借助科學實驗節目實現高校翻轉課堂有效翻轉的研究

翻轉課堂是一種不同于傳統課堂教學模式的教學方法，翻轉課堂可讓大學生根據自己的學習計劃和時間在充分預習的前提下，通過討論等環節充分參與課堂教學活動，使課堂變成學生深度學習和合作探究的場所。翻轉課堂在很多大學課程的教學中得到應用，特別是在實驗性強的課程教學中效果更為顯著。教學運行監控和調查表明，在一些大學，特別是一些獨立學院，翻轉課堂教學遇到了一些挑戰和問題，如能激發獨立學院學生自主學習熱情的翻轉課堂教學資源不足等。為了解決這些問題，需要加強教學運行監控，采取有效的措施，鼓勵教學管理和教學研究人員設計和拓展能引起獨立學院學生興趣的翻轉課堂教學資源。《加油！向未來》是一檔由中央廣播電視總臺推出的大型科學實驗節目，節目中的科學實驗涵蓋了大學物理、大學化學、大學生物等多門課程的一些教學內容，這些實驗中既有大型室內、室外實驗，也有日常生活中常見的科學現象，節目中的實驗既有趣、驚險、令人意外、難度大，又非常嚴謹。該節目通過多種方式，使科學實驗變得更加生動有趣，不僅向觀眾介紹了有趣的科學文化知識，還激發了觀眾對自然科學的探究興趣。該節目不僅由著名主持人主持，還邀請了很多科學家和學生參與，他們的參與大幅提升了節目對學生的影響力。教師將以案例的形式從《加油！向未來》中遴選出可作為翻轉課堂教學資源的實驗視頻，根據翻轉課堂教學理念進行相關教學內容的設計，最終實現獨立學院翻轉課堂的有效翻轉。

一、“角動量守恒定律”翻轉課堂的設計和實施

角動量守恒定律是物理學中的一個基本定律，它描述了系統在外力矩為零的情況下，角動量保持不變的特性。學生學習這一定律時往往不會分析哪些外力會產生力矩，對內力矩的作用和影響難以弄清。由于在課堂上難以做角動量守恒的演示實驗，教師通常是播放茹科夫斯基轉椅的實驗視頻來說明角動量守恒的條件。

但是，由于茹科夫斯基轉椅轉軸處有摩擦力，其摩擦力矩不為零，因此即使實驗員沒有做任何操作，茹科夫斯基轉椅的轉速及角動量均會減小，從而影響學生的視覺效果和對實驗結果的確認。在《加油！向未來》節目中，雜技演員表演的空中吊環旋轉是一項令人驚嘆的高難度技藝，它體現了角動量守恒的魅力和美感。由于演員是被懸空著的，在旋轉過程中更容易滿足角動量守恒條件，因此，根據這一視頻制作角動量及其守恒定律的翻轉課堂教學資源將能更好地體現角動量守恒的演示效果。

為了使課前預習具有交互性，可把視頻中解釋性的畫面去掉，在視頻中嵌入與角動量及其守恒定律有關的互動題，以鼓勵學生帶著問題去觀察、去分析，引導學生去思考、去解釋其中的現象，為后面的課堂翻轉打下基礎。為此，我們在視頻中先后嵌入了三個關于角動量及其守恒定律的問題。

問題1：在觀看了雜技演員演示兩種造型的旋轉情況后，請根據視頻中的兩種造型，指出雜技演員在空中繞其對稱軸旋轉過程中，哪種造型的轉動慣量較大？

A.大字形

B.一字形

C.大字形和一字形的轉動慣量一樣大

為了回答這一問題，學生可以在課前預習中回憶轉動慣量的表達式：

J= r2dm

其中，學生要明白雜技演員的造型為大字形時，身體的各部分至轉動軸線的距離，比造型為一字形時的要大，才能得出造型為大字形時的轉動慣量較大的結果。

問題2：當演員繞其對稱軸轉動過程中，下列描述正確的是：A.角動量守恒B.角動量不守恒學生須自主學習，對繩子和演員構成的系統，分析其所受的外力（重力和懸點的彈力），發現這兩個外力均不為零，但它們的作用線均通過轉軸，其力臂為零，故其外力矩為零，因此滿足合外力矩為零的角動量守恒的條件。

