翻转课堂在大学物理实验教学中的应用研究*

王增旭 李永涛 薛洪涛 张红光 李 斌

（1.南京邮电大学 理学院，江苏 南京 210023；2.南京邮电大学 教务处，江苏 南京 210023）

随着现代信息技术的飞速发展,计算机网络 成为人们接受信息的一种主要方式,网速的迅速提高使得网络视频教育成为可能。2004年,萨尔曼·可汗(Salman Khan)将他制作的教学视频放到网上用于远程辅导,取得了非常好的教学效果。为了帮助更多学业有困难的孩子,2006年11月他在YouTube上分享了教学视频,引起了广泛的关注。2007年萨尔曼·可汗(Salman Khan)成立了非盈利性质的可汗学院(Khan Academy),网站上的教学视频包含了各阶段和学科的课程,已有上亿人次通过网络进行学习。几乎与此同时,化学教师乔纳森·伯尔曼(Jonathan Bergmann)和亚伦·萨姆斯(Aaron Sams)为了给缺课的学生补课,用屏幕录像软件录制了PPT的演示教学视频让学生在家观看,在课堂上对学生的问题进行答疑解惑,这种教学方法受到学生的广泛欢迎并得到了推广[1]。上述教学模式颠覆了传统的教师课堂授课模式,被称为“翻转课堂”(Flipped Classroom)。翻转课堂的教学模式在美国的大学、中学和小学得到了广泛的应用,取得了很多的实践经验,在我国也有很多学校开始在教学实践中引入这种教学模式,取得了很好的效果。在当今“互联网+”的时代背景下,数字化的教育资源如雨后春笋般涌现,必将给传统的教学模式带来巨大的冲击[2]。网络数字教育资源和课堂教育相结合的教学模式以及由此而产生的混合学习[3-4](Blended Learning)教学模式将成为今后主流的教学模式[5]。

本文分析了南京邮电大学多年来大学物理实验教学中存在的一些问题,介绍了过去的五年里在物理实验的教学过程中引入翻转课堂的教学模式进行的尝试与探索和取得的经验,实践表明这种新兴的教学模式在物理实验教学中效果很好。

一、传统大学物理实验教学模式存在的问题

南京邮电大学是一所传统的理工科院校,学校的学科主要有通信、电子、光电子、计算机和自动化等,大学物理和物理实验是理工科的基础必修课,其重要性不言而喻[6]。

物理实验教学一直沿用传统的课堂教学模式,虽然多媒体技术被广泛使用,教室都配备了计算机,投影仪等设备,但是教学模式并没有发生实质性的改变[7]。存在以下几方面问题：

（一）课前预习

课前预习是物理实验课的必要前提[8],我校的物理实验课也强制要求学生预习,并以预习报告来确认。但是实际效果并不尽如人意,原因如下：(1)缺乏学习资源,只有教材可以看,学习能力不强的学生达不到预习要求。(2)无处求助,预习中遇到的问题得不到解答。(3)预习报告流于形式,很多学生仅仅是抄书。

（二）课堂教学

理想的物理实验课堂应该是学生在理解理论知识的基础上进行实践,验证理论并在试错的过程中锻炼自己的实践能力。可是由于预习效果达不到要求,给教师带来了难题。详尽地讲解,教学时间不够；提纲挈领地讲解,学生不得要领；最后为完成教学,实验课变成教师进行操作演示,学生照着做,教学效果不理想。

（三）课后实验报告

实验报告是学生对实验结果的总结,也是评定成绩的主要依据。传统的教学模式存在以下问题：(1)学生在写报告的过程中遇到问题、疑惑得不到及时的解答。(2)教师在批改报告时发现的问题不能及时反馈给学生,因为实验的轮换是两周一次,学生拿到批改的实验报告一般已经是至少两个星期以后了。综上所述,问题的根源在于师生之间的“教”与“学”仅限于课堂。

为了能够帮助学生做好课前预习,从2013年起,笔者开始在课前制作预习课件并通过电子邮件发给学生,让他们有更多的学习资源进行预习。2015年开始以QQ群作为平台实践翻转课堂的教学方法。

二、用电子邮件分发预习课件帮助学生预习

在每次实验课开始前三天把预习课件发给学生,课件包含相关物理知识的补充,实验仪器的照片,还有预习时应该注意的关键知识点以及应该思考的问题。显然,课前预习课件是受学生欢迎的,在预习报告中学生不再是盲目抄书。课堂上教师会就预习课件中要求学生思考的问题提问,从结果看多数学生都是有准备的。在课堂教学方面也做了一些改变：讲解之后不再集中学生进行操作演示,让学生自己去尝试实验操作,去试错并尝试解决问题,只有当学生自己无法解决问题的时候才给予指导。实践表明除了课程开始的几次实验用时和以前差不多,后面上课用时明显要比过去少,平均要节省15～20分钟。

三、利用QQ群作为平台实践大学物理实验的翻转课堂教学

在当今网络信息技术高度发达的时代,QQ群广泛被用作公司、团队和兴趣小组等的交流平台。它可以进行即时交流,简单方便,没有费用,适合构成一个便于操作,门槛很低的网络学习共同体[9-10]。

QQ群的人数设定上限为500人,群文件的空间可达10GB,这完全能够满足教学需求。把物理实验的理论背景知识制作成课件并录制视频讲解上传到群文件,在课件中提出预习的思考题,以此来引导学生。作为即时交流平台,遇到问题的同学可以提问,教师可以及时给予解答。在过去的几年中,每一级都会有一些学习好的同学热心地在群里解答问题,对于这些同学教师及时给予赞许和鼓励,对其他同学也是一种激励[11]。课后的实验数据处理常常会遇到各种情况,比如数据记录有遗漏或者笔误,处理数据结果错得离谱；有的学生不知道数据处理的要求,等等,这些问题都需要向教师或者同学求教。教师在课后批改报告时会发现一些比较典型的错误,及时指出并进行点评对于学生来说很必要,把详细批改指正的报告拍成图片上传到群里对学生很有帮助。据粗略估计,约有40%以上的同学参与过群里的实验话题讨论。

