基于翻轉課堂的大學物理實驗教學模式的探究

楊 坤 王 博*

(石河子大學理學院 新疆 石河子 832003)

基于翻轉課堂的大學物理實驗教學模式的探究

楊 坤 王 博*

(石河子大學理學院 新疆 石河子 832003)

翻轉課堂顛覆了傳統教學模式，利用信息技術和網路教學環境在課前進行課堂知識的學習，在課堂教學中通過教師的指導完成知識的內化，這種教學模式在提高學生的學習興趣、提高課堂教學效果方面都有促進作用．將翻轉課堂融合進大學物理教學中，可以彌補實驗教學資源有限、課時不足、簡單模仿等缺點，因此根據大學物理實驗教學的特點，進行基于翻轉課堂教學模式的探究，以期能夠切實提高大學物理實驗教學質量．

翻轉課堂 教學模式 創新設計

大學物理實驗是理工科類專業實驗課程的公共基礎課，是理工科學生系統接受科學實驗方法和技能訓練的開始，旨在培養學生的科學素養和科學實驗技能及能力，培養高素質的專業應用型人才．就目前我國大學物理實驗教學情況來看，仍以測量性實驗和驗證性實驗為主，傳統的講授式和模仿性教學模式嚴重抑制了學生對實驗課程本身的興趣，制約了創新性人才的培養，使得原本充滿探究樂趣的大學物理實驗課程成為不得不開的雞肋課程．借鑒翻轉課堂教學理念，結合大學物理實驗教學的特點，利用信息技術和網路教學環境改革傳統大學物理實驗教學模式，促進學生主動學習的積極性，提高實驗課程教學效果．

1 大學物理實驗教學現狀及存在的主要問題

實驗教學是在教師指導下，學生使用相應的實驗儀器在實驗室條件下控制變量使實驗對象呈現一定的變化或過程，并觀察和分析事物的具體運動過程，從而把握變化規律或驗證知識，培養學生的實驗技能和科學探究精神．實驗教學模式能夠聯系理論與實際，有助于理解和鞏固知識，培養學生的觀察能力、思維能力、創造能力和動手能力．傳統講授式大學物理實驗教學模式目前已經不適于應用性及創新型人才培養的需求，成為實驗教學改革和實驗教學質量提高的阻礙因素．主要表現為以下幾點：

(1)講授式教學方式較為呆板機械，抑制了學生的學習興趣

現行的大學物理實驗教學以講授式為主，課堂講授包括實驗目的、原理、器材、操作步驟、注意事項等，占用課堂時間較多，多數實驗教師甚至為學生演示實驗步驟，學生只需按照教師演示的步驟機械地重復操作，并記錄實驗數據完成實驗任務．這種步驟既定、結果已知、方法單一的提線木偶式實驗教學很難引起學生對課程本身的重視，不能達到培養學生科學思維方法和動手、探究能力的教學目的．

(2)教學目的以模擬和重復為主，不利于學生創造性思維的培養

多數大學物理實驗模板設置的非常詳細，包括實驗原理、測量儀器、實驗方法、待測物理量及數據表格、實驗數據的處理等，甚至思考題都已列出，學生做實驗時只需按部就班的重復操作，將實驗報告填寫完整即可完成實驗．因此很少有學生會對實驗提出疑問，這種僵化的、廣播操式的教學模式在很大程度上抑制了學生的主動性，很難激發學生思維的積極性，不利于學生創新意識和創新能力的培養．

(3)實驗教學評價方式仍以考核為主，忽略了實驗教學過程的發展性

現階段大學物理實驗課程學習成績評定由平時成績和期末考核兩部分組成，評價主體主要為實驗考核老師，評價標準以實驗結果和實驗報告為主要依據，評價內容簡單膚淺，既不涉及對實驗誤差的深入分析和實驗方案的評估，也不包括學生對實驗方法及過程的思考和批判，忽略了學生在大學物理實驗課程中的過程性發展．

