基于“化工原理”课程的高校混合式翻转课堂教学模式构建与实践

石国亮 梁 琪 赵玉英 史宝萍 孟 涛

(1. 太原科技大学 化学工程与技术学院,山西 太原 030024;2. 中国联合网络通信有限公司山西省分公司 信息化部,山西 太原 030000)

随着“网络教学”、信息化教学改革的不断深入,教学活动时空限制逐渐被突破,采用学习通、智慧树、学堂在线、雨课堂等网络教学平台与传统课堂面授相结合的“混合式学习”新型教学组织形式已悄然兴起[1]。“翻转课堂”正是基于这种教学指导思想[2],学生在课前自主学习教师在网络平台上提供的课程视频、章节测验和主题讨论等内容;在有限的课堂时间内,学生则更多地参与到与教师和同学之间的互动交流、答疑等环节中,针对性地解决重难点问题,使学生从浅层学习进入到深层学习中[3],从而获得对教学内容更深层次的理解和掌握。通过重新调整课堂内外的教学组织形式和教学结构,合理分配教学时间,改变“课堂面授+课后作业”的传统教学模式,将学习的主动权从教师转移给学生,使学生由“被动接受型学习者”成为“主动导向型学习者”,使学生通过实践获得更加真实的学习效果。作者以“化工原理”课程混合式翻转课堂教学模式的研究与实践为例,构建了基于超星尔雅网络教学平台/学习通的混合式教学流程,化解了“化工原理”课程的枯燥性和抽象性,从而激发学生学习兴趣、提高学生自主学习能力、提升学生创新思维能力,提高教学质量。

1 研究背景

对于化学工程与工艺、制药工程、能源化学工程、生物工程、过程装备与控制等专业而言,“化工原理”课程有着承前启后、由理及工的“桥梁”作用[4]。专业课程包含单元操作基本原理、分离设备与反应容器的结构与设计计算方法、设备的选型方法及工程问题的处理方法等,不仅涉及知识面广、理论模型抽象、计算量大,而且与生产实际紧密相连,具有很强的工程性、实践性和应用性,对培养学生分析和解决实际问题的能力、动手实践能力、树立工程观点和创新意识起着十分重要的作用。传统“填鸭式”的教学方式、“先教后学”的教学形式以及受时空所限的课堂教学模式,导致学生在学习过程中长期处于被动学习状态,学习自主性不高、学习兴趣不浓、课程深度拓展不够,无法满足学生个性化学习需求,不能适应信息时代的需求及对创新型高素质人才培养的要求。翻转课堂是在现代信息技术的支持下[5],将原先的“先教后学”改为“先学后教”,以学生的学习活动为主要特征的新型教学形式[6,7],使教学过程成为“以学生的学习为中心、以学生的发展为中心”的过程,这时课堂不再是传统意义上的以教师讲授为主的课堂,学生在课堂中有了更具体、更直接的参与,通过师生之间的交互,能更有针对性地解决具体问题,学生可由传统教育中的被动接受型学习者逐步发展成为主动导向型学习者,不仅有益于提高学生自主学习能力,而且可提升课堂学习效果。

2 基于网络教学平台的混合式翻转课堂教学模式

鉴于“化工原理”课程内容具有传递模型抽象、工程实践性强、计算过程复杂等特点,我们提出运用讲授、互动、参与、研讨、探究等多种教学方式,构建“课前线上自主学习-课堂线下答疑-课后线上互动交流”的混合式翻转课堂教学模式,其各阶段教学活动过程如表1所示。

表1 基于网络教学平台的翻转课堂教学活动

我们构建的“化工原理”课程翻转课堂教学模式包括课前活动、课堂活动和课后活动三大阶段活动。每一阶段活动均由学习目标、学习形式、学习统计和学习评价四部分组成,其中学习形式是实现学习目标的具体组织或展现形式,学习统计则着重对学习活动过程实施监控或汇总,学习评价则根据学生对知识的总体掌握程度反馈教学效果,进一步检验学习目标的达成度。

2.1 学习目标

学生在课前通过登录超星尔雅网络教学平台,认真自主学习教师预先上传的授课视频、章节测验、教学设计、课程教案等学习资源,完成相应的学习任务点,同时完成相应章节测验进行学习效果自检,并记录有关重难点内容,也可参与讨论加深预习效果。课堂上学生在理解教师将碎片化知识点串联成的知识体系之后,更多地将注意力集中于解答疑难问题,从而达到知识内化的目的。课后学生在消化吸收知识的基础上可对知识外化应用,也可进一步通过知识拓展实现能力递进。

