翻轉課堂在環境工程微生物學教學中的應用

汪城墻 韓悅 杜秉海 丁延芹

【摘 要】隨著多媒體技術的日益興盛以及“互聯網+”思維的廣泛應用，大學的課堂教學模式也日趨多樣化。翻轉課堂作為一種逆序創新型的教學模式，在我國開始實施并取得了一定成效，在工科類課程教學中也有重要的應用價值。在翻轉課堂教學改革中，本文以環境工程微生物學的知識點為依托，將新型教學模式與傳統教學模式有機結合，以學生的“提出問題”、“探究問題”和“解決問題”為主線，促進學生對工科知識的有效掌握。讓學生成為工科教學中的課堂主體，真正融入到教與學的整個過程。

【關鍵詞】工科；環境工程微生物學；翻轉課堂；學生主體

中圖分類號：G642 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）28-0187-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.28.085

【Abstract】With the increasing popularity of multimedia technology and the extensive application of “Internet+” method， the teaching mode in university is becoming more and more diversified. As a kind of innovative teaching model， flipped classroom has been applied in our country and achieved some effective results. It also has important application value in the teaching of engineering courses. Based on the knowledge of Environmental Engineering Microbiology， this article combined the new teaching method with the traditional teaching mode to promote the students effective mastery of engineering knowledge， by “asking problems”， “inquiring problems” and “solving problems” for students. So that， students became the classroom subject in engineering teaching， and really participated in the whole process of teaching and learning.

【Key words】Engineering； Environmental engineering microbiology； Flipped classroom； Student subject

0 引言

在新工業革命加速發展的大背景下，新工科建設成為了高等工程教育適應新技術、新產業發展的重大戰略部署，具有重要意義[1]。在不同角度的新工科建設思路指引下[2-4]，各類理工科高校都應審時度勢，積極探討符合自身發展的教學科研新模式，加大改革力度，面向新產業不斷改進和提高工科專業人才培養質量，助力新工科建設[5]。山東農業大學是我國的重要地方多科性大學，環境工程微生物學是工科微生物學教學的重要內容，由生命科學學院微生物學系面向全校工科學生授課。環境工程微生物學是我國高等院校環境工程、環境科學、給水排水以及部分微生物學專業理工科學生的一門重要基礎課程，也是高等農林院校生物工程類專業發展及農林業現代化建設的重要基礎知識。隨著生物技術的飛速創新和廣泛應用，工科建設必然要匯集多元生物技術理論和方法，環境工程微生物學正是微生物學基礎理論知識和環境生態工程理論與工藝建設相結合的一門理工科交叉學科，對環境工程建設和發展具有重要意義。翻轉課堂教學模式，實現了對傳統教學順序“先教后學”的逆序顛倒，可有效促進工科學生的自主學習意識，增強其學習興趣和創造力，也有利于培養學生的創新創業意識。本文以我校環境工程微生物學課程的教學內容為依托，探討翻轉課堂教學模式在工科建設中的應用和對高質量工科人才培養的促進作用。

1 翻轉課堂的發展淵源及內涵

翻轉課堂教學模式起源于哈佛大學的埃里克·馬祖爾（Eric Mazur）教授在20世紀90年代創立的同儕互助教學（Peer Instruction）[6]。此后，在經濟學、化學等學科最早實現了成功教學的例子，使其從理論研究轉向了實際教學活動，取得了重要突破[7-8]。翻轉課堂“Flipped Classroom”或“Inverted Classroom”，亦可譯為“顛倒課堂”，實現了對傳統教學順序“先教后學”的逆序顛倒。此教學模式下，學生可有效利用課前時間預先學習，借助于多媒體工具，利用教師提供的音頻或視頻資料學習教學內容；教師不再占用課堂“講課”時間講授知識，而是針對學生提前自主學習中遇到的困難答疑解惑，增加了課堂共同探討問題以及和更多學生交流互動的時間。