(4)現行實驗課程內容陳舊，缺乏設計性和探究性

目前大學物理實驗教學仍然延續20世紀末大學物理實驗教學設定的教學大綱，其教學內容基本都是經典物理的實驗內容，以驗證、模擬和基本測量為主，缺乏設計性和創新性實驗內容．難以滿足新時代大學生對科學實驗的探究需求，也難以達到培養創新性人才的教育目的．

2 翻轉課堂的內涵及特點

教學模式是建立在一定的教學理論之上、為實現特定的教學目的、將教學的諸要素以特定的方式組合成具有相對穩定的結構、具有可操作性程序的教學模型．翻轉課程是一種混合式教學模式，也被稱為“反轉課堂式教學模式”．與傳統的課堂教學模式不同，翻轉課堂中，學生在課前使用廣泛的教育教學資源完成對課程內容的初步學習，課堂教學成為學生與教師、學生與學生之間質疑、討論、交流、拓展的互動場所，教師職責轉變為理解學生的問題并引導學生運用知識解決問題．翻轉課堂教學模式中的學習活動轉變為包含教師、學生、內容、媒體、環境等多因素在內的復雜教育行為，真正翻轉了“教”與“學”，也徹底改變了教師和學生之間的關系、地位和作用，使教學發生了本質的變化．

翻轉課堂通過對知識傳授和知識內化的顛倒安排，對學習過程進行了重新規劃，將在線學習、面對面教學進行有機整合，將教室內的學習拓展到教室外，通過計算機互聯網，或是通過手機無線網絡，利用網絡教學資源如視頻、課件等教學資源在教室外完成初步的學習活動，并在教師的組織下在課堂上完成對知識的反思和應用，使教學過程更為靈活，激發了學生的主動性．

3 翻轉課堂教學模式在大學物理實驗課堂教學中應用的可行性分析

實驗課程深受廣大教師和學生的喜歡，但實驗教學對教學條件、環境、學習基礎要求較高，主要表現在：第一，實驗教學要求學生事先對實驗原理、實驗方法和步驟、實驗儀器等進行熟悉和了解，具備與實驗內容有關的理論知識基礎；第二，實驗教學受到實驗室硬件設施及環境條件的限制，如儀器精度、實驗室環境、實驗方法等都會影響實驗過程和結果；第三，實驗教學課堂時間有限，教師很難對所有學生的疑難問題一一解答和及時處理，另外很多學校的大學物理實驗室并不是開放式實驗室，不能隨時隨地供學生使用，在一定程度上限制了學生學習的自由．

(1)實驗教學與翻轉課堂模式的匹配

實驗教學的基本模式是學生在實驗課前了解有關實驗方法和儀器的內容，帶著對實驗過程和內容的思考及疑問走進課堂，在教師的指導下進行操作，觀察現象和過程并進行總結和分析．實驗教學包括理論知識的預先學習、疑問和思考、實驗驗證和發現、討論答疑、解決問題、分析總結、課后反思等整個的教學活動．而翻轉課堂由關注單一課堂學習轉變為關注課前、課上及課后學習活動的全過程，關注教師、學生、內容、媒體、環境等多因素的復雜教育行為，并轉變為關注智能診斷系統支持下的、以學生為中心的富媒體環境以及信息技術與教學過程的自覺融合．從這個意義上說，大學物理實驗教學模式與翻轉課堂教學模式無疑是匹配的．

(2)實驗課程內容與翻轉課堂教學的契合

美國達特茅斯學院心理與腦科學系的Petitto和Dunbar博士以物理學中的自由落體運動為例做了一個實驗，實驗結果表明，物理系的學生雖然表現為建立了新的正確的科學概念，但是并沒有重構他們的知識，即“正確概念”和前概念之間需要通過不斷反復的碰撞、接觸，完成知識內化并最終被學生掌握[1]．從這個角度來看翻轉課堂教學模式和實驗教學內容的契合：學生通過對視頻及其他資料預先學習并獲得概念，是知識的第一次內化，之后進入實驗室再次對所學習的概念和規律進行驗證和重新發現，融入了事物的真實發生過程及知識的實際應用情境，在課堂上教師與學生、學生與學生之間討論和互動使學生真正參與進概念的建構過程，進行了知識的深度內化，從而引導學生改變已有認知結構，激發正確概念．將實驗教學內容融入翻轉課堂的教學模式，分化了知識內化的難度，增加了知識內化的次數，完成了理論知識加實踐操作的內化循環，從而達成實驗教學的真正目的．

