基于微課和翻轉(zhuǎn)課堂的大學(xué)物理基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

陳 杰 黃 鑫 賈 輝

(公安海警學(xué)院基礎(chǔ)部，浙江 寧波 315801)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)一般分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)3個(gè)逐步遞進(jìn)的層次[1，2]。在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)階段主要是學(xué)習(xí)基本的實(shí)驗(yàn)知識(shí)、鍛煉基本的實(shí)驗(yàn)技能，如不確定度概念及評(píng)定方法、數(shù)據(jù)的測(cè)量及處理方法、實(shí)驗(yàn)儀器的使用和調(diào)節(jié)技術(shù)等[2]，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)打好基礎(chǔ)。在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，融入微課和翻轉(zhuǎn)課堂這兩種教學(xué)方式能有效提高教學(xué)質(zhì)量。

1　微課的視頻設(shè)計(jì)和翻轉(zhuǎn)課堂的問(wèn)題設(shè)計(jì)

微課是針對(duì)某一知識(shí)點(diǎn)而專門制作的教學(xué)視頻，具有不受時(shí)間空間限制和易于開(kāi)放共享等優(yōu)點(diǎn)[3，4]。在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們運(yùn)用微課的手段來(lái)支持學(xué)生的課前預(yù)習(xí)和課后的反饋。基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)課前預(yù)習(xí)的重點(diǎn)是理解實(shí)驗(yàn)原理、儀器構(gòu)造、操作步驟、讀數(shù)方法等;課后反饋的重點(diǎn)主要是實(shí)驗(yàn)報(bào)告中數(shù)據(jù)處理、誤差分析中存在的普遍問(wèn)題及課后思考題的詳細(xì)解答等。因此，微課視頻的內(nèi)容主要包括這幾個(gè)方面。微課視頻的錄制要符合短小精悍的特點(diǎn)，應(yīng)按知識(shí)點(diǎn)分別錄制，同時(shí)還要注意多種媒體和技術(shù)手段的配合，如板書推導(dǎo)、實(shí)物展示、實(shí)踐操作、模擬動(dòng)畫等，見(jiàn)圖1。

圖1　微課視頻的主要內(nèi)容

翻轉(zhuǎn)課堂最主要的特點(diǎn)是將傳統(tǒng)的課堂教學(xué)與課后練習(xí)反轉(zhuǎn)，利用課堂時(shí)間來(lái)研究探討課后的問(wèn)題[5]。在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中我們借鑒翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，在課末預(yù)留一定的時(shí)間來(lái)探討實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的現(xiàn)象和問(wèn)題，以便學(xué)生更深刻掌握實(shí)驗(yàn)操作技能。在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)中的問(wèn)題設(shè)計(jì)主要是實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象的原因分析及應(yīng)對(duì)措施。問(wèn)題的來(lái)源一部分是教師預(yù)設(shè)的內(nèi)容，這是教師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，預(yù)先挖掘好的具有探討性的問(wèn)題，另一部分來(lái)自于當(dāng)前實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的具有普遍性和典型性的問(wèn)題，這需要根據(jù)教師的現(xiàn)場(chǎng)觀察來(lái)確定。

2　基于微課和反轉(zhuǎn)課堂模式的教學(xué)過(guò)程

2.1　課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)

微課視頻結(jié)合了聲音、圖片、動(dòng)畫和操作演示等形式直觀的展示儀器結(jié)構(gòu)、儀器操作的規(guī)程以及會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象、要注意哪些問(wèn)題等，學(xué)生在觀看的過(guò)程中會(huì)有一種身臨其境的感覺(jué)，這比文字材料更容易讓學(xué)生能理解和接受。通過(guò)微課視頻支持，將學(xué)生對(duì)著教科書的文字和圖畫預(yù)習(xí)變?yōu)榭捎^看教師講解和實(shí)物演示的預(yù)習(xí)，提高了預(yù)習(xí)的效率和質(zhì)量。而且“微課”視頻的容量比較小，學(xué)生既可以在網(wǎng)絡(luò)電腦上在線觀看，也可以將其下載到各種移動(dòng)終端上，如手機(jī)、i Pad等[6]，在課堂上進(jìn)行觀看。

2.2　課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)

