基于ARCS 模型設計移動模式的翻轉課堂教學
——以超導體的基本性質教學設計為例

鐘向麗，宋宏甲，王金斌

（湘潭大學 材料科學與工程學院，湖南 湘潭 411105）

在教育部《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020 年）》提出的“加快信息化進程”及《教育信息化十年發展規劃（2011—2020 年）》中提出的“建設智能化教學環境，推進信息技術與教育融合”的政策指引下，教育領域中新技術的研發及應用不斷涌現，為教育帶來了前所未有的機遇和挑戰[1-3]。近年來，移動學習作為一種能夠支持任何人、任何時候、在任何地方參與的學習方式，已受到國內外教育領域的廣泛關注，其概念內涵、標準研制、環境構建及模式應用等已經得到大量探討，大大促進了移動學習的推廣和應用[4-5]。

翻轉課堂是一種先學后教的教學模式，移動教學的發展為翻轉課堂的高效實施提供了更多途徑，教師可以借助移動平臺實施學習任務安排、監督和評價，這為翻轉課堂實踐的內部發展因素研究提供了契機[6-7]。智能手機普及之前，翻轉課堂的實施主要是教師事先將做好的PPT 或視頻傳給學生，學生利用電腦觀看，利用課堂時間提出疑問和教師交流。相比于目前智能手機普及和移動平臺的豐富，存在學習資源獲取途徑單一、交流不及時與學習效率低下等不足，并且學習過程無法監控，教師對學生課下學習情況掌握不足，使得教學效果難以保證。隨著移動智能終端的普及和教學平臺的發展，學習資源的獲取途徑多樣化，學生和教師可以隨時隨地交流，保證了翻轉課堂實施的外部環境。

一 翻轉課堂中學生的動機水平

然而，移動學習模式的翻轉課堂高效實施是一個系統工程，我們除了關注移動學習的外部環境因素之外，還應該重視移動學習模式的翻轉課堂中學生的內部發展因素，學習動機就是其中一個重要方面。學習動機是在綜合考慮學習者興趣、目的、價值和期望的基礎上，確保其持續學習的一種內部意愿，是促進學生深入學習的直接驅動力[8]。由于移動學習模式的翻轉課堂學習是一種自主性較強的學習，要求學生有較強的學習動機、自控力來維持以保證較好的學習效果。而學習動機則能通過激起、調節、維持學生的學習活動來提升學習效果，有效解決這些問題。

二 ARCS 動機模型

學生的學習動機受教學活動影響，教師通過有效的教學設計結合動機策略可以有效提升學生的學習動機，從而保持最佳的動機水平[9]。ARCS 動機模型是為了激發和管理學生的學習動機而建立的，包含注意力（Attention）、相關性（Relevance）、信心（Confidence）和滿意度（Satisfaction）四個方面。將ARCS 動機模式應用在移動模式下翻轉課堂的教學設計中，在吸引學生的注意力、提高課程相關性、增強學生自信心和提升學生滿意度四個層面提供有效策略，通過教學設計，讓學生保持興趣與注意力，可以有效提升學生的學習參與度、完成度和學習效果[10-11]。

三 移動模式下翻轉課堂的教學設計

翻轉課堂教學模式中，學生和教師一樣成為教學活動的參與者，學生有了更多主動發揮的空間，更有利于培養學生的學習能力和創新思維[12]。移動教學模式為翻轉課堂教學提供了良好的教學平臺和學習管理系統，有助于教師實時掌握學生的學習情況，從而更好地因材施教，實現以學生為中心的教學[13]。在翻轉課堂評價中，更注重學生知識技能多方面發展和多元評價方式，在學生積極參與過程中，不止知識、技能有所提升，也為價值、情感等培養提供了沃土，更加體現了教育的本質，培養身心全面發展之人[14]。同時，注重課堂內容設置、教學流程設計和教學措施的使用，培養德智體美勞全面發展的社會主義建設者和接班人。因而，基于移動教學模式、翻轉課堂教學模式、學習動機理論等相關理論綜合分析，在教學內容、教學方法和教學評價等方面進行設計、優化并總結，對移動模式下翻轉課堂教學設計的教學理論、教學觀點和具體教學措施具有重要意義。

在移動模式下翻轉課堂的教學設計中，需要考慮移動教學模式和翻轉課堂教學模式的相互融合。教學組織和管理涉及線上和線下，教師與學生的交互方式包含面對面和不受時間、空間限制的交流，教學評價更加豐富和多元化。因而，教學設計需要更加細分化。比如，教學目標方面，需要同時注重在知識技能、過程方法和情感、態度和價值觀方面的目標。教學評價方面，需要結合學習過程、自主學習情況和知識技能掌握情況等全面考核評價。教學內容安排方面，要考慮以學生為中心的原則、循序漸進原則等，不再是滿堂灌。本論文將以功能材料課程為例，基于ARCS 動機模型進行移動模式下翻轉課堂的教學設計。

