基于同步在线翻转课堂在研究型微生物实验教学中的应用研究

刘会强， 李金玉， 宁焕宸， 张 伟， 王小静， 赵惠新， 帕提曼·阿布力肯

(1.新疆特殊环境物种保护与调控生物学实验室 中亚区域有害生物联合控制国际研究中心 干旱区植物逆境生物学实验室新疆师范大学生命科学学院，新疆 乌鲁木齐 830054；2.新疆维吾尔自治区科学技术协会 科学技术普及部，新疆 乌鲁木齐 830000)

翻转课堂“Flipped Classroom”，是指重新调整课堂内外时间，将学习的决定权由教师转移给学生[1]，对课堂教学过程和学生考核形式重新建构的一种互动教学模式[2-3]。目前基于翻转课堂微生物实验教学切实提高了学生的实验操作技能[4]，增强了学生线上、线下混合式学习能力[5]。提升学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，激发了学生的实验学习兴趣[6-7]。以2017-2020级生物科学8个班级248名学生微生物实验教学改革为研究对象(其中2017-2019级6个班采用平行班级对照，2020级2个班实施同步在线翻转课堂教学)，通过三年4个学期不同班级微生物实验教学的实践探索，并对研究型实验教学设计、微生物实验模块构建、实验教学实施、师生反馈等进行认真梳理，以供广大同行参考借鉴。微生物实验课程54学时，每周3学时，共18周。采用小班分组式教学，一次课3学时 20人，4人一组，共5组。2017-2019级6个班采用平行班级进行不同教学模式对比(17-1、18-2、19-1采用翻转模式，17-2、18-3、19-2采用非翻转模式)。研究型模块微生物实验采用不同类型课堂教学策略，对现有微生物实验教学方式进行改进，教学效果(综合线上调查、问卷星调查、同行评价及督导评价)分析表明，学生普遍支持“同步在线+翻转课堂”教学模式，对实验教学认可度高，实验教学改革取得了较好的教学评价效果。

1 微生物研究型实验翻转课堂设计

微生物实验翻转教学过程包括：线下资料准备、线上意见征集、课堂小组合作、翻转教学实施、线上课程评价，教师教学反思等环节。

实验教学措施包括：教师线上视频教学资源应用和学生线下自主学习探究两个方面。资料准备依托微生物教研室前期开发和整理的实验操作视频、微课素材、实验演示视频、部分慕课资源等。教师根据实验内容提前准备线上教学预习视频，明确告知学生模块实验的教学目标、学习内容、基本原理及操作方法，通过视频或微课演示实验过程，强调实验中易出错的问题、需注意的环节，并根据每个实验目标和内容给出学习任务单。课前学习资料采用长江雨课堂和腾讯会议结合的方式提前发布，使学生提前一周通过线上学习相关实验预习内容并线上测试，达到合格标准方可参加正式实验。测验合格标准为授课教师依据实验组成部分打出预习分数，实验原理占50分，技术操作及安全问题占50分，各项满足均35分可以参加正式实验。学生在课下预习过程中遇到问题，可安排同组学生讨论或与教师线上交流解决疑惑。教师依据线上反馈及时了解学情，调整实验课程教学策略。学生掌握每个实验原理、步骤及操作要点，对于综合性、探究性和创新性实验，学生4人一组，查阅文献、设计实验方案，经授课教师审阅后，给出改进建议，方可进行实际实验操作。改进后的实验教学方式提高了学生对实验教学的兴趣，提高了学生自主学习的能力，增强了师生互动，丰富了实验教学形式，教学过程生动，教学效果显著提升。根据教学目标和教学内容的不同，教研组将微生物16个实验设计为模块实验进行教学，部分模块内容通过学生模拟实验操作(如“常见环境微生物分离、筛选及形态学特征”“微生物的生理生化特性”等)或线上学生虚拟实验操作(如“食用真菌的固体栽培”“探究不同生物及环境因素对微生物的影响”等)。每个模块采用翻转形式教学，实现学生为主体，在“做” 中学，从而实现实验教学从识记、理解等初级阶段到探究、创新、评价、科学素养提升等高级阶段的转变。

2 微生物研究型实验翻转课堂建构

开课前，教师将20名学生随机分成4人小组。在实验准备和预习阶段，教师组织学生线下学习微课素材及演示实验视频，学生线上讨论和设计“不同环境样本实验研究材料”。微生物实验设计为5个模块和实验论文考核环节(表1)，每个模块需要完成不同分项实验内容，预习时教师要求各小组通过交流讨论梳理出实验目标、内容及可能需要的时间，并进行模拟实验汇报或线上虚拟演示实验过程。不同“模块内容”依据微生物实验类型及研究内容整合为“研究型模块实验”(具体分类及课程教学模式见下文)，每个模块的实验课学生分组提前预习，将实验预习情况作为平时成绩纳入实验课程最终考核。实验模块如下：

