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摘要:針對大學化學實驗教學的現狀及特點，借助網絡交互平臺，對實驗教學過程進行翻轉設計，分析和探討實施方案，改進實驗教學結構，并進行實踐教學。實踐表明，兩者的有機結合，能夠充分發揮翻轉課堂的優勢，提高大學化學實驗的教學質量。
一、大學化學實驗教學現狀
化學是一門研究物質的組成、結構、性質以及變化規律的自然科學［1］;而化學實驗是大學化學教學中的一個關鍵環節，具有學生量大、學時數有限、實踐性強等特點［2］。實驗課的開展為學生認識世界提供了實踐平臺，是培養學生實驗技能、激發學習興趣的必要手段。因而，在大學化學教學過程中要充分重視實驗教學，通過實驗操作不斷提高學生的實踐動手和思維分析能力，并逐步培養學生形成基本的科學技能［3］。當前大學化學實驗教學課程還依然停留在簡單的三個環節:課前自學實驗內容;課中大量時間講解和演示，如“實驗原理”、“實驗儀器”、“實驗步驟”、“操作注意事項”、“數據處理方法”等;余下時間學生按照規定步驟完成實驗，并撰寫實驗報告。然而，多數學生反映，實驗結束后很快就忘記了實驗流程及攝取藥品的劑量;且在實驗考試過程中，容易出現對實驗原理及設備名稱記憶不清、操作過程混亂等現象;實驗教學效果不理想。對于這種傳統式課堂教學模式，一些學者提出了質疑。例如“課程現代化”中兩個學派的代表人物，蘇聯的贊可夫和美國的布魯納。布魯納認為學生是一個積極的探究者，教學應使學生學習和掌握學科的基本結構，同時促進每個學生綜合發展;贊可夫認為在實驗中教師首先應著眼于發展學生的觀察能力、邏輯思維能力和操作能力。經科學研究表明，通過各種感官獲得信息的效率依次為:“讀”10%，“聽”20%，“看”30%，“聽”與“看”結合50%，“理解后敘述”70%，“語言描述與動手操作相結合”90%。愛因斯坦也曾指出:學校的目標應當是培養有獨立行動和獨立思考的人。因此，大學化學實驗教學的重點是不僅要充分調動學生的好奇心，還要引導學生進行動手操作。不斷激發學生的頭腦風暴，使思維與實踐動手能力相結合，幫助學生養成嫻熟的實驗技能和良好的操作習慣。而實踐表明，學生的基礎知識掌握程度和學習能力良莠不齊，導致實驗教學難度大、效果差;進而形成教師很辛苦、學生很痛苦，學生對化學學習興趣減退，甚至不愿意學習化學的惡性循環。
二、翻轉課堂及其優點
隨著信息技術與課程整合的日漸深入，網絡平臺學習環境已成為課堂教學的重要補充，翻轉課堂也成為了當前國內外教育改革研究的熱點［4］。“翻轉課堂”是一種顛覆了傳統課堂教學模式的新型網絡教學模式。傳統模式一般以教師為主體，表現為教師在課堂上單向講授、學生被動接受學習的境地，導致學生學習的積極性和主動性被忽略，甚至被抑制。而在翻轉課堂的教學模式下，著重強調以學生為主體、教師為輔助者(即教師角色由“講師”向“導師”轉變)的新理念。顛覆知識傳授和內化吸收這兩個過程，以學生為中心，注重自主學習與合作學習，對傳統課堂進行改革創新［5］。翻轉課堂的優點主要體現在以下三個方面。
(一)學習進度自主掌控
在移動通訊和電子設備上觀看教學視頻時，學生可以依據自己的實際情況控制時間和進度。接受能力強的學生會快速地看完教學視頻，接受能力相對弱的學生可以在自己不理解或需要思考的地方暫停或反復觀看。同時，學生還可以借助在線交互平臺向老師和同學發問，就某一知識點進行討論，教師則從中給予正確引導。
(二)教學視頻精煉
教師在設計教學視頻時，首先要考慮到學生注意力集中的時間范圍(大概為10－15分鐘)，并根據上述時間對錄制時長進行合理控制。錄制視頻時著重突出本節課的知識點、重點和難點問題。視頻作到短小精悍，以便于學生查找觀看。
(三)便于復習檢測及互動
