基于翻轉課堂的混合式教學設計與實踐
——以“交變電流”為例

尹慶豐 耿宜宏

（1.常州市武進區教師發展中心，江蘇 常州 213164；2.常州市武進區禮嘉中學，江蘇 常州 213176；3.江蘇省前黃高級中學，江蘇 常州 213161）

仔細研讀《普通高中物理課程標準》，［1］從2003版到2017版再到現在的2020修訂版，可以發現，高中物理課程結構越來越優化，教育定位越來越明確，培養目標越來越注重育人目的.從課程結構與教育定位角度來看，高中物理課程被分為3個層次：參加高中物理學業水平考試，要學習必修模塊共3本書；如果高考選考物理，要繼續學習選擇性必修3本書；如果打算參加自主招生或其他深造計劃，就要進一步學習3本選修教材.從育人目的來看，提升學生綜合素質、著力發展學生學科核心素養貫穿整個課程的始終，且以落實核心素養為中心，精選重組了課程內容，增加了難度.

這與現有的教學模式存在沖突：教學時間有限，學生不能按需學習，無法滿足個性化分層次學習要求，也不能讓學生體會物理知識之美；教學空間有限，學生的學習環境缺乏自主性，無法激發學生的學習興趣，也不能讓學生認識到物理學習之于生活的意義.

為了改變高中物理教學現狀，筆者認為一線教師首先要明確《普通高中物理課程標準》的核心是促進每個學生得到最大限度的發展.這就需要教師結合教學實際情況，引入新的教學理念，轉變教學模式，從而轉變學生的學習方式，為學生搭建一個自主、合作、探究、交往的學習平臺，最終將物理學科核心素養的培養貫穿于教學活動的全過程.

1 混合式教學與翻轉課堂的內涵界定

1.1 混合式教學

混合式教學（Blended Learning），因為側重點各不相同，所以目前國內外專家給出的定義并不統一.筆者認為，多種教學理論的混合、多種教學方法的混合、多種教學手段的混合、多種教學風格的混合、多種教學方式的混合、多種學習環境的混合等，都可以稱之為混合式教學.［2］

1.2 翻轉課堂

翻轉課堂（Flipped Classroom），又稱為“反轉課堂”或者“顛倒課堂”等.基本思路為：將傳統學習過程翻轉，由學習者利用課外時間對知識點及概念進行自主學習，課堂時間則以教師與學生的互動為主，學生進行匯報、討論、探究、驗證等，教師起到答疑解惑的作用.［3］馮曉英等認為，一個成功的翻轉課堂，應當是“線下主導型、交互協作式”的混合式教學.［4］

本文在混合式教學理念的基礎上，引入翻轉課堂的模式，將傳統與翻轉相融合，線上與線下相融合，在此基礎上進行教學設計，重新規劃教學空間、時間與內容，創造性地開展教學工作，從而提升學生學習效果，培育學科核心素養.

2 基于翻轉課堂的混合式教學設計

混合式教學并不是簡單的將傳統教學分割成線上和線下兩部分，它需要對每一個教學環節進行精心地重構性的設計.例如：如何有效地融合線上與線下的教學內容；如何最大程度地發揮線上與線下的優勢等等.

基于翻轉課堂的混合式教學，還需要體現“以學生為中心”的角色轉變特征，要能夠提高學生的學習參與度與自主性，讓學生有更多動手與體驗的機會，從而有利于知識點的內化.因此，筆者構思了“基于翻轉課堂的混合式教學設計”，如圖1所示.

圖1 基于翻轉課堂的混合式教學設計示意圖

由圖1可以看出，整個教學環節包括“傳統課堂”和“翻轉課堂”兩部分，“翻轉課堂”又可以分為線上和線下兩種形式，但主體都是學生.整個教學設計都是基于對教學目標的精準分析，［5］包括教材、學情等，從而確定哪些教學內容適合教師講授，哪些教學內容適合學生探究.課前在線發布的教學資源由教師準備，包括視頻、網址、技術參數等等；課后在線學習任務設置也由教師提前準備，并且要建立互動平臺，方便師生、生生在線討論、答疑等.

3 基于翻轉課堂的混合式教學案例

“交變電流”選自人教版選修3-2第5章第1節，［6］體現了新課程內容結構的選擇性.交變電流在我們的生活中應用性較強，但是由于電磁感應的特殊性，使得學生對于交變電流的本質與規律缺乏深層次理解.

另外，本節課的授課對象為普通高中二年級理科學生.學生已有知識結構包括法拉第電磁感應定律、傳感器的應用等，同時學生通過兩年的高中物理學習過程，對物理基本思想（模型建構思想）和科學探究過程（一般→特殊→一般）有一定的認識，熟知科學探究方法，具備了基本的觀察、分析、歸納能力.

