新工科背景下“環境工程原理”翻轉課堂教學模式的探索及實踐*

張春紅，羅春梅

(云南大學生態與環境學院，云南 昆明 650500)

為深入貫徹全國教育大會精神和《中國教育現代化2035》，2019年10月，教育部印發了《關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養質量的意見》(教高〔2019〕6號)和《關于一流本科課程建設的實施意見》 (教高〔2019〕8號)，指出強化課堂設計，激發學生學習動力和專業志趣；培養學生深度分析、大膽質疑、勇于創新的精神和能力；創新教學方法以提升教學效果為目的。翻轉課堂(Flipped Classroom)是一種新興的有別于傳統課堂的教學模式[1-5]。與傳統教學相比，它將傳統課堂“預習—課堂講授—復習”的學習流程翻轉為“課前自主學習—課中知識內化—課后總結提高”的學習步驟，本質上是一種先學后教的模式，更符合人類認知規律，現成為實施差異化教學和個性化教學的有效手段，在國內外的教育教學領域獲得快速發展[6]。

“環境工程原理”是云南大學環境科學與工程專業的專業基礎課程，該課程擔負著由理論到工程、由基礎到專業的橋梁作用，對環境科學與工程專業學生的業務素質、工程能力與創新能力的培養起著至關重要的作用。新工科建設背景下，云南大學的“環境工程原理”的學時縮短至36學時，如何在有限的學時內將知識保質保量地傳授，成為一個關系專業人才培養質量的重要問題。為了實現這一目的，我校對“環境工程原理”的翻轉課堂教學模式進行了探索和實踐。

1 教學實踐的痛點

“環境工程原理”的教學目的主要是讓學生掌握環境污染控制的基礎原理、基本理論，培養學生的自主學習能力、分析和解決問題的能力和工程思維，為后續專業課的學習打好理論基礎。但是，在傳統教學模式的教學實踐中，發現“環境工程原理”的教學存在如下痛點。

1)學生學習的主動性低，大多數學生是被動參與學習。 “環境工程原理”中有大量的原理、晦澀難懂的公式及其推導、應用，許多同學還沒開始學，打開教材看到大量的數學公式后就產生了畏難的心理，導致課程學習過程中不愿意積極參與教學而是被動參與學習，喪失主動學習和獨立思考的能力，影響了課程的教學效果。

2)傳統課堂上，“滿堂灌”、“填鴨式”的教學方式導致學生在一節課的時間內去理解晦澀難懂的原理、方程意義很難，而在理解基礎上的應用原理、公式去分析和解決問題更是難上加難，因此學習效果較差。

3)評價方式過于單一，評價體系包括平時成績、期中考試和期末考試成績，注重期末考試結果，不重視過程性評價。這種評價體系下，部分學生平時學習不認真，期末考試前突擊學習而通過期末考試，因此非常不利于學生學好 “環境工程原理”的知識，學生的專業能力得不到培養和提高。

2 翻轉課堂教學模式的探索與實踐

2.1 翻轉課堂教學過程

本著“學生主體，教師主導”的教學指導思想，本課程的翻轉課堂教學模式為基于“雨課堂”的課前線上自主學習，課中課堂教學的知識內化，課后知識鞏固和拓展教學環節來實現，具體流程見圖1。

圖1 翻轉課堂的教學流程

2.1.1 課前線上自主學習

課前線上自主學習是翻轉課堂能夠順利進行的關鍵，合適的課前學習既能提升學生的學習興趣，又能幫助其實現既定的學習目標。因此，根據學習的主題和重難點合理安排教學內容就顯得尤為重要，內容不僅要“專”和“精”，還要具有比較好的可控性和延伸性。在本課程教學改革積累中，已形成 “環境工程原理”的課前教學資料庫：線上自主學習任務單(以下簡稱任務單)和線上自主學習課件(以下簡稱學習課件)。教學團隊課前通過雨課堂教學平臺，向學生推送任務單和學習課件等學習資料。

任務單主要包括學習目標、學習任務和課堂導入習題(以填空題和簡答題為主)，其中學習目標主要包括各章節不同內容的不同要求和培養的能力，讓學生明白不同內容有不同的學習要求，在學習過程中合理分配學習時間，提高學習效率。任務單根據章節順序設置，預先發布在平臺上，方便學生學習。鼓勵學生結合學習目標及任務，通過教材文獻、課程平臺、互聯網等多個渠道完成課前學習，并通過回答導入問題和系統自測來檢查課前學習效果。如在沉降章節，任務單中設置了“空氣中的PM2.5指的是什么？PM2.5在重力場中為什么很難沉降？”的簡答題，讓學生自己去查閱文獻，幫助理解重力沉降的過程和原理。

