面向未来的在线教育丨理工科实验课如何在线化:雷雪峰老师《物理化学实验》案例研讨

2020-03-12

编者按

在全民抗疫的特殊时期,为了支持教育从业者的学习交流不停歇,国家和学校的教育改革创新事业不停歇,西浦ILEAD微信公众号特别推出四大专栏:
◆ 响应当下停课不停学的“面向未来的在线教育”
◆ 针对高校任课教师的“新时代的教学创新”
◆ 针对高校学生工作者和教学管理服务人员的“以学生为中心的行政支持”
◆ 为“教发人”推出的“教发联盟之声”

更多专栏文章,请见文末。如果喜欢这些栏目,欢迎您推荐给同事和朋友。

 

当前全国性的在线教学大潮,既是对传统线下教学思路与模式的挑战,也是对教育创新与改革的机遇。为了给一线教师们带来更多的优质案例参考,促进教育创新者们深入思考与交流,西浦全国大学教学创新大赛(简称“大赛)组委会特推出“大赛往届在线教学创新案例”系列,将分享前四届参赛选手中的优秀在线教学作品,并邀请大赛专家评委进行语音、视频的点评互动,以期激发出更多在线教育的灵感和实践。

 

本期话题

这段时间大学几乎所有课程都在开展线上教学,但比较尴尬的是理工科的实验课,因为这类课程往往需要在线下实验室上课,从短期看,实验课如何应对当下疫情影响是高校开展在线教学需要考虑的问题。
如果着眼更长远的未来,当学生以海量在线学习资源为主要学习来源后,实验学习将如何开展?很多教育专家认为未来实体的大学没有存在的价值,或者说在未来实体的大学价值并不是通过课堂给学生传授简单的知识和技能,在这种趋势下,实验课如何适应时代的变化?

本期文章,我们借助电子科技大学中山学院雷雪峰老师的一门物理化学实验课,和大家一起探讨:实验课如何在线化?实验课教学可以完全线上开展吗?欢迎感兴趣有想法的老师留言和我们互动。

 

大赛专家点评

2018年,雷雪峰老师参加了第四届西浦全国大学教学创新大赛,大赛专家评委、北京航空航天大学徐平教授评价了这门课:

徐平教授点评来自西浦ILEAD00:0003:31

 

案例概况

雷雪峰老师讲授的《物理化学实验》课程,是大二应用化学专业和环境工程专业的必修课,每年上课学生约350人。

由于实验场地和仪器资源的限制,《物理化学实验》课程采用理论讲解与实践操作分开进行的模式开展教学,即:先用一定的学时集中讲解3-4个实验,然后在接下来的课时开展实操。在这种模式下,采用传统的教学方法开展教学,存在如下问题:

①知识讲授短期内的强度过大。老师需集中时间一次性讲授3-4个实验,讲解时间长,教授内容多,教学难度大,学生不易接受和消化。

②理论讲解与实践操作时间间隔长。学生容易遗忘实验步骤及操作细节,因此在实操过程中加大了老师的指导难度。

 

③无法有效监控和评估学生的预习效果,教师也无法准确诊断学情并做出相应反馈。

 

雷雪峰老师采用混合式教学有效地解决了传统教学中存在的上述问题。

 

线上线下混合式实验教学模式

1.     课程学习目标

《物理化学实验》是一门独立的课程,是化学学科一个重要分支,它综合了化学领域中各个分支所需要的基本研究工具和方法。该课程与理论课教学紧密结合,在化学专业的课程体系中是一门承前启后的专业基础实验课,是培养应用化学专业高素质应用型人才培养方案和课程体系的重要组成部分。

目标1 通过物理化学实验教学,加深学生对物理化学重要的基本理论和概念的理解,并提高灵活运用物理化学原理与知识的能力。

目标2 掌握物理化学实验的基本方法和技能,学会常用仪器的操作,提高学生的动手能力。

目标3培养学生正确记录实验数据和现象、正确处理实验数据和分析实验结果的能力。学会现象的观察和记录、条件的判断和选择、数据的测量和处理、结果的分析和归纳,并在此基础上提升其针对科学实验的设计与创新意识。

目标4 引导学生形成科学的学习方法,提升学生自主学习和终身学习的能力。

目标5 培养学生良好的实验责任感、自觉的环保意识、实事求是、敢于质疑、积极反思的科学精神。

 

