張小華，杜翠翠，朱日龍，陳金華，周海暉，何德良，劉婭莉，李永軍

(湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 長沙 410082)

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)改變了“老師在課堂上講課，布置家庭作業(yè)，讓學(xué)生回家練習(xí)”的傳統(tǒng)教學(xué)模式。課堂不再是單純的老師灌輸知識學(xué)生接受知識，而是基于學(xué)生自主在線上已完成知識學(xué)習(xí)之后的師生之間互動場所，學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，老師引導(dǎo)學(xué)生運用知識解決問題。特別是針對實驗課程的學(xué)習(xí)，如果按照傳統(tǒng)教學(xué)模式，單純的課堂時間要求完成理論學(xué)習(xí)、動手操作以及解決實際問題的知識運用必然是非常有限的，而翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)可以讓學(xué)生在課堂有更充足的時間進(jìn)行實際操作和探索，一方面可以完成知識回顧，更好地將理論和實際結(jié)合，另一方面實現(xiàn)將知識轉(zhuǎn)化為解決實際問題的能力。可以說，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式提高了學(xué)生在教學(xué)過程中的參與度，極大地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動性，為提升教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量提供了有效的保障，目前在國內(nèi)外得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用[1-2]。

本文以湖南大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實驗為例介紹基于SPOC翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的高校專業(yè)實驗的教學(xué)改革實踐，并對“翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式”與傳統(tǒng)“課堂教學(xué)”的學(xué)習(xí)評價體系進(jìn)行比較，思考“在線教學(xué)”或“混合教學(xué)”給高校實驗教學(xué)改革帶來的積極效應(yīng)以及應(yīng)用中可能存在的問題，以此進(jìn)一步優(yōu)化高校實驗教學(xué)模式，為推動科技創(chuàng)新發(fā)展和社會進(jìn)步更好地培養(yǎng)研究型和復(fù)合應(yīng)用型人才。

1 SPOC及翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)概述

SPOC是小規(guī)模限制性在線課程(Small Private Online Course)的英文縮寫，是在大規(guī)模在線課程(massive online open course)即MOOC[3-4]的基礎(chǔ)上發(fā)展來的。由于MOOC具有在線開放性、時空靈活性、網(wǎng)絡(luò)互動性等特點，為實現(xiàn)優(yōu)秀數(shù)字化教學(xué)資源全網(wǎng)絡(luò)開放共享提供了有效途徑，也為高校教育教學(xué)開啟了在線開放式教學(xué)的新模式。目前，國內(nèi)外開啟了網(wǎng)易公開課、清華學(xué)堂在線、coursera、EDX、iversity及futurelearn等眾多的知名MOOC平臺[5]。但是隨著MOOC平臺上課程數(shù)量和學(xué)生數(shù)量增加，也引發(fā)了諸多的教學(xué)質(zhì)量問題。比如，課程門檻低導(dǎo)致基礎(chǔ)較差的學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高；課程的開放性使得課程學(xué)習(xí)沒有緊迫感，課程完成率很低；還有就是純網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的方式使得教師無法很好地掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況，教學(xué)質(zhì)量不能保障等。而且，MOOC也不適應(yīng)于實踐類課程。為此，加州大學(xué)伯克利分校的阿曼德·?？怂菇淌谧钤缣岢隽司哂蠸mall和Private特征的SPOC課程的概念[6]，相對于MOOC的Massive和Open而言，SPOC學(xué)生規(guī)模較小，同時對學(xué)生設(shè)置限制性準(zhǔn)入條件。

基于SPOC課程的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)通常的做法是教師將預(yù)先錄制好的或者由已有的在線MOOC視頻資源剪輯的多個獨立專題小視頻、學(xué)習(xí)建議要求、自學(xué)環(huán)節(jié)自測題等材料上傳到教學(xué)管理平臺；之后學(xué)生通過平臺結(jié)合老師提供的教材、PPT、視頻等進(jìn)行獨立學(xué)習(xí)，完成并提交相關(guān)自測題，并反饋學(xué)習(xí)中存在的疑問；接下來，教師根據(jù)平臺學(xué)生學(xué)習(xí)和提到的相關(guān)疑問的情況制訂課堂教學(xué)進(jìn)度以及重點、難點，更有針對性地開展課堂教學(xué)，同時根據(jù)實際的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行相應(yīng)的課堂或者平臺練習(xí)以鞏固所學(xué)知識或進(jìn)行適度的知識拓展和延伸。反過來，學(xué)生通過課前自主預(yù)習(xí)、課堂學(xué)習(xí)以及相關(guān)練習(xí)，進(jìn)一步對學(xué)習(xí)專題知識進(jìn)行總結(jié)、歸納、反思。