學習課件除了主要學習內容外，還有學習視頻、選擇題和判斷題等。學習視頻主要包括教師錄制的視頻、引用其他教師的視頻和部分學堂在線的慕課資源，學生在學習過程中可以反復觀看學習視頻，不受時間限制。每段視頻時間長度為10 ～15 min，內容包括學習的重點和難點、部分設備結構、各單元操作的原理等。其中，設備的結構及其在工程中的應用等內容采用生動、形象的方式呈現，以便于學生理解。學生通過視頻學習，在課堂教學之前就能夠對單元操作原理及設備形成直觀感性的認識，從而激發進一步學習的興趣。例如，列管式換熱器的原理、結構及換熱過程的學習視頻中，形象地展示換熱器的結構，并說明列管式換熱器的管程和殼程的定義等，這樣有助于加深學生對列管式換熱器的理解。

為了及時獲得學生對知識的學習效果，學習課件中有針對性的設計了一些選擇題和判斷題，供學生學習過程中思考并解答，檢測其線上自主學習成效，圖2 為對流體阻力定義的檢測結果截屏。

圖2 線上自主學習檢測結果

以上過程在雨課堂教學平臺上進行，雨課堂直接記錄了每位學生觀看學習視頻的時間與進度、線上自主學習效果，方便教師掌握學生的學習進程并督促學生學習。同時，對于課前學習中遇到的問題，學生在課程網站互動區或QQ交流群中留言討論，實現學生與學生、學生與老師間的多方位實時交流。老師選擇部分有代表性的問題進入課堂，組織同學實施更大范圍、更深層次的討論。

2.1.2 課中課堂教學

課堂上，教師先對學生學習成果做點評，以及學生在線上自主學習時遇到的問題進行答疑解惑，還會幫助學生把碎片化的知識系統化。例如，根據學生線上學習和習題的完成情況，對于一些出錯率比較高的知識點，教師設計隨堂測試題，強化學生對知識的理解和吸收；對一些容易產生誤解或容易混淆的知識點，教師通過選擇題和投票題的方式幫助學生深入理解和掌握知識點。例如，對“顆粒物的流體阻力的方向與顆粒物在流體中運動方向相反”這個易混淆的知識點，設計選擇題幫助學生來理解，選項中設計了兩個干擾選項：流體的流向、顆粒物的運動方向。

課堂上，探究式和小組協作等不同的教學方式組融合應用，傳統的課堂教學和翻轉課堂教學模式有機融合，既能增強學生的自主學習意識，又能加強學生對知識點的內化；同時能充分發揮教師的主導作用和學生的主體作用，大大提高雙方的效率。對于一些原理、公式的推導，教師會設計一些討論題，讓學生分組討論，每個問題的討論時間控制在8～10 min。例如，在第五章沉降課堂教學中，教師針對知識點“顆粒物在重力場中的沉降過程”，教師先設計一道討論題：將顆粒物在重力場中的沉降過程分解成三個階段，讓學生組成4人小組討論其中一個階段顆粒物的沉降，然后把每個小組討論的結果在教師的引導下組合成顆粒物在重力場中沉降的完整過程，并順利導出沉降速率的定義。而對于某些原理、公式的應用，會選用探究式教學方法，例如探究“顆粒物在不同流態時的沉降速率計算方法”，具體過程如下：布置課堂任務“已知 20 ℃，常壓狀態下空氣密度為 1.205 kg/m3，黏度為1.81×10-5Pa·s，求直徑為 40 μm，密度為 1.5 kg/m3的球形顆粒在 20 ℃ 的常壓空氣中的沉降速率。” 在學生分組計算討論幾分鐘后，部分學生提出：“沉降速率的計算需要先確定流體阻力系數，而流體阻力系數的計算與顆粒物的雷諾數有關，需要確定顆粒物的流動狀態，顆粒物的流動狀態的確定又需要顆粒物的沉降速率，這個問題的關鍵點是判斷顆粒物的流動狀態？”教師通過引用“受力分析中判斷彈力是否存在的假設法”提出問題“那如果假設顆粒物處于層流或者湍流區呢？”引導學生找到沉降速率計算的一種計算法“試差法”。最后，教師再對整個過程中出現的難點問題進行講解和補充，引導學生對整節課的知識進行總結和梳理，推動學生注重知識的內化和應用，培養其提出、分析和解決問題的能力。