表1 各研究型模块内容组成Table 1 Research module content composition

第一模块：常见环境微生物分离、筛选及形态学特征。内容包括：无菌操作及环境样本的选择(设计土壤、水、动植物、人体等)；不同微生物所需的培养基的制备；灭菌及无菌接种实际操作；不同类型微生物的计数与分离；不同类型微生物的纯化及所分离的放线菌、霉菌和酵母菌菌落形态观察；不同类型微生物的菌种保藏。教学实践表明学生整体学习积极主动，小组成员先线上讨论，后分工协作，共同完成实验设计。每组学生均能通过思维导图方式构建实验思路，较好地完成课前预习任务。本模块锻炼了学生的团队协作能力，提升学生科学思维和社会实践能力。

第二模块：食用真菌的固体栽培。教师要求学生提前查阅大量文献资料(各类真菌的培养价值和培养方法)，组织学生线上交流，课上每组选一名“发言人”代表全组展示，实验教学过程顺利，教学效果较好。

第三模块：微生物的生理生化特性。采用同步在线+翻转课堂模式，内容包括：淀粉、纤维素、明胶水解、接触酶实验；油脂、蛋白、尿素水解实验；产酸产气实验；吲哚、甲基红、伏-普、柠檬酸盐实验。教师要求学生将前期分离的各类微生物进行系统化理化性质检测。各小组台上进行实验设计方案比拼，调动学生探究热情，各组通过组内讨论，完善模块实验设计及结果分析。教师依据各组学生实验操作过程和试验报告结果作为该模块实验平时成绩。

第四模块：探究不同因素对微生物的影响。采用同步在线+翻转课堂+实验操作模式。内容包括：不同环境因素对微生物的影响；不同生物因素对微生物的影响。要求小组进行不同影响因素设计，实验结果对照分析，其他小组学生积极参与整体讨论，实验设计准备充分，实验结果详尽真实。

第五模块：微生物DNA提取、16S rRNA基因扩增和序列分析。采用翻转课堂+实验操作模式。内容包括：细菌总DNA 的提取；16S rRNA基因序列扩增与分析。要求各组线上预习实验和讨论实验设计及操作要点，课后小组进行视频汇报展示实验结果。

第六模块：实验论文考核。采用讨论+课堂展示。考核要求各组进行答辩，将“某地区某类微生物初步探究”为汇报题目，进行实验考核汇报，要求学生通过实验论文或幻灯形式进行汇报。并开展“我的研究我汇报”等课堂交流活动，教师组织学生从选题意义、研究内容、研究方法、结果分析、反思建议等方面进行汇报。

教学过程中，课前线上预习时间为30 min、课中包括预习展示10 min，小组讨论20 min，教师点评15 min，小组协作实验2学时90 min、课后作业、讨论30 min。实验课3个学时均为实际实验学时非学校规定学时。实验课程成绩采用平时成绩40%(前五个模块平均成绩，每个模块平时成绩均包括考勤10%，预习30%，讨论30%，操作40%)+课程论文考核60%(选题10%，内容30%，结果分析30%，答辩30%)，通过建立综合考评模式促进学生线下主动学习和课题协作熟练掌握实验技能。其中模块一、三和五教师提前安排学生线下预习，进行模拟汇报实验，模块二、四采用同步在线+翻转课题模式教学。教师在具体实验教学中线上与线下教学衔接通过线下课堂展示学生线上讨论情境，衔接进入线下实际课堂教学环节。整体而言，实施班级师生互动多，学生合作能力得到锻炼。

3 研究型实验翻转课堂教学效果的评价

课堂活动有效实施，离不开对课堂活动公正、客观地评价，每一模块小组课堂成绩等于该组每位学生课堂成绩平均值。因此，学生要想取得较好的成绩，组内每位学生都需努力，通过高效合作完成小组实验操作活动。

3.1 实验教学评价方法

学生学习效果评价采用雨课堂进行线上满意度、作业、问答等调查，综合问卷各组间匿名互评(线上以雨课堂评价为主，参考学生、教学督导课堂评价意见)。课堂活动评价要求各组汇报后非本组学生对该组汇报进行评分(0分=最不满意； 10分=最满意)，对教师教学效果的评价采用线下自我评价、同行评价、督导评价和学生评价相结合。

教师通过研究型实验论文形式考核学生学习效果，教师每次实验授课后，对每个学生的学习态度和学习效果进行综合评价，将学生每次实验课的表现作为平时成绩。教师对实验过程中出现的有关问题及时整理和总结，并把实验中存在的问题、改进建议、下次实验预习资料上传到线上学习平台，便于学生对本次实验内容进行总结并做好下次实验准备。

3.2 微生物实验教学模块评价

课程模块评价分析表明(图1)，学生对第二、第四、第五模块的研究性实验教学活动认可度高于第一、第三模块。学生对同步在线和实验论文考核方式十分支持(7.2和9.4)，学生支持同步在线翻转研究型实验课程模式。教学督导对课堂教学评价给予肯定，认为教学效果好，课堂生动，教学方法新颖，值得推广。

