STEM視閾下基于翻轉課堂模式的《普通物理實驗》課程教學探究

洪錦泉

摘 要： 針對當前《普通物理實驗》課程教學所面臨的困境，探討STEM視閾下基于翻轉課堂模式的可行性。在此基礎上，結合普通物理實驗中“折射率測量”教學內容，探究“6-E”教學模式，即：參與、探究、解釋、延伸、評價、總結6個階段開展教學，取得了良好效果。

關鍵詞：STEM;翻轉課堂;6-E教學模式;折射率測量

《教育信息化“十三五”規劃》提出，要統籌利用國內國際教育資源，廣泛借鑒吸收國際先進經驗，著力推進教育教學改革，加快推進教育現代化。在當前教育信息化背景下，如何充分調動基層特別是廣大學校、師生的積極性、主動性和創造性，傳承與創新高校物理實驗課程與課堂創新體制機制和人才培養模式，成為高等教育工作者面臨的一個重要課題。而STEM教育、慕課、翻轉課堂等為教學改革產生深刻影響的教學理念、模式的出現，使高校物理實驗課程成為理工科學生系統學習實驗基礎知識、掌握基本專業技能、提高創新思維提供新路與活力，成為當前研究熱點[1-12]。當前，翻轉課堂教學模式的研究主要從高等教育領域興起，STEM教育則主要在中學小教育起步，而STEM視閾下基于翻轉課堂模式的研究幾乎空白。本以《普通物理實驗》課程中“三棱鏡頂角和折射率的測量”實驗教學為例，進行STEM視閾下基于翻轉課堂模式的教學實踐。

一、《普通物理實驗》課程概況

《普通物理實驗》課程是各高校理工科專業開設的一門基礎實驗課，主要目的是使學生通過較為系統的訓練，增強理論聯系實際能力;通過初步實驗能力的培養，培養學生良好的實驗習慣與嚴謹求實的科學作風;通過綜合實驗的開發與實踐，提高學生科學實驗的素質、創新精神，為學生應用物理知識與方法，解決科學問題打下良好基礎。可見，《普通物理實驗》課程的作用舉足輕重。

當前，各高校開設的《普通物理實驗》課程基本都涵蓋了力、熱、電、光等方面實驗。通過本課程的學習，學生對于基本物理實驗儀器的原理和性能有了進一步了解;知道對實驗數據進行誤差分析和不確定度評定，進而估算實驗數據的可靠性;學會觀察、分析、研究物理現象和驗證物理規律的基本觀念;并且初步具備實驗設計能力。而這些能力的培養與提升，為今后的物理規律的理解與知識習得，以及包括化學、地理等其他涉及實驗操作的學科的知識理解、技能培養有較大幫助。

目前高校的《普通物理實驗》課程一般采用傳統的夸美紐斯的課堂教學形式，這種授課形式雖然具有較為高效的授課效率，但學生學習的積極性、主動性與創新性得不到充分發揮，也存在著較多問題，主要表現在：

（一）演示化教學與學生操作能力培養之間的矛盾

當前普通物理實驗教學中，大部分教師為了節約課堂教學時間通常選擇“演示性”實驗教學，以期學生盡快熟知實驗內容，完成相應的實驗教學。學生習慣于該模式的教學，對教師依賴性度較高，學生實驗過程大都只是簡單地重復教師演示過程，對實驗儀器性能、儀器操作等方面的了解不夠全面，自我操作能力較差。

（二）程序化教學與學生自主學習能力培養之間的矛盾

教師的課堂教學工作一般是經過講解、演示、學生操作等過程，這樣程序化的教學模式，學生主體地位與意識被削弱，學生課前預習工作形同虛設，效果大打折扣;學生只是注重教師演示部分的教學機械性重復，對演示以外的部分基本不予以關注，學生自主學習能力的培養得不到重視，自主參與實驗的熱情得不到調動，學習的有效性不高。

（三）教條化教學與學生創新能力培養之間的矛盾

一般地，學生在實驗過程中只是簡單地模仿教師實驗過程，機械性地根據書本要求記錄相關的數據，對于為何要這樣操作實驗、是否還有其他實驗步驟、為何要記錄這些數據、數據與實驗原理存在何種關聯等問題并十分清楚，不能很好地探究實驗的本質，更別談對實驗創新性的探究，以及利用基本實驗儀器、原理創造性地解決工程問題。

（四）單一化評價方式與學生能力全面測評之間的矛盾

教師對于學生實驗課程的期末考核，有些注重平時的實驗報告，有些來源于期末考試（筆試），有些是理論與實踐相結合。但這些考核方式相對較為單一，缺乏對學生實踐技能真實掌握情況的考核，缺乏對學生知識內化與綜合應用能力的考察，缺少對團隊意識與自我能力開發的培養，缺少對學生創新性精神的鼓勵。

