大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)及仿真翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)踐*

蔣逢春 吳 杰 王海燕 李俊玉

(鄭州輕工業(yè)大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 河南 鄭州 450000)

2016年，通過一學(xué)期的混合式教學(xué)，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間平臺(tái)參與人數(shù)達(dá)到1 255人、活動(dòng)量總達(dá)30多萬(wàn)次，取得了意想不到的效果，也得到同行的好評(píng)[1]．2017年又在愛課程平臺(tái)校內(nèi)SPOC繼續(xù)推行在線開放，2018年教育部高等學(xué)校大學(xué)物理課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)2015年教學(xué)研究立項(xiàng)項(xiàng)目“以網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間為平臺(tái)，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)在線學(xué)習(xí)教學(xué)模式的研究”順利結(jié)題， 并獲得優(yōu)秀結(jié)果．同時(shí)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)及仿真課程被確定為河南省高校精品在線開放課程，如何依托在線開放課程資源，進(jìn)一步推行翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提高課堂教學(xué)效率？我們做了有益嘗試．

翻轉(zhuǎn)課堂的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：第一，課外真正發(fā)生了深入的學(xué)習(xí)；第二，高效利用課堂時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的交流與觀點(diǎn)的相互碰撞能夠深化學(xué)生的認(rèn)知[2].

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)一般包括課前預(yù)習(xí)，課上操作，課后報(bào)告幾個(gè)環(huán)節(jié)[3]，通常學(xué)生課前預(yù)習(xí)，上課實(shí)驗(yàn)操作，課下數(shù)據(jù)處理，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，好像和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法不謀而合．但是由于教師沒有給學(xué)生明確的任務(wù)，所以預(yù)習(xí)只是流于形式．教師為了能按時(shí)完成實(shí)驗(yàn)，只好細(xì)致講解一遍，這樣更加重了學(xué)生的依賴性，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性沒有充分調(diào)動(dòng)起來(lái)，實(shí)驗(yàn)效果欠佳．近兩年我們開展翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法，取得了意想不到的效果．下面通過實(shí)例，談?wù)剬?duì)該課程實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的實(shí)踐．

1 資源配套建設(shè)

由專業(yè)團(tuán)隊(duì)制作的微課系列經(jīng)過一年的修改完善，已經(jīng)完成20個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并上線運(yùn)行．每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目視頻資源包括3部分：理論講解、實(shí)驗(yàn)實(shí)操、仿真演示．同時(shí)有配套的PPT文檔、測(cè)驗(yàn)題和討論題．愛課程平臺(tái)上邁克爾孫干涉儀的調(diào)整和使用教學(xué)資源目錄如下.

視頻1：邁克爾孫干涉儀的結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)，對(duì)應(yīng)PPT1；

視頻2：邁克爾孫干涉儀的原理和應(yīng)用，對(duì)應(yīng)PPT2；

視頻3：邁克爾孫干涉儀實(shí)驗(yàn)操作；

視頻4：邁克爾孫干涉儀仿真演示；

同時(shí)有配套的預(yù)習(xí)測(cè)驗(yàn)題和討論題．

2 網(wǎng)上預(yù)習(xí)導(dǎo)學(xué)

在線開放學(xué)習(xí)，資源上傳到愛課程網(wǎng)上，學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)．在本學(xué)期開課過程中，發(fā)現(xiàn)雖然網(wǎng)上有相應(yīng)資源目錄，但還不夠具體，面對(duì)那么多資源，學(xué)生無(wú)所適從，總希望老師直接回答他的問題．于是我們加以改進(jìn)，增加了導(dǎo)學(xué)環(huán)節(jié)．

具體給出實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，這樣學(xué)生就能快速找到自己需要學(xué)習(xí)的資源，有效節(jié)省時(shí)間，提高學(xué)習(xí)效率，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力．

3 仿真模擬訓(xùn)練

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)離不開實(shí)驗(yàn)儀器，如何不受時(shí)間地點(diǎn)限制，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)完成實(shí)驗(yàn)?zāi)?？仿真?shí)驗(yàn)解決了這一難題．我們購(gòu)買了某科技有限公司的《基于組件的大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)軟件V1.0》，依托中國(guó)科技大學(xué)的大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)軟件，學(xué)生可以在線模擬實(shí)驗(yàn)，掌握實(shí)驗(yàn)要領(lǐng)和方法[4]．

邁克爾孫干涉儀是一個(gè)典型的干涉儀，具有代表性，并且具有現(xiàn)實(shí)意義．它設(shè)計(jì)精巧，測(cè)量精度高,需要耐心細(xì)致調(diào)節(jié)，通過仿真實(shí)驗(yàn)可以不計(jì)成本，反復(fù)模擬訓(xùn)練，從而熟練掌握操作技巧,為實(shí)際操作奠定基礎(chǔ)．

4 翻轉(zhuǎn)課堂設(shè)計(jì)

翻轉(zhuǎn)課堂將傳統(tǒng)的課堂教學(xué)活動(dòng)放在課下，學(xué)習(xí)者利用教師提供的資料自主安排執(zhí)行知識(shí)的學(xué)習(xí)、問題的解決、任務(wù)的完成，其主體地位得以體現(xiàn)，學(xué)習(xí)更主動(dòng)、更積極、更有效[5]．

我們的學(xué)生來(lái)自不同院系、專業(yè)，程度各不相同，對(duì)有難度的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目缺乏攻堅(jiān)克難的主動(dòng)性，總希望老師細(xì)致講解．如何調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性？課堂設(shè)計(jì)是關(guān)鍵．所以我們改變傳統(tǒng)講授方式，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂．以邁克爾孫干涉儀的調(diào)整和使用為例，給出具體教學(xué)設(shè)計(jì)方案．

4.1 教學(xué)內(nèi)容

邁克爾孫干涉儀的結(jié)構(gòu)，工作原理及應(yīng)用.

