基于翻转课堂的环境化学实验教学改革研究

王 艳，刘汝海

(中国海洋大学 环境科学与工程学院，山东 青岛 266100)

环境化学是本校环境科学专业学生的必修课程，主要研究有害化学物质在环境介质中的来源及存在形态、浓度水平、迁移转化降解等环境行为及其影响因素[1]。环境化学实验是环境化学课程中的重要实践性教学环节，开设于大四夏季学期，共设计6个综合性或验证性实验，包括海洋沉积物对铜的吸附、海洋沉积物中砷的污染分析、水中重金属的污染评价、有机物的正辛醇-水分配系数、苯酚的光降解速率常数、土壤中农药的残留等内容，总计32学时。通过环境化学实验课程的学习，深化环境化学课程讲授的基本知识，掌握研究环境化学问题的基本方法和手段，提高实验数据科学的分析能力和实验技能，使学生具备熟练的实验操作能力和独立的科研能力。

1 翻转课堂概述

翻转课堂是随着互联网的普及及计算机技术的发展而出现的一种新型的教学模式[2]，这种教学模式重构了传统的教学模式，使信息的传递过程完成于课堂之前，有利于教师及时、有针对性地解决学生在学习过程中存在的问题，更有利于学生对知识的深刻理解和吸收运用，自出现以来受到越来越多教育工作者的关注，并在课堂上得到了广泛的应用，取得了良好效果[3-4]。但任何一种教学方法都有其局限性，传统翻转课堂需要教师提前准备教学资料，并发送给学生，学生前期投入大量精力去理解和学习。由于教师缺少有效的方法评估和把控学生课前的参与程度，对于自律性和自主性较差的学生来说学习效果不佳，因此翻转课堂教学方法的使用应因材施教，根据学生的不同基础和学习需求做出相应的调整。

本研究拟改变原有“教师讲解一遍、学生仿作一遍、报告抄写一遍”的传统教学模式，通过翻转课堂的运用，引导学生自主学习，培养学习兴趣，满足学生的个性化学习需求，并达到提高学生环境样品采集、前处理、实验操作、数据处理等综合能力的目的。翻转课堂的应用对激发学生学习兴趣、挖掘学生创造潜质、拓展学生自主实践空间具有重要意义，对提高创新型分析技术人才培养质量具有积极的促进作用。

2 环境化学实验教学现状

环境化学实验课程教学方法较为单一，学生对于实验课的积极性不高。传统的教学模式基本是学生课前预习，教师课堂讲解实验原理、实验流程及注意事项，学生按照讲义开展实验、获取数据、完成实验报告，整个实验过程中，实验试剂的配制、实验器材和实验样品的准备等工作均由实验员完成。学生是教师指令的执行者，缺乏自主设计实验方案、完善实验方案的过程，这种教学模式下，学生缺乏学习主动性，创新思维得不到有效激发，综合素质得不到提高，对相关知识的掌握不够扎实。在批改实验报告的过程中发现，很多学生照抄实验讲义，对于实验课程中涉及的实验原理、操作步骤等并没有体现出自己对问题的思考，缺乏创新精神和开拓精神，不利于培养具有创新精神、实践能力的高素质人才。

3 环境化学实验教学改革策略

微信是一种便捷式媒体，具备知识信息推送、大数据获取、资源共享等功能。以微信平台为依托的网络教学模式已取得了一定进展[5-7]。翻转课堂的前提是学生课外先学习相关知识，课堂上能够深入参与教师指导的学习活动，以提升学习效果[8]。以微信平台为依托，教师通过微信平台推送环境化学实验相关知识，并与学生讨论学习中遇到的问题。整个实验课在教师指导下让学生全程参与实验的设计、操作与实验结果处理。实验报告增加自主设计方案、实验原始记录等内容，以量化学生自主参与课程的程度，达到激发学生学习兴趣、提高综合研究能力的目的。

3.1 明确实验目的，优化实验教学模式

环境化学实验课程开设于大四夏季学期，第三周开始上课，该课程的开设目的是串联学生之前学习的内容，使学生的学习、研究能力得到综合提升。学生前三年已系统学习了环境化学相关课程及实验，如无机化学、有机化学及实验、环境监测及实验、海水分析及实验、仪器分析及实验、环境化学等课程。如果环境化学实验不能把提高学生综合能力作为目的，则该课程很容易成为前期开设实验课的简单重复，体现不了该课程开设的初衷。

翻转课堂教学模式需要学生高度参与教学过程，意味着学生课下也要花费更多精力在课程的准备上。本课程的6个实验全部运用该种方式并不现实，选择1～2个适合的综合性实验，通过翻转课堂引导学生全程参与。学生每2人为一组，教师通过微信平台推送实验讲义等基本学习材料，并设置与课程有关且学生感兴趣的研究课题。以水中重金属污染评价为例，提前让学生准备课题——校园景观河水体重金属污染评价，每个小组需要在实验课前提交实验方案，包括水样采集方案、前处理方案、测定方案、实验结果处理方案、所需试剂及仪器等。