2 應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實驗SPOC課程翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)實踐

2017年2月，教育部發(fā)布的《關(guān)于開展“新工科”研究與實踐的通知》指出，各高校應(yīng)立足國際工程教育改革發(fā)展前沿，研究發(fā)達(dá)國家工程教育新趨勢、新策略，以工程實踐能力強、創(chuàng)新能力強、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型人才為“新工科”專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[7]。在“新工科”背景下，作為高校人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)和教育教學(xué)不可或缺的重要內(nèi)容，工科專業(yè)實驗教學(xué)在擁有難得發(fā)展機(jī)遇的同時，也面臨了實用性更強、交叉性更廣、綜合性更高的新要求和新挑戰(zhàn)[8]。以湖南大學(xué)“應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實驗課程”教學(xué)為例。湖南大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)其前身金屬腐蝕與防護(hù)專業(yè)成立于1962年，2001年更名為應(yīng)化專業(yè)，2002年批準(zhǔn)為湖南省重點建設(shè)學(xué)科。作為應(yīng)用化學(xué)專業(yè)必修課程，“應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實驗課程”側(cè)重于學(xué)生操作動手技能、綜合實踐應(yīng)用能力和科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，是應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生極為重要的實踐環(huán)節(jié)[9]?！皯?yīng)用化學(xué)專業(yè)實驗課程”傳統(tǒng)的教學(xué)總體上分為“實驗預(yù)習(xí)”、“實驗課堂”以及“實驗結(jié)果評測”等三個階段。“實驗預(yù)習(xí)”主要由學(xué)生單方面完成，基本上不存在師生互動，預(yù)習(xí)很難達(dá)到對實驗原理、實驗內(nèi)容、實驗難點等預(yù)先了解的要求。“實驗課堂”大都由教師對實驗原理、實驗操作步驟及實驗注意事項等進(jìn)行講解并演示，學(xué)生基本上是機(jī)械地依照教師講授內(nèi)容和課本按部就班地進(jìn)行實驗操作[10-11]，缺少獨立思考?！皩嶒灲Y(jié)果評測”缺乏有效的評價體系和方式，過多依賴于實驗報告的內(nèi)容，特別是對學(xué)生實驗過程操作技能和創(chuàng)新能力難以進(jìn)行有效評價[12]。顯然，傳統(tǒng)的專業(yè)實驗教學(xué)已經(jīng)很難滿足“新工科”專業(yè)人才培養(yǎng)的要求。為此，我們基于兼具慕課開放性、靈活性、互動性以及線上線下混合教學(xué)特點的SPOC課程，于2018年下半學(xué)年開始開展了應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實驗翻轉(zhuǎn)課堂的立體化教學(xué)模式。

2.1 課程平臺

我們在“愛課程網(wǎng)”(http://www.icourses.cn/)注冊登錄并通過認(rèn)證后再登錄并訪問“中國大學(xué)MOOC”平臺(https://www. icourse163.org/)，利用平臺申請創(chuàng)建了應(yīng)用化學(xué)專業(yè)綜合實驗獨立SPOC課程作為實驗翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)平臺。下圖為湖南大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)綜合實驗獨立SPOC課程網(wǎng)絡(luò)平臺首頁 (圖 1)。

圖1 湖南大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)綜合實驗獨立SPOC課程網(wǎng)絡(luò)平臺

2.2 SPOC課程網(wǎng)絡(luò)資源平臺建設(shè)

湖南大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實驗SPOC課程主要從內(nèi)容體系、視頻體系和評價體系三方面進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源平臺建設(shè)。具體實施如下：

2.2.1 內(nèi)容體系建設(shè)