图1 每个模块课堂活动评价结果Fig.1 Evaluation of Classroom activity in each module

3.3 课堂满意度的比较

翻转课堂整体课程评价(综合学生评价与同行教师评价)表明56%调查者非常满意(图2)，显著高于非翻转课堂班级的满意度(28%)，没有调查者表示不满意或非常不满意。学生对线上预习实验和翻转课堂实验模式整体评价较高，比较喜欢这种实验课程模式。

图2 翻转课堂满意度调查 Fig.2 Questionnaire on satisfaction of the flipping classroom

3.4 微生物实验教学方式评价

为了提高实验教学效果，学生对教师不同教学方式的认可度进行测评分析，发现学生对翻转课堂(25.6%)和在线预习(17.9%)教学方式非常认可(图3)。同时对微课、探究实验、课堂演示实验、雨课堂等教学方式认同度明显高于其他教学方式，建议在实验教学实践中能够综合应用相关教学方式，提升学生认可度及学习兴趣。

图3 不同教学方式学生认可度调查 Fig.3 Students'preference for different teaching methods

3.5 实验成绩的分析

对翻转课堂班级微生物学实验各项成绩分析发现(图4)：平时成绩、预习、考勤、提问、课前检测等明显优于非翻转课堂班级。课堂成绩、课堂讨论、实验操作、课后作业翻转课堂班级优于非翻转课堂班级。论文考核成绩(翻转课堂班级89，非翻转课堂班级78)及最终综合成绩(翻转课堂班级92.15，非翻转课堂班级81.03)存在显著差异。

图4 不同班级各项成绩分析Fig.4 Results Analysis of Flipped Classroom

4 研究型实验翻转课堂存在问题及建议

4.1 存在问题

4.1.1 教师备课能力差异 翻转课堂的第一步就是要求教师创建学生课前学习视频或微课，这对教师备课综合能力是一大考验。教师需注重课前学习和课堂讨论的结合，充分发挥线上教学的各类媒体资源优势，但部分教师线上教学形式单一，主要通过长江雨课堂、腾讯会议方式进行，没有较好利用其他网络资源。学生模拟实验通过小组汇报、线上虚拟操作方式进行，教师编辑加工微生物实验课程内容、知识点成为实验教学资源的能力有待提高。

4.1.2 学生不擅于提问和主动性不强 教师通过引导和答疑来检查学生实验学习的效果，在实验教学中，教师能够通过实验情境设问、学生之间的讨论和师生互动情况来分析和把握学生实验学习效果。学生线上学习实验课程的主动性和积极性不高，每个学生的学习能力和接受能力不同，有的学生接受知识快，有的学生则相对慢一些，教师需要兼顾每一个学生的不同学情。

4.2 反思及建议

4.2.1 教学理念转变 微生物学实验翻转课堂教学相对于传统教学模式优势： ①教师可以通过控制课前课程资源实现差异化教学、分层次教学，弥补传统课堂教学“一刀切”的缺陷，显著提升不同层次学生的学习兴趣和效果。 ②提高学生组织讨论能力和动手实践能力，增强学生主动学习和探究学习能力，促进理论与实践结合。教师教学要突出科学探究和自主学习的特色，依据学生实验预习和展示过程中反馈的问题及时调整教学策略，做到因材施教、因性施教兼顾到每一个学生。

4.2.2 实验学习方式建议 通过对学生微生物实验课程学习方式的调研，发现学生对线上学习、师生交流讨论等学习方式认同率显著高于其他学习方式(图5)。这反映学生现实中的微生物实验学习心态，教师需要加强与学生的互动和交流，让学生形成科学高效的学习方式。基于同步在线翻转课堂教学方式通过课前完成知识迁移而保证了大量的课堂时间可以进行高效的师生互动，从而提高了实验教学效果和学生主动探究，值得教师继续实践与完善。

图5 学生对实验学习方式的建议Fig.5 Suggestions on learning style

4.2.3 实验教学实施建议 目前高校微生物实验课程压缩实验学时，使实验课程教学存在演示性强，实践性弱的特点。教师通过翻转课堂+线上学习在微生物实验教学中的应用，能够提高学生主动探究学习热情和实验操作技能，引导学生自主设计实施研究型实验，培养学生形成利用微生物学知识发现科学问题和解决科学问题的能力。同时学生通过线上学习熟练掌握微生物学基本实验操作，在学生掌握实验操作要领的前提下，利用翻转教学方式鼓励学生创新、合作学习，设计出具有创新性和探究性的实验研究项目，增强学生创新意识，培养学生生物学核心素养。

致谢本文在调查分析过程中获得新疆师范大学“生物学重点学科”、新疆师范大学生物学国家级一流本科专业建设项目、新疆师范大学沙漠藻研究院在人员和物资等方面的支持和帮助，在此表示衷心的感谢。