翻转课堂在有机化学专业综合实验课程中的教学实践

冯 建, 遇 丽, 熊 伟, 苏小东

(重庆科技学院 化学化工学院, 重庆 401331)

我校正在按照建立现代职业技术教育体系、推动高等教育分类管理、服务现代产业发展的要求,探索中国特色应用技术大学的办学体制,力求促进学校更好地服务重庆区域乃至全国的经济与社会发展[1]。有机化学专业综合实验是我校化学化工相关专业高年级学生必修的实践课程,重点培养学生运用化学的基本理论、基础知识和基本技能来解决科学研究与工业生产中的实际问题,培养学生研制开发有机化工产品的综合能力。翻转课堂在各大高校的相关实验教学中已得到了成功应用,并显示出良好的教学效果[2-6]。将翻转课堂引入了有机化学专业综合实验课程,进行了教学实践,探索适用于我校特色发展的教学方法和模式。

1 传统实验教学模式的问题

1.1 实验学时不足

有机化学专业综合实验学时只有32个,根据不同专业安排了4～6个综合型或设计型实验,大部分实验时间需要6～10 h。由于人才培养计划和整体课程设置的影响,有机化学专业综合实验的学时数基本不能上调。因此,实际进行教学时,为了学生能够完成实验,一般将实验安排在某一天全天进行,教师无偿加班指导学生实验,实验时间可以得到一定的延长。即便如此,由于讲解实验、仪器药品准备及学生操作不熟练等诸多原因,课堂时间依旧非常紧张,部分学生需要将时间延长至晚上才能勉强完成各个步骤,导致学生实验后身心疲惫,打击了学生后继学习的积极性。

1.2 师生交流互动较少

传统实验教学的知识传授过程依赖于教师,在课堂上,教师主要忙于讲解实验目的、实验原理、实验装置及操作步骤等。在实验过程中,虽然教师会给予学生一一指导,但这种指导一般仅限于纠正学生的操作错误。由于学生人数较多(一个教学班为40～60人),教师往往也只能发现一个问题纠正一个问题。学生为了在有限的时间内完成实验内容,通常只会按照讲解进行操作,很少思考实验过程中出现的问题,更谈不上去分析解决问题。这样一来,教师和学生之间的交流较少,师生之间缺乏专业知识的交流讨论,教学过程缺乏针对性,难以满足不同水平学生的需要。

1.3 实验预习流于形式

有机化学专业综合实验课程中所涉及的基础知识和基本操作,学生在先修课程中已经学习并操作过。在进行实验时,需要学生综合已学知识和技能,研制合成出相关的有机化合物。因此,该课程的课前预习非常重要。教师一般会要求学生做好预习,并检查相关的预习笔记。然而,部分学生的预习过于敷衍,只会摘抄教材中有关的实验步骤,忽视了实验项目涉及到的基本操作,对实验中可能出现的问题毫无预见和准备。

2 翻转课堂教学模式的设计

针对有机化学专业综合实验的学科特点和教学要求,设计了引入翻转课堂后的教学模式,大致分为课前、课堂和课后3个实施阶段,在此过程中教师和学生既保留了部分传统角色,又实现了角色的互换(见图1)。

图1 有机化学专业综合实验翻转课堂教学模式的基本流程

2.1 课前阶段

(1) 教师工作内容。根据有机化学专业综合实验的教学目标,在分析具体实验内容和学生学习情况后,教师将预开设实验项目的教学微视频、PPT课件、电子文档和其他相关素材上传至网上虚拟实验平台以及QQ群,要求学生课前进行相关学习和测试。依托重庆市化学化工实验教学示范中心,本课程的网上虚拟实验平台已经建设完成(见图2)。按照教师需求,平台设计嵌入了课程开设实验项目的基本教学内容,包括实验目的、实验原理、仪器药品、实验装置、实验步骤和注意事项等。教师利用该平台可以进行相关内容的编辑,对教学内容作进一步的完善和补充。通过网络途径,所有的教学资料和布置的任务能够第一时间传达给学生。

图2 虚拟实验平台截图

(2) 学生学习内容。学生根据个人时间和自身基础,在课前开展自主学习,这一过程是翻转课堂能否顺利进行的关键环节。为了督促学生完成课前学习,利用网上虚拟实验平台对每个学生的学习进度进行监控,尽量让布置的所有学习任务在线上完成。例如,首次观看实验微视频不能拖动网上播放器的进度条,也不能最小化,必须观看完成后才能进行其他操作。学生在完成电子资源的观看和必要的文献资料查阅后,还需要通过平台设置的测试。测试方式除常规的问卷答题外,还包括实验装置的模拟安装,可以从仪器箱中选择仪器进行组装,从药品箱中选择加入药品,当所有仪器连接正确且药品添加适当时才能通过测试。例如,图3为正确安装的普通蒸馏装置,如果仪器安装出错,对应的连接处会有提示。学生在这种模拟实验中能够对所犯的错误及时更正,从而避免在真实操作中再犯相同错误。学生在学习过程中可以记录疑问,相互之间也可以交流讨论,并将问题和建议及时反馈给教师,以便教师在课前根据学习情况及时调整教学方法和授课内容。考虑到学生在先修课程中对部分有机合成实验设备尚未接触过实物(如旋转蒸发仪),所以学生还可以提前预约到开放实验室进行直观体验。

