翻轉課堂結合PBL在物理實驗教學中的實踐

趙國儉 王旗

[摘 要]大學物理實驗是工科院校最重要的一門基礎課，為提高教學效能，應該采用什么方式主導教學是每位相關教師必須考慮研究的一個嚴肅問題。互聯網的普及和計算機技術應用的推廣，使“翻轉課堂”結合PBL教學模式變得可行和現實。特別是2020年全球疫情防控的特殊時期，翻轉課堂教學模式發揮著決定性作用，且收到良好教學效果。文章就東北大學近年來該課程翻轉教學結合PBL教學法情況向同行們介紹，以示借鑒，為高校基礎課教學助力。

[關鍵詞]大學物理實驗;翻轉課堂;慕課;PBL教學法

[基金項目]2020年5月東北大學“東北大學PBL教學法研究與應用項目”（NEUJX04217）

[作者簡介]趙國儉（1964—），男，吉林長春人，理學碩士，東北大學理學院副教授，主要從事大學物理及實驗教學與研究;王 旗（1981—），男，遼寧沈陽人，物理學博士，東北大學理學院副教授，主要從事大學物理及實驗教學與研究。

[中圖分類號] G642[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）47-0-03[收稿日期] 2020-09-18

一、引言

大學物理實驗課是工科院校本科生重要的一門必修基礎課，通過對該課程的學習，可以鍛煉學生從理論知識的掌握到實踐能力的培養起著關鍵作用，是本科生培養計劃中重要教學環節。教好學好應是每位當事教師或學生必須思考研究的一件大事，多年來，由于條件所限，一直沿用著傳統的教學模式來進行教學，但總不能達到預期效果。傳統物理實驗教學分三步走模式，即課前預習、課中實驗操作、課后寫實驗報告，但效果差強人意。首先說這三步走沒問題，符合教學規律，但學生若以最終實驗報告成績為追求第一目標的話，三步走的執行落實就出現了很大漏洞和問題。而翻轉課堂教學模式可以有效改善這種狀況，會使學生學習變被動為主動，達到教與學良性循環[1-5]。

二、小步慢走，循序漸進，效果明顯，穩步落實

近年來，物理實驗教學中心完成了信息化建設的初步工作，在軟硬件方面均投入建設，并顯現出實際效益。硬件設備包含：電子門牌智能鎖、監控系統、電源遠程控制系統等。軟件系統方面包含：實驗中心門戶網站、實驗室管理、實驗教學管理、實驗室開放管理、實驗室儀器設備管理等。實驗中心門戶網站實現了信息發布、資源共享、虛擬仿真平臺鏈接等功能。實驗室管理可管理實驗室使用用戶、門禁授權、實驗室監控管理、實驗臺遠程電源控制等。實驗教學管理實現了選課與排課兩種運行方式的并行。物理實驗教學中心面向全校工科各專業開設“大學物理實驗”課程采用了學生選課模式，面向物理類專業實驗課程采用了排課模式。同時，將學生的預習、操作、實驗報告全部實驗課學習流程納入系統管理，提升了實驗室運行效率。實驗室開放管理系統面向學生課外開放共享實驗室，以競賽、大創為抓手，給予優秀學生以更多的實驗室條件。受益于系統的建設，實驗室正在由關門向開門共享轉變升級。實驗室儀器設備管理系統有效地保證了實驗室儀器設備全生命周期的管理，配合了實驗室的6S標準化建設。

物理實驗教學中心在6S標準化、信息化的建設基礎之上開展了一系列的教學改革工作，開啟了實驗課教學的翻轉課堂、智慧教學，學生主動學習的積極性被極大地調動起來。我校就有關大學物理實驗教學方面出現的問題做了深入思考和研討，根據現有條件以及客觀環境要求，對于如何改善教與學的關系做了多方面的嘗試，現把近年來分步驟改革經歷過程做成下表所示。

