翻轉課堂在近代物理實驗中的教學設計與實施策略探究*

劉海霞 李穎 欒曉寧 王桂忠

(中國海洋大學信息科學與工程學院 山東 青島 266100)

高等學校擔負著各類專業人才和創新人才培養的重任，實驗教學是培養學生知識應用能力、創新能力等綜合素質的重要環節．而教學實驗室是知識傳播、技術應用和知識創新的主要基地．實驗課教學特點是在教師的指導下，在理解實驗原理和設計思想基礎上，學生自己動手操作，獨立或相互協作完成實驗任務．實驗課的教學過程一般分為3個階段：

(1)課前預習，完成實驗預習報告．

(2)課堂實驗，獲取實驗數據．

(3)課后撰寫完成實驗報告．

雖然這3個階段功能不同，但構成一個有機整體，缺一不可，逐次遞進，相輔相成，密不可分．

1 近代物理實驗教學存在的問題

近代物理實驗是高等院校中物理專業高年級學生必修的一門的實驗課程,它將近代物理思想和實驗技術融合為一體，涉及到多專業、多方面物理知識，具有較強的綜合性和技術性，并且與現代科學技術應用緊密相聯，具有一定的前沿性[1～3]．

近代物理實驗課程培養目標是使學生通過實驗進一步鞏固、加深、驗證理論課所學內容，增加學生對相關學科前沿知識的認識及實踐能力，培養學生分析問題和解決問題的能力．學生通過實驗，理論聯系實際，可以鞏固和加深所學的理論知識，又能培養學生的動手能力、分析能力、科研意識、創新能力及團隊精神，更能夠為學生今后的學習、工作和科研打下堅實的基礎，有助于學生樹立科學的學習態度和嚴謹的工作作風．

但在傳統教學模式下，課程內容受限、時間受限、教授地點受限，近代物理實驗教學中主要存在著以下弊端和不足.

1.1 實驗課的課前預習階段

實驗課的課前預習是十分關鍵的一步，是學生了解實驗和學習實驗的第一步，是以學生自主學習為主的．但在傳統教學模式下，難以對實驗預習環節進行把控和監督，導致學生學習興趣不高，課前預習效果不佳，直接影響到實驗課堂教學的效果．主要表現在以下幾點：

(1)學習資源相對單一，學生課前預習主要通過閱讀實驗教材來完成，學習資源狹窄、受限，較難接觸其他信息資源，無法對課程內容的深度和廣度進行拓展．

(2)課前預習學生遇到的問題，無法及時獲得教師的指導與幫助．由于缺乏教師的引導和指導，學生對實驗的認識和理解不夠深入．學生不能準確地把握住實驗的重點和難點．

(3)教師對實驗課前預習難以監控，評價方式簡單，主要依據預習報告完成情況，因此有不少學生會不求甚解地把實驗教材相應內容，摘抄一遍就算完成預習任務．由于沒有達到預習目的，常常不能順利完成實驗．

1.2 課堂階段

近代物理實驗不僅實驗原理涉及的知識面較多，不容易理解，并且實驗儀器專用性高，儀器使用和操作步驟也較為復雜．由于實驗課時相對較少，課堂時間有限，學生再占用較多的課堂時間來學習儀器的使用和操作，留給學生思考和消化吸收相關實驗知識的時間被壓縮，學生動手測試的時間不夠充足．實驗過程常常匆忙行事，只是完成了實驗流程，取得測量數據，而對實驗中的實驗原理和設計思想一知半解，由于實驗時間緊張，學生發現問題時只會直接找教師解答，缺少獨立思考和探討的氛圍．難以對實驗進行深入探究，不能有效地進行知識內化．

1.3 實驗課后階段

課后撰寫實驗報告時遇到數據處理或無法理解、解釋的實驗現象等問題，也缺乏獲得生生間或師生間的溝通討論渠道，使學生對相關實驗知識的鞏固、拓展和提高受到阻礙．

1.4 評價階段

實驗結束后，教師根據預習狀況、實驗操作過程及實驗報告綜合給出該實驗的總成績．而在這3個環節中，由于傳統教學的限制，教師其實無法科學、準確地判斷學生真實的掌握水平，導致學生的實驗成績相差不大，無法真正起到促進和激勵學生學習的作用．

為了有效地解決近代物理實驗教學中存在的若干問題，迫切需要尋找一種新的教學方法、教學方式才能有效改變目前的狀況．將傳統課堂與移動互聯網技術相結合的翻轉課堂教學模式為解決這些問題提供了有效途徑．

2 翻轉課堂教學模式構建

通過分析翻轉課堂及翻轉課堂模型的相關理論與研究，結合我校近代物理實驗課程特點，我們設計了翻轉課堂教學模式[4～7]，近代物理實驗翻轉課堂教學模式主要包含課前預習(完成知識傳遞)、課堂實驗(進行知識內化)和課后撰寫實驗報告(達到知識鞏固提高)3個階段，如圖1所示.