课程借助泛雅平台,采用混合式教学,将线上、线下和实践结合起来实现以上目标。
通过线上预习、完成线上作业及预习作品的制作,实现目标1中加深学生对基本理论和概念的理解,并通过实践环节的训练提高目标1中对原理和知识的灵活运用能力;通过线上教学讲解、线下演示操作及学生动手实践等活动达成目标2中基本方法和技能的掌握以及动手能力的提升;通过在线上提供应用软件及数据处理方法的培训、线下实践指导、开展探究式学习等方式实现目标3中的实验能力与创新意识的培养;通过建立完善的线上教学资源、进行翻转课堂教学设计,引导学生实现目标4中自主学习能力的提升;通过课程思政,将思政教育融入教学环节中,潜移默化地实现目标5中责任感与科学态度的培养。 

 

二、 混合式教学策略

 

1、搭建泛雅教学平台混合教学资源,为学生提供一套可移动的信息化学习平台

学生可随时随地,按照自己的节奏与方式进行学习,为学生预习实验内容、消化理解实验原理、理顺实验思路、整理实验步骤、处理实验数据、完成实验报告等各个环节提供坚实的后盾。
同时,完善的平台也为混合式教学提供更多的可设计性和创造性。平台上资源丰富全面,形式多样化,具有可移动的特点,学生们可以随时随地在线看文字、PPT、思维导图、流程图、视频等各种不同形式的资料。

 

在线网络资源

完善的泛雅网络教学平台为混合式教学的开展奠定坚实基础

 

2、以在线教学平台为依托,构建完整、立体、实用、高效的《物理化学实验》混合教学体系

雷雪峰老师从学生的实际能力与水平出发,提出“三阶段四环节”的混合式教学模式。整个混合式教学过程分为课前、课中和课后三个阶段,每个阶段的教学活动又分为四个环节,环环相扣,循序渐进地推动教学活动的进行。

课前,线上学习使学生在实验开展前做好充足的准备工作,更好地理解实验原理、步骤及操作注意事项,从而降低面对面授课的难度,增加线下实验的成功率。

例如,课前环节会发布预习任务,要求学生根据平台提供的资料自行完成线上预习。这是一个将外在知识内化的过程,需要学生具备一定的自主学习能力以及对于信息的加工、处理能力。在此基础上,通过大组合作与讨论,筛选并制作出大组的预习作品。

预习作品以PPT、思维导图、流程图、示意图等多样化形式展现,有效提升了学生对信息化软件的应用能力、逻辑思维能力和团队合作能力。部分学生线上预习作品如下所示:

课中,通过翻转课堂、问题导入等多样化的教学手段锻炼学生的综合能力。
例如,以学生为主体,通过分组、轮流的方式,邀请学生以自己的预习作品为载体,对实验的目的、原理及实验流程展开介绍,为学生提供机会锻炼语言表达能力。听众们(学生和老师)就讲解内容提出疑问,通过师生、生生间的讨论解决自主学习中的疑难问题,此环节鼓励发挥生生互动的积极作用,通过不同组之间的交流互动先解决一部分问题,最后由老师归纳总结并作出补充。
在理清整个实验过程的前提下,再让学生动手进行实验。当实验操作开展过一轮之后,鼓励学生之间通过“传、帮、带”互助活动,分享实验中的经验和操作细节,进一步锻炼学生之间的交流与沟通能力,加强学生对实验原理及实验流程的理解与把握。


角色翻转——实验讲解,我们的秀场

只有投影是不行的,我需要白板

 


实战大比拼——看谁更有范儿

 

课后,学生对实验中的数据进行处理分析,并完成实验报道。老师针对实验中疑问的拓展及探究式学习,进一步挖掘学生的潜能,培养其独立思考及创新能力。

 

例如,学生在实验过程中提出的疑问,教师不做明确的解答,鼓励学生进行自主探索与发现,并为其提供时间、场地、仪器和试剂开展实验。

 

在这个过程中,教师会关注学生的自主探索并在过程中给与必要的指导与帮助,并引导学生分析结果得出结论。这时,学生会获得成就感并在学习中表现得更加自信。

 

对于一些有价值的发现,还可进一步鼓励学生以毕业设计或各种竞赛的方式继续深入探索,同时也会吸纳部分同学进入教师的科研团队进行深层次的锻炼和培养。 

 


 

3.以问题拓展为契机,引入探究式学习,将学生学习从课内向课外不断延伸

 

在开展正常教学活动的基础上,针对学生在实验过程中发现并提出的具有进一步探讨和研究价值的问题,引导学生开展探究式学习,指导学生以毕业设计、学科竞赛、创新创业训练等方式开展更深层次的研究。通过对问题的拓展,提升学生的综合能力和创新意识。

