新工科建設(shè)背景下翻轉(zhuǎn)課堂在前沿知識領(lǐng)域的教學探索

汪慶 孫少靜 李思敏 王景剛 穆永超

摘? 要：環(huán)境污染控制新技術(shù)是環(huán)境工程專業(yè)的一門專業(yè)素質(zhì)拓展課程。在新工科教學改革背景下，專業(yè)素質(zhì)拓展課程的課堂教學應(yīng)以提升學生專業(yè)素養(yǎng)、拓寬學生專業(yè)視野、培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力為重心。該文探討翻轉(zhuǎn)課堂教學如何利用多方資源進行課前自主學習、課中如何發(fā)揮課堂互動效果及課后知識鞏固與拓展，全方位引導學生主動關(guān)注環(huán)境工程最新的科研進展，促進科研與教學互動，把科研成果轉(zhuǎn)化為教學內(nèi)容，提高學生學習效果、專業(yè)素養(yǎng)和綜合能力，為高校教育教學改革提供一定的理論借鑒。

關(guān)鍵詞：環(huán)境工程；新工科；翻轉(zhuǎn)課堂；科研；教學改革

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）08-0010-05

Abstract： New Technology of Environmental Pollution Control is a professional quality development course for an environmental engineering major. Under the background of new emerging engineering education reform， the classroom teaching of professional quality development courses should focus on improving students' professional accomplishment， broadening students' professional vision， and cultivating students' innovation ability. This paper discusses how flipped classroom teaching can make use of multiple resources for self-learning before class， how to give full play to the classroom interaction effect and consolidate and expand knowledge after class， guide students to pay attention to the latest scientific research progress of environmental engineering in an all-round way， promote the interaction between scientific research and teaching， transform scientific research achievements into teaching content， and improve students' learning effect， professional quality and comprehensive ability. It provides some theoretical reference for the reform of higher education and teaching.

Keywords： environmental engineering; emerging engineering education; flipping classroom; scientific research; teaching reform

新工科建設(shè)是我國應(yīng)對新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命的重要戰(zhàn)略部署，也是傳統(tǒng)工科理念升級、轉(zhuǎn)型的風向標[1-2]。在此背景下，科教融合、教研互促的教學方法成為了工科育人的新思路，前沿牽引、面向未來的教學理念成為了工科育人的新方略[3-4]。環(huán)境工程作為支撐生態(tài)文明建設(shè)、解決“碳中和”等前沿問題的支撐性專業(yè)，傳統(tǒng)的課堂教學已難以滿足當代社會對環(huán)境方面人才的需求，亟需開展針對性的教學改革[5]。

在新冠感染疫情防控常態(tài)化的背景下，線上教學已經(jīng)成為課堂教學的重要組成部分。但受限于空間壁壘，授課教師難以實現(xiàn)從“灌輸式”向“啟發(fā)式”教學的角色轉(zhuǎn)換[6]。而翻轉(zhuǎn)課堂模式（Flipped Classroom Model）以學生為中心，以問題為導向，在課前設(shè)計學習目的、學習任務(wù)和學習過程，引導學生利用各種資源進行探索式學習[7]。該模式打破了線上課堂的空間壁壘，將傳統(tǒng)教學模式的“先教后學”轉(zhuǎn)變?yōu)椤跋葘W后教”，將師生間的“單向閥”轉(zhuǎn)換為“連通器”，既有助于增進學生的自主學習和自主認知，也有利于激發(fā)學生的研究興趣和科研潛質(zhì)[6]。在環(huán)境工程專業(yè)的教學實踐中，翻轉(zhuǎn)課堂可以引導學生關(guān)注前沿熱點、領(lǐng)域動態(tài)和研究進展。

以互聯(lián)網(wǎng)為支撐的翻轉(zhuǎn)課堂模式突破了原有課堂的時間和空間壁壘，將最新的科學研究融入課堂教學，必將是未來高校教學改革發(fā)展的主要趨勢。本文以環(huán)境工程專業(yè)素質(zhì)拓展課程環(huán)境污染控制新技術(shù)為例，探討了如何從課前自學、課中互動、課后鞏固三方面開展翻轉(zhuǎn)課堂教學，引導學生關(guān)注環(huán)境工程前沿進展，促進科教融合互動，培養(yǎng)學生自主學習習慣和終身學習意識，為高等教育教學改革提供一定的理論借鑒。

