基于翻轉課堂的“礦物巖石學”實驗課程改革與實踐

曲希玉 邱隆偉 董春梅

摘要：引入翻轉課堂的教學模式，根據“礦物巖石學”實驗課程的特點，充分利用實驗室條件及學校周邊的自然條件，對課程進行了以下6個方面的改革和實踐：（1）理論與實驗課程分離；（2）組建結構合理的教學梯隊；（3）實現顯微數碼互動和實驗室全天候開放；（4）建立以學生為主體的翻轉課堂；（5）引入延伸教學模式；（6）明確合理的考核評價體系。通過上述的改革與實踐，“礦物巖石學”系列課程升級為省級和國家級的精品課程，同時也激發了學生的學習熱情和創新意識，多次在全國性的技能大賽中獲獎。

關鍵詞：翻轉課堂；礦物巖石學；實驗課程改革；實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）08-0102-04

翻轉課堂，亦稱反轉課堂[1]，是把知識傳授和知識內化的發生地點調換，讓學生先在課前自習，自主選擇學習內容、安排學習進度[2]，而課上教師負責答疑解惑，幫助學生完成知識內化[3]，從而培養學生的獨立思考和實踐能力，增強創新意識[4]。該教學方法起源于美國科羅拉多州落基山的“林地公園”高中，2007年該校的兩位化學教師（Jon Bergmann和Aaron Sams）為了幫助缺席學生補課，將上課的視頻上傳到網絡，讓學生在家看教學視頻，在課堂上完成作業，結果卻廣受學生歡迎，于是推廣開來[5，6]。目前翻轉課堂已進入第三階段——推廣階段，其線下課堂主要由指導答疑、拓展練習和師生互動三部分組成[7]。“礦物巖石學”實驗是一門非常重要的系列專業基礎課程，具有很強的實踐性，需要學生投入大量的時間來驗證和應用，鑒于此，中國石油大學（華東）礦物巖石課程組引入翻轉課堂教學模式，從課程設置、團隊建設、軟硬件投入、教學方法等幾個方面進行了改革和實踐，以達到拓展學生創新思維，提高實驗教學效率和效果[8]的目的。

一、理論與實驗課程分離，內容銜接

“礦物巖石學”是理論性與實踐性很強的系列專業基礎課[9]，實踐性強是其區別于其他課程的突出特點，由于這些課程理論課學時有限，并且課程理論體系和實踐體系之間的教學模式和內容差異較大，加上理論課學時不足，因此很難做到理論和實驗教學內容的完全兼顧與融合，不利于教學計劃的實施與教學成效的提高。因此，對中國石油大學（華東）“礦物巖石學”課程體系進行了實驗課單獨成課的改革，該成果在當前高等院校通識教育學分普遍提高、專業課程學分逐漸降低的情況下，為專業課在有限的學分里爭取了更多的學時。改革后理論課和實驗課的學分、學時分配原則分別為16學時每學分和24學時每學分，在學分保持不變的情況下，達到了突出實驗教學并增加“礦物巖石學”專業課程學時的目的（表1）。以結晶學與礦物學為例，原為3.5學分，56學時（實驗部分32學時），分解為結晶學與礦物學（1.5學分，24學時）和結晶學與礦物學實驗（1.5學分，36學時）后，雖然總學分減少了0.5學分，但是總學時卻增加了4學時，全部增加到了實驗教學上。改革后，中國石油大學（華東）地質學“礦物巖石學”課程總學時增加了10學時，資源勘查工程專業增加了20學時，且全部增加到實驗課中，實踐教學學時顯著增加[10]，徹底改變了一個巖類的實驗教學僅有7-8次實驗課的現狀[11]。實驗課與理論課的開課時間為同一學期，一般比理論課延后三周開始，這樣既兼顧了與理論知識的良好銜接，又不至于間隔時間過長，使學生對實驗內容產生生疏感。實踐證實該教學模式對于“礦物巖石學”實驗教學效果有明顯的提升。