問題3：根據角動量L 的定義L=j棕，當演員繞過其對稱軸轉動過程中，要使其轉速加快，應如何調整姿勢？

A.由一字形變大字形

B.由大字形變一字形

有了問題1 和問題2 的鋪墊，該問題就迎刃而解了。

這樣，在觀看視頻的過程中，通過這些交互性的習題，讓學生理解在初始角速度相同的情況下，由大字形變一字形的變換姿勢的方式能讓旋轉速度變快。學生課前通過觀看這樣的翻轉課堂資源，不僅可以讓學生獲得翻轉課堂時需要的基礎知識，往往還可引發學生的進一步思考，為課堂上深度學習提供可能。例如，有學生在課前預習中仔細比較了視頻中的幾幀畫面，理解了演員繞自身對稱軸旋轉時所受重力通過該軸，因此，其力臂和力矩為零，其旋轉過程中角動量守恒。但是，兩個演員一起相對過吊環的豎直軸（不同于演員的對稱軸）旋轉，旋轉過程中演員、吊環和繩子構成的系統所受重力并不通過該豎直軸，其力臂和力矩“似乎”并不為零，但系統旋轉的角速度在長時間內幾乎不變，即角動量似乎守恒這個學生感到難以理解。大家討論后發現演員的這一轉動就相當于圓錐擺的運動，明白了力矩、角動量均是矢量，在定軸轉動中，力矩、角動量均在轉軸方向上。根據角動量守恒定律，某一方向的力矩只會改變這一方向的角動量，而對與之垂直方向的角動量沒有影響，即某一方向的外力矩為零，那這一方向的角動量守恒。根據力矩和角動量方向的判斷方法，可以知道此過程中演員系統旋轉的角動量方向沿豎直方向（轉動平面為水平面），而演員重力的力矩方向（不是重力的方向）是沿水平方向的，這一重力矩不會影響演員旋轉的角速度。任課教師通過翻轉課堂的課堂活動環節，有效銜接了“角動量和角動量守恒定律”這一節教學內容的課前預習與課堂教學活動，提高了這一節課課前預習與課堂學習的效率，引導學生吸收和融會貫通了“剛體力學”這一章的課堂知識，激發了學生深度思考角動量和力矩矢量性含義的積極性，提升了學生主動解決相關角動量及其守恒問題的能力，實現了“角動量和角動量守恒定律”翻轉課堂的成功翻轉。

二、“鐵磁質及其性質”翻轉課堂的設計和實施

鐵磁質因其獨特的磁化特性而被廣泛應用于工業生產的許多領域，如利用鐵磁質的強磁性來制造電動機中的磁極和定子；在通信設備中常借助鐵磁質的磁化特點來傳輸信號；利用鐵磁質的磁滯現象可以制造存儲設備等。但是，出于對安全性、可視性等的考慮，很難在課堂上演示這些應用，因此這一教學內容顯得比較枯燥，很難激發學生課前自主學習的興趣，難以實現翻轉課堂的有效翻轉。《加油！向未來》中有一段稱為“90 秒大戰釹鐵硼”的釹磁鐵性質展示，這個片段展示了被稱為“磁王”的釹磁鐵的“強大力量”以及在高溫、低溫、振動下磁性的變化情況。

教師在制作相應的課前教學資源時，除介紹鐵磁質的性質、磁化特性、磁化曲線、磁滯現象及其應用外，播放經剪輯并已經插入鐵磁質知識互動題的片段“90 秒大戰釹鐵硼”。經過仔細權衡，在觀看主持人“膽戰心驚”的強大磁力展示過程中，嵌入如下互動題：

問題1：釹磁鐵的磁性很強，請問釹磁鐵能夠產生的磁場可達到多少特斯拉？這一磁場大約是地磁場的多少倍？

在看到視頻中消磁過程的畫面時，可嵌入以下問題：

問題2：你覺得哪種操作可以消掉釹磁鐵的磁性？

在教材中，通常指出振動、加熱和加方向磁場是去磁的三種主要方式。但在該節目的驗證環節，可以看到振動無法去除釹磁鐵的磁性，節目中也沒有說明其原因。對此，有學生在課堂上匯報自己的預習成果后就拋出“為什么振動無法消除釹磁鐵的磁性”的問題，從而開啟了翻轉課堂的深度討論環節。在討論中，另一個學生聲稱也注意到了這一問題，他通過上網搜索釹磁鐵的結構，經綜合分析后得出結論：釹磁鐵具有非常強的矯頑力，工業環境中的振動通常不足以打破釹磁鐵內部磁疇的有序排列。即使振動足夠強烈，也需要持續足夠長的時間才能對磁性產生顯著影響。通過這樣的討論，學生就能與教師一起學習矯頑力這一抽象的概念及其意義，變“教師要學生學”為“學生自己要學”，為后面的學習提供了動力。

三、結語

通過查看教師的課堂教學視頻可以發現，采用上面的翻轉課堂教學設計，獨立學院課堂也可變成師生之間、學生之間深度討論的場所。由于有了高質量的課前預習，學生在預習遇到的問題可以在課前或課中向教師和同學提問，也可以在翻轉課堂中與教師和同學進行討論甚至辯論。這種師生互動和學生互動的方式不僅有助于加深學生對大學知識，特別是重難點的理解，還能夠提升他們的交流能力和相互協作能力。經過一學期的試驗后，我們根據學生在線學習質量、完成作業質量、課堂活動表現、同行專家聽課、調查問卷、測試等對學生的學習情況進行了綜合評價。結果發現，借助科學實驗節目開發的翻轉課堂教學資源可激發學生的積極性，特別是獨立學院學生課前和課后自主學習的積極性，提高課前預習的質量，提升翻轉課堂的問題討論質量和效率，進而實現獨立學院翻轉課堂的有效翻轉。