新工科背景下“环境工程原理”翻转课堂教学模式的探索及实践*

张春红，罗春梅

(云南大学生态与环境学院，云南 昆明 650500)

为深入贯彻全国教育大会精神和《中国教育现代化2035》，2019年10月，教育部印发了《关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》(教高〔2019〕6号)和《关于一流本科课程建设的实施意见》 (教高〔2019〕8号)，指出强化课堂设计，激发学生学习动力和专业志趣；培养学生深度分析、大胆质疑、勇于创新的精神和能力；创新教学方法以提升教学效果为目的。翻转课堂(Flipped Classroom)是一种新兴的有别于传统课堂的教学模式[1-5]。与传统教学相比，它将传统课堂“预习—课堂讲授—复习”的学习流程翻转为“课前自主学习—课中知识内化—课后总结提高”的学习步骤，本质上是一种先学后教的模式，更符合人类认知规律，现成为实施差异化教学和个性化教学的有效手段，在国内外的教育教学领域获得快速发展[6]。

“环境工程原理”是云南大学环境科学与工程专业的专业基础课程，该课程担负着由理论到工程、由基础到专业的桥梁作用，对环境科学与工程专业学生的业务素质、工程能力与创新能力的培养起着至关重要的作用。新工科建设背景下，云南大学的“环境工程原理”的学时缩短至36学时，如何在有限的学时内将知识保质保量地传授，成为一个关系专业人才培养质量的重要问题。为了实现这一目的，我校对“环境工程原理”的翻转课堂教学模式进行了探索和实践。

1 教学实践的痛点

“环境工程原理”的教学目的主要是让学生掌握环境污染控制的基础原理、基本理论，培养学生的自主学习能力、分析和解决问题的能力和工程思维，为后续专业课的学习打好理论基础。但是，在传统教学模式的教学实践中，发现“环境工程原理”的教学存在如下痛点。

1)学生学习的主动性低，大多数学生是被动参与学习。 “环境工程原理”中有大量的原理、晦涩难懂的公式及其推导、应用，许多同学还没开始学，打开教材看到大量的数学公式后就产生了畏难的心理，导致课程学习过程中不愿意积极参与教学而是被动参与学习，丧失主动学习和独立思考的能力，影响了课程的教学效果。

2)传统课堂上，“满堂灌”、“填鸭式”的教学方式导致学生在一节课的时间内去理解晦涩难懂的原理、方程意义很难，而在理解基础上的应用原理、公式去分析和解决问题更是难上加难，因此学习效果较差。

3)评价方式过于单一，评价体系包括平时成绩、期中考试和期末考试成绩，注重期末考试结果，不重视过程性评价。这种评价体系下，部分学生平时学习不认真，期末考试前突击学习而通过期末考试，因此非常不利于学生学好 “环境工程原理”的知识，学生的专业能力得不到培养和提高。

2 翻转课堂教学模式的探索与实践

2.1 翻转课堂教学过程

本着“学生主体，教师主导”的教学指导思想，本课程的翻转课堂教学模式为基于“雨课堂”的课前线上自主学习，课中课堂教学的知识内化，课后知识巩固和拓展教学环节来实现，具体流程见图1。

图1 翻转课堂的教学流程

2.1.1 课前线上自主学习

课前线上自主学习是翻转课堂能够顺利进行的关键，合适的课前学习既能提升学生的学习兴趣，又能帮助其实现既定的学习目标。因此，根据学习的主题和重难点合理安排教学内容就显得尤为重要，内容不仅要“专”和“精”，还要具有比较好的可控性和延伸性。在本课程教学改革积累中，已形成 “环境工程原理”的课前教学资料库：线上自主学习任务单(以下简称任务单)和线上自主学习课件(以下简称学习课件)。教学团队课前通过雨课堂教学平台，向学生推送任务单和学习课件等学习资料。

任务单主要包括学习目标、学习任务和课堂导入习题(以填空题和简答题为主)，其中学习目标主要包括各章节不同内容的不同要求和培养的能力，让学生明白不同内容有不同的学习要求，在学习过程中合理分配学习时间，提高学习效率。任务单根据章节顺序设置，预先发布在平台上，方便学生学习。鼓励学生结合学习目标及任务，通过教材文献、课程平台、互联网等多个渠道完成课前学习，并通过回答导入问题和系统自测来检查课前学习效果。如在沉降章节，任务单中设置了“空气中的PM2.5指的是什么？PM2.5在重力场中为什么很难沉降？”的简答题，让学生自己去查阅文献，帮助理解重力沉降的过程和原理。

