翻轉(zhuǎn)課堂結(jié)合PBL在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐

趙國(guó)儉 王旗

[摘 要]大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是工科院校最重要的一門(mén)基礎(chǔ)課，為提高教學(xué)效能，應(yīng)該采用什么方式主導(dǎo)教學(xué)是每位相關(guān)教師必須考慮研究的一個(gè)嚴(yán)肅問(wèn)題?；ヂ?lián)網(wǎng)的普及和計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用的推廣，使“翻轉(zhuǎn)課堂”結(jié)合PBL教學(xué)模式變得可行和現(xiàn)實(shí)。特別是2020年全球疫情防控的特殊時(shí)期，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式發(fā)揮著決定性作用，且收到良好教學(xué)效果。文章就東北大學(xué)近年來(lái)該課程翻轉(zhuǎn)教學(xué)結(jié)合PBL教學(xué)法情況向同行們介紹，以示借鑒，為高?；A(chǔ)課教學(xué)助力。

[關(guān)鍵詞]大學(xué)物理實(shí)驗(yàn);翻轉(zhuǎn)課堂;慕課;PBL教學(xué)法

[基金項(xiàng)目]2020年5月東北大學(xué)“東北大學(xué)PBL教學(xué)法研究與應(yīng)用項(xiàng)目”（NEUJX04217）

[作者簡(jiǎn)介]趙國(guó)儉（1964—），男，吉林長(zhǎng)春人，理學(xué)碩士，東北大學(xué)理學(xué)院副教授，主要從事大學(xué)物理及實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究;王 旗（1981—），男，遼寧沈陽(yáng)人，物理學(xué)博士，東北大學(xué)理學(xué)院副教授，主要從事大學(xué)物理及實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究。

[中圖分類號(hào)] G642[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）47-0-03[收稿日期] 2020-09-18

一、引言

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課是工科院校本科生重要的一門(mén)必修基礎(chǔ)課，通過(guò)對(duì)該課程的學(xué)習(xí)，可以鍛煉學(xué)生從理論知識(shí)的掌握到實(shí)踐能力的培養(yǎng)起著關(guān)鍵作用，是本科生培養(yǎng)計(jì)劃中重要教學(xué)環(huán)節(jié)。教好學(xué)好應(yīng)是每位當(dāng)事教師或?qū)W生必須思考研究的一件大事，多年來(lái)，由于條件所限，一直沿用著傳統(tǒng)的教學(xué)模式來(lái)進(jìn)行教學(xué)，但總不能達(dá)到預(yù)期效果。傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)分三步走模式，即課前預(yù)習(xí)、課中實(shí)驗(yàn)操作、課后寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，但效果差強(qiáng)人意。首先說(shuō)這三步走沒(méi)問(wèn)題，符合教學(xué)規(guī)律，但學(xué)生若以最終實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)?yōu)樽非蟮谝荒繕?biāo)的話，三步走的執(zhí)行落實(shí)就出現(xiàn)了很大漏洞和問(wèn)題。而翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式可以有效改善這種狀況，會(huì)使學(xué)生學(xué)習(xí)變被動(dòng)為主動(dòng)，達(dá)到教與學(xué)良性循環(huán)[1-5]。

二、小步慢走，循序漸進(jìn)，效果明顯，穩(wěn)步落實(shí)

