借助科學(xué)實(shí)驗(yàn)節(jié)目實(shí)現(xiàn)高校翻轉(zhuǎn)課堂有效翻轉(zhuǎn)的研究

翻轉(zhuǎn)課堂是一種不同于傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式的教學(xué)方法，翻轉(zhuǎn)課堂可讓大學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)計(jì)劃和時(shí)間在充分預(yù)習(xí)的前提下，通過討論等環(huán)節(jié)充分參與課堂教學(xué)活動(dòng)，使課堂變成學(xué)生深度學(xué)習(xí)和合作探究的場所。翻轉(zhuǎn)課堂在很多大學(xué)課程的教學(xué)中得到應(yīng)用，特別是在實(shí)驗(yàn)性強(qiáng)的課程教學(xué)中效果更為顯著。教學(xué)運(yùn)行監(jiān)控和調(diào)查表明，在一些大學(xué)，特別是一些獨(dú)立學(xué)院，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)遇到了一些挑戰(zhàn)和問題，如能激發(fā)獨(dú)立學(xué)院學(xué)生自主學(xué)習(xí)熱情的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)資源不足等。為了解決這些問題，需要加強(qiáng)教學(xué)運(yùn)行監(jiān)控，采取有效的措施，鼓勵(lì)教學(xué)管理和教學(xué)研究人員設(shè)計(jì)和拓展能引起獨(dú)立學(xué)院學(xué)生興趣的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)資源?！都佑停∠蛭磥怼肥且粰n由中央廣播電視總臺(tái)推出的大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)節(jié)目，節(jié)目中的科學(xué)實(shí)驗(yàn)涵蓋了大學(xué)物理、大學(xué)化學(xué)、大學(xué)生物等多門課程的一些教學(xué)內(nèi)容，這些實(shí)驗(yàn)中既有大型室內(nèi)、室外實(shí)驗(yàn)，也有日常生活中常見的科學(xué)現(xiàn)象，節(jié)目中的實(shí)驗(yàn)既有趣、驚險(xiǎn)、令人意外、難度大，又非常嚴(yán)謹(jǐn)。該節(jié)目通過多種方式，使科學(xué)實(shí)驗(yàn)變得更加生動(dòng)有趣，不僅向觀眾介紹了有趣的科學(xué)文化知識(shí)，還激發(fā)了觀眾對(duì)自然科學(xué)的探究興趣。該節(jié)目不僅由著名主持人主持，還邀請(qǐng)了很多科學(xué)家和學(xué)生參與，他們的參與大幅提升了節(jié)目對(duì)學(xué)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(zhuǎn)課堂教學(xué)資源的實(shí)驗(yàn)視頻，根據(jù)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)理念進(jìn)行相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)獨(dú)立學(xué)院翻轉(zhuǎn)課堂的有效翻轉(zhuǎn)。

一、“角動(dòng)量守恒定律”翻轉(zhuǎn)課堂的設(shè)計(jì)和實(shí)施

角動(dòng)量守恒定律是物理學(xué)中的一個(gè)基本定律，它描述了系統(tǒng)在外力矩為零的情況下，角動(dòng)量保持不變的特性。學(xué)生學(xué)習(xí)這一定律時(shí)往往不會(huì)分析哪些外力會(huì)產(chǎn)生力矩，對(duì)內(nèi)力矩的作用和影響難以弄清。由于在課堂上難以做角動(dòng)量守恒的演示實(shí)驗(yàn)，教師通常是播放茹科夫斯基轉(zhuǎn)椅的實(shí)驗(yàn)視頻來說明角動(dòng)量守恒的條件。

但是，由于茹科夫斯基轉(zhuǎn)椅轉(zhuǎn)軸處有摩擦力，其摩擦力矩不為零，因此即使實(shí)驗(yàn)員沒有做任何操作，茹科夫斯基轉(zhuǎn)椅的轉(zhuǎn)速及角動(dòng)量均會(huì)減小，從而影響學(xué)生的視覺效果和對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的確認(rèn)。在《加油！向未來》節(jié)目中，雜技演員表演的空中吊環(huán)旋轉(zhuǎn)是一項(xiàng)令人驚嘆的高難度技藝，它體現(xiàn)了角動(dòng)量守恒的魅力和美感。由于演員是被懸空著的，在旋轉(zhuǎn)過程中更容易滿足角動(dòng)量守恒條件，因此，根據(jù)這一視頻制作角動(dòng)量及其守恒定律的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)資源將能更好地體現(xiàn)角動(dòng)量守恒的演示效果。