一? 新工科建設(shè)背景下科研成果與課程教學關(guān)系

新工科教育旨在培養(yǎng)面向未來的高層次人才，該理念也將學生專業(yè)素養(yǎng)、專業(yè)視野、科創(chuàng)能力的培養(yǎng)要求提升到了新高度。科研是高校老師、研究人員等科技工作者日常工作，同時也是一種高層次、高水平的學習過程。將前沿科研成果融入本科課程教學，既有助于擺脫教材陳舊知識體系的束縛，打破知識傳授過程中存在的時間壁壘，也有助于形成“頭腦風暴”，鍛煉學生的思維能力[8]。

提升學生培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵在于保證課堂質(zhì)量、調(diào)動學生的自學積極性、培養(yǎng)其創(chuàng)新思維與科研能力。傳統(tǒng)的課程教學方式往往停留在接受知識過程，卻不重視吸收消化的深度學習。在這種從老師到學生“單向性”過程中，缺少師生的互動、交流和協(xié)作，缺乏對知識深度理解，難以形成創(chuàng)新思維，而翻轉(zhuǎn)課堂模式可以改善傳統(tǒng)授課模式存在的弊端，賦予課堂靈活時間，突出解決高階性問題[9]。

二? 環(huán)境污染控制新技術(shù)課程翻轉(zhuǎn)課堂教學模式

（一）? 環(huán)境污染控制新技術(shù)課程翻轉(zhuǎn)課堂模式實施的必要性

環(huán)境工程是一門多學科相互交叉互融的綜合性學科，環(huán)境污染控制新技術(shù)是環(huán)境工程專業(yè)的素質(zhì)拓展課程[10]。基于環(huán)境工程省級一流本科專業(yè)建設(shè)點的學科特色，主講教師團隊將最新科研成果與課程知識點有機結(jié)合，通過具體教學案例，重塑課程知識體系。課程目標以培養(yǎng)學生將環(huán)境學原理、現(xiàn)代分析測試技術(shù)和現(xiàn)代環(huán)境生物技術(shù)融入前沿領(lǐng)域研究當中的基本能力為主體，教學內(nèi)容涉及環(huán)境污染及控制研究的諸多前沿熱點問題，具體課程內(nèi)容見表1（2021年教學內(nèi)容）。受限于課程的深度和廣度，有限的課堂時間難以達成本課程的既定目標。而翻轉(zhuǎn)課堂模式的基本出發(fā)點就是激發(fā)課堂時間的最大效能，通過制定階段性的學習任務(wù)，引導學生進行自主學習，釋放課堂時間，以期達成更深層次的理解[11]。因此，將翻轉(zhuǎn)課堂引入環(huán)境污染控制新技術(shù)課程教學有著迫切的現(xiàn)實意義，同時也是環(huán)境工程專業(yè)建設(shè)的一次嘗試。

（二）? 環(huán)境污染控制新技術(shù)課程翻轉(zhuǎn)課堂教學模式設(shè)計

1? 教學目標

1）理解環(huán)境工程前沿知識的基本內(nèi)涵，掌握利用文獻、圖書和其他網(wǎng)絡(luò)資源獲取前沿知識的方法。

2）了解環(huán)境污染及控制領(lǐng)域的前沿熱點問題，了解前沿領(lǐng)域技術(shù)瓶頸，樹立推動技術(shù)進步的責任感。

3）理解環(huán)境工程前沿領(lǐng)域常用儀器的基本原理，并掌握其在具體環(huán)境前沿問題中的應(yīng)用。

4）理解環(huán)境工程前沿問題的復雜性和學科交叉特性特征，理解基礎(chǔ)科學在專業(yè)發(fā)展和推進層面的支撐作用。

5）理解知識更迭的必要性和時代性特征，形成自主學習和終身學習的基本意識。

2? 設(shè)計思路

傳統(tǒng)課堂教學模式，基本的教學流程是“課堂講授+課后作業(yè)”。在此基礎(chǔ)上，針對本校環(huán)境工程專業(yè)學生實際情況，借助線上“網(wǎng)絡(luò)平臺”和線下資源，設(shè)計了翻轉(zhuǎn)課堂教學流程，如圖1至圖2所示。

三? 翻轉(zhuǎn)課堂教學內(nèi)容

（一）? 課前自主學習體系的構(gòu)建

課前自學體系是翻轉(zhuǎn)課堂的“生命線”，其體系架構(gòu)直接關(guān)系到教學效果。但有別于傳統(tǒng)的課前預習，本課程的課前自學體系以多種渠道、資源為載體，以環(huán)境污染及控制研究的諸多前沿熱點為主線，經(jīng)過階段性的細化、安排，有助于激發(fā)學生的學習自主性，培養(yǎng)學生思維能力和創(chuàng)新能力[12]。