3.2 学生反向推送研究资料

讲义和要求发送后，由学生在规定时间内反向推送完成项目所需查阅的资料，由教师判断资料的有效性，并依此判断学生参与学习的程度。教师要在课前通过微信与学生讨论方案的可行性，解决疑难问题，必要时指导学生进行预实验。每个实验设计时长为5～6学时，课上各小组先用大约1个学时交流、讨论各自方案的优劣，取长补短，按照各自的实验方案进行实验。

方案讨论过程中发现，通过反向推送教学资料的方式，大部分学生能够达到自主学习的目的，能够主动去观察现场，并通过网络查找现场相关资料，考虑到由于没有明显污染源，河水重金属含量不会太高，所以又通过自主学习的方式找到更先进的痕量重金属测定方法。

3.3 改革课程评价体系，提高学生主动性评分占比

以往课程成绩评价形式强调结果性评价，忽视了过程性评价，片面追求实验结果的正确性，导致学生重报告、轻操作，不利于激发学生解决问题的灵活性和创造性。实验教学评价应更加关注学生求知、探究的过程，教师要全程监督学生的参与度，但量化该过程比较困难。对该过程的评价主要由三部分组成：一是学生自主完成的实验方案(占比20%)，方案是否详细、科学，可以反映学生课下对资料的掌握程度；二是对实验过程质量的评价(占比30%)，设计详细的过程评价表如表1所示，评价学生操作过程中的规范程度；三是对实验报告的评价(占比50%)，以学生实验报告中实验现象记录和误差分析(或实验失败的原因分析)、实验数据的处理等为主要依据。

表1 环境化学实验过程评价表Tab.1 Evaluation of environmental chemistry experimental process

4 翻转课堂教学模式效果评价

4.1 学习效果分析

方案讨论完善后，各小组依据自己的实验方案展开实验。首先，进行现场采样，各小组带着提前准备的实验器材去现场采集水样。对比传统教学模式下学生的采样行为可以看出，翻转课堂教学模式的应用，可以提高实验的科学性、系统性。以往的实验课教学中，在没有教师提前准备及教授的情况下，大部分学生只会带着采样瓶去采样，而翻转课堂教学模式下，学生会提前根据方案准备干净的采样瓶、固定剂、记号笔、记录本、现场环境监测设备，并考虑到样品保存等环节，现场采样也能严格按照采样规范进行。其次，在样品前处理及测定过程中，学生们都能够根据方案有序进行分工合作，并清楚每个步骤的目的。整个实验过程以学生为主，教师担当场外指导员的角色，只负责指出学生失误和疏忽的地方。最后，学生们可能会通过不同的实验程序，得出不一样的结论，报告的批改也不再唯“正确结果论”，只要能够对自己的实验结果给出合理的解释，就是一篇合格的实验报告。

4.2 学生成绩分析

环境化学实验共计6个，选择水环境重金属污染评价作为研究实验，并选择校园景观河作为研究对象。实验操作前，每2个学生为一小组，汇报自己的实验方案及注意事项，因课前学生充分利用各种网络资源，大部分学生根据预习资料进行了现场调查，实验方案比往届学生的更加科学、详实，现场采集水样时也更熟练、从容，能够有条不紊地开展数据观测和记录、采样瓶润洗、固定剂添加等工作。从学生的实验报告成绩分析，在翻转课堂教学模式下学生的实验报告平均分最高。数据分析显示，与其他四个实验报告分数在0.01水平上有显著差异，只与其中一个实验报告相比分数略高，但并没有显著差异。学生在实验操作过程中也更加独立，主动性强，学生通过这个实验也了解到科研工作的艰辛和繁琐。

5 结语

翻转课堂是一种新型的教学模式，在一定程度上可以提高学生课堂学习的参与度，弥补了传统教学模式下学生自主性较差的缺点，但也存在占用时间过多、不适合大范围使用等问题。如何选择合适的课程或模块进行翻转课堂教学也是教育工作者必须思考的问题。本研究选择一个相对简单的综合实验进行课堂翻转，学生参与教学资料的上传工作，能够对以往学过的内容进行有机串联，这也是教育工作者对该教学模式的积极探索。

本次研究中也存在一些不足，如只对学生上传资料的有效性进行评价，并不能了解学生对该资料的掌握程度；实验方案的考察也只是针对小组，并没有落实到个人；对于自律性较差的学生，成绩还是不能完全反映平时的付出。因此，需要对学生上传资料的方式和内容进行改革，以期使每个学生都能够通过资料查阅提高综合实验技能。