四 基于ARCS 動機模型的教學設計案例

（一）內容概述

超導體的基本性質是功能材料課程中超導材料的內容，涉及到超導的基本概念，需要在認識基本概念基礎上，認識超導體的零電阻特性和完全抗磁性，結合二者的理解，分析二者的區別與聯系，為后續理解超導材料的其他性質、超導機制及其應用打好基礎。

（二）教學目標分析

1 知識與技能

熟悉超導的基本概念；掌握超導體的基本性質；了解超導材料各個性能的相關應用。

2 過程與方法

1）課前：教師設計課件、視頻、動畫、課前測試題及相關前沿資料等學習資源，通過學習通傳送給學生，引起學生學習超導材料基本性質的興趣。

2）課中：對教師提前設計好的相關課題進行討論、分組協助學習并匯報，加深對超導材料基本性質的理解，掌握認識問題的基本規律和方法。

3）課后：教師通過學習通、微信、QQ 和郵箱等多渠道對學生提供答疑、指導和課程內容深化及課程內容相關知識前沿進展的推送，引導學生深入學習，拓展前沿。

3 情感態度價值觀

1）培養學生區別與聯系的辯證思維，激發學生的學習興趣。

2）通過對新奇有趣的超導現象的介紹，培養學生熱愛科學，勇于創新。

（三）教學重難點

1 教學重點

零電阻特性，完全抗磁性。

2 教學難點

完全抗磁性和零電阻特性的獨立性。

（四）教學模式與策略的選擇與設計

超導體基本性質這節課的內容是超導材料的基礎，要讓學生認識宏觀超導現象，好奇超導的內在機制，激發學習超導材料的學習興趣，其主要教學環節是在移動模式下，實施“課前揭示課題、了解概念；課中假設論證、拓展應用、課堂總結；課后深入思考、前沿拓展”。在整個教學過程中，學生的認識由開始的超導現象到超導性質，從概念到物理本質，學習超導材料，通過應用與性質的聯系，加深對超導基本性質的認識。

（五）學習資源與工具設計

采用超星學習通和網絡多媒體教室實施教學，需要準備的學習資源和工具有PPT 課件、視頻、移動終端、黑板及白板等。

（六）教學過程

1 課前

設計學習資源，包括視頻、PPT 課件和相關學習資料等，并通過超星學習通平臺發布，通知學生學習，教師可以隨時查看學生學習情況，督促學生完成課前學習。

1）注意動機模型——激發動機。通過視頻介紹長沙磁浮快線，強調長沙磁浮快線是中國第一條擁有完全自主知識產權（自主設計、自主制造、自主施工、自主管理）的中低速磁浮鐵路，激發學生的自豪感和榮譽感。在引入磁浮快線的基礎上，通過視頻展示磁懸浮現象，提出問題：磁懸浮的原理是什么？什么材料可以實現磁懸??？從而引出超導現象、超導體。

從超導現象的發現實驗切入，同時介紹發現超導現象的科學家卡梅林·昂納斯（Kamerlingh Onnes）及其在超導領域的成就和諾貝爾獎獲得情況，激發學生對科學的熱愛，激發學生對超導的學習興趣。

2）關聯動機模型——聯系生活。以學生身邊的長沙磁浮快線切入，通過學習通發放問卷調查學生乘坐長沙磁浮快線情況，建立超導體與學生日常生活的聯系。當學生被磁懸浮的問題吸引后，同時與自己的生活緊密聯系，學生便急切想知道磁懸浮的原理，進而進一步激發學生的求知欲和學習動力。

知識融入：在視頻介紹中融入超導現象、零電阻效應和完全抗磁性等基本概念。

2 課中

教師通過移動終端統計學生課前知識的學習情況、掌握情況，在此基礎上，充分了解學生之間的差異性，在課堂上注重因材施教、對學生做適當引導，在學生了解基本概念的基礎上，進行超導體性質深入理解和相關性討論，提高學生在課堂上的注意力，增強學生深入學習的信心。