為了使課前預(yù)習(xí)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(dòng)量及其守恒定律有關(guān)的互動(dòng)題，以鼓勵(lì)學(xué)生帶著問題去觀察、去分析，引導(dǎo)學(xué)生去思考、去解釋其中的現(xiàn)象，為后面的課堂翻轉(zhuǎn)打下基礎(chǔ)。為此，我們?cè)谝曨l中先后嵌入了三個(gè)關(guān)于角動(dòng)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(zhuǎn)情況后，請(qǐng)根據(jù)視頻中的兩種造型，指出雜技演員在空中繞其對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)過程中，哪種造型的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大？

A.大字形

B.一字形

C.大字形和一字形的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一樣大

為了回答這一問題，學(xué)生可以在課前預(yù)習(xí)中回憶轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的表達(dá)式：

J= r2dm

其中，學(xué)生要明白雜技演員的造型為大字形時(shí)，身體的各部分至轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的距離，比造型為一字形時(shí)的要大，才能得出造型為大字形時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大的結(jié)果。

問題2：當(dāng)演員繞其對(duì)稱軸轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，下列描述正確的是：A.角動(dòng)量守恒B.角動(dòng)量不守恒學(xué)生須自主學(xué)習(xí)，對(duì)繩子和演員構(gòu)成的系統(tǒng)，分析其所受的外力（重力和懸點(diǎn)的彈力），發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)外力均不為零，但它們的作用線均通過轉(zhuǎn)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(dòng)量守恒的條件。

問題3：根據(jù)角動(dòng)量L 的定義L=j棕，當(dāng)演員繞過其對(duì)稱軸轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，要使其轉(zhuǎn)速加快，應(yīng)如何調(diào)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(xí)題，讓學(xué)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(zhuǎn)速度變快。學(xué)生課前通過觀看這樣的翻轉(zhuǎn)課堂資源，不僅可以讓學(xué)生獲得翻轉(zhuǎn)課堂時(shí)需要的基礎(chǔ)知識(shí)，往往還可引發(fā)學(xué)生的進(jìn)一步思考，為課堂上深度學(xué)習(xí)提供可能。例如，有學(xué)生在課前預(yù)習(xí)中仔細(xì)比較了視頻中的幾幀畫面，理解了演員繞自身對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)時(shí)所受重力通過該軸，因此，其力臂和力矩為零，其旋轉(zhuǎn)過程中角動(dòng)量守恒。但是，兩個(gè)演員一起相對(duì)過吊環(huán)的豎直軸（不同于演員的對(duì)稱軸）旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程中演員、吊環(huán)和繩子構(gòu)成的系統(tǒng)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(tǒng)旋轉(zhuǎn)的角速度在長時(shí)間內(nèi)幾乎不變，即角動(dòng)量似乎守恒這個(gè)學(xué)生感到難以理解。大家討論后發(fā)現(xiàn)演員的這一轉(zhuǎn)動(dòng)就相當(dāng)于圓錐擺的運(yùn)動(dòng)，明白了力矩、角動(dòng)量均是矢量，在定軸轉(zhuǎn)動(dòng)中，力矩、角動(dòng)量均在轉(zhuǎn)軸方向上。根據(jù)角動(dòng)量守恒定律，某一方向的力矩只會(huì)改變這一方向的角動(dòng)量，而對(duì)與之垂直方向的角動(dòng)量沒有影響，即某一方向的外力矩為零，那這一方向的角動(dòng)量守恒。根據(jù)力矩和角動(dòng)量方向的判斷方法，可以知道此過程中演員系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的角動(dòng)量方向沿豎直方向（轉(zhuǎn)動(dòng)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(huì)影響演員旋轉(zhuǎn)的角速度。任課教師通過翻轉(zhuǎn)課堂的課堂活動(dòng)環(huán)節(jié)，有效銜接了“角動(dòng)量和角動(dòng)量守恒定律”這一節(jié)教學(xué)內(nèi)容的課前預(yù)習(xí)與課堂教學(xué)活動(dòng)，提高了這一節(jié)課課前預(yù)習(xí)與課堂學(xué)習(xí)的效率，引導(dǎo)學(xué)生吸收和融會(huì)貫通了“剛體力學(xué)”這一章的課堂知識(shí)，激發(fā)了學(xué)生深度思考角動(dòng)量和力矩矢量性含義的積極性，提升了學(xué)生主動(dòng)解決相關(guān)角動(dòng)量及其守恒問題的能力，實(shí)現(xiàn)了“角動(dòng)量和角動(dòng)量守恒定律”翻轉(zhuǎn)課堂的成功翻轉(zhuǎn)。