內(nèi)容體系建設(shè)是課程建設(shè)的基礎(chǔ)。在應(yīng)用化學(xué)專業(yè)本科生培養(yǎng)計劃的完整知識框架前提下，以專業(yè)研究方向為單位劃分實驗教學(xué)內(nèi)容，建構(gòu)單元主題明確的實驗課程內(nèi)容體系；利用課程中心網(wǎng)絡(luò)平臺，收錄、整理、上傳各單元實驗內(nèi)容，包括：實驗原理、實驗?zāi)繕?biāo)、實驗儀器設(shè)備、實驗操作步驟以及實驗拓展應(yīng)用領(lǐng)域等，針對單元實驗中的難點、重點及拓展應(yīng)用等設(shè)計主題互動，建立在線預(yù)習(xí)自我測試區(qū)、實驗交流區(qū)、實驗討論總結(jié)區(qū)和拓展案例討論區(qū)，以此建設(shè)適應(yīng)于自主學(xué)習(xí)式、啟發(fā)式、探究式及研討式等多種教學(xué)方法相結(jié)合的SPOC翻轉(zhuǎn)課堂的網(wǎng)絡(luò)資源平臺內(nèi)容體系。

2.2.2 視頻體系建設(shè)

獨立小視頻既是實驗SPOC翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式推行的核心和重要載體。該載體基于湖南大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)培養(yǎng)計劃，并圍繞應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實驗大綱要求，對現(xiàn)有應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實驗課程中電化學(xué)、金屬腐蝕與防護(hù)、表面處理技術(shù)、新能源方向的16個核心實驗進(jìn)行剖析和整理，結(jié)合重點實驗單元的實驗?zāi)繕?biāo)、實驗內(nèi)容、實驗原理等突出實驗環(huán)節(jié)的重點和難點，分實驗自主預(yù)習(xí)階段、老師講解階段、老師演示階段、學(xué)生操作階段、實驗分析總結(jié)階段以及實驗拓展討論階段設(shè)計和錄制適用于SPOC翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實驗課程體系網(wǎng)絡(luò)資源平臺的獨立小視頻單元。

2.2.3 評價體系建設(shè)

客觀、公正、系統(tǒng)的教學(xué)評價體系是對學(xué)生學(xué)習(xí)過程和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式應(yīng)用效果進(jìn)行考察的重要依據(jù)和機(jī)制，也是提高“新工科”人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要保障。為此，我們從實驗自主預(yù)習(xí)階段、操作階段、實驗總結(jié)階段以及拓展討論階段等各個環(huán)節(jié)建立多維度的考評體系：線上自主預(yù)習(xí)階段要求在線完成有關(guān)實驗原理、實驗?zāi)康摹嶒瀮?nèi)容、儀器設(shè)備操作、實驗流程的獨立視頻觀看學(xué)習(xí)，并完成預(yù)習(xí)自我測試，根據(jù)觀看視頻時長以及完成預(yù)習(xí)自我測試情況計分，占總評成績30%；課堂實驗階段以2～4人的小組為單位進(jìn)行相關(guān)實驗，在學(xué)生開始實驗之前先由實驗指導(dǎo)老師針對實驗重點、難點對小組每一位成員提問，進(jìn)一步了解每一位學(xué)生的自主預(yù)習(xí)情況，確定小組成員已清楚了解實驗內(nèi)容、實驗原理、操作等情況后允許學(xué)生開始具體的實驗操作，實驗過程中同步查看學(xué)生的操作情況，實驗結(jié)束課堂即時提交實驗記錄，根據(jù)預(yù)習(xí)檢查情況、具體實驗操作情況以及實驗記錄情況評分，占總評成績35%；實驗總結(jié)階段要求線上完成討論題，同時線下提交實驗報告，占總評成績25%；拓展討論部分根據(jù)學(xué)生個人情況分析拓展思考題，占總評成績10%。通過以上各個階段多維度的考評可以對學(xué)生實驗過程的全程表現(xiàn)以及實驗?zāi)芰M(jìn)行綜合考評，包括預(yù)習(xí)階段對實驗原理等理論知識的掌握程度，操作階段實驗操作的連貫性、正確性和發(fā)現(xiàn)及解決問題能力，以及實驗分析總結(jié)階段對實驗結(jié)果的分析能力，重要的是結(jié)合拓展階段的實踐及應(yīng)用案例討論環(huán)節(jié)的評價可以更好地引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生的探究精神及創(chuàng)新能力。