近年來(lái)，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心完成了信息化建設(shè)的初步工作，在軟硬件方面均投入建設(shè)，并顯現(xiàn)出實(shí)際效益。硬件設(shè)備包含：電子門(mén)牌智能鎖、監(jiān)控系統(tǒng)、電源遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)等。軟件系統(tǒng)方面包含：實(shí)驗(yàn)中心門(mén)戶網(wǎng)站、實(shí)驗(yàn)室管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放管理、實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備管理等。實(shí)驗(yàn)中心門(mén)戶網(wǎng)站實(shí)現(xiàn)了信息發(fā)布、資源共享、虛擬仿真平臺(tái)鏈接等功能。實(shí)驗(yàn)室管理可管理實(shí)驗(yàn)室使用用戶、門(mén)禁授權(quán)、實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控管理、實(shí)驗(yàn)臺(tái)遠(yuǎn)程電源控制等。實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理實(shí)現(xiàn)了選課與排課兩種運(yùn)行方式的并行。物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心面向全校工科各專業(yè)開(kāi)設(shè)“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”課程采用了學(xué)生選課模式，面向物理類專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程采用了排課模式。同時(shí)，將學(xué)生的預(yù)習(xí)、操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告全部實(shí)驗(yàn)課學(xué)習(xí)流程納入系統(tǒng)管理，提升了實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行效率。實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放管理系統(tǒng)面向?qū)W生課外開(kāi)放共享實(shí)驗(yàn)室，以競(jìng)賽、大創(chuàng)為抓手，給予優(yōu)秀學(xué)生以更多的實(shí)驗(yàn)室條件。受益于系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)驗(yàn)室正在由關(guān)門(mén)向開(kāi)門(mén)共享轉(zhuǎn)變升級(jí)。實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備管理系統(tǒng)有效地保證了實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備全生命周期的管理，配合了實(shí)驗(yàn)室的6S標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在6S標(biāo)準(zhǔn)化、信息化的建設(shè)基礎(chǔ)之上開(kāi)展了一系列的教學(xué)改革工作，開(kāi)啟了實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的翻轉(zhuǎn)課堂、智慧教學(xué)，學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性被極大地調(diào)動(dòng)起來(lái)。我校就有關(guān)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面出現(xiàn)的問(wèn)題做了深入思考和研討，根據(jù)現(xiàn)有條件以及客觀環(huán)境要求，對(duì)于如何改善教與學(xué)的關(guān)系做了多方面的嘗試，現(xiàn)把近年來(lái)分步驟改革經(jīng)歷過(guò)程做成下表所示。

上表中第三階段是很接近翻轉(zhuǎn)課堂模式了，當(dāng)然，隨著時(shí)間的推移及經(jīng)驗(yàn)積累，還可以做得更好一些。隨著網(wǎng)絡(luò)資源不斷豐富，教學(xué)方式不斷優(yōu)化調(diào)整，會(huì)使乏味的學(xué)習(xí)變得生動(dòng)、有趣。學(xué)生不再單純地依賴課堂學(xué)習(xí)知識(shí)，課堂與老師的角色無(wú)形中發(fā)生了變化，老師更多的責(zé)任是去理解學(xué)生的問(wèn)題并引導(dǎo)學(xué)生去運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題。

三、疫情下大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課高質(zhì)量完成

2020年春新冠肺炎疫情的暴發(fā)，對(duì)高校教學(xué)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，如何保障高校教學(xué)順利進(jìn)行，且不打折扣完成教學(xué)計(jì)劃是擺在每位教師面前的嚴(yán)肅問(wèn)題。我們物理人審時(shí)度勢(shì)，認(rèn)真探索，尋求新路。將困難當(dāng)機(jī)遇，將機(jī)遇當(dāng)動(dòng)力，尋找出以翻轉(zhuǎn)課堂模式為理念，開(kāi)辟線上教學(xué)新路徑，設(shè)計(jì)出大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)網(wǎng)上教學(xué)新模式，即家庭實(shí)驗(yàn)及網(wǎng)上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合模式。在實(shí)驗(yàn)中心領(lǐng)導(dǎo)帶領(lǐng)下，教師們齊心協(xié)力，精心設(shè)計(jì)出符合特殊形勢(shì)下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，引導(dǎo)學(xué)生注意觀察日常生活中的物理問(wèn)題，了解到生活中普遍存在且很容易被忽略的問(wèn)題，類似這些都可納入實(shí)驗(yàn)課程計(jì)劃中，生活中事情大家很熟悉，把它提煉到物理層面的高度同學(xué)們一定會(huì)感興趣，并會(huì)投入高度熱情研究并學(xué)習(xí)。