綜合上述教材與學情分析，筆者認為在“交變電流”這節課中進行“基于翻轉課堂的混合式教學”是有實際意義的.

3.1 課前準備

課前準備采用線上教學的方式.教師可以針對不同班級學生情況，發布不同的線上教學資源，內容包括知識和能力兩個層面，如圖2所示.

圖2 課前準備線上教學資源結構體系圖

課前線上發布教學資源，學生可以選擇學習的時間和地點、學習的內容和進度，還可以控制觀看視頻的速度、次數以及網絡資源查找的廣度.這種方式能夠最大程度地給予學生學習的自主性，真正實現了按需學習.

3.2 課堂教學實施

鑒于高中物理的特點，課堂采用線下教學的方式.其中，引入部分采用演示實驗，可視化的小燈泡亮度與電流表讀數，簡潔直觀，明確概念；在難點“交變電流的產生”中，采用模型建構與問題導向相結合的方式，發揮教師講解的傳統教學模式優勢；在重點“交變電流的變化規律”部分，一改以往“傳遞主義”的理論推導，采用探究實驗，讓學生通過定量研究驗證并得出結論，發揮翻轉課堂教學模式的優勢.

3.2.1 體驗對比，明確概念界定

建立電源、電鍵、小燈泡、電流表構成的閉合回路.

體驗1.電源為干電池供電，見圖3（a）所示.

體驗2.電源為手搖發電機供電，見圖3（b）所示.

圖3 演示實驗實物圖

對比.相同點：小燈泡均能發光、電流表均有示數.不同點：（a）圖小燈泡發光穩定，（b）圖小燈泡發光會閃爍；（a）圖電流表指針穩定，（b）圖連接電流表，電流表指針來回擺動.

明確概念.（a）圖電流方向不隨時間變化，稱為直流（DC）；（b）圖電流大小和方向隨時間做周期性變化，稱為交變電流（AC）.

3.2.2 模型建構，分析產生原因

問題1.觀察手搖發電機有哪些部分組成？

生：大小輪、皮帶、磁鐵、線圈、轉軸、手柄等.

問題2.手搖發電機是如何產生交變電流的？

生：線圈在磁場中轉動.

問題3.這個問題其實比較復雜，我們研究復雜問題應該從簡單模型出發.首先，你希望研究怎樣的磁場？

生：勻強磁場最簡單.

問題4.其次，你希望研究多少匝線圈呢？

生：1匝.

問題5.你希望研究的線圈是什么形狀？

生：長方形.

問題6.你希望線圈怎么轉動？

生：勻速轉動.

建立模型.現在讓我們建立一個滿足你們所有希望的模型：勻強磁場中，單匝矩形線圈，勻速轉動，這就是理想模型.

今天我們就要從單匝矩形線圈在勻強磁場中的勻速轉動為著手點，對交變電流的產生展開研究.

問題7.線圈在磁場中轉動，哪些位置比較特殊？

生：一個周期中，0°、90°、180°、270°、360°為特殊位置，如圖4所示.

問題8.在圖4中判斷電流不方便，怎么辦？

圖4 線圈在磁場中逆時針轉動的特殊位置

生：借助降維處理，將三維圖轉變為二維圖，如圖5所示.

圖5 線圈在磁場中逆時針轉動的特殊位置二維圖

問題9.請分析這5個特殊位置電流方向、磁通量、感應電動勢的變化等，并填寫表1.

生：根據圖5中所標位置及速度方向，可以得到結果如表1所示.

師：由表1可以看到，當線圈平面（S）與磁場（B）垂直時，感應電動勢為0，這個特殊的位置稱為中性面.

表1 特殊位置定性分析表

問題10.請在坐標紙上定性畫出上述5個特殊位置的坐標，并猜想持續轉動時e-t圖像的形狀.

生：根據表1，描出5個特殊位置的點，并猜想作出e-t圖像，如圖6所示.

圖6 e-t圖像（猜想）

圖中，有兩條圖線，一條為折線（虛線），即將5個點用直線兩兩連起來；另一條為曲線（實線），即經過這5個點的正弦曲線.這是學生們猜想e-t圖像中出現幾率最高的兩種情況.

3.2.3 實驗探究，驗證變化規律

那么手搖發電機的e-t圖像究竟是什么樣的呢？實踐是檢驗真理的唯一標準.在該環節我們引入了江蘇省前黃高級中學耿宜宏教授團隊研制開發的手搖發電機改進實驗裝置.

實驗儀器：改進后的手搖發電機實驗裝置，［7］如圖7所示.在確保磁場為勻強磁場的基礎上，可以通過改變勵磁電流I的大小來改變磁場B的強弱；在3D打印的技術支持下，可以通過繞制方式的不同來改變線圈的橫截面積；通過線圈的不同組合，可以改變線圈的匝數；通過可調轉速且帶數顯的電機帶動轉動桿勻速轉動，可以改變不同的轉速從而改變角速度的大小.