圖1 近代物理實驗翻轉課堂教學流程圖

3 近代物理實驗翻轉課堂教學過程的設計

為了有效地解決近代物理實驗教學中存在的諸多問題，結合近代物理實驗教學特點，在翻轉課堂教學中，教學過程設計不再限定于傳統的課堂教學這一個階段，而是圍繞課前預習、課堂實驗、課后完成實驗報告3個階段的學習活動而進行統籌的安排設計，包括課前自主學習網絡資源的設計和課前預習教學設計、課堂教學與研討活動的策劃與設計、課下鞏固、延伸性學習活動的設計等環節[8～11]．

3.1 自主學習網絡資源的設計

豐富多樣化的學習資源，是學生實現有效預習的關鍵，是翻轉課堂教學成功與否的前提與保障．翻轉課堂教學模式下，教師依據教學目標和教學內容、學生所具備的知識儲備，針對每個具體實驗項目，構建基于多媒體技術和網絡支持下的移動學習的實驗教學資源，完成與學生自主學習相關的配套資源的開發，將多樣化、關聯性、系統性、拓展性的專業知識提供給學生．每個實驗項目包含的學習資源有課前任務單、微課課件資源、習題資源、自測評價表、實驗儀器介紹和操作視頻、實驗拓展資料、課后問答題等．

3.2 課前自主預習的教學設計

有效的課前預習是翻轉課堂順利實施的基本要素，否則翻轉課堂如同虛設，無法開展．課前預習包括線上和線下兩部分：首先學生在線下認真學習實驗教材的基礎上，完成實驗預習報告．通過網絡進行在線的自主學習．學生通過閱讀課前任務書，觀看教學視頻、PPT資料，完成課前預習測試，同時，學有余力的學生也可以學習拓展資料．遇到不懂的地方充分利用平臺可以與同學或授課教師在線交流，既可以解決問題，又有助于增進師生間的感情，從而使教師引導、啟發、監控教學過程的主導作用得以體現．

3.3 課堂教學——面對面的教與學

課堂上面對面的教學活動，教師利用課堂上有限的時間，對實驗內容過程的重點、難點以及注意事項進行提問，檢驗預習效果的同時，又能督促學生重視預習．還可以引導學生對預習時存在的問題予以討論，激發了學生學習積極性和深度學習的動機，增加師生之間面對面的情感交流．

另外通過課前微視頻展示實驗流程及實驗儀器使用和基本操作，減少了占用課堂時間，使得學生有更多的時間動手操作調試儀器、測量數據．實驗探究過程中，加深對實驗原理和設計思想的認識與理解，實驗操作速度和質量都會提高，獲得事半功倍的課堂教學效果．

3.4 課后學習——鞏固和拓展

學生撰寫實驗報告，遇到問題，學生可以通過再次查閱學習資源進行自主解疑，也可以通過網絡平臺對相關知識及問題與同學或授課教師在線交流討論，進行解疑．此外要求學生完成課后問答題，鞏固和強化所學知識．

3.5 教學評價設計

翻轉課堂教學評價應包括課前預習、課堂實驗及課后3階段．教學評價階段貫穿于整個教學過程的始終，將過程性評價和總結性評價相結合[12]．

4 翻轉課堂實施策略與優勢分析

4.1 課前預習階段

翻轉課堂教學利用信息網絡，有效地解決了學習資源狹隘、知識拓展受限的問題．學生課前預習不再僅僅拘泥于實驗教材，通過網絡平臺呈現多樣化、多形式學習資源．學生課前學習資源包括課前學習任務書、PPT、微視頻、思考題、拓展性資料等．豐富的學習資源，有利于激發學生的學習興趣，開闊了學生的知識面和視野，滿足不同層次學生的學習需求，提高了學生的專業水平和素養．線上學習資源內容見圖2和圖3為示例.