图3 模拟安装的普通蒸馏装置

2.2 课堂阶段

(1) 教师工作内容。课堂上,教师主要引导学生运用课前自主学习的相关知识去解决有机合成中真实出现的问题。根据课前学生的测试水平和提出的主要问题,对讲解内容进行优化,通过组织小组讨论和巡查指导等方式解答学生存在的疑问,最后组织学生总结实验过程,点评实验操作,记录实验完成的质量、操作规范性及团队合作情况等。在课堂实施过程中,教师的讲解时间大大缩短,主要时间用于学生进行实验操作、问题思考及讨论交流。针对学生课前自主学习中存在较多问题的实验项目,教师可以让学生先进行装置安装、过程描述、互动纠错和相互问答,学生经过充分的交流讨论后,教师进行归纳总结,这样能够加深学生的主观认识,巩固掌握相关知识点,从而提高实验的成功率。鉴于有机化学专业综合实验涉及的项目大都存在一些危险性和安全隐患,而引入翻转课堂后学生的自由支配时间较长,教师监管难度增大,因此在加强实验室的安全管理上也进行了相应的改革实践[7]。在进行课堂教学时配备了专门的实验管理人员,配合任课教师完成实验教学工作,保障实验安全顺利地进行。因此,教师除了和学生进行交流讨论外,还需要和实验管理人员进行有效沟通,明确各自分工,确保实验室内所有人员的人身安全和财产安全。

(2) 学生学习内容。这个阶段,学生要充分展示课前自主学习的成果,大胆发表自己的见解,与老师和同学进行积极交流,寻求解答在课前产生的疑问或困惑。部分学生可以主动预先演示实验流程,让老师和同学提问、交流。在充分理解自我学习内容和教师讲解的基础上,学生独立操作完成实验,尽量自主分析解决实验过程中出现的问题。实验中注重团队协作和交流互动,及时汲取已出现问题的同学的经验和教训,避免自己出现类似的操作错误。同时,要做好实验记录,包括实验的详细操作步骤、药品用量、反应条件、实验现象、仪器型号和厂家等。

2.3 课后阶段

(1)教师工作内容。课堂教学完成后,教师及时总结学生的反馈信息,与学生继续通过面对面或QQ讨论的方式进行交流沟通,解决遗留问题,帮助学生总结实验成功的经验和失败的教训。对学生完成的实验报告进行批改,着重评价学生对反应基本原理、实验装置、产品纯化处理等单元的理解与掌握情况,根据具体学情对已有教学资料做进一步的优化和完善。在进行成绩评价时,需要考虑学生对于问题的多角度思考和创新性见解。另外,教师根据课程内容可以共享一些相关的课外综合实验视频,指定部分有兴趣的学生查阅文献资料、组建科研团队,以大学生科技创新项目等形式拓展课外实验,进一步培养学生开发有机化工产品的综合能力,满足学生个性化发展的需求。

(2) 学生学习内容。在完成课内实验后,学生要对自己的实验过程进行自我评价与反思,结合整理完善的实验记录对每一实验环节回顾分析,明确各个操作步骤的设计目的,然后再认真完成实验报告。报告中除了常规要求涵盖的实验目的、原理、装置和步骤等,还必须画出有机产品的纯化过程图,清晰地表示出每一操作步骤保留和废弃的物质。例如,进行萃取时,要表示出有机层和水层分别包含的主要化学物质；进行重结晶时,需明确母液和结晶中含有的主副产品。在完成上述学习内容时,学生可以登录网上虚拟实验平台,重复观看实验微视频、PPT讲义和其他相关资料,温故知新,夯实基础。另外,利用教师共享的课外综合实验视频和图书馆电子资源,学生可以选择感兴趣的实验课题,自主设计实验方案,与老师和同学积极交流探讨,申请进行课外拓展实验,提升自己的实验技能和创新能力。因为课外实验需要额外的经费开销,除部分教师利用自己的科研经费给予支持外,学校和学院提供了许多可供申请的项目,包括科技创新训练计划、优秀创新人才培养资助计划、创业训练实践计划、学科竞赛等,这些项目为有机化学专业综合实验的课外拓展提供了有效支持,为学生综合能力的培养发展提供了平台。