图1是基于QQ群的物理实验翻转课堂教学的进程图,可以看出它比传统的教学模式互动交流过程要丰富很多。

图1 基于QQ群的物理实验翻转课堂教学流程图

在物理实验的数据处理中经常需要用作图法来分析数据,教学中要求使用坐标纸和铅笔手工作图,实际情况是只有少数学生能够以认真的态度做出真实正确的图,很多学生往往随意地画图敷衍老师,导致最后的结果分析未能真正完成而且影响了教学效果,而手工作图的方法在现代的科学研究中早已经被软件作图取代。笔者制作了菜鸟版的Origin使用方法文档,十几张使用过程的截图配以简单的说明文字,然后上传到群文件,同时在群空间里上传了简化版的软件。很快就有学生在群里展示了自己做的图,成功的案例激发了更多的同学去学习[12],最后约90%的同学都学会了用Origin软件作图,实验报告的数据处理水平大大提高,报告评分得到相应的提高。

四、翻转课堂带来的教学上的变化

笔者将过去6年学生成绩进行了整理,数据是2012—2017年的教学成绩,以此比较翻转课堂和传统教学模式下的学生成绩。2012—2014年教学方法上的改变主要是通过电子邮件给学生分发实验预习课件,并答疑,这种方式并不是受到翻转课堂思想的启发,但是也有一定的借鉴意义。2015—2017年笔者在翻转课堂教学法的启发之下建立QQ群进行翻转课堂的尝试。笔者任教的班级的专业每一年都大致相同,为避免差异性,从任教的五个专业各取一个班的成绩做量化分析。由于教学计划的变动,这里只分析秋季学期的学生做的6次实验课成绩。

（一）平均成绩的提升

表1统计了2012—2017年的成绩,可以看出翻转课堂的教学实践带来了学生成绩显著的提升,虽然中间有一些波动,但是提升的趋势是很明显的,结果在表1和相应的图2中给出。

表1 2012—2017年各班级总体成绩的平均值

图2 2012—2017年各班级总体成绩的平均值

（二）师生在翻转课堂参与度上的提升

翻转课堂上的实践过程中,师生对于翻转课堂的教学实践活动的参与度是逐渐提升和深入的,由于群里提问和解答问题的次数难以统计,这里统计了QQ群里面课件的数量,下载次数和平均下载次数,如表2所示。

表2 各教学年QQ群教学文件数、总下载次数和平均下载次数

2016年一个学期的下载次数总和就超过了2015年全年的下载次数总和。

从表2可以看出来文件的下载次数明显在稳步增长,这说明随着翻转课堂实践的进行,学生的参与程度越来越高,对这种教学方式认可度也越来越高。

（三）学生对于教师的评价的提升

表3给出了2012—2017年秋季学期笔者在学校教学管理系统上由学生给出的教学评测,见表3和图3。

QQ群翻转课堂的教学模式实现了课前、课中和课后,教师与学生、学生与学生之间多维度的交流沟通；形成了发现问题、讨论问题和解决问题的教学闭环。

从图3可以看出自从开始进行翻转课堂的教学尝试以来,笔者的学生评测分数有了明显的提高,呈逐年上行趋势。

图3 2011—2017年学生对任课教师的教学评测分数

五、分析和讨论

总结过去几年的教学经验,可以归纳为以下几个方面：

第一,翻转课堂教学模式和传统的教学方式相比在大学物理实验的教学中有着明显的改进和提高,学生的学习成绩提升了,课堂完成实验用的时间减少了,课后实验报告的质量明显提升了,这在很多翻转课堂的实践中得到了印证[13-15]。

第二,QQ群是很好的交互平台。近年来出现了各种翻转课堂教学平台,如中国大学慕课网,清华大学的雨课堂[16],对于物理实验这门课,慕课网的师生之间和学生之间的交流没那么方便,而雨课堂由于实验课中学生实验进程以及出现问题的差异性也不太适用。

第三,翻转课堂的教学模式拉近了师生之间的距离。从开始尝试翻转课堂教学3年来,学生QQ好友增加了近70人,师生之间有了更多的交流和相互了解,这对消除因为师生年龄差距而产生的代沟有帮助,对缓解教学矛盾有帮助。

第四,学生的学习热情提高了。过去几年笔者每一届任课的班级都是12个,学生总数在380人左右,而QQ群加入的学生人数每一届都达到了500人(群人数上限),其中很多是非本人课堂的学生甚至校外的学生,都在群里提问或者请教过问题。

第五,课件的知识产权问题。笔者在使用QQ群进行翻转教学之后发现了很多群里的教学课件被学生传到网上,这些问题有待解决。

翻转课堂这种新的教学模式与当代信息技术的飞速发展相适应,移动通讯终端的普及使即时通信无处不在,不受时空的限制。学生的自主学习随时都可以得到教师的帮助,可以根据自己的情况合理地安排不同知识点的学习力度。通过“互联网+”的即时互动交流也使教师能够更准确地掌握学生学习中的盲点,这对于优化教学是很有帮助的[17]。笔者所实践的物理实验翻转课堂教学,从形式上讲更恰当的说法是一种混合学习。实验的课堂环节不可缺省也无法替代,利用翻转课堂的模式可以将课堂的时间更高效地用在实验环节,教学效果优于传统方法。