2.3 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)實踐

在此，以“用線性極化技術(shù)測量金屬腐蝕速度”為例闡述湖南大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實驗SPOC課程翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的實踐過程?！坝镁€性極化技術(shù)測量金屬腐蝕速度”的實驗原理是基于在腐蝕電位附近區(qū)間(Δφ≤±10 mV)，Δφ/ΔI和自腐蝕電流ie之間存在著線性關(guān)系，也就是說表征金屬腐蝕速度的腐蝕電流ie與極化阻力Rp(Δφ/ΔI)符合Stern-Geary方程式:

式中ba、bk為塔菲爾常數(shù)[13]。本實驗中，利用電化學(xué)工作站測得碳鋼材料在加有緩蝕劑(硫脲、若丁)或不加緩蝕劑的硫酸腐蝕介質(zhì)中的極化電阻及Tafel曲線的ba、bk常數(shù)，利用Stern-Geary方程式即可求得腐蝕速度。為了學(xué)習(xí)如何利用電化學(xué)工作站采用線性極化方法測定碳鋼在硫酸介質(zhì)中的腐蝕速度，并以此評定硫脲和若丁兩種緩蝕劑對碳鋼在硫酸中的緩蝕效率，學(xué)生必須掌握線性極化技術(shù)的原理、掌握電化學(xué)工作站的操作。

圖2按課前預(yù)習(xí)、課堂實驗及課后總結(jié)三個環(huán)節(jié)介紹“用線性極化技術(shù)測量金屬腐蝕速度”實驗基于SPOC進(jìn)行線上線下翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的實踐過程。課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)主要基于線上SPOC課程平臺設(shè)置視頻學(xué)習(xí)區(qū)和討論區(qū)引導(dǎo)學(xué)生預(yù)先通過視頻學(xué)習(xí)理解線性極化技術(shù)原理和電化學(xué)工作站的使用方法，提前了解并把握線性極化技術(shù)測定碳鋼在硫酸介質(zhì)及硫酸加硫脲、若丁的測試溶液中腐蝕速度的實驗步驟以及關(guān)鍵操作，包括測試溶液配制、測試樣品前處理、線路連接、開路電位測試、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)記錄、后處理等，同時重點思考討論區(qū)兩電極體系、三電極體系、同種材料三電極、電位控制、電流控制、緩蝕劑緩蝕效率等相關(guān)問題，并結(jié)合自身課前預(yù)習(xí)情況提出相關(guān)問題。課堂實驗環(huán)節(jié)則為了同時培養(yǎng)學(xué)生獨立實驗和團(tuán)隊協(xié)作能力按2～4人分組分三個階段開展教學(xué)活動：首先，隨堂分組就基本原理、重要知識點、實驗內(nèi)容、關(guān)鍵操作、注意事項等提問，一方面檢查學(xué)生課前預(yù)習(xí)情況，另一方面強調(diào)和加深學(xué)生對基本原理、重要知識點等的理解和掌握；接下來各組根據(jù)實驗任務(wù)和要求安排組員獨立或協(xié)作開展實際實驗操作，老師對學(xué)生儀器操作、實驗操作的規(guī)范性、安全性等進(jìn)行隨堂考查評價，并就相關(guān)問題給予即時指導(dǎo)；各組完成實驗操作后填寫實驗記錄，老師匯總實驗數(shù)據(jù)及相關(guān)結(jié)果，結(jié)合操作環(huán)節(jié)的具體情況，和學(xué)生交流討論“用線性極化技術(shù)測定金屬腐蝕速度”實驗中的重點、難點以及該技術(shù)可行的拓展應(yīng)用等。課后總結(jié)環(huán)節(jié)通過線下和線上結(jié)合進(jìn)行：線下按湖南大學(xué)實驗報告模板要求完成實驗報告并提交，同時線上在SPOC課程平臺完成討論區(qū)問題和調(diào)查問卷提交，老師根據(jù)實驗報告以及課程平臺導(dǎo)出的統(tǒng)計學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)對學(xué)生總結(jié)分析實驗數(shù)據(jù)、理解知識點、發(fā)現(xiàn)和解決關(guān)鍵問題的能力進(jìn)一步進(jìn)行評價。

