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)計性實(shí)驗(yàn)3個逐步遞進(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、鍛煉基本的實(shí)驗(yàn)技能，如不確定度概念及評定方法、數(shù)據(jù)的測量及處理方法、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)計和翻轉(zhuǎn)課堂的問題設(shè)計

微課是針對某一知識點(diǎn)而專門制作的教學(xué)視頻，具有不受時間空間限制和易于開放共享等優(yōu)點(diǎn)[3，4]。在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們運(yùn)用微課的手段來支持學(xué)生的課前預(yù)習(xí)和課后的反饋?；A(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)報告中數(shù)據(jù)處理、誤差分析中存在的普遍問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)按知識點(diǎn)分別錄制，同時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、模擬動畫等，見圖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)，利用課堂時間來研究探討課后的問題[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)留一定的時間來探討實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的現(xiàn)象和問題，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)中的問題設(shè)計主要是實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象的原因分析及應(yīng)對措施。問題的來源一部分是教師預(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題，另一部分來自于當(dāng)前實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的具有普遍性和典型性的問題，這需要根據(jù)教師的現(xiàn)場觀察來確定。

2　基于微課和反轉(zhuǎn)課堂模式的教學(xué)過程

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)程以及會出現(xiàn)什么現(xiàn)象、要注意哪些問題等，學(xué)生在觀看的過程中會有一種身臨其境的感覺，這比文字材料更容易讓學(xué)生能理解和接受。通過微課視頻支持，將學(xué)生對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，提高了效率，也為翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)創(chuàng)造了時間條件。

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)的操作過程，測量并記錄實(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)生在操作中遇到問題時，可以在課堂上查看微課的視頻資源，逐步對照進(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)，對操作中出現(xiàn)的不規(guī)范問題及時發(fā)現(xiàn)更正，對出現(xiàn)的問題進(jìn)行指導(dǎo)解決。同時，教師要記錄學(xué)生操作中出現(xiàn)的問題，作為翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)中問題的來源。

第三階段進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)。在課末預(yù)留20分鐘左右的時間，由教師提供2～3個問題來進(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，可以是操作演示和理論說明的形式。比如我們在分光計的調(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)的問題設(shè)計了3個問題供學(xué)生討論：反射像的位置與載物臺、望遠(yuǎn)鏡光軸間的關(guān)系，如何進(jìn)行調(diào)節(jié)？游標(biāo)盤對稱方向上設(shè)兩個角游標(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，教師要對學(xué)生的匯報進(jìn)行點(diǎn)評，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。

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)報告后，教師對實(shí)驗(yàn)報告中出現(xiàn)的典型問題，比如數(shù)據(jù)處理的方法，不確定度的計算，誤差來源的分析，課后思考題的詳細(xì)解答等制作成微課視頻，供學(xué)生對照訂正，并將學(xué)生的訂正情況記入下一個實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)成績。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面的交流，節(jié)省了時間，也更加自由開放。錄制的微課視頻也可用于學(xué)生的復(fù)習(xí)，如對于實(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、螺旋測微器的讀數(shù)方法，分光計的調(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)報告冊復(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)計中，我們將微課設(shè)計為分步的操作指南，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)出幾個優(yōu)勢：一是設(shè)計了翻轉(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題。二是設(shè)計了反饋的環(huán)節(jié)，以往學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)報告后獲得一個實(shí)驗(yàn)成績，但很少有學(xué)生修改實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題。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)動慣量的測定實(shí)驗(yàn)、固體導(dǎo)熱系數(shù)的測定實(shí)驗(yàn)、金屬絲楊氏模量的測定的實(shí)驗(yàn)中都要運(yùn)用到，即可以作為新課時的預(yù)習(xí)使用，也可以作為實(shí)驗(yàn)讀數(shù)時的操作指導(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，反映在課堂上是對教師提問的一問三不知。究其原因是沒有實(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。從課堂提問效果的前后對比中也明顯感覺學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識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)動慣量的測定實(shí)驗(yàn)中涉及到A類不確定度、B類不確定度及間接測量不確定度的處理，雖然在緒論課中講解過不確定度的處理方法，但是從實(shí)驗(yàn)報告反映學(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)的測定中，同樣要求進(jìn)行間接不確定度的計算，從對比中反映出學(xué)生的掌握程度有大幅提升。同時，我們也統(tǒng)計了采用微課輔助教學(xué)的16級通信專業(yè)和采用傳統(tǒng)教學(xué)方法的14級通信專業(yè)共86名學(xué)生在金屬絲楊氏模量的測定實(shí)驗(yàn)中關(guān)于數(shù)據(jù)處理部分的成績，結(jié)果得分高出0.4分(數(shù)據(jù)處理的總分為5分)，可見通過不斷的反饋訂正，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)中遇到問題時，要么等待教師的指導(dǎo)，浪費(fèi)了課堂的寶貴時間;要么是根據(jù)直覺進(jìn)行操作，這樣出現(xiàn)的誤操作會比較多，對儀器傷害也較大。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)通常以個別指導(dǎo)的形式處理實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題和狀況，但對于學(xué)生個體而言又不太可能會遇到所有的這些問題，比如分光計的調(diào)節(jié)和使用實(shí)驗(yàn)中望遠(yuǎn)鏡光軸垂直主軸時會有多種可能，每一種情況調(diào)整的方法都不一樣，通過翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)來集中探討實(shí)驗(yàn)中遇到的問題，從現(xiàn)場學(xué)生的反映看，對分光計的使用有了更深刻的了解。