二、STEM視閾下基于翻轉課堂模式的《普通物理實驗》課程教學

（一）STEM教育

STEM教育源于美國，是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）的縮寫。STEM教育并不是將上述四項簡單地疊加在一起，而是要求教師在教學過程中，以工程設計實施為導向，以解決實際情境中的問題為基礎，以團隊合作，開放共贏為目標，開展以學生為主體、有機融合學習知識、技能，注重情感和創新精神培養的教學活動。

（二）翻轉課堂

翻轉課堂（Flipped Class），是一種顛倒傳統課堂教學結構的新型教學模式。在這種教學模式中，教學著重針對知識重難點與學生存在的盲點進行引導，引導學生通過課前預習、課堂參與等方式完成知識內化，而不用占用大量課堂時間講授相對淺顯易懂的知識點;而學生通過自我知識剖析、團隊協作、教師釋疑等多種形式主動參與教學活動，強化知識要點，構建自身知識體系。

（三）STEM視閾下基于翻轉課堂模式的《普通物理實驗》課程教學可行性

1. STEM教育理念與《普通物理實驗》課程要求一致

教育部高等學校物理學與天文學教學指導委員會、物理基礎課程教學指導委員會制訂的《理工科類大學物理實驗課程教學基本要求》（簡稱《要求》）對教學基本內容與能力培養做了明確要求。STEM以要求培養學生的實踐能力與創新精神為核心，激發學生的探索欲望與未知精神;以指向生活真實任務為指向，綜合科學、技術，數學、表達，藝術等元素，培養解決問題的能力與廣闊視野，這些教育理念與《要求》不謀而合。

2. 翻轉課堂模式與傳統《普通物理實驗》課程教學模式一致

傳統的《普通物理實驗》課程教學采用“課堂實驗預習、課堂實踐操作、課后實驗報告”的教學模式，而翻轉教學模式亦是采取這種模式。這在教學形式上符合學生學習習慣，因此物理實驗就是“天生的翻轉課堂”。但翻轉課堂教學模式要求教師堅持“學生主體”導向，主動變，根據學生課堂學習中所反饋對知識理解、重難點梳理與解決等方面的問題，采用靈活多變的教學方法，不斷改進策略，達到最優化的教學效果。

3. STEM視閾下的翻轉課堂教學與創新型人才培養途徑相統一

物理實驗課程分為基礎性實驗、綜合性實驗、設計性或研究性實驗三個實驗教學層次，不同層次的逐漸遞進提升，體現了學生在實驗中的獨立性、獨創性，是培養創新型人才、建設創新型國家戰略思想在教學中的重要體現和必然要求。而STEM視閾下的翻轉課堂教學強調由學生以個體或團隊的形式設計方案基本獨立完成全過程，最終達到學以致用的學習目標，是對實驗教學在人才培養方面的一個重要強化和激勵。

三、STEM視閾下基于翻轉課堂模式的《普通物理實驗》課程教學實踐

STEM視閾下基于翻轉課堂的教學并不是傳統課堂教學模式的徹底推翻，而是在繼承傳統教學模式優勢與特點的前提下，通過學生課堂實驗操作與相關知識的課堂實踐延伸活動，培養學生協作能力、分析能力解決實際問題的能力與創新意識。

（一）教學模式

STEM視閾下基于翻轉課堂的《普通物理實驗》課程采用“6-E”教學模式，即：參與（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、延伸（Extension）、評價（Evaluation）、總結（Experience），以團隊合作學習形式促進學生對知識理解、建構與應用。

（二）模式實施

從教師與學生角色兩個維度出發，構建全方位的教學模式。具體而言，包括以下五個方面：

1. 課前預習

引入（Engagement）：識別影響實驗進程的相關問題與制約因素。按照實驗要求，根據重難點與操作步驟，教師制作學習視頻，同時設置難易程度不同的問題，供學生預習思考;學生通過視頻課前預習，需要完成預習作業。

2. 課堂學習

探究（Exploration）：小組研究，設想和分析觀點。圍繞問題思考，教師引導學生思考、設計、調查和組織收集得到;學生協作進行實驗演示，完成實驗項目;針對設計性實驗進行頭腦風暴，產生可能性方案或者構建對問題解決的框架。

釋疑（Explanation）：重難點釋疑，分享觀點。該階段教師針對學生在探究、演示環節過程中的疑問進行釋疑;學生將對探索過程存在的問題進行分析溝通，其他小組成員進行評價，分享對問題解決的觀點。

3. 課后復習

延伸（Extension）：鞏固知識，加深理解，學以致用。該階段學生將鞏固所學的實驗知識與方法，通過延伸的實驗項目探索建立起科學、技術、工程、數學及其他學科之間的聯系，實驗STEM教學“在做中學”的要求，而教師要注重過程的引導與評判。

評價（Evaluation）：多元評價，量化考核。實驗教學既要關注學生日常表現，又要考慮期末考試成績。因此，采用量表評價的方式，綜合考慮自我評價，同伴評價，班級與老師評價等。