2.1.3 課后鞏固與提升

“環境工程原理”的課程性質應用性強，課后拓展作業有助于培養學生的成就感，使學生具備解決日常生活或環境科學與工程中的實際工程問題的能力，進而增強學生的工程觀念。教師在課堂教學之后會給學生布置課后作業，或者根據章節內容布置拓展性作業。課后作業包括教材中的習題或自測題，而拓展性作業則相對靈活，為生活中的常見問題。例如，新冠疫情期間為什么需要公共場合佩戴醫用外科口罩而不是其他類型的口罩？佩戴醫用外科口罩與實際生活密切相關，有助于啟發學生積極思考過濾的原理和過濾效率。

教師會及時檢查學生對課后提升拓展作業的完成情況，并于后續課堂教學中進行評價，以加深學生的印象。

2.2 翻轉課堂教學模式的實踐

本文以“顆粒物在重力場中的沉降過程”為例來展示翻轉課堂教學模式在“環境工程原理”實踐過程，實施過程如表1所示，學生與教師雙方共同配合完成教學任務。

表1 顆粒物在重力場中沉降過程的教學過程

3 翻轉課堂的教學過程的考核體系改革

傳統課堂的評價指標單一，只有平時成績、期中考試和期末考試，整個教學過程都是教師評價，側重于考試結果而忽視學生學習過程的管理。為了更好的進行課程管理，對翻轉課堂模式的評價體系進行了改革，且重新制定了較為詳細的評價細則，見表2。翻轉課堂注重過程性評價，且對學習過程的評價細則明確化，評價的方式多樣化，除了教師評價，還有生生互評和雨課堂系統評價。另外，增大了過程性評價成績的占比(50%)，而期末考試成績占比(50%)。與傳統教學模式相比，在翻轉課堂教學模式實施過程中，學生平時投入更多的時間和精力進行學習，因此提高平時成績的占比有利于激發學生平時自主學習的積極性。

表2 翻轉課堂和傳統課堂的評價體系對比

4 教學效果與反饋

在環境科學與工程專業2021年、2022年兩個教學周期教學模式的改革，最直觀的效果是學生的綜合成績，見圖3。在對2020年(傳統課堂)、2021年(翻轉課堂)、2022年(翻轉課堂)成績比較后發現：實施翻轉課堂后，學生的綜合成績逐年提高。與2020年相比，2022年的及格率提高了16.77個百分點，優秀率提高了8.82個百分點，良好率提高了30個百分點；從圖3(b)中發現，2022年的平均分增加了13分。這些結果表明，實施翻轉課堂教學改革后，學生的成績得到了明顯提高，這可能是在這種“先學后教”的模式下，學生能根據自己的學習習慣和時間安排學習進度，發揮了學生在學習中的主體作用；其次，通過線上線下的實時反饋，教師能更準確地了解到學生學習的難點疑惑，從而提供更有針對性的指導和教學設計[7]，改善了教學效果。

a.學生成績的優秀率、良好率、及格率；b.學生成績的平均分和最高分圖3 2020年～2022年的學生綜合成績對比

為更好地了解翻轉課堂的教學效果，教學團隊做了一份無記名問卷調查，發出去50份調查問卷，收回46份問卷，回收率為92%。調查結果如表3和表4。從表3的數據可知，大多數同學能適應翻轉課程教學模式，在教學中能支持這種教學模式的順利實施。從表4的數據可知，絕大多數同學感受到翻轉課堂模式帶來學習效果的提高：學生的溝通和小組協作能力、分析和解決問題的能力、自主學習和查閱資料的能力得到了提高。

表3 學生對翻轉課堂的適應度和支持程度

表4 學生對翻轉課堂的感受度

5 結論

相對于傳統課堂教學模式，翻轉課堂教學模式下的“環境工程原理”課程教學充分體現了“以學生為中心”的理念。通過課前線上自主學習、課中課堂教學多種教學方法結合、課后鞏固和提升等環節，改革課程評價體系，加強對學生的學習過程性評價，從而提升學生的學習主動性、教學效率和教學效果，學生的綜合成績普遍提高。多數學生能接受和支持翻轉課堂教學模式，學生的各方面能力也有所培養和提高。

但課程的翻轉課堂教學模式還需不斷完善，例如，線上自主學習課題中的習題設置更加合理和有針對性，完善評價體系中的生生評價標準和細則，鼓勵學生課后及時對每章節內容進行歸納總結，進一步提高學習效率。