后疫情时代《湖泊河流水体污染控制工程》慕课-翻转课堂混合式教学模式研究及应用∗

成小英, 陈 涛, 王 姝, 江 桥

(江南大学环境与土木工程学院, 江苏 无锡 214122)

湖泊河流与人类的社会生活存在着紧密的联系, 为人类提供着重要的自然资源, 是人类生存发展不可或缺的一部分[1]。湖泊河流也是城市的绿色生命线, 在改善气候、 绿化环境的同时, 也为城市的社会经济系统提供着受纳、 景观与娱乐等重要功能[2]。 因此, 健康的地表水环境为城市的可持续发展提供了重要的保障。

然而, 随着我国城市化和工业化进程的加快, 污水排放量也随之增多, 大量污水排入湖泊河流使其受到不同程度的污染。 对于我国的湖泊污染问题, 随着工业污水、 生活污水中的氮、 磷等污染物质向地表水中大量排放[3,4], 水生动植物大量繁殖, 溶解氧浓度显著下降, 鱼类等生物大量死亡, 生态系统遭到破坏[5,6]。 我国对138 个较大的面积的湖泊进行了湖泊现状调查, 其结果显示富营养化的湖泊占比超过了85%, 而超过40%的湖泊达到了重富营养化状态[7], 可见富营养化已成为我国湖泊治理的重大水环境问题。 同时, 目前我国河流的水环境质量整体处于中度污染状态, 情况不容乐观, 1/4 以上的监测断面属于劣V 类水[8]。 受污染的河流中, 氮磷有机物含量较高, 水生动植物大量繁殖, 大量消耗水体中的溶解氧, 严重影响水体质量, 破坏生态环境, 最终威胁到人类的生存。 湖泊河流的污染问题对水生动植物的生长繁殖、 旅游业和渔业的发展造成了巨大的影响, 也使人类的财产和安全造成了巨大的损失。

1 《湖泊河流水体污染控制工程》课程的现状和趋势

受2020 年新冠肺炎疫情影响, 教育部下发了《教育部关于2020 年春季学期延期开学的通知》。 为应对疫情导致的延期开学提出了 “停课不停学” 的新举措[9], 既是战疫情应急之举,也是 “互联网+” 教育成果的应用展示[10]。 在疫情防控期间,在 “互联网+” 这个朝气蓬勃的大背景下, 全国各大高校陆续开始授课, 实施了一个学期的线上慕课教学并完成了线上考试的教学任务[11]。 截至2020 年4 月3 日, 全国在线开学的普通高校共计1454 所, 我国在线课程平台上慕课上涨了5000 门[12]。疫情期间, 线上教学研究硕果累累。

当前高校规模化的线上教学, 表面来看是针对突发新冠疫情的应急之策, 但从长远来看, 此次疫情实质上是倒逼了线上教学模式的发展, 进而也将会倒逼我们的研究生教育信息化改革[13]。 为了适应线上教学的快速发展, 在 “后疫情时代”, 需要对 “前疫情时代” 线上教学总结经验的同时[14], 进一步推进教学模式创新, 以及研究生教学改革中没有机会或做的并不到位的地方, 进行积极探索并努力寻求对策, 为我国研究生教育带来新的发展机遇。

回顾疫情期间《湖泊河流水体污染控制工程》的在线教学,与传统实体课堂教学相比, 两者之间存在明显差别, 线上教学具有很多优势, 例如在线教学研究生可以反复学习, 便于知识点的深入掌握, 再如在线教学驱动研究生自主式学习, 培养学生的主动学习能力, 同时研究生可以根据自己的时间安排学习进度, 实现个性化学习等, 但是在线教学隔着屏幕通过视频上课, 很难做到与实体课堂 “实质等效”, 如课堂的仪式感, 师生之间的眼神、 肢体、 表情、 语言等情感交流和反馈, 师生之间、 生生之间的课上和课下交流等[15]。 那么, 疫情之后《湖泊河流水体污染控制工程》是否还应回到疫情之前传统的课堂教学呢? 线上教学虽然存在着一些问题, 但其优势还是非常突出的, 理应成为未来高校教学的重要组成部分[16]。 实际上, 采取100%的线上或者100%的线下都是不可取的。 未来的《湖泊河流水体污染控制工程》教学, 应是充分利用网络平台, 与线下教学一起重构线上线下混合式教学新形态[17]。 经历过了疫情线上教学的洗礼, 将《湖泊河流水体污染控制工程》线上教学和传统的实体课堂教学有机融合, 发挥各自优势, 做到优势互补,提升研究生人才培养质量, 是非常好的契机[18]。 因此, 疫情之后的《湖泊河流水体污染控制工程》研究生教学一定是基于慕课等线上平台与资源, 与线下传统实体课堂如翻转课堂相融合的全新教学模式[19]。 后疫情时代, 基于慕课的翻转课堂混合教学模式将成为一种典型的高校研究生教学模式。

