基于微課和翻轉課堂的大學物理基礎性實驗教學研究

陳 杰 黃 鑫 賈 輝

(公安海警學院基礎部，浙江 寧波 315801)

大學物理實驗一般分為基礎性實驗、綜合性實驗和設計性實驗3個逐步遞進的層次[1，2]。在基礎性實驗階段主要是學習基本的實驗知識、鍛煉基本的實驗技能，如不確定度概念及評定方法、數據的測量及處理方法、實驗儀器的使用和調節技術等[2]，為后續實驗打好基礎。在基礎性實驗教學中，融入微課和翻轉課堂這兩種教學方式能有效提高教學質量。

1　微課的視頻設計和翻轉課堂的問題設計

微課是針對某一知識點而專門制作的教學視頻，具有不受時間空間限制和易于開放共享等優點[3，4]。在基礎性實驗教學中，我們運用微課的手段來支持學生的課前預習和課后的反饋。基礎性實驗課前預習的重點是理解實驗原理、儀器構造、操作步驟、讀數方法等;課后反饋的重點主要是實驗報告中數據處理、誤差分析中存在的普遍問題及課后思考題的詳細解答等。因此，微課視頻的內容主要包括這幾個方面。微課視頻的錄制要符合短小精悍的特點，應按知識點分別錄制，同時還要注意多種媒體和技術手段的配合，如板書推導、實物展示、實踐操作、模擬動畫等，見圖1。

圖1　微課視頻的主要內容

翻轉課堂最主要的特點是將傳統的課堂教學與課后練習反轉，利用課堂時間來研究探討課后的問題[5]。在基礎性實驗教學中我們借鑒翻轉課堂的教學模式，在課末預留一定的時間來探討實驗中出現的現象和問題，以便學生更深刻掌握實驗操作技能。在翻轉課堂教學中的問題設計主要是實驗中出現的各種現象的原因分析及應對措施。問題的來源一部分是教師預設的內容，這是教師根據經驗，預先挖掘好的具有探討性的問題，另一部分來自于當前實驗中出現的具有普遍性和典型性的問題，這需要根據教師的現場觀察來確定。

2　基于微課和反轉課堂模式的教學過程

2.1　課前預習環節

微課視頻結合了聲音、圖片、動畫和操作演示等形式直觀的展示儀器結構、儀器操作的規程以及會出現什么現象、要注意哪些問題等，學生在觀看的過程中會有一種身臨其境的感覺，這比文字材料更容易讓學生能理解和接受。通過微課視頻支持，將學生對著教科書的文字和圖畫預習變為可觀看教師講解和實物演示的預習，提高了預習的效率和質量。而且“微課”視頻的容量比較小，學生既可以在網絡電腦上在線觀看，也可以將其下載到各種移動終端上，如手機、i Pad等[6]，在課堂上進行觀看。

2.2　課堂實驗教學環節

第一階段是教師的講解環節。通過微課支持提高實驗預習質量后，教師就可以適當削減實驗原理和演示示范環節的講解時間，基本只要用15～20分鐘就能講清實驗的內容、實驗要求和注意事項，提高了效率，也為翻轉課堂的教學創造了時間條件。

第二階段是學生的實操環節，由學生獨立完成實驗的操作過程，測量并記錄實驗的數據。在這一階段，利用微課承擔教師指導的部分功能，學生在操作中遇到問題時，可以在課堂上查看微課的視頻資源，逐步對照進行操作，直至能夠獨立完成操作為止。教師進行巡視指導，對操作中出現的不規范問題及時發現更正，對出現的問題進行指導解決。同時，教師要記錄學生操作中出現的問題，作為翻轉課堂教學中問題的來源。

第三階段進行翻轉課堂的教學。在課末預留20分鐘左右的時間，由教師提供2～3個問題來進行討論。先在小組內進行討論，然后由小組推薦進行課堂匯報，可以是操作演示和理論說明的形式。比如我們在分光計的調節和使用中，根據實驗的重點和學生普遍出現的問題設計了3個問題供學生討論：反射像的位置與載物臺、望遠鏡光軸間的關系，如何進行調節？游標盤對稱方向上設兩個角游標的目的？已調好望遠鏡光軸垂直主軸，若將平面鏡取下后，又放到載物臺上，發現兩鏡面又不垂直望遠鏡光軸了，這是為什么？當然，學生的解釋和總結通常是不全面的，教師要對學生的匯報進行點評，指出正確的方面，并進行總結，讓學生形成系統的知識。