学习课件除了主要学习内容外，还有学习视频、选择题和判断题等。学习视频主要包括教师录制的视频、引用其他教师的视频和部分学堂在线的慕课资源，学生在学习过程中可以反复观看学习视频，不受时间限制。每段视频时间长度为10 ～15 min，内容包括学习的重点和难点、部分设备结构、各单元操作的原理等。其中，设备的结构及其在工程中的应用等内容采用生动、形象的方式呈现，以便于学生理解。学生通过视频学习，在课堂教学之前就能够对单元操作原理及设备形成直观感性的认识，从而激发进一步学习的兴趣。例如，列管式换热器的原理、结构及换热过程的学习视频中，形象地展示换热器的结构，并说明列管式换热器的管程和壳程的定义等，这样有助于加深学生对列管式换热器的理解。

为了及时获得学生对知识的学习效果，学习课件中有针对性的设计了一些选择题和判断题，供学生学习过程中思考并解答，检测其线上自主学习成效，图2 为对流体阻力定义的检测结果截屏。

图2 线上自主学习检测结果

以上过程在雨课堂教学平台上进行，雨课堂直接记录了每位学生观看学习视频的时间与进度、线上自主学习效果，方便教师掌握学生的学习进程并督促学生学习。同时，对于课前学习中遇到的问题，学生在课程网站互动区或QQ交流群中留言讨论，实现学生与学生、学生与老师间的多方位实时交流。老师选择部分有代表性的问题进入课堂，组织同学实施更大范围、更深层次的讨论。

2.1.2 课中课堂教学

课堂上，教师先对学生学习成果做点评，以及学生在线上自主学习时遇到的问题进行答疑解惑，还会帮助学生把碎片化的知识系统化。例如，根据学生线上学习和习题的完成情况，对于一些出错率比较高的知识点，教师设计随堂测试题，强化学生对知识的理解和吸收；对一些容易产生误解或容易混淆的知识点，教师通过选择题和投票题的方式帮助学生深入理解和掌握知识点。例如，对“颗粒物的流体阻力的方向与颗粒物在流体中运动方向相反”这个易混淆的知识点，设计选择题帮助学生来理解，选项中设计了两个干扰选项：流体的流向、颗粒物的运动方向。

课堂上，探究式和小组协作等不同的教学方式组融合应用，传统的课堂教学和翻转课堂教学模式有机融合，既能增强学生的自主学习意识，又能加强学生对知识点的内化；同时能充分发挥教师的主导作用和学生的主体作用，大大提高双方的效率。对于一些原理、公式的推导，教师会设计一些讨论题，让学生分组讨论，每个问题的讨论时间控制在8～10 min。例如，在第五章沉降课堂教学中，教师针对知识点“颗粒物在重力场中的沉降过程”，教师先设计一道讨论题：将颗粒物在重力场中的沉降过程分解成三个阶段，让学生组成4人小组讨论其中一个阶段颗粒物的沉降，然后把每个小组讨论的结果在教师的引导下组合成颗粒物在重力场中沉降的完整过程，并顺利导出沉降速率的定义。而对于某些原理、公式的应用，会选用探究式教学方法，例如探究“颗粒物在不同流态时的沉降速率计算方法”，具体过程如下：布置课堂任务“已知 20 ℃，常压状态下空气密度为 1.205 kg/m3，黏度为1.81×10-5Pa·s，求直径为 40 μm，密度为 1.5 kg/m3的球形颗粒在 20 ℃ 的常压空气中的沉降速率。” 在学生分组计算讨论几分钟后，部分学生提出：“沉降速率的计算需要先确定流体阻力系数，而流体阻力系数的计算与颗粒物的雷诺数有关，需要确定颗粒物的流动状态，颗粒物的流动状态的确定又需要颗粒物的沉降速率，这个问题的关键点是判断颗粒物的流动状态？”教师通过引用“受力分析中判断弹力是否存在的假设法”提出问题“那如果假设颗粒物处于层流或者湍流区呢？”引导学生找到沉降速率计算的一种计算法“试差法”。最后，教师再对整个过程中出现的难点问题进行讲解和补充，引导学生对整节课的知识进行总结和梳理，推动学生注重知识的内化和应用，培养其提出、分析和解决问题的能力。