(3)實驗課程與翻轉課堂師生關系特點分析

翻轉課堂推崇的是一種漸進式的知識內化，關注學生知識內化的條件、過程和深度，這種模式旨在為學生知識內化提供較為自由的時空環境，學生處于絕對的主體地位．而大學物理實驗課程強調學生在實驗過程中的自主學習、動手操作、主動思考、積極思維、解決問題，教師是學生實驗的組織者、引導者、協助者、參與者，這一點恰恰符合翻轉課堂的師生關系理念，二者的共通之處在于顛覆教師主導的傳統教學模式，真正意義上實現學生的自主學習．

(4)實驗教學與翻轉課堂教學目標一致

翻轉課堂通過對學習過程進行重新規劃，顛倒知識傳授和內化的順序，將預先學習與面對面教學進行有機整合，從而達成 “回憶、了解、理解、分析、運用、綜合、評價、創造等”的教學目標，培養學生的自主學習能力與創新能力．現階段大學物理實驗傳統教學模式囿于知識的傳授和技能的訓練，缺失自主探究問題的意識和能力的培養．因此，必須更新教育理念，把學生自主探究問題的意識和能力的培養作為實驗教學改革的核心，在實驗教學體系、教學模式和教學機制等方面進行改革，化被動的實驗為主動的探究實踐，為學生打下堅實的“終身學習”的基礎．

4 基于翻轉課堂的大學物理實驗教學的探究

翻轉課堂在實施過程中存在許多不確定的影響因素．除了實驗課堂的實際操作和互動外，學生課前自主學習及課后數據處理、結果分析和實驗反思與總結的有效性也是翻轉課堂教學模式能否成功的關鍵．基于翻轉課堂的大學物理實驗教學創新模式，如圖1所示.

圖1 基于翻轉課堂的大學物理實驗教學創新模式

(1)基于翻轉課堂的大學物理實驗教學模式

基于翻轉課堂的大學物理實驗教學模式設計的基本思路是在信息技術的環境中，學生在課前通過觀看教學視頻、查閱資料、與教師同學在線交流等方式進行實驗相關知識的學習；課堂時間留給學生進行自主操作、互相交流、解決疑問、課后進行數據處理、結果分析及實驗總結．學生在課前進行自主學習并不代表教師就放棄了課前環節，整個教學過程還是在教師的全程設計和參與之下完成的，只是教師的角色和工作重心發生了變化：從原來的知識單向輸出者轉變為實驗活動的組織者、引導者和促進者．而學生也成為正真意義上的學習者和實驗者．

(2)基于翻轉課堂的大學物理實驗教學資源

學習資源就是指教師布置給學生的課前學習資料，比如，最著名的翻轉課堂實踐者薩爾曼·可汗(SalmanKhan)——可汗學院 (KhanAcademy)的創始人，在可汗學院的網站上提供了關于數學、歷史、物理、化學、生物等很多科目的免費教學短片和課后測驗，學生可以登錄到網上進行學習[2]；FlippedLearningNetworkNing論壇中的來自美國威明頓的Paula認為，學習資源可以不局限于微視頻，還包括文本材料、音頻、視頻資源等等，讓學生根據自己愛好選擇合適的資源進行學習[3]；因此基于大學物理實驗教學管理平臺，根據大學物理實驗內容設計翻轉式大學物理實驗教學資源支撐系統，是該教學模式的關鍵，不僅包括課前學習資源如各類視頻、課件及虛擬實驗平臺和各種網絡資源，包括大學物理實驗室中的各軟硬件資源，如設備、儀器、操作規范、注意事項、練習指導等，還包括課后實驗報告的提交、成果展示、即時交流、虛擬操作考試及成績評定等．實驗教學資源須遵循生動有趣并具有較強任務性，以促進學生的有效學習．