二、“鐵磁質(zhì)及其性質(zhì)”翻轉(zhuǎn)課堂的設(shè)計(jì)和實(shí)施

鐵磁質(zhì)因其獨(dú)特的磁化特性而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域，如利用鐵磁質(zhì)的強(qiáng)磁性來制造電動(dòng)機(jī)中的磁極和定子；在通信設(shè)備中常借助鐵磁質(zhì)的磁化特點(diǎn)來傳輸信號(hào)；利用鐵磁質(zhì)的磁滯現(xiàn)象可以制造存儲(chǔ)設(shè)備等。但是，出于對(duì)安全性、可視性等的考慮，很難在課堂上演示這些應(yīng)用，因此這一教學(xué)內(nèi)容顯得比較枯燥，很難激發(fā)學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)的興趣，難以實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂的有效翻轉(zhuǎn)?！都佑?！向未來》中有一段稱為“90 秒大戰(zhàn)釹鐵硼”的釹磁鐵性質(zhì)展示，這個(gè)片段展示了被稱為“磁王”的釹磁鐵的“強(qiáng)大力量”以及在高溫、低溫、振動(dòng)下磁性的變化情況。

教師在制作相應(yīng)的課前教學(xué)資源時(shí)，除介紹鐵磁質(zhì)的性質(zhì)、磁化特性、磁化曲線、磁滯現(xiàn)象及其應(yīng)用外，播放經(jīng)剪輯并已經(jīng)插入鐵磁質(zhì)知識(shí)互動(dòng)題的片段“90 秒大戰(zhàn)釹鐵硼”。經(jīng)過仔細(xì)權(quán)衡，在觀看主持人“膽戰(zhàn)心驚”的強(qiáng)大磁力展示過程中，嵌入如下互動(dòng)題：

問題1：釹磁鐵的磁性很強(qiáng)，請(qǐng)問釹磁鐵能夠產(chǎn)生的磁場可達(dá)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(shí)，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(dòng)、加熱和加方向磁場是去磁的三種主要方式。但在該節(jié)目的驗(yàn)證環(huán)節(jié)，可以看到振動(dòng)無法去除釹磁鐵的磁性，節(jié)目中也沒有說明其原因。對(duì)此，有學(xué)生在課堂上匯報(bào)自己的預(yù)習(xí)成果后就拋出“為什么振動(dòng)無法消除釹磁鐵的磁性”的問題，從而開啟了翻轉(zhuǎn)課堂的深度討論環(huán)節(jié)。在討論中，另一個(gè)學(xué)生聲稱也注意到了這一問題，他通過上網(wǎng)搜索釹磁鐵的結(jié)構(gòu)，經(jīng)綜合分析后得出結(jié)論：釹磁鐵具有非常強(qiáng)的矯頑力，工業(yè)環(huán)境中的振動(dòng)通常不足以打破釹磁鐵內(nèi)部磁疇的有序排列。即使振動(dòng)足夠強(qiáng)烈，也需要持續(xù)足夠長的時(shí)間才能對(duì)磁性產(chǎn)生顯著影響。通過這樣的討論，學(xué)生就能與教師一起學(xué)習(xí)矯頑力這一抽象的概念及其意義，變“教師要學(xué)生學(xué)”為“學(xué)生自己要學(xué)”，為后面的學(xué)習(xí)提供了動(dòng)力。

三、結(jié)語

通過查看教師的課堂教學(xué)視頻可以發(fā)現(xiàn)，采用上面的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)，獨(dú)立學(xué)院課堂也可變成師生之間、學(xué)生之間深度討論的場所。由于有了高質(zhì)量的課前預(yù)習(xí)，學(xué)生在預(yù)習(xí)遇到的問題可以在課前或課中向教師和同學(xué)提問，也可以在翻轉(zhuǎn)課堂中與教師和同學(xué)進(jìn)行討論甚至辯論。這種師生互動(dòng)和學(xué)生互動(dòng)的方式不僅有助于加深學(xué)生對(duì)大學(xué)知識(shí)，特別是重難點(diǎn)的理解，還能夠提升他們的交流能力和相互協(xié)作能力。經(jīng)過一學(xué)期的試驗(yàn)后，我們根據(jù)學(xué)生在線學(xué)習(xí)質(zhì)量、完成作業(yè)質(zhì)量、課堂活動(dòng)表現(xiàn)、同行專家聽課、調(diào)查問卷、測試等對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，借助科學(xué)實(shí)驗(yàn)節(jié)目開發(fā)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)資源可激發(fā)學(xué)生的積極性，特別是獨(dú)立學(xué)院學(xué)生課前和課后自主學(xué)習(xí)的積極性，提高課前預(yù)習(xí)的質(zhì)量，提升翻轉(zhuǎn)課堂的問題討論質(zhì)量和效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)獨(dú)立學(xué)院翻轉(zhuǎn)課堂的有效翻轉(zhuǎn)。