2.2 学习形式

根据课前、课堂和课后不同阶段学习目标,分别采用不同的学习形式以最大程度地适应学习目标。其中课前,学生以线上网络自主学习为主,通过自主观看教师录制的知识点授课视频、教学设计和课程教案等教学资料,并结合章节测验检验自学效果,使后续环节的学习有的放矢。课堂上,教师首先将课前的多个知识点小视频加以衔接贯通,使学生由线上感知的碎片化知识过渡至系统化知识,然后通过线下答疑、小组讨论,以及借助学习通平台开展线上随堂练习与线下以练代讲,期间注重交叉运用引导式、启发式、案例式等多种教学方式,以使学生达到知识内化之目的。课后学生着重通过线下完成作业习题以达到知识外化运用,线上提交作业之后,通过以线上师生互评相结合的模式批阅作业以及线上师生、生生之间互动的模式开展交流讨论,从而实现学生自我知识拓展与能力提升。

2.3 学习统计

通过对学生在超星尔雅网络教学平台进行的各阶段学习活动的统计汇总,包括课前任务点与章节测验的完成情况、课堂讨论与答疑等互动环节的统计以及课后的作业统计与章节学习次数统计,进一步分析评估学生的学习效果。

2.4 学习评价

网络教学平台的高效运用,使得学生不受学习时间与空间所限,其优势可从学生在各阶段学习的主动性和学习效率方面有所体现,如章节测验的准确率、作业正确率、学习互动的频繁性和全面性,即优秀学生愿意投入精力提升自己能力,普通学生常规学习完成规定的学习任务。

3 基于网络教学平台的翻转课堂教学模式实践

本研究借助超星尔雅网络教学平台和学习通手机终端,在基于“课前线上自主学习-课堂线下答疑-课后线上互动交流”的翻转课堂教学模式下开展教学实践。

3.1 基于网络教学平台的翻转课堂教学模式的实施

3.1.1 优化教学设计,创新课程内容,拓展学习目标

围绕立德树人根本任务,以学生发展为中心,以方法论为课程内容主线,立足每堂课的教学目标、教学内容、教学方法、教学活动、考核评价等方面进行多维度教学设计,其全过程包括通过引导式教学从问题导入每堂课教学内容,或“基于问题、基于案例”的导向性教学,力求复杂问题简单化处理,丰富教学内容。突出教学重点,注重脉络、概念、原理、案例、内涵、方法论。深度融合课程知识与思政元素,提高育人成效,运用参与式、探究式讨论问题,激发学生学习动力,增加课程挑战度,实现知识考核向能力考核递进,同时兼顾教与学成效,达到拓展学习之目的。

以全国大学生化工设计竞赛和全国大学生化工实验大赛学科竞赛为背景,增加研究性、创新性教学内容,积极构建项目化实验教学,将新理念、新技术、新方法融入到单元操作学习中,重基础知识掌握的同时,适度提升学生的研究能力、创新能力和综合能力,优化课程教学内容。基于学科竞赛提出创新性项目设计,划分小组,分析讨论并解决问题直至完成项目,不仅可激发学生学习动力、巩固课程专业理论知识,还能使学生加深理解理论知识在实际中的具体应用,真正搭建起理论知识与工程实践之间的重要桥梁。

基于上述总体学习目标和实践过程,团队老师指导学生参加全国大学生化工设计竞赛和全国大学生化工实验大赛,均获得了多项国家奖和省部级奖,不仅提高了学生查阅及应用文献资料的能力,而且增强了学生的现代工程设计、团队协作、工程实践和创新等综合实践能力,在学生中已经具有较大的影响,有效促进了学风建设。

3.1.2 创新教学组织形式,丰富学习形式

为使“以教为中心”向“以学为中心”转变,为学生提供自主学习的时间和空间,深度融合现代信息技术与专业教学,拓展多通道学习,激发学生的自主学习和主动学习能力,提升教学效果。学生在课前主要借助网络教学平台进行线上自主学习, 为了激发学生参与教学活动的积极性,实现教与学相长,“学习通知”会提前一周发布,同时通过学习通平台或企业微信群等渠道及时提醒学生进行自主学习。这样提前通知、量化管理,学生的学习主动性得到了一定程度的提高,课前任务点完成率高,学生视频学习认真,知识点掌握充分。课堂上力求改善“满堂灌”传统教学,采用答疑、启发、引导、探究、小组讨论等多种方式,充分发挥学习通“线下讨论”功能,及时掌握学生对课程内容的理解程度,便于教师在课堂上及时高效解决学生心中的疑虑,也可借助学习通终端进行随堂练习、选人、抢答等多种补充互动形式,进一步丰富课堂上教与学的组织形式。针对较难理解的单元操作原理和设备结构工作原理,应用多媒体课件合理设计,利用动画、视频等动态教学素材,增加教学过程的活泼性,提高学生的理解力,激发学生的学习兴趣和想象力,强化教学效果。注重运用“化工原理”课程的“方法论”主线贯穿课堂教学过程,提炼“三传”的相似点,用“相似”观点分析问题、解决问题,将看似独立乏味的单元操作赋予活力和内涵,培养学生学习过程的高级思维。课后提前发布作业提交与批阅通知,采用线上师生互评作业相结合的形式开展作业批阅,进一步加强线上师生互动交流讨论。