(3)基于翻轉課堂的大學物理實驗教學內容

大學物理實驗教學課前的自主學習是翻轉課堂的關鍵環節，自主學習的成功與否關系到實驗內容和操作是否能夠順利進行．基于翻轉課堂的大學物理實驗教學內容的設計主要指教師設計幫助學生在課前明確自主學習的內容、目標和方法，并提供相應的學習資源，包含實驗指南、實驗內容、問題設計、建構性學習資源、學習測試、學習檔案和學習反思等多項內容，每個學生按照自己的步驟學習，并幫助教師有效地組織起“翻轉課堂”．

物理實驗課程的教學內容與普通物理課程有所不同，它不僅包括定義、概念、原理等基本知識，還包括物理實驗操作知識，實踐性較強．教師提供的實驗微視頻等資源能夠對學生們進行實驗操作相關的概念、流程、注意事項、操作規范的講解，但卻無法提供操練環境讓學生進行實際練習，因此盡量將課堂時間留給學生自主進行實驗操作和探究，教師觀察學生實驗操作情況糾正操作錯誤、解答疑問、指導學生進行數據處理和實驗總結．

(4)基于翻轉課堂的大學物理實驗教學策略

翻轉式大學物理實驗教學策略主要有以下幾點.

第一，課前自主學習資源．課前自主學習是以實驗學習資源為基礎的自學活動，具體內容包括實驗基礎知識、基本操作技能、數據處理方法、實驗結果分析和總結、實驗能力測試與反饋、實驗拓展與訓練等模塊．教師針對這幾個模塊的學習內容，設定學習提綱，搜集并制作學習視頻，制定學習任務，并規定可操作化的學習目標和診斷依據；

第二，師生、生生交流平臺．主要包括大學物理實驗教學管理系統的交互平臺、實驗博客、實驗論壇和及時通訊工具等，通過交互平臺，學生可以把自己的學習體會、思考和疑問、心得和經驗與他人分享，教師也可參與到學生在線的討論和探究，及時掌握學生的學習情況和效果，并有針對性的解答疑問，實現個性化指導；

第三，實驗教學各環節的參與和指導．通過在線交流互動平臺參與大學物理實驗學習的各個環節提供指導，診斷他們在實驗過程中遇到的問題，提供必要的反饋和指導信息，保證師生的教學活動是一個有效的“環路”；

第四，實驗學習活動的過程性評價．全程關注學生的整個學習活動過程，不僅包括學生合理利用信息技術及網絡資源達成對實驗相關理論知識的理解，學生實驗技能、批判性思維的養成，還關注對實驗結果的分析、成果的展示及總結和實驗本身的反思，即通過整個學習活動對學生從知識到能力到情感態度價值觀在實驗課程中的表現形成過程性的評價．

基于翻轉課堂的大學物理實驗教學模式徹底顛覆了傳統教學模式，利用信息技術和網絡環境推動學生自主學習和主動探究，促進了大學物理實驗教學的發展和教育教學創新．但是，真正推行大學物理翻轉課堂教學模式還有很多問題有待解決，如教師和學生對信息技術的駕馭能力、學生的自主學習習慣，以及實驗室資源和技術支撐等很多因素都會影響翻轉課堂的教學效果，如何在大學物理實驗中貫徹該模式，切實提高教學效果，還需要更多的來自一線實際教學的實踐和探索．

1Petitto,L.A.&Dunbar,K.(2004).NewFindingsfromEducationalNeuroscienceonBilingualBrains,ScientificBrainsandtheEducatedMind.[2012-08-29].http://kieviet.us/transient/PetittoDunbar-BiligualBrainsEducatedMind.pdf

2 可汗學院 .可汗學院首頁.[2013-05-13].https://www.khanacademy.org/

3FlippedNotWorking.[2013-05-13].http://flippedclassroom.org/forum/topics/flipped-not-working?id=4973855%3ATopic%3A101453&page=4#comments

楊坤(1982- )，女，講師，研究方向為高等理科教育及材料物理.通訊作者：王博(1984- )，女，講師，主要研究方向為實驗物理教學.

2016-09-29)