第一階段是教師的講解環(huán)節(jié)。通過(guò)微課支持提高實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)質(zhì)量后，教師就可以適當(dāng)削減實(shí)驗(yàn)原理和演示示范環(huán)節(jié)的講解時(shí)間，基本只要用15～20分鐘就能講清實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)要求和注意事項(xiàng)，提高了效率，也為翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)創(chuàng)造了時(shí)間條件。

第二階段是學(xué)生的實(shí)操環(huán)節(jié)，由學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程，測(cè)量并記錄實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。在這一階段，利用微課承擔(dān)教師指導(dǎo)的部分功能，學(xué)生在操作中遇到問(wèn)題時(shí)，可以在課堂上查看微課的視頻資源，逐步對(duì)照進(jìn)行操作，直至能夠獨(dú)立完成操作為止。教師進(jìn)行巡視指導(dǎo)，對(duì)操作中出現(xiàn)的不規(guī)范問(wèn)題及時(shí)發(fā)現(xiàn)更正，對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行指導(dǎo)解決。同時(shí)，教師要記錄學(xué)生操作中出現(xiàn)的問(wèn)題，作為翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)中問(wèn)題的來(lái)源。

第三階段進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)。在課末預(yù)留20分鐘左右的時(shí)間，由教師提供2～3個(gè)問(wèn)題來(lái)進(jìn)行討論。先在小組內(nèi)進(jìn)行討論，然后由小組推薦進(jìn)行課堂匯報(bào)，可以是操作演示和理論說(shuō)明的形式。比如我們?cè)诜止庥?jì)的調(diào)節(jié)和使用中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)和學(xué)生普遍出現(xiàn)的問(wèn)題設(shè)計(jì)了3個(gè)問(wèn)題供學(xué)生討論：反射像的位置與載物臺(tái)、望遠(yuǎn)鏡光軸間的關(guān)系，如何進(jìn)行調(diào)節(jié)？游標(biāo)盤對(duì)稱方向上設(shè)兩個(gè)角游標(biāo)的目的？已調(diào)好望遠(yuǎn)鏡光軸垂直主軸，若將平面鏡取下后，又放到載物臺(tái)上，發(fā)現(xiàn)兩鏡面又不垂直望遠(yuǎn)鏡光軸了，這是為什么？當(dāng)然，學(xué)生的解釋和總結(jié)通常是不全面的，教師要對(duì)學(xué)生的匯報(bào)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，指出正確的方面，并進(jìn)行總結(jié)，讓學(xué)生形成系統(tǒng)的知識(shí)。

2.3　課后反饋和復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)

在學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告后，教師對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告中出現(xiàn)的典型問(wèn)題，比如數(shù)據(jù)處理的方法，不確定度的計(jì)算，誤差來(lái)源的分析，課后思考題的詳細(xì)解答等制作成微課視頻，供學(xué)生對(duì)照訂正，并將學(xué)生的訂正情況記入下一個(gè)實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)成績(jī)。以微課的形式進(jìn)行反饋一方面是相較于文字材料，學(xué)生更易于接受視頻短片的形式;另一方面可以不用集中面對(duì)面的交流，節(jié)省了時(shí)間，也更加自由開(kāi)放。錄制的微課視頻也可用于學(xué)生的復(fù)習(xí)，如對(duì)于實(shí)驗(yàn)器材操作和儀器使用仍不是很清楚的學(xué)生，可以繼續(xù)利用微課資源進(jìn)行復(fù)習(xí)，比如千分尺、螺旋測(cè)微器的讀數(shù)方法，分光計(jì)的調(diào)節(jié)使用等;也可以根據(jù)微課的反饋視頻結(jié)合實(shí)驗(yàn)報(bào)告冊(cè)復(fù)習(xí)數(shù)據(jù)的處理方法。