二、團隊結構合理，相互促進

翻轉課堂要求改變傳統的一個教師一臺“獨角戲”的課堂講授模式，追求課程實施和課堂指導的團隊化。教師團隊通過合作開展課程研發設計和建設，以團隊形式進行課前學情研究、學習任務設計、學生在線學習中的問題梳理、課堂答疑以及個性化學習策略設計，教師團隊共同進入課堂開展指導和答疑[7]。“礦物巖石學”課程組由2名教授、3名副教授、3名講師和1名實驗員組成，團隊結構合理，內部分工明確：教授負責明確課程教學的方向和目標；副教授負責設計課程教學的實施方案，確定課程的重點和難點，并指導新手講師的專業發展；實驗員負責實驗儀器和標本的維護及升級。在課程進行過程中，副教授協助教授完善課程教學體系，編寫適應專業發展及社會需求的教學大綱，確定具體實驗設計方案，指導和解答學生在線學習的問題等；新手講師協助副教授和教授搜集、整理各種教學資源，在線互動并適時了解學習進度，統計、整理學生的在線學習問題，并更新試題庫，隨堂聽課并完成個性化學習的需求調查；實驗員協助所有上課教師準備實驗儀器和教學模型及標本。

三、實現顯微數碼互動，實驗室全天候開放

傳統的巖石學顯微鏡實驗教學中，師生交流往往由于設備的局限而存在障礙，老師在課堂上除必要的講解之外，其余有限時間多行走于學生之中進行指導，教師無法看到學生的鏡下圖像，需逐一到學生的顯微鏡下進行觀察、調試，該過程耗時且效率低下。對學生而言，整堂實驗課都在獨自進行鏡下觀察，無法對鏡下圖像進行共享，遇到問題無法及時得到老師的指導，學習質量低下。此外，傳統的光學顯微鏡由于不能進行圖像的遠距離傳輸和存儲，一些典型的鏡下圖像或好的實驗材料只能局限于某一次實驗課中，無法即時保存與傳輸，日后的實驗教學不能利用，教學資源無法共享[12]。針對上述問題，對現有的顯微鏡進行了升級換代，引進了30臺蔡司偏光顯微鏡，該顯微鏡配備一臺具有圖像采集和編輯功能的iPad，可以和顯微鏡互連，并連入局域網，通過局域網可以實現教師與學生、學生與學生之間的實時互動。教師通過聯網的iPad可以實時監測每名學生的鏡下觀察情況，學生之間也可以實時共享鏡下圖像（圖1），真正實現了教師在講臺上解答每名學生的鏡下問題，并將經典圖像共享給學生的愿望，既解決了教學效率低下的問題，又激發了學生的學習興趣。

A鏡下圖像的實時傳輸；B學生鏡下圖像的實時監測（A中iPad中的圖像）；C經典圖像的實時共享（B中P2號的圖像）

除了顯微數碼互動之外，為了最大限度地保證學生的自主觀察時間，對巖石學實驗室還實行了門禁卡制度，學生使用已經授權的校園卡，可以全天24小時進出實驗室。這樣對于應用能力差想補習的同學以及學有余力想進行課外觀察的同學提供了便利條件，學生在自主觀察的同時，對于難點和疑問點還可以進行圖像采集和傳輸，方便后續與同學和老師的交流和討論。