近年来,部分学生在该方面受益匪浅:学生以“粘度法测定高聚物分子量实验条件的探索”为题的毕业设计于2015年获得校级优秀毕业论文;2013年学生参加广东省第七届生物化学实验技能大赛获优秀奖;三组学生的创新实验项目分别于2013、2016和2018年获得校级立项,其中两项顺利结题并获得“大学生创新训练项目”三等奖,一项于2018年同时获得国家级立项。

 


学生获得的奖项

 

 





构建科学的课程评价体系

 

课程采用“线上+线下+实践”的综合模式对学生的综合能力进行考核。

 




线上成绩占比30%,由课前任务的学习与预习作品的完成来进行考核,主要关注学习能力的培养与考察,对自主学习能力,逻辑思维能力和信息处理能力进行考核。


学生在课前利用泛雅教学平台提供的资源开展自主学习,完成课前学习任务,并利用思维导图软件、PPT等工具对学习内容进行梳理和加工,完成预习作品的制作。

考核指标为:实验内容的学习与访问、PPT、视频、拓展材料、预习作业、可以多种形式呈现的个性化的预习作品等。

线下成绩占比30%,由实验报告的完成与期末考试考核来组成,重点培养和考察学生的应用能力,对报告撰写能力、结果分析能力、数据处理能力进行考核。通过期末考核考察学生对知识的应用能力。

考核指标为:实验报告的完整度、数据计算与绘图的准确度、实验结果处理与分析的正确性与科学性,回答问题的全面性与准确度等。

 

实践成绩占比40%,由课堂反转与实操组成,注重考查学生的基本技能,对实验完成能力,团队协作精神和语言表达能力进行考核。

课堂反转以学生为主,通过讲解实验内容,锻炼学生的语言表达、内容组织与课堂调控能力;实操环节则注重锻炼学生的基本技能,解决问题的能力及小组协作能力。

考核指标为:考勤、课堂分享内容的品质、语言表达的准确性与流畅性、课堂讨论积极性、实操的基本技能、实验完成度、小组合作程度、桌面整洁情况等。

 


 

延伸讨论话题




 

聚焦当下,疫情时期我们不得不思考实验课如何在线化?实验课教学可以完全线上开展吗?关于这两个话题雷雪峰老师这么认为:


Q

实验课混合式教学中线上和线下的结合点是什么?

雷雪峰:实验教学中线上活动的目的是借助信息化教学平台,通过自主学习,让学生加深对物理化学原理与技术的理解、熟悉实验过程并最终在脑中刻画出整个实验的过程;线下活动则是给学生提供实践平台,将脑中的“电影”或“影像”付诸实践,并逐渐完善和修正的过程。

 

Q

本案例中线下的部分可以线上化吗?为什么?

雷雪峰:目前为止,线下的实操部分无法完全由线上替代。现阶段出现了很多高品质的虚拟仿真实验室或同步平台,这些平台具备很多优势:在保障实验安全性的同时,减少仪器与耗材的使用;有助于学生更好地理解实验过程,提高学生的学习兴趣,提升教学效果。


比如疫情当下,学生无法返校,这类仿真实验室将会成为学生学习实验课程的利器。

但是另一方面,由于目前的技术原因,仿真实验室仍无法替代线下实操。线下实操时出现的各种状况在仿真平台上无法完全涵盖。举例而言,学生的个人因素,如对药品的认识、实验操作的技能等都可能造成线下实操时出现各种问题,而在虚拟平台操作,这些问题可能不会体现出来。

 

从另一个角度考虑,如何应对和解决这些问题也是对学生解决问题和应变能力的一种锻炼,这在虚拟实验室中也是无法实现的。

实验课如何在线化?实验课教学可以完全线上开展吗?您如何看待这两个话题,欢迎留言互动,和更多老师一起探讨面向未来的在线教育。

 

面向未来的在线教育

面向未来的在线教育专栏以在线教育为核心话题,讨论如何在未来教育的体系中定位在线教育的价值,学校如何建立面向未来的在线教育模式,以及老师如何在日常教学中落地面向未来的在线教学。

 

大赛

西浦全国大学教学创新大赛(简称“大赛”)由西交利物浦大学主办、领导与教育前沿院承办,北京险峰公益基金会支持,旨在发现并奖励一批将“以学生为中心”作为教学理念的高等院校教师,传播“以学生为中心”理念在教学改革上的创新举措。通过协助梳理个人教学创新思考、提供多元展示机会等方式,为教育创新者构建分享、交流、学习、成长、共创的平台,助力推动中国高等教育改革。

 

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