總結（Experience）：注重反饋，總結經驗，改進教學。一方面，教師要以學生實驗表現，了解學生知識與技能弱點;另一方面學生以問卷調查、論壇討論等渠道，提供信息，為教師總結教學經驗，不斷改進教學方式提供依據。在總結環節，教師應反思教學過程是否注重設計過程的展開與研討、在課堂教學中進行翻轉課堂教學，而不僅僅是學生實驗操作以及所布置學生課外任務。

（三）模式實踐

以《普通物理實驗》中“三棱鏡頂角和折射率的測量”為例，以5至7人為一個學習小團隊，基于STEM視閾采用翻轉課堂模式的《普通物理實驗》課程教學完成教學實踐。

1. 課前預習：知識引入

教師通過視頻錄制，介紹折射率測量在工程方面的應用、物理學中測量折射率的方法，以及本實驗的實驗原理、基本實驗操作。學生通過學習，初步了解實驗內容，有效解答課前思考題，完成預習報告。這個部分的內容不僅僅涵蓋了本實驗的相關知識，而且也包括在工程方面的應用。同時也將傳統教學中教師講授的部分內容前置，倘若學生完成情況良好，教師課堂效果將事半功倍，也是翻轉課堂成功實施的前提。

2. 課堂學習：探究與釋疑

教師主動引導，邀請預習報告完成良好的小組成員從基本的實驗原理出發，根據實驗示意圖得出實驗順利進行的相關參數與注意事項。一來同輩教學有助于激發學生學習熱情，分享學習成果;二來有助于在學習活動中培養學生表達分析能力。學生協作進行實驗演示，完成實驗項目。教師有針對性地引導其他小組同學，仔細觀察認真思考臺上進行實驗展示的同學是否出現錯誤，如何更有效地完成實驗項目。這一過程注重“教師主導，學生主體”的發揮。在這一環節中，教師發現學生對于分光計的調整與使用、如何有效地測量三棱鏡折射率掌握情況良好，而課前的視頻預習確實有助于學生對最小入射角、頂角與折射率關系的物理原理、數學公式的理解與推導。

3. 課后復習：實驗項目課外延伸

在完成三棱鏡折射率測量實驗后，教師以測量YF3：Er3+納米玻璃材料折射率為題，要求學生自主設計實驗。學生提出的實驗方法包括：分光計測折射率的測量、插針法測折射率、布儒斯特角法測折射率、掠入射法測折射率等。這些方法都是大學物理實驗里常見方法，可見以STEM為導向的實驗教學，有助于提升學生資料收集、分析、實踐能力。不同的方法測量折射率偏差大小不同，其中自主設計的用布儒斯特角法測量折射率實驗中，學生采用激光光源，用數字式檢流計測光強，通過布儒斯特角測量得到材料的折射率的數值與真實值最為接近，這是因為材料表面較為粗糙，外觀不夠平整，用其他方法測量得到折射率誤差較大。

4. 評價與反饋

實驗教學的評價方式貫穿于整個過程，不僅關注學生學習效果，也注重在學習過程中的所體現的情感、態度與價值觀，這些都要盡可能轉化為量化的考核。因此，教學評價標準分別學習成績測評與綜合能力測評兩個方面。我們對2016級機械電子專業的兩個教學班（一個采用STEM視閾下基于翻轉課堂模式，稱為實驗班;另一個采用傳統大學物理實驗教學模式，稱為普通班）進行測評考核。

一是學習成績測評。這部分測評是由學生日常的實驗報告、期末考試考核成績等相對客觀、可直接量化要素組成。實踐證明，實驗班實驗報告的完整性、邏輯清晰度、期末卷面期末成績均好于普通班。

一是綜合能力測評。這部分測評主要包括實驗操作的組織與分工能力、課堂答題的語言組織能力、學科知識的整合力、物理概念的理解與數學推導能力、課外延伸實驗的創新性等方面組成。結果同樣表明，實驗班好于普通班。

從學生課后學習反饋情況來看，實驗班對新的教學方法的滿意度（包括很滿意、滿意、比較滿意等三個層次）較高，達到92%，高于普通班的60%。學生普遍反映，翻轉課堂的學習模式對課堂主動參與問題討論與操作實踐的幫助比較大;STEM教學模式（特別是課外延伸實驗）使得不同小組在互助與競爭的學習環境中獲得成就感。

四、總結

而普通物理實驗往往涵蓋了數學、技術、能夠將科學、技術、工程、信息等多學科知識，完成一個實驗項目通常需要將學多科知識進行有效整合，這些都與STEM教學要求與目標不謀而合。通過實踐證明：以項目為基礎，基于STEM視閾的教學，采用翻轉課堂的教學方法，有助于增進學生對科學問題探究與工程設計的熱情，增強解決實際工程項目的積極性與主動性，提升學生實踐技能與協作精神。當然，由于STEM教育還處在起步階段，我們也發現STEM教育的實踐還存在一些問題，比如：如何進行有效地頂層設計;教學過程中不能只強度動手實踐，而忽視對學生設計能力、創新思維的培養;如何充分調動學生學習興趣，使得教學延伸環節成為學生探索未知世界的樂園而非負擔等，這些也將成為我們今后進行課程有效整合的研究熱點。

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