學生在交互平臺上觀看完視頻資料后，會根據提示作答教師為學生設計的5－8個實驗問題。這樣有利于教師及時檢測學生的學習成效，也便于學生了解自身學習情況。在交互平臺上作答提交后，系統會有相應的提示“恭喜你，合格”、“對不起，不合格”等字樣。當系統給出不合格時，學生將沒有獲得實驗派位的資格，在這種情況下需要學生認真思考并重新作答。翻轉課堂中形成的視頻學習資料便于學生后期查閱和鞏固復習;而且教師也可以根據學生的答題及視頻觀看情況，對學生的學習境況有個全面的了解和認識。依據上述實證性資料，教師可以將學生進行分組，把存在共同疑惑的學生放在同一組，便于學生的相互討論和教師的集中輔導。翻轉課堂以課前自主學習、課堂互動、課后交流的學習方式取代了傳統式的“滿堂灌”或“填鴨式”教學模式;為學生提供個性化學習空間，為教師提供個性化教學平臺［6］。它能夠充分激發學生學習興趣，實現深度學習，增加師生互動和生生間的討論;對培養學生的自學、交流、探究、批判和協作等能力都有很好的實用價值。為了更好地引導學生學學化學，本文利用交互平臺將大學化學實驗教學過程進行翻轉設計，以增強學生的自主學習及實踐動手能力，促進學生形成獨立思考的思維模式，培養學生的創新精神，提高學生的綜合素質，進而提升教學質量，并形成新型的、符合現代化的教學模式。
三、大學化學實驗的翻轉設計與實踐
實驗是大學化學教學中不可或缺的環節。將實驗教學與翻轉課堂新理念結合，能夠進一步地發揮學生在化學實驗操作過程中的主導地位，促進學生由課堂上被動接受知識的學習者轉變為實踐操作活動中積極主動的求知者［7］，為學生創建出主動求知、探索的大環境，在這個環境里學生擁有充分的話語權，使每一個學生都能得到個性化教育，兩者結合后形成的教學模式很好地彌補了傳統實驗教學模式的嚴重缺陷。
(一)大學化學實驗教學結構優化設計
網絡交互平臺可以及時推送各種有關化學方面的趣味消息，提高學生們的求知欲和學習興趣;另外，交互式教學模式下教師能夠在第一時間掌握學生的學習情況。學生在學習過程中遇到疑問時也可以及時在討論平臺上，便于生生討論和師生交流。根據本校實際情況，這里將網絡交互平臺設計為三大模塊:即課前預習模塊、課中交互模塊和課后評閱模塊。
1．課前預習模塊
課前預習模塊是引導學生在進行實驗操作前的基礎知識預習及實驗操作觀摩，主要是為了使學生對化學實驗產生興趣和求知欲，激發學生自己主動探究的欲望，逐步學會科學探究［8］。課前預習模塊主要內容包括:本節知識點;視頻操作演示;網上預約、測試及派位。學生首先通過預覽書中本節實驗課的知識點，對實驗的基本原理有所了解;再通過觀看相關視頻、資料，內化吸收，掌握實驗步驟和相關知識。視頻與資料由核心視頻、輔助視頻以及課外補充資料等組成。核心視頻由教師錄制，根據實驗覆蓋面及難度錄制2－3個視頻，每個視頻時間為10－15分鐘;可依據實驗目標、原理及重難點，實驗任務清單和重點操作演示及注意事項逐層深入，以適應學生的學習節奏。輔助視頻則是針對某一項內容展開介紹，補充知識，如儀器、化學史、化學科學家介紹等，不限時長。課外補充材料主要是與本實驗相關的科技文獻、科技報道等電子文檔。后兩者供學生選擇查看，拓寬學生視野、激發學生對化學實驗的興趣。通過學習，學生將疑問及時推送到公共信息交互平臺上，此平臺會將信息即時推送到教師或同學們的客戶端，教師和同學可以第一時間給予回復，使知識信息有了更好的時效性。最后，進入課前網上預約、測試及派位階段。學生根據自己的時間和任課老師實際情況，通過交互平臺提交預約選課表，系統會在五秒內生成隨機網上測試題，測試時間為10分鐘，總分20分。系統設置預習準入派位門檻為成績大于12分，否則就需要重新測試。只有通過預習準入派位門檻的學生才可以獲得進入實驗室進行正式實驗的資格。交互平臺會對學生自學進行跟蹤，包括線上學習時長、成績、題目錯誤率、交流互動流量和反饋信息等進行統計，可通過大數據分析對學生的自學效果進行評價。
2．課中交互模塊