2.1.3 课后巩固与提升

“环境工程原理”的课程性质应用性强，课后拓展作业有助于培养学生的成就感，使学生具备解决日常生活或环境科学与工程中的实际工程问题的能力，进而增强学生的工程观念。教师在课堂教学之后会给学生布置课后作业，或者根据章节内容布置拓展性作业。课后作业包括教材中的习题或自测题，而拓展性作业则相对灵活，为生活中的常见问题。例如，新冠疫情期间为什么需要公共场合佩戴医用外科口罩而不是其他类型的口罩？佩戴医用外科口罩与实际生活密切相关，有助于启发学生积极思考过滤的原理和过滤效率。

教师会及时检查学生对课后提升拓展作业的完成情况，并于后续课堂教学中进行评价，以加深学生的印象。

2.2 翻转课堂教学模式的实践

本文以“颗粒物在重力场中的沉降过程”为例来展示翻转课堂教学模式在“环境工程原理”实践过程，实施过程如表1所示，学生与教师双方共同配合完成教学任务。

表1 颗粒物在重力场中沉降过程的教学过程

3 翻转课堂的教学过程的考核体系改革

传统课堂的评价指标单一，只有平时成绩、期中考试和期末考试，整个教学过程都是教师评价，侧重于考试结果而忽视学生学习过程的管理。为了更好的进行课程管理，对翻转课堂模式的评价体系进行了改革，且重新制定了较为详细的评价细则，见表2。翻转课堂注重过程性评价，且对学习过程的评价细则明确化，评价的方式多样化，除了教师评价，还有生生互评和雨课堂系统评价。另外，增大了过程性评价成绩的占比(50%)，而期末考试成绩占比(50%)。与传统教学模式相比，在翻转课堂教学模式实施过程中，学生平时投入更多的时间和精力进行学习，因此提高平时成绩的占比有利于激发学生平时自主学习的积极性。

表2 翻转课堂和传统课堂的评价体系对比

4 教学效果与反馈

在环境科学与工程专业2021年、2022年两个教学周期教学模式的改革，最直观的效果是学生的综合成绩，见图3。在对2020年(传统课堂)、2021年(翻转课堂)、2022年(翻转课堂)成绩比较后发现：实施翻转课堂后，学生的综合成绩逐年提高。与2020年相比，2022年的及格率提高了16.77个百分点，优秀率提高了8.82个百分点，良好率提高了30个百分点；从图3(b)中发现，2022年的平均分增加了13分。这些结果表明，实施翻转课堂教学改革后，学生的成绩得到了明显提高，这可能是在这种“先学后教”的模式下，学生能根据自己的学习习惯和时间安排学习进度，发挥了学生在学习中的主体作用；其次，通过线上线下的实时反馈，教师能更准确地了解到学生学习的难点疑惑，从而提供更有针对性的指导和教学设计[7]，改善了教学效果。

a.学生成绩的优秀率、良好率、及格率；b.学生成绩的平均分和最高分图3 2020年～2022年的学生综合成绩对比

为更好地了解翻转课堂的教学效果，教学团队做了一份无记名问卷调查，发出去50份调查问卷，收回46份问卷，回收率为92%。调查结果如表3和表4。从表3的数据可知，大多数同学能适应翻转课程教学模式，在教学中能支持这种教学模式的顺利实施。从表4的数据可知，绝大多数同学感受到翻转课堂模式带来学习效果的提高：学生的沟通和小组协作能力、分析和解决问题的能力、自主学习和查阅资料的能力得到了提高。

表3 学生对翻转课堂的适应度和支持程度

表4 学生对翻转课堂的感受度

5 结论

相对于传统课堂教学模式，翻转课堂教学模式下的“环境工程原理”课程教学充分体现了“以学生为中心”的理念。通过课前线上自主学习、课中课堂教学多种教学方法结合、课后巩固和提升等环节，改革课程评价体系，加强对学生的学习过程性评价，从而提升学生的学习主动性、教学效率和教学效果，学生的综合成绩普遍提高。多数学生能接受和支持翻转课堂教学模式，学生的各方面能力也有所培养和提高。

但课程的翻转课堂教学模式还需不断完善，例如，线上自主学习课题中的习题设置更加合理和有针对性，完善评价体系中的生生评价标准和细则，鼓励学生课后及时对每章节内容进行归纳总结，进一步提高学习效率。