2.3　課后反饋和復習環節

在學生提交實驗報告后，教師對實驗報告中出現的典型問題，比如數據處理的方法，不確定度的計算，誤差來源的分析，課后思考題的詳細解答等制作成微課視頻，供學生對照訂正，并將學生的訂正情況記入下一個實驗的預習成績。以微課的形式進行反饋一方面是相較于文字材料，學生更易于接受視頻短片的形式;另一方面可以不用集中面對面的交流，節省了時間，也更加自由開放。錄制的微課視頻也可用于學生的復習，如對于實驗器材操作和儀器使用仍不是很清楚的學生，可以繼續利用微課資源進行復習，比如千分尺、螺旋測微器的讀數方法，分光計的調節使用等;也可以根據微課的反饋視頻結合實驗報告冊復習數據的處理方法。

基礎性實驗教學的目的是要讓學生掌握基本的實驗技能，適合的教學方法就是集中講授和按步操作。在上述的教學設計中，我們將微課設計為分步的操作指南，從理論上講是適合基礎性實驗教學的要求的，并且體現出幾個優勢：一是設計了翻轉課堂的教學環節，利用課堂實踐集中討論操作中的典型問題。二是設計了反饋的環節，以往學生提交實驗報告后獲得一個實驗成績，但很少有學生修改實驗中出現的問題。三是提供了自主學習的資源保障，如游標卡尺的操作視頻，在轉動慣量的測定實驗、固體導熱系數的測定實驗、金屬絲楊氏模量的測定的實驗中都要運用到，即可以作為新課時的預習使用，也可以作為實驗讀數時的操作指導，還可以作為復習資料使用。

3　教學實踐的效果

3.1　提高了實驗預習的效率和質量

在傳統的實驗教學中，實驗的預習效果往往不夠理想，多數學生僅僅是將實驗書抄了一遍，反映在課堂上是對教師提問的一問三不知。究其原因是沒有實物儀器設備的支持，初入校門的學生很難僅僅依靠教科書上的幾幅插圖就達到預習要求。采用微課視頻的支持后，學生的普遍反映是比僅參照書本描述能更好地了解實驗儀器、理解實驗的原理和步驟。從課堂提問效果的前后對比中也明顯感覺學生對實驗的認識和熟知程度有了較大的提高，這表明微課視頻的支持有效提高了實驗預習的效果。

3.2　提高了實驗數據的處理能力

通過反饋的環節，學生的數據處理能力得到了提升，以不確定度的處理為例，在物體轉動慣量的測定實驗中涉及到A類不確定度、B類不確定度及間接測量不確定度的處理，雖然在緒論課中講解過不確定度的處理方法，但是從實驗報告反映學生掌握得不夠理想，為此我們錄制了該實驗的不確定度的處理方法，學生也進行了訂正。在固體導熱系數的測定中，同樣要求進行間接不確定度的計算，從對比中反映出學生的掌握程度有大幅提升。同時，我們也統計了采用微課輔助教學的16級通信專業和采用傳統教學方法的14級通信專業共86名學生在金屬絲楊氏模量的測定實驗中關于數據處理部分的成績，結果得分高出0.4分(數據處理的總分為5分)，可見通過不斷的反饋訂正，使學生數據處理的能力得到了提升。

3.3　提高了實驗的操作能力

在傳統教學情況下，當學生在實驗中遇到問題時，要么等待教師的指導，浪費了課堂的寶貴時間;要么是根據直覺進行操作，這樣出現的誤操作會比較多，對儀器傷害也較大。在操作環節采用微課支持后，就不需要只等待教師的指導，因而提高了實驗效率;也能有效避免了學生的誤操作，保護實驗器材。傳統的實驗教學通常以個別指導的形式處理實驗過程中遇到的問題和狀況，但對于學生個體而言又不太可能會遇到所有的這些問題，比如分光計的調節和使用實驗中望遠鏡光軸垂直主軸時會有多種可能，每一種情況調整的方法都不一樣，通過翻轉課堂教學來集中探討實驗中遇到的問題，從現場學生的反映看，對分光計的使用有了更深刻的了解。