1? 基于網(wǎng)絡(luò)資源的自學體系構(gòu)建

以學習通、雨課堂等網(wǎng)絡(luò)平臺為載體，基于學生個人興趣和近些年環(huán)境污染及控制研究的前沿熱點問題，上傳對應(yīng)的學習資料與素材，構(gòu)建可自主選擇的學習平臺。學習資源包括教學課件、關(guān)聯(lián)視頻、文獻報告和其他拓展內(nèi)容等。其中，視頻的內(nèi)容應(yīng)當目標明確、簡短精練，同時兼具趣味性和啟發(fā)性特征，以達成思維鍛煉的基本訴求[13]。此外，選擇文獻資料時應(yīng)結(jié)合“深度-廣度-難度”三方面特征，進而能夠階段性地提升學生的學習能力、增強學生專業(yè)素養(yǎng)、拓寬學生專業(yè)視野。

2? 基于目標導向的學習任務(wù)布設(shè)體系構(gòu)建

學習任務(wù)的安排應(yīng)是“章節(jié)目標-課程目標-培養(yǎng)目標”的有效融合，避免無目的性、無計劃性的自學，從而實現(xiàn)課前深度學習、課中能力提升的能力養(yǎng)成方略。具體內(nèi)容可細化如下：以環(huán)境污染及控制某一研究熱點為主題，教師提前發(fā)布課堂教學內(nèi)容，教學內(nèi)容應(yīng)緊扣教學大綱、抓住重點、分清難點。讓學生明確教學目標及關(guān)聯(lián)知識點，明晰在掌握基礎(chǔ)內(nèi)容的前提下需要對哪些內(nèi)容進一步深入學習[14]。鼓勵學生收集和調(diào)研相關(guān)資料，確保能力養(yǎng)成的全面性。

3? 基于情景導入的自學體系構(gòu)建

興趣是學生進行主動式學習的催化劑，而情景又是激發(fā)自學興趣的源泉。在傳統(tǒng)的自學過程中，學習往往是枯燥乏味的。而環(huán)境污染控制新技術(shù)作為知識前沿的先導性課程，內(nèi)容往往更加是晦澀、抽象，難以激發(fā)學生的學習興趣。因此，在課前自學中，要將自學內(nèi)容和實際相結(jié)合，利用小視頻、小組文獻解讀、虛擬仿真程序等營造新的學習環(huán)境，把學生引入到與知識點有關(guān)的情景當中，以激發(fā)學生的學習興趣，提升自學效果[12，15]。

（二）? 追求知識內(nèi)化的研究性課堂的構(gòu)建

以環(huán)境工程前沿領(lǐng)域的知識為導向，以教師研究方向為依托，形成“產(chǎn)學研”相結(jié)合的授課體系。依據(jù)當前領(lǐng)域研究熱點，逐年調(diào)整授課內(nèi)容，做到授課內(nèi)容的動態(tài)更新。

本科生教育的本質(zhì)是專業(yè)基礎(chǔ)知識和專業(yè)能力素質(zhì)的培養(yǎng)，本科生的課堂教學應(yīng)以提升學生專業(yè)素養(yǎng)、拓寬學生專業(yè)視野、培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力為目標。因此，在翻轉(zhuǎn)課堂的教學實踐中要增加課堂交互性內(nèi)容的比重，在高階性課堂的探索過程中實現(xiàn)知識的內(nèi)化[16]。

1? 課堂講授

課堂講授仍堅持以問題為導向、以學生為中心的教學理念。首先，對自學當中存疑的問題進行集中解答，以促進知識的內(nèi)化吸收。隨后，教師對本節(jié)課的重點和難點內(nèi)容進行系統(tǒng)地梳理和講解。對于自學內(nèi)容涉及的部分及已解決的問題可以適當?shù)葬尫耪n堂空間，著力攻破難點問題。

通過課前的自主學習和課中的課堂講授，學生根據(jù)自己對知識點的學習把握，以專業(yè)方向為立足點，提出一些具有思考性的問題，該過程中能夠激發(fā)學生發(fā)現(xiàn)問題的能力，培養(yǎng)學生的語言組織能力和創(chuàng)新思維能力[17]。

2? 師生互動

依托文獻資料，構(gòu)建前沿熱點和教學互動結(jié)合的教學氛圍。課前基于興趣愛好讓學生自行分組，教師靈活布置課堂討論或辯論，學生也可將自己內(nèi)化后的知識與教師進行研討，以便于對自身所學進行梳理和鞏固。通過課堂的師生互動，教師與學生碰撞出思維火花，而這些火花也正是課程目標達成的根本體現(xiàn)。從實施翻轉(zhuǎn)課堂的過程中，學生體會到思維碰撞帶來的創(chuàng)新思維，激發(fā)了學習的興趣，增強了自信。

