趙 強(qiáng) 張學(xué)銘 金小娟 段東成

1.北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 北京 100083

2.濟(jì)南綠博環(huán)?？萍加邢薰?山東濟(jì)南 250100

植物纖維化學(xué)實驗是林產(chǎn)化工(制漿造紙專業(yè)方向)最重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)實踐課。該課程主要內(nèi)容包括植物纖維宏觀結(jié)構(gòu)觀察、微觀結(jié)構(gòu)觀察、纖維長寬度測定、木材原料水分、灰分、苯醇抽提物、纖維素、木素、聚戊糖含量的測定及木素顯色反應(yīng)等實驗。該課程實踐性強(qiáng)、專業(yè)性強(qiáng)，是連接四大基礎(chǔ)化學(xué)和制漿造紙專業(yè)實驗課程的重要紐帶，為植物纖維原料的合理利用、制漿工藝、漂白工藝的制訂及造紙廢水的處理提供理論支持[1,2]。該課程涉及樹木學(xué)、高等有機(jī)化學(xué)、儀器分析等多個學(xué)科，內(nèi)容比較抽象和枯燥。由于上課時間及教學(xué)資源的限制，傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式講解植物纖維化學(xué)實驗的難度較大，學(xué)生學(xué)習(xí)比較困難。翻轉(zhuǎn)課堂(Flipped Class)是指學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)教師提供的視頻或課件資料，課堂上參與教師組織的教學(xué)互動活動，師生之間密切互動的一種教學(xué)模式[3]。翻轉(zhuǎn)課堂將傳統(tǒng)課上教學(xué)過程與學(xué)生自主學(xué)習(xí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這種教學(xué)模式是對傳統(tǒng)教學(xué)模式的一種顛覆性嘗試[4]。隨著這種教學(xué)模式的推廣和應(yīng)用，全國各大高校近幾年也對這種教學(xué)模式進(jìn)行了諸多嘗試和研究，但多數(shù)改革還是針對理論課程進(jìn)行，實踐教學(xué)方面的應(yīng)用相對偏少[5]。盡管如此，也有部分高校將翻轉(zhuǎn)課程模式教學(xué)成功應(yīng)用到實驗教學(xué)課程中，并取得了很好的教學(xué)效果[6]。本課題組將翻轉(zhuǎn)課堂應(yīng)用于造紙專業(yè)課實驗課程的教學(xué)中，受到學(xué)生的歡迎，驗證了在實驗教學(xué)中應(yīng)用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的可行性。

目前各大高校植物纖維化學(xué)實驗課程的授課模式普遍還是傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式，存在著教學(xué)方式單一、實驗課時相對不足及設(shè)計性、創(chuàng)新性實驗內(nèi)容偏少等問題。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式中教師從知識灌輸者變?yōu)閷W(xué)生的指導(dǎo)和啟發(fā)者，而學(xué)生則從被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)為主動學(xué)習(xí)。這種新型的翻轉(zhuǎn)課堂混合教學(xué)模式應(yīng)用到植物纖維化學(xué)實驗教學(xué)中，可切實提高學(xué)生的實驗效果，培養(yǎng)學(xué)生的科研實驗素質(zhì)，以適應(yīng)新工科人才的技術(shù)需求。

1 翻轉(zhuǎn)課堂應(yīng)用于植物纖維化學(xué)實驗課程的可行性

植物纖維化學(xué)實驗是高校林產(chǎn)化工(制漿造紙方向)專業(yè)的必修課程。學(xué)習(xí)本課程之前，學(xué)生已經(jīng)具備無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)及物理化學(xué)等基礎(chǔ)知識，對植物纖維化學(xué)實驗中的化學(xué)滴定、藥品配制、數(shù)據(jù)處理等知識完全有能力自主學(xué)習(xí)。而對于課程中比較抽象難懂的實驗，翻轉(zhuǎn)課堂就更有意義。例如，纖維的宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)觀察實驗部分，相對比較抽象，傳統(tǒng)課堂教學(xué)上，很多學(xué)生在有限的課堂時間里，無法從顯微鏡中觀察到教師講的內(nèi)容，對這部分知識一知半解。翻轉(zhuǎn)課堂的實驗內(nèi)容是由教師提前錄制，教師在木材切片上，找到典型細(xì)胞形態(tài)圖片后通過計算機(jī)投射到大屏幕上。整個操作過程從顯微鏡的調(diào)校、切片中典型細(xì)胞形態(tài)的尋找步驟到細(xì)胞形態(tài)的詳細(xì)講解，通過視頻教學(xué)的方式呈現(xiàn)給學(xué)生，學(xué)生再進(jìn)入實驗室實驗操作時就會得心應(yīng)手。翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)課堂的不足。