上表中第三階段是很接近翻轉課堂模式了，當然，隨著時間的推移及經驗積累，還可以做得更好一些。隨著網絡資源不斷豐富，教學方式不斷優化調整，會使乏味的學習變得生動、有趣。學生不再單純地依賴課堂學習知識，課堂與老師的角色無形中發生了變化，老師更多的責任是去理解學生的問題并引導學生去運用知識解決問題。

三、疫情下大學物理實驗課高質量完成

2020年春新冠肺炎疫情的暴發，對高校教學提出了嚴峻挑戰，如何保障高校教學順利進行，且不打折扣完成教學計劃是擺在每位教師面前的嚴肅問題。我們物理人審時度勢，認真探索，尋求新路。將困難當機遇，將機遇當動力，尋找出以翻轉課堂模式為理念，開辟線上教學新路徑，設計出大學物理實驗網上教學新模式，即家庭實驗及網上虛擬仿真實驗相結合模式。在實驗中心領導帶領下，教師們齊心協力，精心設計出符合特殊形勢下的實驗教學方案，引導學生注意觀察日常生活中的物理問題，了解到生活中普遍存在且很容易被忽略的問題，類似這些都可納入實驗課程計劃中，生活中事情大家很熟悉，把它提煉到物理層面的高度同學們一定會感興趣，并會投入高度熱情研究并學習。

1.觀察身邊生活，捕捉物理信息。比如觀察一盞照明燈（路燈或家庭照明燈），采用不同方式來觀察會看到不同的觀測效果。如直接用眼觀視、透過指縫觀視還是借助照相機直接拍照記錄，會看到意想不到的實驗效果。從拍照結果來看，會發現照片中出現了從燈中心發出的一些光線（星芒）。為什么是這樣，背后隱藏著哪些物理信息;再比如：將點燃的蠟燭放在瓶子后面，如果你從蠟燭的后面吹瓶子，蠟燭同樣可能熄滅。這又為什么會這樣。類似例子還有很多，都會引發學生們思考。諸如此類，很有趣，很生活，這就是物理問題。

2.可以利用手機做實驗。手機是當今社會人們手邊必備的通信工具，有誰會想到利用手機還可以做許多物理實驗。事實上手機里嵌著很多可供使用的傳感器，通過下載phyphox軟件可以激活使用。利用它可以做單擺實驗、電梯運行中的加速度測量實驗等等。下面幾幅就是利用手機記錄的時時動畫狀態。

通過仔細挖掘發現，手機功能實在是強大了，利用它可以做很多有趣有意義物理實驗，因此有同學非常感慨說：“通過這次手機實驗，我體會到，實驗不一定要在專業的實驗室里才能實現，實驗就來源于生活，只要細心觀察，從一件件小事中都能看到物理學的影子，各種物理定律無時無刻不對我們所在的世界發揮著作用！沒想到我們每天都在用的手機居然集成了這么多種類的傳感器，可見生活中要善于觀察，更要有探索精神！”

3.利用家里可利用的條件，可做些定性或定量探究性物理實驗。又如在設計測量重力加速度實驗中，充分發揮并挖掘家庭中現有的可用資源，如可將毛線當作擺線、小磁鐵塊作為擺球、卷尺可用來測量長度等，再如設計波動光學實驗中，像頭發絲，泡沫盒都有其用武之地，像這些平時常見的物件關鍵時刻都可派上用場。物理實驗不一定是高大上，也許是小精簡生活化，尋常百姓也可走進科學認識科學。家庭也可以是課堂，課堂就在身邊。在家做實驗，難免會缺少精確的設備，這在給自己帶來困擾的同時，也讓自己感受到了“自己創造條件”的樂趣。有的同學深有體會：“測重力加速度時，我把表弟的悠悠球給征用了，家里沒磁鐵，只好用光照來測周期，于是我用臺燈、兩個小音箱、一些書做了一個簡易的光電門，雖然測出的結果不一定像在實驗里那樣準確，但由于實驗從頭至尾都由自己設計、執行，所以就對實驗有了更深刻的理解。”