3.1.3 学习活动监控与统计

借助超星尔雅网络教学平台/学习通等信息技术平台实时对学生各阶段的学习活动进行监控与统计,包括课前课程知识点视频、章节测验等任务点的完成情况,课堂签到、选人、抢答、随堂练习、分组任务等互动项目的次数与成绩,课后作业发布、提交与批阅情况。通常学生在课前自主学习课程内容相关的视频、课件和章节测验三个任务点的完成率均可达到100%。课堂活动统计根据互动活动类型的不同分别统计,既能保证每名同学参与互动环节、掌握课程基本知识,又可促使优秀学生纵深学习。通过对学生学习活动的跟踪统计,有助于及时了解学生的学习状况并在第一时间通过学习通或企业微信群对相关同学发出学习提醒,从而起到了正向的督促作用。

3.1.4 学习效果评价

学习效果的评价对于任何教学环节都至关重要。采用多元评价方式可对课前、课堂和课后整个教学过程作出更为全面合理的评价。课前教师主要根据章节测验的准确率,预判学生对知识点的理解程度和自学效果,从而为课堂教学形式提供重要参考依据。根据课堂上采用的答疑、互动、小组讨论等教学组织形式,采用生讲师评、生讲生评、生辨众评等多元方式进行及时的评价,促使学生批判性思考,突出学生“学”的效果。也可将能力考核型的题目以随堂练习的形式发放,及时根据正确率的反馈,评价学习效果。课后则根据作业正确率和课前与课堂上的综合表现给出综合的评价,及时提醒和督促小部分同学认真积极学习。

3.1.5 示例:“分子传递现象”在“三传”(流体流动、热量传递和质量传递)中的相似点

牛顿黏性定律揭示了层流流动依靠的是分子的无规则热运动方式;傅里叶定律揭示了在固体之间或层流流体内的热量传递依靠的是分子的无规则热运动方式;菲克定律揭示了在静止或层流流体内质量传递依靠的是分子的无规则热运动方式。显然,分子传递现象贯穿于“三传”的全过程及其相应的单元操作过程中。通过以上分子传递现象的相似性对比分析,学生对“化工原理”课程中涉及的各个单元操作的基本原理与对应的传递规律有了更深刻的理解。其次,可以通过引入“三传”通用表达式方程(通量=扩散系数×浓度梯度),突出它们之间存在着相似的传递现象或必然的内在联系,这种相似性又可以归结为由统一的基本方程加以描述三种传递过程的基本理论,从而进一步加深学生对其相似性的理解程度。

3.2 基于网络教学平台的翻转课堂教学模式的实施总结

翻转课堂教学是一种学习活动的时间和空间自由,学生更加积极主动参与课堂学习讨论交流的教学模式。这种教学模式的特点在于学生课下进入网络平台提前自主学习教师录制的教学视频、章节测验等教学资源,从而可对一知半解甚至不懂的知识内容做到心中有数,这样在课堂教学过程中,学生不仅对教师的重难点讲解能够迅速接受理解并提出自己不懂的问题,而且还有能力提出深入探究的问题,非常有利于工程实践性强的“化工原理”课程的学习。这样的教学师生之间、生生之间充满了交流互动,课堂气氛非常融洽,满足了学生自身的学习需要,促成了他们的个性化学习,提高了学生的自主学习能力。其次利用网络教学平台的统计功能及时对学生的学习情况进行跟踪和评价,既可使优秀学生拓展学习资源,还可以督促和帮扶学习进度慢的同学积极学习,真正使学生通过自身实践获得更实用的学习经验。

4 结语

翻转课堂教学模式解决了学生在学习时间和空间上受限的问题,赋予了学生更多的自主学习、批判性思考以及思维拓展等方面的能力表现,改变了教师“教”的方式与学生“学”的方式,更加突出了学以致用和创新。作者基于现代网络教学平台,运用翻转课堂教学模式,开展了“化工原理”课程的学习目标、学习形式、学习统计和学习评价等教学全过程的教学活动研究实践,同时对教学设计、教学内容和教学流程进行了创新,增强了课程的挑战度,为课堂教学建立了更加适合深入交流、讨论和探究的学习环境,提高了学生自主学习能力和创新思维能力。