翻轉(zhuǎn)課堂在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究*

王增旭 李永濤 薛洪濤 張紅光 李 斌

（1.南京郵電大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.南京郵電大學(xué) 教務(wù)處，江蘇 南京 210023）

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 成為人們接受信息的一種主要方式,網(wǎng)速的迅速提高使得網(wǎng)絡(luò)視頻教育成為可能。2004年,薩爾曼·可汗(Salman Khan)將他制作的教學(xué)視頻放到網(wǎng)上用于遠(yuǎn)程輔導(dǎo),取得了非常好的教學(xué)效果。為了幫助更多學(xué)業(yè)有困難的孩子,2006年11月他在YouTube上分享了教學(xué)視頻,引起了廣泛的關(guān)注。2007年薩爾曼·可汗(Salman Khan)成立了非盈利性質(zhì)的可汗學(xué)院(Khan Academy),網(wǎng)站上的教學(xué)視頻包含了各階段和學(xué)科的課程,已有上億人次通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)。幾乎與此同時(shí),化學(xué)教師喬納森·伯爾曼(Jonathan Bergmann)和亞倫·薩姆斯(Aaron Sams)為了給缺課的學(xué)生補(bǔ)課,用屏幕錄像軟件錄制了PPT的演示教學(xué)視頻讓學(xué)生在家觀看,在課堂上對(duì)學(xué)生的問(wèn)題進(jìn)行答疑解惑,這種教學(xué)方法受到學(xué)生的廣泛歡迎并得到了推廣[1]。上述教學(xué)模式顛覆了傳統(tǒng)的教師課堂授課模式,被稱(chēng)為“翻轉(zhuǎn)課堂”(Flipped Classroom)。翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式在美國(guó)的大學(xué)、中學(xué)和小學(xué)得到了廣泛的應(yīng)用,取得了很多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),在我國(guó)也有很多學(xué)校開(kāi)始在教學(xué)實(shí)踐中引入這種教學(xué)模式,取得了很好的效果。在當(dāng)今“互聯(lián)網(wǎng)+”的時(shí)代背景下,數(shù)字化的教育資源如雨后春筍般涌現(xiàn),必將給傳統(tǒng)的教學(xué)模式帶來(lái)巨大的沖擊[2]。網(wǎng)絡(luò)數(shù)字教育資源和課堂教育相結(jié)合的教學(xué)模式以及由此而產(chǎn)生的混合學(xué)習(xí)[3-4](Blended Learning)教學(xué)模式將成為今后主流的教學(xué)模式[5]。

本文分析了南京郵電大學(xué)多年來(lái)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的一些問(wèn)題,介紹了過(guò)去的五年里在物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過(guò)程中引入翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式進(jìn)行的嘗試與探索和取得的經(jīng)驗(yàn),實(shí)踐表明這種新興的教學(xué)模式在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中效果很好。

一、傳統(tǒng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在的問(wèn)題

南京郵電大學(xué)是一所傳統(tǒng)的理工科院校,學(xué)校的學(xué)科主要有通信、電子、光電子、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化等,大學(xué)物理和物理實(shí)驗(yàn)是理工科的基礎(chǔ)必修課,其重要性不言而喻[6]。

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直沿用傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式,雖然多媒體技術(shù)被廣泛使用,教室都配備了計(jì)算機(jī),投影儀等設(shè)備,但是教學(xué)模式并沒(méi)有發(fā)生實(shí)質(zhì)性的改變[7]。存在以下幾方面問(wèn)題：

（一）課前預(yù)習(xí)

課前預(yù)習(xí)是物理實(shí)驗(yàn)課的必要前提[8],我校的物理實(shí)驗(yàn)課也強(qiáng)制要求學(xué)生預(yù)習(xí),并以預(yù)習(xí)報(bào)告來(lái)確認(rèn)。但是實(shí)際效果并不盡如人意,原因如下：(1)缺乏學(xué)習(xí)資源,只有教材可以看,學(xué)習(xí)能力不強(qiáng)的學(xué)生達(dá)不到預(yù)習(xí)要求。(2)無(wú)處求助,預(yù)習(xí)中遇到的問(wèn)題得不到解答。(3)預(yù)習(xí)報(bào)告流于形式,很多學(xué)生僅僅是抄書(shū)。

（二）課堂教學(xué)