2 慕课-翻转课堂混合式教学具体实施方法

《湖泊河流水体污染控制工程》共32 个课时, 是环境工程专业研究生专业必修课程。 该课程理论学习和技能培养并重,既讲解地表水环境生态修复的基础理论, 又讲授地表水环境生态修复的多项技术[20], 并培养研究生设计水生态修复工程方案的能力, 为研究生毕业后从事水环境工程相关专业的研究和工作奠定坚实的理论和实践基础[21]。

2.1 梳理教学内容, 确定核心知识点

分析了《湖泊河流水体污染控制工程》课程内容, 共23 个核心知识点, 发现核心知识点之间的逻辑关系, 建立核心知识点之间的内在联系, 形成以核心知识点为节点的知识导航图(图1), 区分基础知识点和发展知识点, 通过教学/科研深度融合, 形成了知识节点的强大支撑。 所有学生需掌握基础知识点, 学有余力的学生可以掌握发展知识点[22]。 23 个核心知识点为: 富营养化机制、 流域常见修复技术、 湖泊常见修复技术、 河流常见修复技术、 高级分散家庭排水处理净化槽、 无动力厌氧土壤沟槽、 生态公园水培净化、 利用水生植物进行净化的方法、 曝气循环净化系统、 氧化塘净化系统、 沉水植物净化系统、 居民参与的厨房污水处理方法、 CNR 工艺、 贫营养生物吸着工艺、 KIDEA 工艺、 DNR 工艺、 HANT 工艺、 引入大型水生植物净化系统、 底泥疏挖工艺与设备选型、 日本霞浦湖水环境修复计划、 太湖的现状和污染控制对策、 水体修复目标确定、 韩国清溪川修复计划。 其中基础知识点共8 个, 为富营养化机制、 湖泊常见修复技术、 流域常见修复技术、 河流常见修复技术、 太湖的现状和污染控制对策、 霞浦湖水环境修复计划、 水体修复目标确定、 清溪川修复计划, 其余15 个 (主要为亚太国家的水处理技术) 为发展知识点。

图1 《湖泊河流水体污染控制工程》知识导航图Fig.1 The navigation map of Course Lake and River Water Pollution Control Engineering

2.2 构建考核问题, 实现进阶学习

依据 《湖泊河流水体污染控制工程》 课程的23 个核心知识点, 录制16 个学时的视频, 在学院机房学习16 个学时的慕课, 完成16 个学时的翻转课堂教学。 慕课学习采用进阶模式,考核合格后进入下一知识点的学习。 在慕课视频研究生自主学习完成后, 主要针对知识点的正确和熟练掌握进入相关考核问题, 通过考核问题的研究生可以进入下一阶段的学习, 没通过考核的研究生通过再次学习知识点, 重新考核, 考核通过方可进入下一阶段的学习, 采用通关的方式实现学习内容的进阶[23]。 以CNR 工艺为例, 其考核知识点包括工艺的步骤图、原理、 特点、 优缺点。

2.3 构建逐步深化问题体系, 开展翻转课堂

研究 《湖泊河流水体污染控制工程》 研究生所学的基础知识点, 分析研究生学习规律, 针对某一知识点构建逐步深化问题体系, 在此基础上, 学生分组讨论和汇报, 通过课堂的生生交流、 师生交流回答问题, 在多轮基于问题的学习过程后解决地表水生态修复技术问题[24], 帮助学生掌握治理河流湖泊污染的各项具体技术的原理、 优缺点和使用范围, 学会自主选择合适的技术, 构成地表水污染综合治理和修复方案。 以自主讨论案例-韩国清溪川水环境修复技术为例, 构建基于问题的翻转课堂教学模式(图2), 培养研究生的思辨能力和科学思维, 实现学生学习能力和实践能力的快速提升。