1.觀察身邊生活，捕捉物理信息。比如觀察一盞照明燈（路燈或家庭照明燈），采用不同方式來(lái)觀察會(huì)看到不同的觀測(cè)效果。如直接用眼觀視、透過(guò)指縫觀視還是借助照相機(jī)直接拍照記錄，會(huì)看到意想不到的實(shí)驗(yàn)效果。從拍照結(jié)果來(lái)看，會(huì)發(fā)現(xiàn)照片中出現(xiàn)了從燈中心發(fā)出的一些光線（星芒）。為什么是這樣，背后隱藏著哪些物理信息;再比如：將點(diǎn)燃的蠟燭放在瓶子后面，如果你從蠟燭的后面吹瓶子，蠟燭同樣可能熄滅。這又為什么會(huì)這樣。類似例子還有很多，都會(huì)引發(fā)學(xué)生們思考。諸如此類，很有趣，很生活，這就是物理問(wèn)題。

2.可以利用手機(jī)做實(shí)驗(yàn)。手機(jī)是當(dāng)今社會(huì)人們手邊必備的通信工具，有誰(shuí)會(huì)想到利用手機(jī)還可以做許多物理實(shí)驗(yàn)。事實(shí)上手機(jī)里嵌著很多可供使用的傳感器，通過(guò)下載phyphox軟件可以激活使用。利用它可以做單擺實(shí)驗(yàn)、電梯運(yùn)行中的加速度測(cè)量實(shí)驗(yàn)等等。下面幾幅就是利用手機(jī)記錄的時(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)狀態(tài)。

通過(guò)仔細(xì)挖掘發(fā)現(xiàn)，手機(jī)功能實(shí)在是強(qiáng)大了，利用它可以做很多有趣有意義物理實(shí)驗(yàn)，因此有同學(xué)非常感慨說(shuō)：“通過(guò)這次手機(jī)實(shí)驗(yàn)，我體會(huì)到，實(shí)驗(yàn)不一定要在專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室里才能實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)就來(lái)源于生活，只要細(xì)心觀察，從一件件小事中都能看到物理學(xué)的影子，各種物理定律無(wú)時(shí)無(wú)刻不對(duì)我們所在的世界發(fā)揮著作用！沒(méi)想到我們每天都在用的手機(jī)居然集成了這么多種類的傳感器，可見(jiàn)生活中要善于觀察，更要有探索精神！”

3.利用家里可利用的條件，可做些定性或定量探究性物理實(shí)驗(yàn)。又如在設(shè)計(jì)測(cè)量重力加速度實(shí)驗(yàn)中，充分發(fā)揮并挖掘家庭中現(xiàn)有的可用資源，如可將毛線當(dāng)作擺線、小磁鐵塊作為擺球、卷尺可用來(lái)測(cè)量長(zhǎng)度等，再如設(shè)計(jì)波動(dòng)光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，像頭發(fā)絲，泡沫盒都有其用武之地，像這些平時(shí)常見(jiàn)的物件關(guān)鍵時(shí)刻都可派上用場(chǎng)。物理實(shí)驗(yàn)不一定是高大上，也許是小精簡(jiǎn)生活化，尋常百姓也可走進(jìn)科學(xué)認(rèn)識(shí)科學(xué)。家庭也可以是課堂，課堂就在身邊。在家做實(shí)驗(yàn)，難免會(huì)缺少精確的設(shè)備，這在給自己帶來(lái)困擾的同時(shí)，也讓自己感受到了“自己創(chuàng)造條件”的樂(lè)趣。有的同學(xué)深有體會(huì)：“測(cè)重力加速度時(shí)，我把表弟的悠悠球給征用了，家里沒(méi)磁鐵，只好用光照來(lái)測(cè)周期，于是我用臺(tái)燈、兩個(gè)小音箱、一些書(shū)做了一個(gè)簡(jiǎn)易的光電門(mén)，雖然測(cè)出的結(jié)果不一定像在實(shí)驗(yàn)里那樣準(zhǔn)確，但由于實(shí)驗(yàn)從頭至尾都由自己設(shè)計(jì)、執(zhí)行，所以就對(duì)實(shí)驗(yàn)有了更深刻的理解?！?/p>