理想的物理實(shí)驗(yàn)課堂應(yīng)該是學(xué)生在理解理論知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)踐,驗(yàn)證理論并在試錯(cuò)的過(guò)程中鍛煉自己的實(shí)踐能力?？墒怯捎陬A(yù)習(xí)效果達(dá)不到要求,給教師帶來(lái)了難題。詳盡地講解,教學(xué)時(shí)間不夠；提綱挈領(lǐng)地講解,學(xué)生不得要領(lǐng)；最后為完成教學(xué),實(shí)驗(yàn)課變成教師進(jìn)行操作演示,學(xué)生照著做,教學(xué)效果不理想。

（三）課后實(shí)驗(yàn)報(bào)告

實(shí)驗(yàn)報(bào)告是學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的總結(jié),也是評(píng)定成績(jī)的主要依據(jù)。傳統(tǒng)的教學(xué)模式存在以下問(wèn)題：(1)學(xué)生在寫(xiě)報(bào)告的過(guò)程中遇到問(wèn)題、疑惑得不到及時(shí)的解答。(2)教師在批改報(bào)告時(shí)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題不能及時(shí)反饋給學(xué)生,因?yàn)閷?shí)驗(yàn)的輪換是兩周一次,學(xué)生拿到批改的實(shí)驗(yàn)報(bào)告一般已經(jīng)是至少兩個(gè)星期以后了。綜上所述,問(wèn)題的根源在于師生之間的“教”與“學(xué)”僅限于課堂。

為了能夠幫助學(xué)生做好課前預(yù)習(xí),從2013年起,筆者開(kāi)始在課前制作預(yù)習(xí)課件并通過(guò)電子郵件發(fā)給學(xué)生,讓他們有更多的學(xué)習(xí)資源進(jìn)行預(yù)習(xí)。2015年開(kāi)始以QQ群作為平臺(tái)實(shí)踐翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方法。

二、用電子郵件分發(fā)預(yù)習(xí)課件幫助學(xué)生預(yù)習(xí)

在每次實(shí)驗(yàn)課開(kāi)始前三天把預(yù)習(xí)課件發(fā)給學(xué)生,課件包含相關(guān)物理知識(shí)的補(bǔ)充,實(shí)驗(yàn)儀器的照片,還有預(yù)習(xí)時(shí)應(yīng)該注意的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)以及應(yīng)該思考的問(wèn)題。顯然,課前預(yù)習(xí)課件是受學(xué)生歡迎的,在預(yù)習(xí)報(bào)告中學(xué)生不再是盲目抄書(shū)。課堂上教師會(huì)就預(yù)習(xí)課件中要求學(xué)生思考的問(wèn)題提問(wèn),從結(jié)果看多數(shù)學(xué)生都是有準(zhǔn)備的。在課堂教學(xué)方面也做了一些改變：講解之后不再集中學(xué)生進(jìn)行操作演示,讓學(xué)生自己去嘗試實(shí)驗(yàn)操作,去試錯(cuò)并嘗試解決問(wèn)題,只有當(dāng)學(xué)生自己無(wú)法解決問(wèn)題的時(shí)候才給予指導(dǎo)。實(shí)踐表明除了課程開(kāi)始的幾次實(shí)驗(yàn)用時(shí)和以前差不多,后面上課用時(shí)明顯要比過(guò)去少,平均要節(jié)省15～20分鐘。

三、利用QQ群作為平臺(tái)實(shí)踐大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)

在當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)高度發(fā)達(dá)的時(shí)代,QQ群廣泛被用作公司、團(tuán)隊(duì)和興趣小組等的交流平臺(tái)。它可以進(jìn)行即時(shí)交流,簡(jiǎn)單方便,沒(méi)有費(fèi)用,適合構(gòu)成一個(gè)便于操作,門(mén)檻很低的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)共同體[9-10]。

QQ群的人數(shù)設(shè)定上限為500人,群文件的空間可達(dá)10GB,這完全能夠滿(mǎn)足教學(xué)需求。把物理實(shí)驗(yàn)的理論背景知識(shí)制作成課件并錄制視頻講解上傳到群文件,在課件中提出預(yù)習(xí)的思考題,以此來(lái)引導(dǎo)學(xué)生。作為即時(shí)交流平臺(tái),遇到問(wèn)題的同學(xué)可以提問(wèn),教師可以及時(shí)給予解答。在過(guò)去的幾年中,每一級(jí)都會(huì)有一些學(xué)習(xí)好的同學(xué)熱心地在群里解答問(wèn)題,對(duì)于這些同學(xué)教師及時(shí)給予贊許和鼓勵(lì),對(duì)其他同學(xué)也是一種激勵(lì)[11]。課后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理常常會(huì)遇到各種情況,比如數(shù)據(jù)記錄有遺漏或者筆誤,處理數(shù)據(jù)結(jié)果錯(cuò)得離譜；有的學(xué)生不知道數(shù)據(jù)處理的要求,等等,這些問(wèn)題都需要向教師或者同學(xué)求教。教師在課后批改報(bào)告時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)一些比較典型的錯(cuò)誤,及時(shí)指出并進(jìn)行點(diǎn)評(píng)對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)很必要,把詳細(xì)批改指正的報(bào)告拍成圖片上傳到群里對(duì)學(xué)生很有幫助。據(jù)粗略估計(jì),約有40%以上的同學(xué)參與過(guò)群里的實(shí)驗(yàn)話(huà)題討論。