1）關聯動機模型——聯系積累。深化超導體零電阻特性和完全抗磁性時，結合推理論證和實驗；推理論證時，引導學生聯系大學物理的基礎知識，強化學生的興趣。

2）信心動機模型——維持動機。分小組進行推理論證：超導體與理想導體有什么區別？

概念：超導體電阻為零——超導體是等電位的，超導體內沒有電場——超導體中的電流會像理想導體中的電流一樣成為永不衰減的永久電流。

假設：超導體是一種ρ=0，σ=∞的理想導體。

疑問：超導體的零電阻特性和完全抗磁性是不是相互獨立的兩個屬性？

物理學分析：磁通線可以穿透沒有電阻的理想導體。當外部磁通變化時，根據楞次定律，理想導體中產生的感生電流所引起的磁通變化將抵消其體內磁通量的變化。公式表達如下

式中：ρ 為電阻率；σ 為電導率；j 為電流；E 為電場。

因而，理想導體內不可能存在電場。

式中：t 為時間；B 為磁場。

可知，理想導體內不可能有隨時間變化的磁場，即在理想導體內保持當它失去電阻時樣品內部的磁場。認為磁通分布被“凍結”在理想導體中，外加磁場的變化不能改變“凍結”在理想導體內部的磁通分布。

實驗：選取同樣體積的理想導體和超導材料，按照如圖1 所示的步驟進行兩組實驗。

先降溫后施加磁場，發現先降溫，使得理想導體電阻為零，同時超導體電阻為零，然后施加外磁場，一定時間后去除外磁場，兩種材料的磁感應強度均為零。

先施加磁場后降溫，施加磁場后，兩組材料內部均有磁感應強度，然后進行降溫，發現降溫后，理想導體內部有磁感應強度，而超導體的磁感應強度為零。

教師引導學生總結：圖1（a）理想導體內部是否存在磁力線以及如何分布與降溫及加外磁場的先后順序有關；圖1（b）超導體內部是否存在磁力線以及如何分布與降溫及加外磁場的先后順序無關。

圖1 理想導體不可逆與超導體可逆的磁性質

鼓勵學生得出結論：超導體不僅是理想導體，還具有完全抗磁性。零電阻特性和完全抗磁性是超導體的兩個獨立特性。

設計意圖：結合學生所學進行推理，通過理論和實驗論證超導體的零電阻特性和完全抗磁性是相互獨立的兩個屬性，讓學生體會到新知識與已有知識的關聯，體會到通過自己的思考和分析總結出規律的樂趣，增強學生的學習信心。

3）滿意動機模型——獲得成就感?；诔瑢w的基本性質，思考超導體如何讓列車懸浮而高速運動，結合課前提出的磁浮列車的原理，引導學生用課堂學習的專業知識解釋生活中的神奇事物，揭示科學的神秘面紗，獲得滿滿的成就感。另外，教師通過總結超導體的性質與應用的聯系，讓學生深刻體會到專業知識能切實應用到實際生活中，提升專業的歸屬感，提升專業信心和滿意度。

3 課后

基于學生在超導體基本性質學習中的興趣、信心和滿意，進一步強化學生的學習動機，為后續超導材料的制備、表征、應用等深入學習提供良好的學習動力基礎，維持學習動力。利用移動學習終端在課后對學生進行學習答疑和拓展引導。

1）注意動機模型——激發動機。通過超星學習向學生推送超導領域的諾貝爾獎獲得者的資料，介紹自超導發現以來，該領域的諾貝爾獎獲得情況，包括超導發現、零電阻特性和完全抗磁性、超導BCS 理論等，一共獲得五次諾貝爾物理學獎，誕生了10位諾獎得主。激發學生持續學習和探討超導體的興趣。

提出問題：科學家始終追求提高超導問題，如何進一步提高超導的溫度？

2）信心動機模型——獲得成就感。通過超星學習通向學生推送超導材料的發展歷史及我國科學家在超導領域的卓越貢獻，包括朱經武、趙忠賢等。引導學生了解科學家的成就，增強民族自豪感和榮譽感，充滿信心地學習。

3）滿意動機模型——自我認可。通過超星學習通向學生推送超導材料相關的前沿科學和技術研究資料，使其能通過課堂所學所思，認識和解讀前沿科學知識，從自身認可所學的意義，進而持續和深入學習。

移動終端為課后翻轉課堂的實施提供了良好的便利，為課后學習動機的保持和內化提供了便捷的途徑。

五 結束語

功能材料課程涉及材料的組成與結構、制備、性能及應用，對學生綜合應用材料學科的基礎知識、理論、方法和思路具有重要作用，是培養學生綜合能力和創新思維的重要課程。較強的學習動機是保證移動學習模式的翻轉課堂這種自主性強的學習效果的關鍵內因。將ARCS 動機模型應用于移動學習模式下翻轉課堂的教學設計中，在課前、課中和課后基于ARCS 動機模型的注意、關聯、信心和滿意度進行教學內容和教學環節的設計，旨在課前引起學生的學習興趣、課中維持學習興趣和課后內化學習動力?；谝苿幽Ｊ降奶攸c和優勢，優化翻轉課堂的實現，提升學生的學習效果。