翻轉課堂的主要特點，首先，教學過程一改傳統“教師教——學生學”的教學流程，轉變為學生自主學習在先，先學后教的模式。教師的課堂講解變成了師生交流互動過程，很好地體現了以“學生為本”的教學理念。其次，信息傳遞的內容和途徑變成了課余時間觀看教學視頻等資料的形式，短小精悍的預學習資料針對性強，能在短時間內有效集中學習者的精力解決特定的問題[9]。這對于動手操作和解決實際問題能力要求比較高的工科課程教學尤為適用。還能針對學生的個人能力差異選擇多次學習過程，將現代互聯網技術與知識傳授有機結合，更加形象和直觀的幫助工科學生理解設備構造、工藝流程和設計理念。再次，師生間的學習互動機會更多更廣泛。課堂上教師可以更多的聽取學生的學習心得，將呈現問題和解決問題融合在課堂討論之中。因為此教學模式實現了全體學生的相互交流，所以也有效緩解了部分學生上課精力不集中或不聽課的問題。

2 環境工程微生物學教學中翻轉課堂教學模式的實施策略

2.1 翻轉課堂應用中的一般教學模式

不同于以往的教學模式，翻轉課堂的教學程序設計，首要步驟是課前的學習資料設計。視頻設計、音頻設計、文檔資料的設計等是主講教師在課前需要首先完成的內容。學習資料主要是涵蓋環境工程領域微生物研究的重要理論知識、工程化設施，以及實驗原理，將重難點予以標注，明確教學目的，以“提出問題”的方式引導學生自發學習與思考。所準備的學習資料內容不宜過長，要結合趣味性和知識性于一體，使學生在先行學習新知識時不至于太過生硬和刻板，又能集中有限時間提高學生學習效率。課前的“學情分析”比精良的學習資料制作更為重要，只有掌握了學生的基本情況才能更有效地實現知識內化與知識體系構建。然后是課堂中師生互動探討，以提高學生對知識的掌握水平。課堂的主要教學活動是教師充當輔助的角色，學生成為主體，是學生集體解決問題的環節。學生可以就知識點進行分組交流，對課前視頻學習中遇到的疑難知識點和問題進行討論，教師引導學生尋找解決問題的思路。小組之間也可以互動討論，探索問題解決新思路。此外，教師需引領學生將所學知識實際運用于實驗等實踐環節。教師可在課堂上進行作業檢查，輔導的同時檢測學生對知識的掌握情況。而后是課后環節，是對整個學習過程的鞏固和提升，查缺補漏，完善知識體系和結構，達到認知的“分析、綜合、評價”的環節。

2.2 翻轉課堂在環境工程微生物學教學中的實際應用

環境工程微生物學的教學內容分為三部分，第一部分是微生物學基礎，第二部分是微生物生態與環境生態工程中的微生物作用，涉及到環境污染修復技術和設備的介紹等。第三部分是相關環境工程微生物學實驗。該課程教學中，實施“翻轉課堂”的課時比例為25%。下面以污水處理章節來介紹我校翻轉課堂教學模式的使用。