4.虛擬仿真實驗是家庭實驗的有利補充。手機也不是萬能的，若不能進入實驗室做實驗，那么虛擬仿真就是最好的選擇。網絡上有很多各高校或科研機構研發出來的物理虛擬仿真實驗，學生們可以選作一些自己感興趣的物理實驗，每個專題實驗項目提供的資料非常全面，有項目介紹、實驗演示等，學生們可以通過自主觀摩學習可以達到與線下相同的學習效果，像一些高大上實驗家里做不了，又不能進實驗室，那么做虛擬仿真實驗是最好的選擇，這是課堂翻轉的又一種方式。

5.“戰役版”大學物理實驗教材橫空出世。在2020年春季這一特殊時期，在師生共同努力下，制定并出版了符合當下需求且符合培養計劃的新型實驗教材—“戰役版”大學物理實驗。該教材涵蓋了力學、熱學、電磁學、光學等內容，配套有實驗原理講解、實驗操作視頻、參考數據、自測題等資源，還增加了拓展學習部分，讓學生更好地了解物理學家在發現物理規律過程中的故事，在大學物理實驗教學中完成立德樹人的根本任務。

經過一段時間網絡教學，得到了學生的廣泛認同。課堂翻轉方式有多種多樣，要因勢利導，尊重規律，注重效果。總而言之，同學們不管是在家做實驗還是進行虛擬仿真實驗，都能達到發現問題、認識問題、解決問題的目的，只要有探索精神，嚴謹的科學態度，那么課堂翻轉無處不在，生活處處是課堂。

四、翻轉課堂結合PBL模式教學方式展望

1.加強慕課建設，完善慕課內容及知識體系，為翻轉課堂提供豐富學習資源。

2.實驗課程核心內容在于實驗操作，在這方面要積極運作、探索，要多做一些實驗操作視頻，每個視頻都要短小精悍，突出主題，內容集中。能有效抓住學生渴望得到知識愿望及需求的心理，視頻的長度控制在學生注意力能比較集中的時間范圍內。利用視頻具有暫停、回放等多種功能，可以自我調節、自我控制，這樣有利于學生的自主學習。

3.建立廣泛的暢通的交流平臺，架通信息共享通道橋梁。除了網絡上廣泛使用的微信、QQ等之外，還要利用好學校資源平臺。總之，利用一切可以利用的環境條件便于溝通信息、答疑解惑，為課堂翻轉助力，提高學習效率。

翻轉課堂結合PBL教學法從根本上改變了教學實踐，優化了傳統的教學方式，提高了學習效率。物理實驗再也不是老師做一步、學生跟一步的“廣播體操”，而更像是老師制定規則、學生合作探究的“自由體操”，逐漸成為激發學生學習興趣、獲取物理知識、培養科學思維的重要途徑。

參考文獻

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[3]吳明彩，呂俊，徐蕾，陳祥攀.基于雨課堂的PBL翻轉課堂模式在生物化學實驗教學中的應用[J].教育教學論壇，2020（21）： 378-379.

[4]王蕊麗，孔祥洪，郭陽雪.翻轉課堂中的大學物理實驗教學[J].教育教學論壇，2016（40）：279-280.

[5]趙秋瑭，陳小鳳，代錦輝，田榮剛.構建基于“卓越計劃”的物理實驗教學體系[J].實驗科學與技術，2015，13（05）：105-107.

Abstract： College Physics Experiment is one of the most important basic courses in engineering colleges. In order to improve teaching quality， what teaching method should be adopted is a serious question that every relevant teacher must consider. With the popularization of the Internet and the application of computer technology， the combination of flipped classroom and PBL teaching model has become feasible and realistic. This paper introduces the flipped teaching combined with PBL teaching in Northeastern University in recent years， so as to provide references and help the teaching of basic courses in colleges and universities.

Key words： College Physics Experiment; flipped classroom; MOOC; PBL teaching method