圖1是基于QQ群的物理實(shí)驗(yàn)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的進(jìn)程圖,可以看出它比傳統(tǒng)的教學(xué)模式互動(dòng)交流過(guò)程要豐富很多。

圖1 基于QQ群的物理實(shí)驗(yàn)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)流程圖

在物理實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理中經(jīng)常需要用作圖法來(lái)分析數(shù)據(jù),教學(xué)中要求使用坐標(biāo)紙和鉛筆手工作圖,實(shí)際情況是只有少數(shù)學(xué)生能夠以認(rèn)真的態(tài)度做出真實(shí)正確的圖,很多學(xué)生往往隨意地畫(huà)圖敷衍老師,導(dǎo)致最后的結(jié)果分析未能真正完成而且影響了教學(xué)效果,而手工作圖的方法在現(xiàn)代的科學(xué)研究中早已經(jīng)被軟件作圖取代。筆者制作了菜鳥(niǎo)版的Origin使用方法文檔,十幾張使用過(guò)程的截圖配以簡(jiǎn)單的說(shuō)明文字,然后上傳到群文件,同時(shí)在群空間里上傳了簡(jiǎn)化版的軟件。很快就有學(xué)生在群里展示了自己做的圖,成功的案例激發(fā)了更多的同學(xué)去學(xué)習(xí)[12],最后約90%的同學(xué)都學(xué)會(huì)了用Origin軟件作圖,實(shí)驗(yàn)報(bào)告的數(shù)據(jù)處理水平大大提高,報(bào)告評(píng)分得到相應(yīng)的提高。

四、翻轉(zhuǎn)課堂帶來(lái)的教學(xué)上的變化

筆者將過(guò)去6年學(xué)生成績(jī)進(jìn)行了整理,數(shù)據(jù)是2012—2017年的教學(xué)成績(jī),以此比較翻轉(zhuǎn)課堂和傳統(tǒng)教學(xué)模式下的學(xué)生成績(jī)。2012—2014年教學(xué)方法上的改變主要是通過(guò)電子郵件給學(xué)生分發(fā)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)課件,并答疑,這種方式并不是受到翻轉(zhuǎn)課堂思想的啟發(fā),但是也有一定的借鑒意義。2015—2017年筆者在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法的啟發(fā)之下建立QQ群進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂的嘗試。筆者任教的班級(jí)的專(zhuān)業(yè)每一年都大致相同,為避免差異性,從任教的五個(gè)專(zhuān)業(yè)各取一個(gè)班的成績(jī)做量化分析。由于教學(xué)計(jì)劃的變動(dòng),這里只分析秋季學(xué)期的學(xué)生做的6次實(shí)驗(yàn)課成績(jī)。

（一）平均成績(jī)的提升

表1統(tǒng)計(jì)了2012—2017年的成績(jī),可以看出翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)實(shí)踐帶來(lái)了學(xué)生成績(jī)顯著的提升,雖然中間有一些波動(dòng),但是提升的趨勢(shì)是很明顯的,結(jié)果在表1和相應(yīng)的圖2中給出。

表1 2012—2017年各班級(jí)總體成績(jī)的平均值

圖2 2012—2017年各班級(jí)總體成績(jī)的平均值

（二）師生在翻轉(zhuǎn)課堂參與度上的提升

翻轉(zhuǎn)課堂上的實(shí)踐過(guò)程中,師生對(duì)于翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)的參與度是逐漸提升和深入的,由于群里提問(wèn)和解答問(wèn)題的次數(shù)難以統(tǒng)計(jì),這里統(tǒng)計(jì)了QQ群里面課件的數(shù)量,下載次數(shù)和平均下載次數(shù),如表2所示。