另外，教師在前期的教學(xué)過程中積累了豐富的植物纖維化學(xué)實驗課程素材，例如，教學(xué)PowerPoint、實驗教材、纖維形態(tài)圖片、視頻資料等素材，為植物纖維化學(xué)實驗翻轉(zhuǎn)課堂的開設(shè)提供了必要條件。

2 基于翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式設(shè)計

根據(jù)目前植物纖維化學(xué)實驗課程教學(xué)中存在的問題，結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂的特點，針對翻轉(zhuǎn)課堂在植物纖維化學(xué)實驗課中的應(yīng)用模式進(jìn)行了設(shè)計。

2.1 網(wǎng)絡(luò)平臺教學(xué)素材準(zhǔn)備及發(fā)布

翻轉(zhuǎn)課堂的開設(shè)需要有網(wǎng)絡(luò)平臺的支撐，目前國內(nèi)已有很多成熟運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，也有部分高校教務(wù)部門自行建設(shè)網(wǎng)絡(luò)平臺。網(wǎng)絡(luò)平臺搭建好后，需要教師提供豐富的教學(xué)資料。

植物纖維化學(xué)實驗可分為驗證性實驗和設(shè)計性實驗兩大類。驗證性實驗教師要準(zhǔn)備的課程素材中，微視頻是重要內(nèi)容之一。微視頻的錄制與傳統(tǒng)課堂講課內(nèi)容不同，教師需要將每個實驗拆分為小的知識點單元，以拆分的知識點內(nèi)容為藍(lán)本逐一錄制，視頻時長控制在5～15分鐘。除了微視頻，教師還需要準(zhǔn)備其他的課程素材，包括教學(xué)大綱、課程介紹、講課課件、教材、動畫等。

設(shè)計性實驗則是針對某個專業(yè)問題，讓學(xué)生根據(jù)所學(xué)的理論知識，自己設(shè)計出詳細(xì)的實驗方案，并完成實驗操作，分析實驗數(shù)據(jù)，最終解決問題。這種類型的實驗對學(xué)生創(chuàng)新實驗思維的培養(yǎng)大有裨益。翻轉(zhuǎn)課堂突破了時間和空間的限制，教師可根據(jù)實際生產(chǎn)或科研工作中出現(xiàn)的問題讓學(xué)生討論、交流、設(shè)計方案，引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系理論知識，解決實際問題，擴(kuò)展科研思維。

教師將課程學(xué)習(xí)素材準(zhǔn)備好后，發(fā)布到學(xué)校的教學(xué)網(wǎng)站或第三方網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，并設(shè)置好課程公告、開課時間、討論與交流欄、成績評定標(biāo)準(zhǔn)等信息。

2.2 學(xué)生自主學(xué)習(xí)階段

這個階段是翻轉(zhuǎn)課堂最為關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，學(xué)生自主學(xué)習(xí)的質(zhì)量決定了最終的教學(xué)效果。學(xué)生登錄網(wǎng)站根據(jù)教師提供的學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)任務(wù)、學(xué)習(xí)內(nèi)容在課下自行安排時間進(jìn)行學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)過程中遇到問題，可以在討論區(qū)留言咨詢教師或在小組內(nèi)討論交流。

2.3 課堂實驗及課程評價

學(xué)生經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)課程的學(xué)習(xí)后，對實驗課程中的重點和難點有了清晰的認(rèn)識。在課堂實驗上，針對網(wǎng)絡(luò)課程中存疑的知識點進(jìn)行分組討論，這期間教師只是起到引導(dǎo)和啟發(fā)的作用。學(xué)生把前期學(xué)習(xí)存在的問題解決后，進(jìn)行實驗室實驗操作。課堂實驗操作通過前面環(huán)節(jié)的鋪墊、課程討論的確認(rèn)，學(xué)生實驗過程十分順利。課程評價方面，翻轉(zhuǎn)課堂對學(xué)生的評價貫穿整個教學(xué)過程，從網(wǎng)絡(luò)課程的學(xué)習(xí)、討論到課堂實驗操作、學(xué)生間的互評等都計入學(xué)生的綜合評價。

3 翻轉(zhuǎn)課堂在植物纖維化學(xué)實驗教學(xué)中的實施案例

為了展示翻轉(zhuǎn)課堂在植物纖維化學(xué)實驗中的應(yīng)用，以纖維素含量測定實驗為例，重點探討上述翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式中三個環(huán)節(jié)的具體實施。