4.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是家庭實(shí)驗(yàn)的有利補(bǔ)充。手機(jī)也不是萬(wàn)能的，若不能進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，那么虛擬仿真就是最好的選擇。網(wǎng)絡(luò)上有很多各高?；蚩蒲袡C(jī)構(gòu)研發(fā)出來(lái)的物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生們可以選作一些自己感興趣的物理實(shí)驗(yàn)，每個(gè)專題實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供的資料非常全面，有項(xiàng)目介紹、實(shí)驗(yàn)演示等，學(xué)生們可以通過(guò)自主觀摩學(xué)習(xí)可以達(dá)到與線下相同的學(xué)習(xí)效果，像一些高大上實(shí)驗(yàn)家里做不了，又不能進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，那么做虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是最好的選擇，這是課堂翻轉(zhuǎn)的又一種方式。

5.“戰(zhàn)役版”大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教材橫空出世。在2020年春季這一特殊時(shí)期，在師生共同努力下，制定并出版了符合當(dāng)下需求且符合培養(yǎng)計(jì)劃的新型實(shí)驗(yàn)教材—“戰(zhàn)役版”大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)。該教材涵蓋了力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)等內(nèi)容，配套有實(shí)驗(yàn)原理講解、實(shí)驗(yàn)操作視頻、參考數(shù)據(jù)、自測(cè)題等資源，還增加了拓展學(xué)習(xí)部分，讓學(xué)生更好地了解物理學(xué)家在發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律過(guò)程中的故事，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中完成立德樹(shù)人的根本任務(wù)。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，得到了學(xué)生的廣泛認(rèn)同。課堂翻轉(zhuǎn)方式有多種多樣，要因勢(shì)利導(dǎo)，尊重規(guī)律，注重效果。總而言之，同學(xué)們不管是在家做實(shí)驗(yàn)還是進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，都能達(dá)到發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、認(rèn)識(shí)問(wèn)題、解決問(wèn)題的目的，只要有探索精神，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，那么課堂翻轉(zhuǎn)無(wú)處不在，生活處處是課堂。

四、翻轉(zhuǎn)課堂結(jié)合PBL模式教學(xué)方式展望

1.加強(qiáng)慕課建設(shè)，完善慕課內(nèi)容及知識(shí)體系，為翻轉(zhuǎn)課堂提供豐富學(xué)習(xí)資源。

2.實(shí)驗(yàn)課程核心內(nèi)容在于實(shí)驗(yàn)操作，在這方面要積極運(yùn)作、探索，要多做一些實(shí)驗(yàn)操作視頻，每個(gè)視頻都要短小精悍，突出主題，內(nèi)容集中。能有效抓住學(xué)生渴望得到知識(shí)愿望及需求的心理，視頻的長(zhǎng)度控制在學(xué)生注意力能比較集中的時(shí)間范圍內(nèi)。利用視頻具有暫停、回放等多種功能，可以自我調(diào)節(jié)、自我控制，這樣有利于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。

3.建立廣泛的暢通的交流平臺(tái)，架通信息共享通道橋梁。除了網(wǎng)絡(luò)上廣泛使用的微信、QQ等之外，還要利用好學(xué)校資源平臺(tái)?？傊靡磺锌梢岳玫沫h(huán)境條件便于溝通信息、答疑解惑，為課堂翻轉(zhuǎn)助力，提高學(xué)習(xí)效率。

翻轉(zhuǎn)課堂結(jié)合PBL教學(xué)法從根本上改變了教學(xué)實(shí)踐，優(yōu)化了傳統(tǒng)的教學(xué)方式，提高了學(xué)習(xí)效率。物理實(shí)驗(yàn)再也不是老師做一步、學(xué)生跟一步的“廣播體操”，而更像是老師制定規(guī)則、學(xué)生合作探究的“自由體操”，逐漸成為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、獲取物理知識(shí)、培養(yǎng)科學(xué)思維的重要途徑。

參考文獻(xiàn)

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Abstract： College Physics Experiment is one of the most important basic courses in engineering colleges. In order to improve teaching quality， what teaching method should be adopted is a serious question that every relevant teacher must consider. With the popularization of the Internet and the application of computer technology， the combination of flipped classroom and PBL teaching model has become feasible and realistic. This paper introduces the flipped teaching combined with PBL teaching in Northeastern University in recent years， so as to provide references and help the teaching of basic courses in colleges and universities.

Key words： College Physics Experiment; flipped classroom; MOOC; PBL teaching method