在實驗的教與學過程中，為了實現師生在過程與方法、情感態度與價值觀更高層次的互動交流，設置大學化學實驗翻轉課堂中的靈魂即交互模塊。通過預習準入派位門檻的學生，進入實驗室，經過教師簡要介紹原理、注意事項和講解學生預習中錯誤率高的題目后，直接進行實驗操作。在操作過程中如有疑問，可隨時向任課老師請教。教師可有針對性地進行個別指導，促進學生對實驗知識的消化吸收和記憶理解。實驗結束后，學生整理數據、現象等信息，交由教師審核，教師對實驗過程中發現的問題進行總結點評。學生完成本次實驗考核記錄，刷卡退出實驗室。時間充裕時，學生可將實驗數據信息直接輸入個人客戶端，展示自己的實驗結果，并于課后形成電子實驗報告，上傳至交互平臺供教師評閱。通過這種探究式的實驗教學活動，使學生充分參與實驗過程，體驗科學研究的樂趣，激發其學習化學的興趣;進而培養科學的學習態度和嚴謹的治學方法，促進傳統教學方式的改革。
3．課后評閱模塊
課后評閱模塊包括考察和反饋兩個層次。此模塊是為了使學生站在更高的能力層次和操作方法層次上去熟練、靈活地解決在實驗過程中遇到的相關問題。教師在課前利用管理員的身份，將本次實驗正確數據錄入到相應的模塊，并設置數據相應的浮動范圍。學生提交電子實驗報告后，教師根據設置的數據對學生提交的實驗報告進行評分。每次實驗分數都會存入學生個人實驗成績統計模塊中，作為期末成績的參考依據。整個實驗課的成績組成包括:課前預習(占總成績的30%)、實驗操作(占總成績30%)、實驗室紀律(占總成績10%)和實驗報告(占總成績30%)。另外，學生每次實驗之后可在交互平臺的反饋模塊，對此次實驗學習和實踐中的各個環節提出建議，供教師參考，改進教學設計。在期末考試前，教師向學生提供幾個具有代表性的實驗題目，以供學生備考。通過一個實驗的實際操作測試，反映學生掌握實驗過程及相關知識的程度和實踐動手能力水平。學生進入實驗室后，隨機抽取考試題目進行實驗操作，在限定時間內完成實驗并提交簡要電子版實驗報告。教師對實驗成績進行記錄統計，按比例折合進學生期末考試成績。學生通過實驗操作測試，既訓練了個人的動手能力，又能將本學期的教學效果反饋給教師。
(二)大學化學實驗的翻轉實踐教學
根據實驗教學優化結構方案的構建思路，將實驗教學的具體安排盡可能地與化學理論教學協調配合，充分利用化學理論資源為實驗教學服務。下面以大學化學實驗課“乙酸解離常數的測定”為例，引入翻轉課堂設計，對實驗教學結構進行優化。交互平臺界面針對該實驗設置多個欄目，包括:實驗原理及方法、預習測試、討論與反饋、實驗報告。教師和學生在交互平臺自由選擇欄目進行操作。以應化卓越151班為實驗對象(共36人)，分3～4組不同時段進行實驗。學生可以借助24小時開放的網絡交互平臺，根據自己的時間選擇學習課前預習模塊，瀏覽完本節知識點，掌握解離度和解離常數概念和測試原理，再觀看相應的演示實驗視頻。演示實驗視頻有利于吸引學生注意力，加深學生對理論知識的理解。核心視頻主要內容為:教師根據課程標準和教學目標，從弱電解質的解離概念引入乙酸的解離和解離平衡(HAc=H++Ac－)，重點講解pH計法測定乙酸解離度和解離常數的原理，介紹不同濃度的乙酸溶液的配制，演示和說明pH計的正確使用方法。視頻內容要重點突出，思路清晰，語言嚴謹，具有啟發性和互動性。在輔助視頻和課外補充材料內，添加乙酸的性質、用途、價值，pH的由來和提出、測試方法，pH測試設備，常規液體的pH范圍，丹麥生物化學家SorenPeterLauritzSorensen介紹，解離常數定義及測試與計算方法等。讓學生根據自己的情況自主選擇資源，豐富自己的知識體系。教師在交互平臺的后臺設置有關本節實驗課重、難點的若干選擇題，供學生隨機抽取并進行學習程度測試。例如:(1)pH計法測定乙酸的解離度和解離常數的原理是什么?(2)使用pH計測定不同濃度的乙酸時需要注意哪些問題?(3)pH計為什么要用標準溶液校準?