圖7 改進后的手搖發電機實驗裝置實物圖

最后，旋轉線圈產生的交變電流通過360°旋轉導電滑環導出到電壓傳感器，利用DIS實驗軟件記錄交變電流電動勢波形圖，并進行數據處理.

探究1.調節勵磁線圈電流大小為1.60 A，線圈面積3S、匝數為250匝、轉速為800 r／min，利用DIS軟件中的電壓傳感器記錄產生的電動勢波形，得到圖像如圖8所示.

驗證1.應用數據處理中的“擬合”發現實驗圖線與正弦擬合圖線基本重合（如圖8中所示，粗線曲線為實驗所得，細線曲線為正弦擬合曲線）.實驗證實手搖發電機產生的電流為交變電流，電流的大小與方向呈周期性變化，且證明該交變電流為為正弦式交流電.

圖8 改進后的手搖發電機產生的感應電動勢波形

師：從圖8可以發現，電動勢的最大值保持不變.那么電動勢的最大值與什么有關呢？

生：最大值的影響因素可能是磁場強弱、轉速大小、線圈面積大小、線圈匝數等.

探究2.為了節約時間，此處為分組實驗，然后進行討論，最后得出結論，整個過程全部由學生完成.現將學生探究實驗結果匯總，如表2及圖9所示.

圖9 各組定量探究正弦式交變電流電動勢最大值E m影響因素匯總圖

表2 各組定量探究正弦式交變電流電動勢最大值E m影響因素實驗數據匯總表

驗證2.由表2和圖9可以看出，感應電動勢的最大值與線圈橫截面積、線圈匝數、磁場的磁感應強度和線圈轉速都成正比關系.

綜合探究1和探究2，可以驗證得到感應電動勢的瞬時值為e=Emsinωt，其中Em為感應電動勢的最大值，Em=NBSω，此時線圈垂直中性面.

結論：線圈在勻強磁場中繞垂直于磁場的轉軸勻速轉動時，產生的電流大小與方向都隨時間做周期性變化，且其變化規律滿足正弦函數，即產生了正弦式交變電流.該電流的大小與線圈匝數、橫截面積、轉速以及磁場磁感應強度的大小都成正比關系.

3.3 課后拓展

考慮到時間關系，課后拓展也采用線上教學的方式.教師發布的學習任務同樣包括知識和能力兩個層面，如圖10所示.

圖10 課后拓展線上學習任務結構體系圖

圖10 中學習任務分為必做題與選做題，例如帶星號的任務為選做內容；不同難度的學習任務對應不同的得分值，例如課后習題就會設置成由簡到難遞進的模式，對應的分值也會從低到高各不相同.教師會給出A、B、C、D、E 5個目標等級對應的分值，學生可以根據自身能力和需要選擇對應的目標等級，從而確定需要完成的學習任務，真正實現了個性化分層次學習.

4 基于翻轉課堂的混合式教學效果分析

“交變電流”這節課，傳統的教學模式是引入概念，然后通過電磁感應理論分析交變電流產生的原因，接著通過理論推導，得出交變電流的變化規律，最后介紹一下交變電流的應用.過程中可能會穿插一些演示實驗，但是總體以教師講授為主.

基于翻轉課堂的混合式教學設計的應用，使得“交變電流”這節課充滿了生命力.課前準備的線上教學資源，給了學生極大的學習自主性；課后拓展的線上學習任務，給學生提供了個性化分層次學習的平臺；線下課堂教學的時候，融合傳統教學與翻轉課堂兩種教學方式，相輔相成，相得益彰，這是本節課的亮點.

筆者對分別進行傳統教學和混合式教學的兩個班級學生發放了調查問卷105份，全部回收并有效，就知識學習與能力提升兩個層面對比兩種模式的教學效果，統計結果如圖11所示.

由圖11（a）可以看出，在混合式教學模式下，學生的課前準備與課堂討論的參與率有明顯增加，且課前準備的線上教學資源發布，使得學生對教學目標更加明確；由圖11（b）可以看出在混合式教學模式下，融合了對比、建模、降維、驗證等思維能力以及探究能力的培養，學習獲得感有大幅度增加，更能體現提升物理學科核心素養的教學目標.

圖11 教學效果問卷調查結果對比圖（單位：百分比）

5 結束語

為了將高中物理課程“育人”的根本目的落到實處，本文將翻轉課堂與混合式教學相結合，構思了基于翻轉課堂的混合式教學設計.該教學設計體現了“以學生為主體，以教師為主導”的教學理念，經過“交變電流”的教學實踐及教學效果分析，說明傳統與翻轉、線上與線下可以在碰撞中融合，在融合中完善，為一線教師展開混合式教學提供了參考.