图2 基于问题的清溪川水环境修复技术的翻转课堂教学模式Fig.2 Problem-based flipped classroom teaching model for water remediation technology in Cheonggyecheon

2.4 建立全过程考核和反馈机制

在《湖泊河流水体污染控制工程》课程整个慕课学习过程中, 分阶段的考核可以通过后台的大数据分析汇总至教师手中, 教师第一时间获得第一手的资料, 进而了解研究生在线上学习的易错点和难点, 教师可以在翻转课堂中重复讲解。 在翻转课堂教学中, 在解决问题过程中观察研究生表现, 进行考核。 在慕课-翻转课堂的教学中, 可以通过《湖泊河流水体污染控制工程》课程企业微信群、 QQ 群内获得学生的即时反馈信息, 即时调节教学内容和所提问题(图3)。

图3 《湖泊河流水体污染控制工程》课程慕课-翻转课堂混合式教学过程Fig.3 The mixed teaching model of the flipped classroom based on MOOCs

3 创新点

3.1 建立分层学习内容, 构建翻转课堂问题深化体系

慕课知识点包括基础知识点和发展知识点, 要求学生必须掌握基础知识点, 一般的研究生可以反复学习基础知识点, 学有余力的研究生可以进入发展知识点学习, 有效实现《湖泊河流水体污染控制工程》慕课的分层次学习, 激发研究生自主学习能力的培养。 依据《湖泊河流水体污染控制工程》核心知识点, 构建基于问题的逐步深化解决体系, 在教师提出问题-小组讨论汇报-师生提问-小组重新讨论回答的多轮过程中, 学生逐步解决问题, 最终熟练掌握技术。

综合这两个过程, 基于全过程考核, 实现研究生《湖泊河流水体污染控制工程》慕课-翻转课堂学习的全过程, 实现了4个转变: 教学方法由单一课堂讲授→慕课-翻转课堂混合式讲授; 教学内容由所有知识点→基础知识点+发展知识点; 教学目标由知识传授→能力培养; 教学过程由教学两张皮→构建基于问题的逐步深化体系, 教与学充分混融。

3.2 构建基于问题的翻转课堂教学方式

在《湖泊河流水体污染控制工程》翻转课堂教学中, 结合水处理核心知识点, 教师逐步深入, 依次提出相关问题, 研究生结合所学慕课知识, 分组讨论回答问题, 一题多答, 比较技术的优缺点, 了解知识的螺旋式上升过程, 结合查阅资料, 完成知识点的学习和内化, 培养研究生的思辨能力和科学思维方式。

3.3 构建混融共生的双线教学模式

16 个学时的《湖泊河流水体污染控制工程》慕课学习对应16 个学时的翻转课堂实时教学, 不额外占用研究生的学习时间, 研究生较易接受和实现, 课程得以长期实施, 实用性极强; 同时, 在实时课堂教学中, 可以通过后台大数据分析, 获得研究生学习的易错点和难点, 在翻转课堂上重新讲授; 基于慕课学习知识点, 依据老师所提问题, 开展研究生小组汇报,通过生生交流和师生交流, 逐步深入知识的学习和能力的培养, 实现双线教学模式的深度融合。

4 结 语

水是生命之源, 是一切生物赖以生存与发展的重要物质基础, 更是关系到整个社会稳定持续发展的非常宝贵的资源。 但是由于我国经济水平的高速发展, 工农业废水、 生活污水的大量排放, 河湖体系受到了无可避免的污染, 给我国经济发展、社会稳定和生态安全带来了严重的影响, 因此急需大量专业的从事湖泊河流水体污染控制的科研和技术人员, 培养高水平高质量的研究生就成了当前高校迫在眉睫的任务。 而随着疫情后研究生的大幅扩招, 研究生的数量越来越多, 新入校的研究生质量良莠不齐, 为了使将来从事湖泊河流水体污染治理工作的研究生顺利完成后期的研究工作和未来的工程实践, 通过在前期的学习过程中提高研究生的自主学习能力, 培养研究生的思辨能力和科学思维是十分必要的。 《湖泊河流水体污染控制工程》慕课-翻转课堂混合教学模式, 糅合了现代化教育手段, 具有更强的表现力和感染力, 体现了以研究生发展为本的思想,更可以提优补差, 促进研究生学习能力、 科研能力和实践能力的培养, 有效保证研究生的教学质量, 为研究生毕业之后顺利开展河湖治理的职业生涯奠定坚实的基础。