測試結束后系統自動評分，通過測試成功者可以進入預約實驗派位系統，測試失敗者可以依據評分指南參考測試答案，反思后進行再次學習與測試直至成功。測試結束時，學生可查看每個題目在當前時間學生人數下的錯誤率，這樣可引起學生對該題目的重視、反思學習。同時，在平臺上可設置部分思考題，讓學生自主思考。如:(1)燒杯是否需烘干，且還需怎樣處理?(2)不同濃度乙酸溶液解離度是否相同，解離常數是否相同?(3)測定pH時，測試溶液濃度按由稀到濃還是由濃到稀次序進行?學生可在交互平臺中對某一知識點進行深入討論，教師作為組織者參與其中，引導學生找到答案，如:(1)解離常數的測試方法還有哪些?(2)弱電解質解離平衡是什么狀態?以激發學生學習興趣，讓學生自己去尋求答案，拓展眼界和知識面。另外，學生也可在反饋模塊中提供建議，如增加補充材料或文獻資料等，經教師審核后提交至平臺。教師需高度重視學生課前的實驗預習，并將其在課前預習模塊中的預習時長、線上測試結果、交互平臺討論參與情況記錄分析，實現網絡監控，并對錯誤率高的題目進行整理總結，為課堂設計提供素材和依據。課中交互模塊以學生為中心展開，是以自主式、合作式、研究式為主的實驗教學和學習方法。課堂中教師幫助學生領會、吸收和應用課前所學知識。部分學生可能僅僅依靠強行記憶通過了課前預習模塊的測試，也將存在的疑惑即時推送到交互平臺進行討論，但仍可能存在一些細節問題不能理解，而這些問題往往因人而異。例如:(1)界定乙酸溶液濃度的原因;(2)pH計測酸的內在根據和如何校正;(3)弱酸解離常數的測試方法等。因此，在實驗開始前設置10分鐘的學生向教師自由發問環節，老師做出初步回答并提供更深層次解決方案供學生探究，為學生拓寬知識面，激發學生的好奇心和主動性，開展初步的師生互動。教師簡要介紹乙酸解離常數實驗的重難點和注意事項(如燒杯需潤洗)，并在對課前預習中出錯頻率高的題目給予講解后，學生分組進行實驗。鼓勵學生獨立操作，對于存在的困惑和不解，小組內進行相互交流，這樣有利于培養學生自主、獨立的思維能力和團隊協作能力。主要實驗步驟:不同濃度的乙酸溶液配制;測定乙酸溶液的pH;計算解離度和解離常數。教師通過觀察、針對學生實際情況個別指導和點撥，如儀器的不正確使用及取送化學藥品的錯誤方式等進行個別糾正，協助學生完成本次實驗。實驗完成后，學生通過數據整理，展示自己的成果并提交教師審核，也可上傳至交互平臺，展現實驗結果。同時可以分享在使用pH計測試過程中遇到的問題和解決辦法、實驗中應注意的事項。給學生一個自我展示的平臺，提高自信和成就感;同時避免了課后抄襲或篡改實驗數據。教師對課堂中學生實際操作情況給予總結和評價，對不足的地方，引導學生自我反思。課后，學生將電子實驗報告上傳到課后評閱模塊，由教師進行審閱，核算給出評分結果，并保存到反饋信息中。教師通過后臺可以在線了解學生的學習結果，并及時獲知學生對本次實驗的掌握程度。對所有數據和資料整理分析，改進教學思路，以備下次課程的開展。
四、結論
構建交互平臺，將大學化學實驗教學進行翻轉設計，改進實驗教學結構。通過實踐教學，學生們一致認為這種教學模式非常適合當前大學生，知識獲取量大大增加，課堂參與度提高，在“互聯網+”背景和大數據信息時代下具有很好的實用性。在這樣的教學過程中，學生自主掌控學習進度，積極改進學習策略，進行自我評估、反思并共享學習心得。線上學習、考核，線下實際操作、總結、反饋，交互平臺與翻轉實驗教學的有機結合充分調動了學生的能動性、創造性，培養了學生自主學習、協作學習及自我展示的能力，切實提高了學生分析問題、解決問題的能力。另外，平臺形成的數據信息也為教師提供了豐富的素材，以改進教學設計和方法，指導以后的實驗教學，提升教學質量和教學效果。整體形成了個性化的教與學環境，使大學化學實驗教學具備了新型網絡現代化特色，不僅提高了學生的學習效率，而且對教師教學也產生了良好的效果。
作者:閆雪微 魏群 王麗娣 李江城 單位:東北電力大學化學工程學院