基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的是要讓學(xué)生掌握基本的實(shí)驗(yàn)技能，適合的教學(xué)方法就是集中講授和按步操作。在上述的教學(xué)設(shè)計(jì)中，我們將微課設(shè)計(jì)為分步的操作指南，從理論上講是適合基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求的，并且體現(xiàn)出幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：一是設(shè)計(jì)了翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)環(huán)節(jié)，利用課堂實(shí)踐集中討論操作中的典型問(wèn)題。二是設(shè)計(jì)了反饋的環(huán)節(jié)，以往學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告后獲得一個(gè)實(shí)驗(yàn)成績(jī)，但很少有學(xué)生修改實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題。三是提供了自主學(xué)習(xí)的資源保障，如游標(biāo)卡尺的操作視頻，在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)定實(shí)驗(yàn)、固體導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)、金屬絲楊氏模量的測(cè)定的實(shí)驗(yàn)中都要運(yùn)用到，即可以作為新課時(shí)的預(yù)習(xí)使用，也可以作為實(shí)驗(yàn)讀數(shù)時(shí)的操作指導(dǎo)，還可以作為復(fù)習(xí)資料使用。

3　教學(xué)實(shí)踐的效果

3.1　提高了實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的效率和質(zhì)量

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)效果往往不夠理想，多數(shù)學(xué)生僅僅是將實(shí)驗(yàn)書抄了一遍，反映在課堂上是對(duì)教師提問(wèn)的一問(wèn)三不知。究其原因是沒(méi)有實(shí)物儀器設(shè)備的支持，初入校門的學(xué)生很難僅僅依靠教科書上的幾幅插圖就達(dá)到預(yù)習(xí)要求。采用微課視頻的支持后，學(xué)生的普遍反映是比僅參照書本描述能更好地了解實(shí)驗(yàn)儀器、理解實(shí)驗(yàn)的原理和步驟。從課堂提問(wèn)效果的前后對(duì)比中也明顯感覺(jué)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)和熟知程度有了較大的提高，這表明微課視頻的支持有效提高了實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的效果。

3.2　提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理能力

通過(guò)反饋的環(huán)節(jié)，學(xué)生的數(shù)據(jù)處理能力得到了提升，以不確定度的處理為例，在物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)定實(shí)驗(yàn)中涉及到A類不確定度、B類不確定度及間接測(cè)量不確定度的處理，雖然在緒論課中講解過(guò)不確定度的處理方法，但是從實(shí)驗(yàn)報(bào)告反映學(xué)生掌握得不夠理想，為此我們錄制了該實(shí)驗(yàn)的不確定度的處理方法，學(xué)生也進(jìn)行了訂正。在固體導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定中，同樣要求進(jìn)行間接不確定度的計(jì)算，從對(duì)比中反映出學(xué)生的掌握程度有大幅提升。同時(shí)，我們也統(tǒng)計(jì)了采用微課輔助教學(xué)的16級(jí)通信專業(yè)和采用傳統(tǒng)教學(xué)方法的14級(jí)通信專業(yè)共86名學(xué)生在金屬絲楊氏模量的測(cè)定實(shí)驗(yàn)中關(guān)于數(shù)據(jù)處理部分的成績(jī)，結(jié)果得分高出0.4分(數(shù)據(jù)處理的總分為5分)，可見(jiàn)通過(guò)不斷的反饋訂正，使學(xué)生數(shù)據(jù)處理的能力得到了提升。

3.3　提高了實(shí)驗(yàn)的操作能力

在傳統(tǒng)教學(xué)情況下，當(dāng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中遇到問(wèn)題時(shí)，要么等待教師的指導(dǎo)，浪費(fèi)了課堂的寶貴時(shí)間;要么是根據(jù)直覺(jué)進(jìn)行操作，這樣出現(xiàn)的誤操作會(huì)比較多，對(duì)儀器傷害也較大。在操作環(huán)節(jié)采用微課支持后，就不需要只等待教師的指導(dǎo)，因而提高了實(shí)驗(yàn)效率;也能有效避免了學(xué)生的誤操作，保護(hù)實(shí)驗(yàn)器材。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常以個(gè)別指導(dǎo)的形式處理實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題和狀況，但對(duì)于學(xué)生個(gè)體而言又不太可能會(huì)遇到所有的這些問(wèn)題，比如分光計(jì)的調(diào)節(jié)和使用實(shí)驗(yàn)中望遠(yuǎn)鏡光軸垂直主軸時(shí)會(huì)有多種可能，每一種情況調(diào)整的方法都不一樣，通過(guò)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)來(lái)集中探討實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題，從現(xiàn)場(chǎng)學(xué)生的反映看，對(duì)分光計(jì)的使用有了更深刻的了解。