四、建立以學生為主體的翻轉課堂

“礦物巖石學”實驗的課堂翻轉與通行的“線上看視頻，完成任務；線下交流、答疑，完成作業”的翻轉課堂還是有區別的，“礦物巖石學”實驗的課堂翻轉是把更多的時間交給學生，使學生能夠自主、合理地安排時間進行學習，教師的責任是幫助學生解決學習中存在的問題并引導學生去運用知識，其課程運行模式為“課前預習—課上交流、互動及答疑—課上及課后完成實驗報告”。“礦物巖石學”實驗的課前預習是教師通過“石大云課堂”實現的，實驗課開始前任課教師在課程組的幫助下，將相關教學資源（包括教學大綱、教案、教學視頻、思考題等）上傳到云課堂，供學生課前預習使用；學生憑學號和密碼可以隨時登錄該系統，進行相關資源的查閱和學習，系統會自動記錄該學生的在線時間及學習內容。由于“礦物巖石學”課程是理論與實驗分開授課的，在實驗課程開始之前，學生對于相關的理論已經有了一定的了解和認識，這對于學生的課前預習無疑提供了很大的幫助。在隨后100分鐘的課上學習階段，教師利用10分鐘以內的時間對上次的實驗鑒定報告進行點評、并將本次課程的內容和任務布置給學生，剩余時間讓學生根據預習情況自主進行手標本和鏡下的觀察，教師通過“顯微數碼互動系統”監測學生的鏡下觀察情況，并針對學生提出的問題，進行互動和答疑。知識點掌握得好的同學可以在課上完成相關礦物巖石的實驗鑒定報告，掌握得較差的同學利用課上提問和討論深化對知識點的認識，利用課上剩余時間和課后自由時間完成實驗鑒定報告。以資源勘查工程專業的“礦物巖石學”實驗為例，其實驗報告可以分為手標本鑒定、鏡下薄片鑒定和鏡下素描三部分。手標本鑒定通過小刀、放大鏡和鹽酸等工具和手段，對巖石的顏色、成分、結構和構造進行觀察，給出簡單的定名，觀察鑒定時間一般在20-30分鐘；鏡下薄片鑒定是借助偏光顯微鏡對巖石的成分、結構、構造、結晶順序、次生變化等進行詳細觀察，并給出詳細的定名，觀察鑒定時間一般在40分鐘以上；鏡下素描是根據巖石的成分、含量，并結合鏡下典型的結構、構造，選擇合適的比例尺進行臨摹，這部分既考察學生觀察鑒定的水平，又考察學生素描的功底，完成時間在20-30分鐘左右。如果按以往要求學生必須課上提交報告的話，部分學生完成不了或者完成不好實驗鑒定報告，實行門禁卡制度之后，學生根據自己的課余時間安排，更好地完成了報告。

五、引入延伸教學模式

培養學生的實踐能力和創新意識是實驗教學改革的重要目標。礦物巖石在自然界比比皆是，與人類生活息息相關。針對這一特點，把實驗室課堂拓展到校園內外及大自然這個更廣闊的課堂，可以進一步強化巖礦鑒定技能，引導學生從驗證性學習延伸到探索性學習。讓學生從第二、第三課堂中汲取靈感，培養興趣，激發動力，培養他們的動手能力、創新意識和科研能力[13]。課程組在完成實驗室內礦物巖石學教學的基礎上，積極拓展實驗教學的第二課堂，將課堂教學擴展到了課外及野外，從室內的驗證性實驗延伸到校園內外的探索性學習。此過程中，教師提前進行校內外及野外備課，充分利用校園內外的石材以及周邊的自然條件，設計相關創新性的課題，如“我身邊的礦物巖石學”“校園內外石材考察”“小珠山野外考察及花崗巖種屬”“黃島海岸基巖特征”“青島地區花崗巖的分布”“靈山島沉積構造”等供學生自主選擇的野外考察選題。學生采用課堂討論、課前發言或撰寫考察報告等形式將考察研究結果進行交流，教師進行相應的指導和批改，并將該成果計入課程的最終考核成績。教師針對學生在第二課堂中發現的問題，有目的的開放實驗室，將教師的科研手標本和薄片提供給部分有興趣、有能力的同學，并鼓勵同學們申報大學生創新基金，參加大學生科技活動及各層面的巖礦鑒定技能大賽等，借此激發學生的科研興趣，引導學生進入教師科研的第三課堂。“礦物巖石學”的延伸教學新模式既開闊了學生的視野，鍛煉了學生認識、鑒定礦物的能力，又激發了學生的興趣，培養了其主觀能動性、創新性和實踐應用的能力，并在一定程度上拓寬了實驗教學空間，彌補了實驗教學資源的不足[14]。