表2 各教學(xué)年QQ群教學(xué)文件數(shù)、總下載次數(shù)和平均下載次數(shù)

2016年一個(gè)學(xué)期的下載次數(shù)總和就超過(guò)了2015年全年的下載次數(shù)總和。

從表2可以看出來(lái)文件的下載次數(shù)明顯在穩(wěn)步增長(zhǎng),這說(shuō)明隨著翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)踐的進(jìn)行,學(xué)生的參與程度越來(lái)越高,對(duì)這種教學(xué)方式認(rèn)可度也越來(lái)越高。

（三）學(xué)生對(duì)于教師的評(píng)價(jià)的提升

表3給出了2012—2017年秋季學(xué)期筆者在學(xué)校教學(xué)管理系統(tǒng)上由學(xué)生給出的教學(xué)評(píng)測(cè),見(jiàn)表3和圖3。

QQ群翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式實(shí)現(xiàn)了課前、課中和課后,教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間多維度的交流溝通；形成了發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、討論問(wèn)題和解決問(wèn)題的教學(xué)閉環(huán)。

從圖3可以看出自從開(kāi)始進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)嘗試以來(lái),筆者的學(xué)生評(píng)測(cè)分?jǐn)?shù)有了明顯的提高,呈逐年上行趨勢(shì)。

圖3 2011—2017年學(xué)生對(duì)任課教師的教學(xué)評(píng)測(cè)分?jǐn)?shù)

五、分析和討論

總結(jié)過(guò)去幾年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn),可以歸納為以下幾個(gè)方面：

第一,翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式和傳統(tǒng)的教學(xué)方式相比在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中有著明顯的改進(jìn)和提高,學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)提升了,課堂完成實(shí)驗(yàn)用的時(shí)間減少了,課后實(shí)驗(yàn)報(bào)告的質(zhì)量明顯提升了,這在很多翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)踐中得到了印證[13-15]。

第二,QQ群是很好的交互平臺(tái)。近年來(lái)出現(xiàn)了各種翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)平臺(tái),如中國(guó)大學(xué)慕課網(wǎng),清華大學(xué)的雨課堂[16],對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)這門(mén)課,慕課網(wǎng)的師生之間和學(xué)生之間的交流沒(méi)那么方便,而雨課堂由于實(shí)驗(yàn)課中學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)程以及出現(xiàn)問(wèn)題的差異性也不太適用。

第三,翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式拉近了師生之間的距離。從開(kāi)始嘗試翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)3年來(lái),學(xué)生QQ好友增加了近70人,師生之間有了更多的交流和相互了解,這對(duì)消除因?yàn)閹熒挲g差距而產(chǎn)生的代溝有幫助,對(duì)緩解教學(xué)矛盾有幫助。

第四,學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情提高了。過(guò)去幾年筆者每一屆任課的班級(jí)都是12個(gè),學(xué)生總數(shù)在380人左右,而QQ群加入的學(xué)生人數(shù)每一屆都達(dá)到了500人(群人數(shù)上限),其中很多是非本人課堂的學(xué)生甚至校外的學(xué)生,都在群里提問(wèn)或者請(qǐng)教過(guò)問(wèn)題。

第五,課件的知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題。筆者在使用QQ群進(jìn)行翻轉(zhuǎn)教學(xué)之后發(fā)現(xiàn)了很多群里的教學(xué)課件被學(xué)生傳到網(wǎng)上,這些問(wèn)題有待解決。

翻轉(zhuǎn)課堂這種新的教學(xué)模式與當(dāng)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展相適應(yīng),移動(dòng)通訊終端的普及使即時(shí)通信無(wú)處不在,不受時(shí)空的限制。學(xué)生的自主學(xué)習(xí)隨時(shí)都可以得到教師的幫助,可以根據(jù)自己的情況合理地安排不同知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)力度。通過(guò)“互聯(lián)網(wǎng)+”的即時(shí)互動(dòng)交流也使教師能夠更準(zhǔn)確地掌握學(xué)生學(xué)習(xí)中的盲點(diǎn),這對(duì)于優(yōu)化教學(xué)是很有幫助的[17]。筆者所實(shí)踐的物理實(shí)驗(yàn)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué),從形式上講更恰當(dāng)?shù)恼f(shuō)法是一種混合學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)的課堂環(huán)節(jié)不可缺省也無(wú)法替代,利用翻轉(zhuǎn)課堂的模式可以將課堂的時(shí)間更高效地用在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),教學(xué)效果優(yōu)于傳統(tǒng)方法。