圖2 基于SPOC進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的過程實踐圖例

3 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)評價體系對照

表1是“線性極化技術(shù)測定金屬腐蝕速度”實驗基于SPOC翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)和“動態(tài)恒電位掃描法測定極化曲線”實驗傳統(tǒng)教學(xué)中對開課班級部分學(xué)生進(jìn)行評價的情況。從表1不難看出，傳統(tǒng)教學(xué)主要是依賴實驗報告對學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)行評價，而基于SPOC翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)從學(xué)生自主學(xué)習(xí)、實際操作、實驗總結(jié)分析以及交流討論等多個維度提供了多元的評價依據(jù)。更重要的是，我們注意到在實際操作評價中表現(xiàn)較差的學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性低、分析交流及探究性相對不活潑，而實驗報告撰寫整理較差的學(xué)生有一部分卻表現(xiàn)出較強的實際操作能力。以上說明，實驗課程的傳統(tǒng)教學(xué)評價中單純的實驗報告對學(xué)生實驗過程操作技能和創(chuàng)新能力難以進(jìn)行有效的評價，而基于SPOC翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)中的多維度評價體系可以對學(xué)生學(xué)習(xí)主動性、積極性、實驗操作能力、分析問題、解決問題的能力以及探究和創(chuàng)新思維能力等進(jìn)行綜合考評。可以說基于SPOC的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的評價體系應(yīng)用于專業(yè)實驗教學(xué)中可以 更加準(zhǔn)確、全面地反應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，并更加真實地檢驗和反饋教學(xué)質(zhì)量。

表1 “翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式”與傳統(tǒng)“課堂教學(xué)”的學(xué)習(xí)評價對照

4 應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實驗基于SPOC翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的反饋與問題

湖南大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實驗于2018及2019兩個年度開展基于SPOC的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)以來，80%以上的學(xué)生課前能主動積極地完成線上視頻學(xué)習(xí)要求，90%以上的學(xué)生能很好地跟隨討論區(qū)設(shè)置問題的引導(dǎo)，在課堂實際操作中關(guān)注重要知識點和關(guān)鍵操作，順利地完成實驗內(nèi)容，更有35%以上的學(xué)生在課堂交流互動和實際操作中表現(xiàn)出強的創(chuàng)新思維能力和操作水平。總體上基于SPOC的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)得到開班學(xué)生100%的支持和好評，從反饋的意見來看，大家普遍認(rèn)為翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)從以下幾個方面很好地提高了教學(xué)效果：一、課前線上基本原理、重要知識點、關(guān)鍵實驗操作等視頻學(xué)習(xí)方便、高效，不拘于空間、時間限制；二、基于線上視頻不懂的地方可以支持回看；三、視頻時長大都是10分鐘左右，重點突出，能保證學(xué)習(xí)注意力和學(xué)習(xí)效果；四、知識原理學(xué)習(xí)與實際操作演示相結(jié)合，通俗易懂；五、討論區(qū)很好地引導(dǎo)和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)中的主動思考，也提供了很好的師生互動平臺；六、課堂中有更充足的時間進(jìn)行試驗操作并開展相關(guān)的拓展研究；七、基于課前有效的預(yù)習(xí)，課堂老師可以更有針對性地進(jìn)行教學(xué)指導(dǎo)。當(dāng)然，學(xué)生也提出了翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)中初期最大的問題就是課程平臺的注冊認(rèn)證過程比較繁瑣，期待有更靈活便捷的注冊認(rèn)證平臺。

5 結(jié) 語

基于SPOC的翻轉(zhuǎn)課堂的實驗教學(xué)模式是集傳授理論知識、演示實際操作、推廣實踐應(yīng)用以及激發(fā)創(chuàng)新思維于一體的立體化教學(xué)模式，是培養(yǎng)學(xué)生綜合實驗?zāi)芰σ约皩W(xué)生知識運用能力的有效平臺。為了能更好地推進(jìn)“在線教學(xué)”在高校實驗教學(xué)中的應(yīng)用，大力推動實驗教學(xué)方法改革、提升實驗教學(xué)質(zhì)量，我們必須進(jìn)一步優(yōu)化線上包括知識原理、內(nèi)容、規(guī)范操作、關(guān)鍵問題、重點討論等視頻內(nèi)容體系及其他教學(xué)資源建設(shè)；同時加強線上線下師生互動環(huán)節(jié)，基于問題設(shè)計更好地引導(dǎo)學(xué)生主動認(rèn)知、積極思辨、深度探究和努力創(chuàng)新；還有就是設(shè)立實時有效的、科學(xué)合理的評價指標(biāo)、權(quán)重系數(shù)，建立建全實驗課程全程學(xué)生知識原理掌握、操作技能和創(chuàng)新能力的考核機(jī)制體系。