在課前學習階段，主講教師通過制作我國水污染現狀、污水處理方法、污水處理廠設計原理和模式，以及污水處理的生物學基礎方面的PPT資料以及搜集相關視頻，引領學生自學。首先，將學生4-5人分成一個學習小組，選出小組長負責監管，學生個人先在課前2-3天完成自學學習；然后，在上課前1天小組內討論，在互助學習中標注出仍存在的難點并提出問題，組長將問題發送至主講教師郵箱，用于課上討論。在課堂學習階段，老師匯總同學們的問題，先引導和啟發不同組學生之間進行解答和研討，然后老師用10分鐘左右的時間進行糾錯答疑和歸納總結，提煉出要點。考慮到我校工科背景的學生對微生物知識整體掌握較為薄弱，重點解讀污水處理中的微生物作用機理，如活性污泥的生物類群和互作、脫氮除磷微生物途徑。因為結合了課前的學習，尤其是對污水處理方法、處理廠設計原理和模式的提前學習，可幫助同學們更好更直觀的理解污水處理工藝，實現知其然到知其所以然的轉變，幫助實現產學研一體化學習。課堂上教師注意調動全體學生的積極性，教師答疑過程需要與學生之間進行啟發式相互研討，并可考慮加入部分實驗環節。對于最新科研進展，主講教師在進行“翻轉課堂”教學前，先告訴學生們如何查閱最新的SCI文獻以及閱讀方法，根據自主報名原則，選擇部分學生在課堂最后10分鐘對近年來的SCI科研論文進行匯報，每次1人，匯報1篇論文，并設立提問環節，讓學生們之間進行互動研討，以此來增強學生們緊跟科學發展前沿的意識，逐漸培養科研敏感性，亦可鍛煉學生的語言表達能力和自我展示能力。課上學生的互動表現要體現在平時成績中，敦促學生課上積極學習。課后，根據上課時講解和研討的內容，可留部分作業來檢查學生的掌握情況；對于污水處理廠設計模式等實踐類知識點，以小組模式設計一些實驗操作類或調研類題目，讓學生們對污水處理應用中的現狀和問題加深理解，尤其掌握對除污菌種的選擇和培養條件的優化，探索新經濟發展形勢下的污水處理改進工藝等。實驗部分的教學，可考慮讓學生針對學習的原理，從自身生活中設計部分實驗方案，然后進行操作練習。比如，污染水體中的生物監測與水體水質評述部分，讓學生選擇各自宿舍樓的生活污水，以及學校附近河流水，讓學生在貼近生活的情況下學習，更能引起學生們的共鳴和環保意識。課程結課時，結合考試改革，助力環境工程微生物學研究最前沿。在結課考試環節，增加文獻綜述類題目，解答近幾年SCI研究論文的設計思路、最新結果和科學意義。此部分的具體實施，要求學生們在課程中期考核前，每人各找1篇SCI文獻并將題目匯總給主講教師，此篇文獻即為相應學生最后考試環節的文獻綜述題介紹內容。以此進一步督促學生查閱最新科學前沿并培養文獻閱讀意識，將最新的環境理論開發和設備創新等研究成果融入到每位同學的學習過程。

3 翻轉課堂在新工科建設基礎課程教學中的教學思考

翻轉課堂以其全新的教學理念、顛覆式的教學模式和良好的教學效果贏得了廣泛關注。在我校環境工程微生物學的教學實踐中取得了一定的成效，但是目前使用這種教學模式還需考慮更多問題，才能更有效更廣泛的助力工科教學改革。首先，翻轉課堂的實施過程中，從教師教學視頻的制作、學生觀看以及后期總結反思階段的在線交流等環節都需要較高水平的網絡、視頻制作軟件和技術以及高水平的多媒體教學資料配備。因此，技術設備是首先需要解決的問題，并且還需要相應的教師掌握較高水平的視頻等教學資料制作能力。有些翻轉課堂教學過于注重視頻的制作，而沒有相應的知識滲透，華麗的外表缺乏內涵。其次，課程教學的翻轉是要求學生提高自主學習能力而非教師在課堂上過多的參與到“講解”之中。應加大力度培養和提升學生的自學能力，同時教師角色轉換為“輔導”的作用，需適當把握教師單向“輸入”知識的時間分配。課堂上雖以學生討論為主，但老師務必時刻需要以一個參與者的身份進行合作交流，采用合理模式調動全部學生的積極性。當然，視頻資料雖呈現在課前，但代替不了老師，同樣，課堂上學生的主體地位也不可忽略教師的作用。缺乏教師指導，而完全放任學生“自由發揮”的討論是缺乏實效的。最后，針對環境工程微生物學這門課程，我校的開課班級一般人數都較多，實際操作中缺乏個性化需求，管理上存在一定難度。翻轉課堂的學生人數應控制在30人左右的小班，這樣更有利于展開課堂討論、課中輔導以及課后的在線交流等。因此，實施翻轉課堂教學模式并非一種教學理念的推廣，而是在教學管理和課程調控上一次有意義的改革和嘗試。新工科建設熱潮的到來，給翻轉課堂帶來新的機遇和挑戰，期待日后在新工科教學中產生更加積極的成效。

工科基礎課程教學的研究需要不斷創新和探索新模式。高校是我國實施人才培養的主體，更應發揮主動作用，采用最新最有效的方法培養適合新工業發展的復合型人才。山東農業大學是山東省首批五所應用基礎型特色名校之一，主要方向和任務是服務農林水行業，在行業相關工科轉型建設的過程中，應進一步常態化研究“新工科”建設教學模式，力爭突破界限，面向社會協同創新，集校內資源與山東省農林水行業乃至全國資源，提升工科專業人才培養質量，服務行業需求和區域建設。

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