3 翻转课堂教学效果的评价

在进行翻转课堂的教学实践时,将近2年化学专业的学生随机分成了2个人数相当的平行班,其中一个班级为实验班,采用翻转课堂的教学模式,另一班级为对照班,采用传统教学模式。主要从实验完成率与成功率、实验报告完成情况、网上评教与调查结果及课外实验开展情况等几个方面,对比评价了翻转课堂在有机化学专业综合实验课程中的实践效果。

3.1 实验完成率与成功率

实验完成率是指学生在规定时间内顺利完成所有实验操作并获得目标产物,实验成功率主要考量产品的产量与纯度。以实验项目中耗时最长的2-乙酰基环己酮的合成为例,在规定的8 h内,实验班的完成率为100%,最终都能够获得产品,2-乙酰基环己酮的产量为2～3.5 g,纯度普遍高于90%。对照班在同样的时间内完成率仅为65%左右,并且有个别学生实验失败(无目标产物),完成实验的学生获得产品的产量大都低于2g,纯度平均低于85%。其他实验项目的情况与2-乙酰基环己酮的合成基本类似。由此可见,采用翻转课堂的教学模式后,学生在课前可以充分地学习和交流,大幅提高了实验的完成率与成功率。

3.2 实验报告完成情况

按照评分标准,实验班学生实验报告的平均成绩整体高于对照班,其书写水平也更胜一筹,主要体现在对实验原理的理解深度、实验装置作图的规范性、实验步骤与现象记录的准确性,以及对相关问题思考的深度和广度。可以看出,在翻转课堂教学中,由于学生主导了整个实验过程,其学习态度更为积极、学习兴趣也更为浓厚,实验报告的高质量完成也就水到渠成。

3.3 网上评教与调查结果

利用学校教务管理信息系统的学生评教与问卷调查功能,在完成所有有机化学专业综合实验项目后,学生对课程的教学效果进行了评分,并反馈了相关意见。采用传统教学模式的对照班,评分连续2年不到80分,学生反映的问题主要包括师生交流不足、课堂实验参与度不高、操作练习时间不够等。对比发现,引入翻转课堂后的班级,整体评分连续2年高于90分。学生对翻转课堂的教学模式给予了充分肯定,普遍认为教师提供的电子资源和网上虚拟实验平台对学习很有帮助,通过课程学习获得了丰富的理论知识和娴熟的实验技能,学会了团队紧密合作与高效沟通,激发了对有机合成的兴趣。

3.4 课外实验开展情况

统计结果表明,实验班学生申请进行课外拓展实验的热情远高于对照班,获得大学生科技创新训练计划等项目的立项数也更多。在课外实验中,实验班学生自主设计与创新的综合能力普遍较强,能够有效地进行文献查阅并及时吸取总结,能够积极主动地与教师进行交流探讨,大胆发表自己的见解。这主要得益于翻转课堂的教学是以学生为中心,给予了学生充分的自主权,锻炼提高了学生的相关综合能力。

4 总结与思考

目前,国家正在深化高等教育改革,积极推进高等教育的内涵式发展[8-9]。翻转课堂打破了传统教学的固有模式,其以学生为中心的教学理念符合改革发展的方向,有利于提高教育质量。有机化学专业综合实验作为一门理工科的实践类课程,注重培养学生的操作技能和应用能力,从学科角度出发,比较适合采用翻转课堂的教学模式[10-11]。教学实践证明,翻转课堂的引入提高了课堂教学效率,充分激发了学生的学习兴趣和实验热情,得到了学生的普遍好评,获得了良好的教学效果。

翻转课堂并非只是简单地将知识传授过程放到课堂之外,而是对传统课堂的优化和创新。在教学实践中也不能完全摒弃传统教学模式。教师作为知识传授者的传统角色是职业赋予的,无论科学技术如何发达,教学视频和网上虚拟实验平台等电子资源也不能完全替代教师,否则翻转课堂就变成了在线课程。同时,学生的知识水平和综合素质必定参差不齐,并非每一个学生都能较好地适应翻转课堂,自觉性差的学生难以做到自主学习。基于上述原因,尽管翻转课堂强调教师和学生角色的转变,但在有机化学专业综合实验等实践类课程中,教师和学生尚需保留部分传统角色。

参考文献(References)

[1] 冯建,熊伟,王金波,等.应用技术型高校有机化学实验教学改革初探[J].广东化工,2016(5):208-209.

[2] 王红,曾秀琼,刘秋平,等.基础化学实验翻转课堂教学模式的研究和实践[J].实验技术与管理,2015，32(5):196-199.

[3] 赵妍,梁山,崔玉红.论翻转课堂教学模式在高校基础化学实验中的应用[J].中国轻工教育,2015(5):81-85.

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[7] 冯建,熊伟,邱会东,等.加强化学化工实验室安全的探索[J].广东化工,2016(6):209-210.

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