4.2 教學(xué)目標(biāo)

(1)熟悉邁克爾孫干涉儀的結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)方法；

(2)掌握邁克爾孫干涉儀工作原理；

(3)會(huì)用邁克爾孫干涉儀測(cè)量激光波長(zhǎng)；

(4)調(diào)出白光的彩色條紋.

4.3 課前設(shè)計(jì)

精心設(shè)計(jì)課前自主學(xué)習(xí)任務(wù)單，如表1所示．提前一周下達(dá)，學(xué)生通過網(wǎng)上視頻資源自主完成預(yù)習(xí)任務(wù)，并把自己的困惑和建議反饋給老師，作為教學(xué)設(shè)計(jì)的依據(jù)．

表1 課前“自主學(xué)習(xí)任務(wù)單”

續(xù)表1

4.4 教學(xué)過程

實(shí)驗(yàn)課是分組上課，一組10人或者20人，正好實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)．按照?qǐng)D1所示流程實(shí)施．

圖1 實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂流程圖

上課前首先檢查學(xué)生預(yù)習(xí)情況，通過測(cè)驗(yàn)題檢測(cè)學(xué)生記憶情況，有針對(duì)性講解，大概5 min時(shí)間．讓學(xué)生掌握邁克爾孫干涉儀的結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)，并正確讀數(shù)．通過仿真軟件可以隨機(jī)給出動(dòng)鏡的位置，讓學(xué)生練習(xí)讀數(shù)，如圖2所示．

圖2 邁克爾孫干涉儀讀數(shù)系統(tǒng)示例

接著教師提出問題“畫出邁克爾孫干涉儀的光路圖，并講解其原理”．兩人一組交流討論，協(xié)作完成，各組展示自己的作品，代表講述，分析評(píng)價(jià)，最后教師點(diǎn)評(píng)總結(jié)．這個(gè)過程考核學(xué)生是否真正理解邁克爾孫干涉儀的設(shè)計(jì)思路和原理，這是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵．大概用時(shí)15 min．如果能正確畫出光路圖，就基本掌握了它的原理，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步應(yīng)用．通過課堂討論，學(xué)生各抒己見，把他們的疑惑徹底解決．如補(bǔ)償板的作用是什么？去掉它能不能發(fā)生干涉？翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)況如圖3所示,教師在引導(dǎo)學(xué)生思考引力波的發(fā)現(xiàn)和邁克爾孫干涉儀的現(xiàn)實(shí)意義．通過這樣的討論開闊了學(xué)生的思路，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的參與積極性，也提高了學(xué)生的探究精神,課堂氣氛一下活躍起來(lái)．

圖3 翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)況

它有哪些應(yīng)用？如何用它測(cè)量激光波長(zhǎng)？這時(shí)學(xué)生由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)．認(rèn)真總結(jié)實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵步驟，調(diào)出干涉條紋，測(cè)量?jī)蓚€(gè)物理量：動(dòng)鏡移動(dòng)位置和對(duì)應(yīng)條紋移動(dòng)數(shù)目，代入公式求出波長(zhǎng)，并分析誤差來(lái)源．這個(gè)過程，教師在一旁起引導(dǎo)作用．

之后可以讓學(xué)生進(jìn)一步調(diào)出白光的彩色條紋． 這一步要求吃透原理并掌握技巧，讓大家互相觀看學(xué)習(xí)．最后布置拓展作業(yè)，如何測(cè)薄片的厚度？

一個(gè)實(shí)驗(yàn)3個(gè)學(xué)時(shí)，課堂講解和討論基本上1節(jié)課，剩余2節(jié)學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)，教師檢查數(shù)據(jù)，課后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告．從批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告可以看出這樣的授課方式，寫出的報(bào)告更生動(dòng)，有的放矢．

5 翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)踐

調(diào)研顯示， “以問題為核心、以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)”的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，深受學(xué)生喜愛，通過對(duì)比，對(duì)應(yīng)班組成績(jī)比傳統(tǒng)授課班組成績(jī)整體要高不少，它調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力．目前僅在小范圍實(shí)行，條件成熟后有望推廣．

我們的在線開放課程將面對(duì)社會(huì)開放，按照這個(gè)思路推廣應(yīng)用，精心設(shè)計(jì)好每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，相信我們的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)效果會(huì)大幅提高，學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力會(huì)大大增強(qiáng)．

如何兼顧校內(nèi)校外的不同？如何把物理實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合？如何使翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)引向深入？這是一個(gè)系統(tǒng)工程，對(duì)任課教師提出更高的要求，要想全面實(shí)施，還需進(jìn)一步的探討和實(shí)踐．有了前期積累的經(jīng)驗(yàn)，我們有信心做得更好．