3.1 教師發(fā)布教學(xué)素材和任務(wù)單

教師提前在網(wǎng)絡(luò)平臺上發(fā)布纖維素含量測定實驗的PowerPoint課件、教材、實驗的具體操作流程、注意事項、實驗操作視頻等資料。另外還需要制訂出纖維素含量測定實驗的任務(wù)單(見表1)，并發(fā)給學(xué)生。

表1 纖維素含量測定實驗任務(wù)單

3.2 學(xué)生自主學(xué)習(xí)階段

學(xué)生登錄教學(xué)網(wǎng)站，根據(jù)教師下達(dá)的任務(wù)單，認(rèn)真學(xué)習(xí)實驗內(nèi)容，觀看實驗視頻，思考教師提出的問題。學(xué)生可以將網(wǎng)絡(luò)課程里的疑問發(fā)布到討論區(qū)和同伴進(jìn)行交流或咨詢教師。例如，纖維素含量測定實驗里需要配制硝酸乙醇溶液，在配制此溶液的過程中有兩個注意事項(一是量取硝酸和乙醇的量器不可共用；二是配制時，硝酸往乙醇里面少量多次加入)，教材和視頻里面會重點指出。如果學(xué)生不認(rèn)真觀看視頻操作，實際動手操作時很可能出現(xiàn)意外情況。關(guān)于硝酸乙醇溶液的配制，學(xué)生可以根據(jù)以前的理論知識在討論區(qū)預(yù)判實驗過程中出現(xiàn)的狀況。例如：如果配制過程中，量器混用會出現(xiàn)什么情況？配制時乙醇往硝酸里面加入會出現(xiàn)什么情況？通過自主學(xué)習(xí)和小組討論，最終教師與學(xué)生對實驗中的細(xì)節(jié)問題形成共識，再進(jìn)入實驗室實驗。這種互動參與式討論，是翻轉(zhuǎn)課堂自主學(xué)習(xí)階段很重要的一環(huán)，將學(xué)生的角色從被動實驗變?yōu)橹鲃訁⑴c學(xué)習(xí)，是對傳統(tǒng)課堂教學(xué)的有益補(bǔ)充。

3.3 課堂實驗及課程評價

網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)完后，學(xué)生進(jìn)入實驗室進(jìn)行實際操作。實驗課堂上，教師會針對實驗中出現(xiàn)的注意事項和核心知識點再重點提醒，同時解答學(xué)生存在的疑問，引導(dǎo)學(xué)生順利完成實驗。在了解整個實驗過程中的關(guān)鍵知識點和注意事項后，學(xué)生對實驗中可能出現(xiàn)的情況也有清晰的認(rèn)知。例如視頻中的爆沸現(xiàn)象、硝酸乙醇的錯誤配制方法產(chǎn)生的后果等，學(xué)生再動手操作時，就會格外注意，保證了實驗的順利進(jìn)行。學(xué)生的成績評定，教師綜合學(xué)生自主學(xué)習(xí)(占30%)、實驗操作(占30%)、實驗報告(占20%)、單元測試(占10%)和最終的考試(占10%)等幾個環(huán)節(jié)綜合評定。

3.4 課后延伸

學(xué)生經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和課堂實驗后，掌握了纖維素含量的測定方法，但也要讓學(xué)生認(rèn)識到硝酸乙醇法測定纖維素的方法雖然純度高但也存在對纖維素的破壞程度大、測定的數(shù)據(jù)偏低等問題。能否應(yīng)用無損的測定方法獲得纖維素的含量呢？引導(dǎo)學(xué)生去查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，了解應(yīng)用現(xiàn)代儀器分析的方法來測定纖維素(或木素、聚戊糖等)的含量的可行性。如果可行，讓學(xué)生提交具體的實驗設(shè)計方案。這樣的引導(dǎo)會增加學(xué)生探索實驗的興趣，逐步將驗證性實驗內(nèi)容延伸到設(shè)計性實驗內(nèi)容和科研實驗內(nèi)容，為學(xué)生后期的科研實驗打下堅實的基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

植物纖維化學(xué)實驗課程在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中存在一些問題，教師結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂的優(yōu)勢，將翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式應(yīng)用到植物纖維化學(xué)實驗教學(xué)中，取得較理想的實驗效果，提升了學(xué)生的實驗積極性和創(chuàng)新思維能力。翻轉(zhuǎn)課堂將成績評定貫穿整個實驗過程，評價標(biāo)準(zhǔn)更趨合理，學(xué)生的實驗參與度更高。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式在植物纖維化學(xué)實驗教學(xué)中的成功應(yīng)用將推動這門實驗課程的教學(xué)改革，提高學(xué)生的實驗教學(xué)質(zhì)量，助力學(xué)生創(chuàng)新實驗思維的培養(yǎng)。