圖2 在線實驗項目

圖3 在線學習資源

例如學習任務書為學生安裝了支架，可以有效地引導學生利用配套學習資源開展學習活動，依次完成學習任務，實現教學目標．習題資源設置了思考題，通過思考題讓學生清楚實驗中的重點、難點和關鍵點．例如通過觀看微視頻，在實驗室外就可以了解實驗儀器使用和實驗操作流程．對整個實驗有了一個真實的、完整的、清晰的認識．而拓展內容部分，介紹了該實驗的歷史溯源和物理學發展過程中的地位，以及在現代科技和生產生活中的主要應用和未來發展方向．從多方面入手讓學生感知知識發生、發展的過程．使得知識不再是固化的、靜止的，而成為動態的、前沿的．增加和拓展學生知識面，調動學生的興趣，激發學生的求知欲望、創新意識、創新思維和科研能力．

打破傳統課堂的局限性,打破了時空的限制，學生可以隨時隨地，按照自己的學習習慣和方式，自定步調進行自主學習，充分調動學生的自主性，使得學生能夠個性化和多樣化地進行學習．

在網絡化的學習環境下，遇到不懂的問題通過師生或生生間的交流，去解決問題．它大大提高了師生、生生之間的合作探究和互動學習，讓師生之間的交流變得更加有效[3]．互動教學和一對一問題解答更利于教師因材施教．因而學生獲得了真正意義上的學習主動權，形成了一種新型的師生關系．

4.2 課堂階段

在課堂上教師通過對實驗內容的重點、難點以及注意事項進行提問，了解學生課前學習效果，既可以檢驗預習效果，也能激勵和督促學生進行預習．引導學生在課堂上對教學內容進行回顧性學習，并對學習和實驗過程中遇到的問題與學生展開交流討論，而教師可以發揮啟發、引導作用，進而讓學生對知識進行重新的加工整合，在課堂內化知識的過程中通過主動探究的方式，準確掌握并消化這些教學內容．在交流和協作過程中提高認知水平．

在翻轉課堂教學模式下的課堂上，通過課前微視頻展示實驗流程及實驗基本操作，一定程度上減少學習使用儀器操作的時間，可以把更多的時間用于動手實踐、主動探究、拓展思維上．由于對實驗原理、設計思想、實驗過程有了清楚、透徹、全面的理解，學生在動手操作、實踐探究的過程中，完成對知識的深度理解和掌握，有更多時間進行思考、分析、評判、知識遷移等高階思維的學習活動．學生分析問題、解決問題、合作交流等綜合能力得到鍛煉和提高．進而使知識有效內化，實現深度學習，獲得較好的學習效果．

4.3 課后階段

學生撰寫完成實驗報告過程也是對實驗結果進行總結、歸納、分析、提高的過程．遇到問題，學生可以通過再次翻閱網絡平臺上發布的學習資料進行自主解疑，也可以通過網絡平臺對相關知識及問題與同學或授課教師在線交流討論，進行解疑．同時要求完成課后思考題．對實驗知識進一步鞏固提高．對拓展資料進行學習，要求學生進行創新設計實驗，實現對知識遷移應用與創新發展．

4.4 評價階段

教學評價是教學活動過程中必不可少的基本要求之一，亦是教學過程中不可缺少的環節．由于翻轉課堂重構了教學組織形式，與傳統課堂的教學結構、教學方式、手段、內容都不相同，因此，教學評價也要隨之改變．翻轉課堂模式下，把形成性評價和總結性評價結合起來，形成性評價貫穿于教學設計的各個階段．通過對知識理解和掌握、實驗操作技能、合作交流、情感態度等多方面評價，使得考核更加全面和真實，有效激勵和促進學生學習和發展．

信息技術支持下的翻轉課堂教學模式為解決傳統教學模式的弊端和不足開辟有效途徑．將翻轉課堂教學與實踐結合，探索信息技術和實驗課程融合的新思路，從而有效解決以教為主、課內外缺乏融合、學生自主學習興趣低下、被動聽講、參與度不高、缺乏個性化學習和討論交流學習的弊病．翻轉課堂教學既能讓教師的引導、監督和啟發作用在教學過程中得以實施，又能更大限度地發揮學生的創造性、主動性和積極性，從而使兩者配合獲得最佳的教學效果．