六、明確合理的考核評價體系

傳統“一考定成績”的考核方式使師生的注意力集中在分數結果上，忽略了對學生的分析、歸納和總結能力的培養，已經不能滿足目前對學生考查的要求。在新的課程體系下，雖然理論教學與實驗課程單獨成課，但兩門課程的教學過程仍然緊密聯系，本著“課程分離，考試不分離”的原則，在實驗考核過程中兼顧了理論知識的穿插，在理論課程考試中涉及了實驗教學的知識點，最終確定了“方式多樣、內容靈活、成績復合”的考核思想。“礦物巖石學”實驗課的考試方式包括課內考核、課外考核以及延伸考核三部分。以地質學核心課程《巖漿巖與變質巖實驗》為例：①課內考核成績所占比例約為70%，主要包括學生平時課上互動情況、平時實驗報告的撰寫情況以及期末階段學生鑒定未知礦物巖石的能力，這三部分所占課內考核的比例分別為10%、30%和60%，期末考核時每位同學都應該對一個未知巖石手標本和一個巖石薄片進行系統鑒定、書寫鑒定報告。②課外考核以團隊形式進行，成績所占比例約為30%，憑借中國石油大學（華東）校內及周邊地區的天然優勢，在教師指導下，學生自選觀察點（相關選題見第5部分），進行詳細觀察、描述、查閱資料，采用課堂討論或者報告形式進行匯報，計入課外考核成績。③延伸考核以附加成績的形式體現，占總成績的比例最高為10%左右，主要是針對某些學習興趣較高的學生，結合相關教師的科研項目或者大學生創新創業計劃項目進行科學研究工作，針對其研究思想及效果給予成績，培養具有一定科研潛力的學生。

通過上述“礦物巖石學”實驗課程的改革與實踐，極大地激發了學生的學習熱情，培養了學生的動手能力和創新意識。學生多次在全國性的技能大賽中獲獎，2011年首屆青島市高校地質技能競賽中，我校學生獲得了巖礦鑒定技能和綜合地質技能一等獎；2014年第三屆全國大學生地質技能大賽中，我校學生獲得“地質標本鑒定”一等獎和三等獎各1項；2016年第四屆全國大學生地質技能大賽中，我校學生同樣獲得“地質標本鑒定”一等獎和三等獎各1項。在培養創新型人才的同時，課程組在課程建設上也實現了突破，2007年“礦物巖石學”課程獲評山東省精品課程，2013年董春梅教授主講的“礦物巖石世界之窗”獲評國家精品開放課程。

參考文獻：

[1]馬昌前，佘振兵，桑隆康.翻轉課堂教學模式在巖石學教學中的成功應用[J].中國地質教育，2014，（1）：44-47.

[2]劉立，陽小華，汪琳霞等.啟發式翻轉課堂教學模式研究[J].實驗技術與管理，2015，32（5）：31-34.

[3]張明昕.微課與翻轉課堂淺談[J].大學教育，2013，（12）：29-30.

[4]Strayer J F. How learning in an inverted classroom influences cooperation，innovation and task orientation[J]. Learning Environments Research，2012，15（2）：171-193.

[5]張金磊，王穎，張寶輝.翻轉課堂教學模式研究[J].遠程教育研究，2012，（4）：46-51.

[6]胡鴻志，管芳，郭慶.基于翻轉課堂與慕課的高校教學模式研究與實踐[J].實驗技術與管理，2016，33（12）：189-192.

[7]蔡寶來，張詩雅，楊伊.慕課與翻轉課堂：概念、基本特征及設計策略[J].教育研究，2015，（11）：82-89.

[8]劉宏達，張國堃，張文義等.基于翻轉課堂模式的電氣控制綜合實驗課程設計[J].實驗技術與管理，2017，34（3）：165-169.

[9]胡楊，譚凱旋，馮志剛，等.基于建構主義的《礦物巖石學》實踐教學探索[J].科技創新導報，2014，（8）：151，185.

[10]孟凡超.高等院校巖礦類課程實驗教學的改革與實踐[J].山東青年，2014，（11）：33，36.

[11]董國臣.“巖石學”教學與實踐探索[J].中國地質教育，2015，（4）：17-19.

[12]陳艷.巖石學和晶體光學實驗課教學新模式探討[J].中國地質教育，2015，（4）：27-30.

[13]董春梅，徐方建.“礦物巖石學”實驗課延伸教學新模式改革與實踐[J].中國地質教育，2013，（2）：138-140.

[14]牛花朋，謝慶賓，王春英，等.礦物學與巖石學實驗課程調整與優化改革研究[J].中國地質教育，2011，（2）：48-50.