3? 專題討論

對于學生關(guān)注的前沿熱點問題，教師根據(jù)學生的反饋情況，篩選出具有深度的問題進行專題討論。在有限的課堂時間內(nèi)，基于課下搜集整理的文獻和資料，讓學生以組為單位圍繞該主題主要研究熱點和重要技術(shù)進展進行論述，集思廣益，獲取更深層次的理解。文獻檢索是進行探究性自主學習的基礎(chǔ)，是學生了解環(huán)境工程前沿科學研究的最重要環(huán)節(jié)。因此，通過課堂教學介入文獻調(diào)研及閱讀，對于培養(yǎng)學生自主學習能力、分析問題能力和科研創(chuàng)新能力有著重要的現(xiàn)實意義。

（三）? 課后知識鞏固和評估體系的構(gòu)建

1? 鞏固體系

根據(jù)課堂表現(xiàn)及學生在討論中暴露出的問題，以課程目標達成度為基礎(chǔ)，結(jié)合學科前沿的發(fā)展方向和人才培養(yǎng)的基本訴求，構(gòu)建具有擴充、補足功能的課后作業(yè)，以促進知識的內(nèi)化吸收。同時重視過程評價，輔以階段性課堂回顧或小測，檢測學生對知識的掌握情況。

2? 梳理體系

本課程聚焦環(huán)境工程領(lǐng)域前沿研究熱點，多學科相互交叉相互聯(lián)系，為了讓學生掌握科學研究過程中的基本環(huán)境專業(yè)知識點，需要另辟蹊徑，幫助學生梳理碎片化的知識脈絡(luò)。

思維導圖是一種表達發(fā)散性思維的圖像[18]，其將文字和圖形相結(jié)合，把復雜抽象的知識點以清晰可視的形式展現(xiàn)出來。大量教學實踐表明，學生利用該方法對知識點進行梳理和總結(jié)，可以從縱向上加深對課程的理解[19]。對環(huán)境污染控制新技術(shù)課程進行單元總結(jié)，構(gòu)建結(jié)構(gòu)圖，梳理相互聯(lián)系，標注知識重點，實現(xiàn)由簡單到復雜、由抽象到具體的轉(zhuǎn)變，形成“知識網(wǎng)絡(luò)”[20]。在學生課后復習的過程中，思維導圖能夠讓學生對所學知識有深刻的理解。

3? 評估體系

構(gòu)建以“學習成效為中心”的教學評價體系，將過程性評價指標納入教學評估體系中。主要包括對學生評價、教師評價及自我評價三大指標。學生評價該指標主要指課后作業(yè)、課堂討論、平時出勤等，體現(xiàn)在平時成績環(huán)節(jié)中，旨在幫助學生端正學習態(tài)度，培養(yǎng)學生的綜合能力，提升學生的綜合素養(yǎng)；教師評價主要包括課程項目（論文），期中、期末測試等主要貼合課程所學內(nèi)容，符合科技論文的寫作規(guī)范，具體在考試成績環(huán)節(jié)，旨在培養(yǎng)學生自身的專業(yè)素養(yǎng)；自我評價主要包括課程項目（論文）答辯學生互評、期末總結(jié)自評等環(huán)節(jié)，引導學生反思自我，促使教與學的良性循環(huán)。通過影響程度設(shè)置不同權(quán)重量化三種過程評價指標，從學習效果檢驗教學成效，形成一套符合新時代對高等工程教育人才培養(yǎng)要求的教學評估體系。

四? 結(jié)束語

總之，學生專業(yè)素質(zhì)能力的培養(yǎng)不僅需要從課堂教學著手，更需要課下自主學習的鞏固與擴展。翻轉(zhuǎn)課堂教學模式不僅有助于提升課堂教學效率，而且能夠滿足高校對研究性人才培養(yǎng)和能力發(fā)展的要求。新工科建設(shè)背景下，完善翻轉(zhuǎn)課堂具體實踐教學方法，促進科研與教學互動融合，及時把科研成果轉(zhuǎn)化為教學內(nèi)容，有助于提升學生學習效果、專業(yè)素養(yǎng)和綜合能力，也為高校教育教學改革提供一定的理論指導。

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第一作者簡介：汪慶（1985-），男，漢族，湖北孝感人，博士，教授，院長。研究方向為環(huán)境科學與工程。