大家普遍认为翻转课堂教学从以下几个方面很好地提高了教学效果：一、课前线上基本原理、重要知识点、关键实验操作等视频学习方便、高效，不拘于空间、时间限制；二、基于线上视频不懂的地方可以支持回看；三、视频时长大都是10分钟左右，重点突出，能保证学习注意力和学习效果；四、知识原理学习与实际操作演示相结合，通俗易懂；五、讨论区很好地引导和激发学生学习中的主动思考，也提供了很好的师生互动平台；六、课堂中有更充足的时间进行试验操作并开展相关的拓展研究；七、基于课前有效的预习，课堂老师可以更有针对性地进行教学指导。当然，学生也提出了翻转课堂教学中初期最大的问题就是课程平台的注册认证过程比较繁琐，期待有更灵活便捷的注册认证平台。

5 结 语

基于SPOC的翻转课堂的实验教学模式是集传授理论知识、演示实际操作、推广实践应用以及激发创新思维于一体的立体化教学模式，是培养学生综合实验能力以及学生知识运用能力的有效平台。为了能更好地推进“在线教学”在高校实验教学中的应用，大力推动实验教学方法改革、提升实验教学质量，我们必须进一步优化线上包括知识原理、内容、规范操作、关键问题、重点讨论等视频内容体系及其他教学资源建设；同时加强线上线下师生互动环节，基于问题设计更好地引导学生主动认知、积极思辨、深度探究和努力创新；还有就是设立实时有效的、科学合理的评价指标、权重系数，建立建全实验课程全程学生知识原理掌握、操作技能和创新能力的考核机制体系。