基于翻转课堂的混合式教学设计与实践——以“交变电流”为例

尹庆丰 耿宜宏

（1.常州市武进区教师发展中心，江苏 常州 213164；2.常州市武进区礼嘉中学，江苏 常州 213176；3.江苏省前黄高级中学，江苏 常州 213161）

仔细研读《普通高中物理课程标准》，［1］从2003版到2017版再到现在的2020修订版，可以发现，高中物理课程结构越来越优化，教育定位越来越明确，培养目标越来越注重育人目的.从课程结构与教育定位角度来看，高中物理课程被分为3个层次：参加高中物理学业水平考试，要学习必修模块共3本书；如果高考选考物理，要继续学习选择性必修3本书；如果打算参加自主招生或其他深造计划，就要进一步学习3本选修教材.从育人目的来看，提升学生综合素质、着力发展学生学科核心素养贯穿整个课程的始终，且以落实核心素养为中心，精选重组了课程内容，增加了难度.

这与现有的教学模式存在冲突：教学时间有限，学生不能按需学习，无法满足个性化分层次学习要求，也不能让学生体会物理知识之美；教学空间有限，学生的学习环境缺乏自主性，无法激发学生的学习兴趣，也不能让学生认识到物理学习之于生活的意义.

为了改变高中物理教学现状，笔者认为一线教师首先要明确《普通高中物理课程标准》的核心是促进每个学生得到最大限度的发展.这就需要教师结合教学实际情况，引入新的教学理念，转变教学模式，从而转变学生的学习方式，为学生搭建一个自主、合作、探究、交往的学习平台，最终将物理学科核心素养的培养贯穿于教学活动的全过程.

1 混合式教学与翻转课堂的内涵界定

1.1 混合式教学

混合式教学（Blended Learning），因为侧重点各不相同，所以目前国内外专家给出的定义并不统一.笔者认为，多种教学理论的混合、多种教学方法的混合、多种教学手段的混合、多种教学风格的混合、多种教学方式的混合、多种学习环境的混合等，都可以称之为混合式教学.［2］

1.2 翻转课堂

翻转课堂（Flipped Classroom），又称为“反转课堂”或者“颠倒课堂”等.基本思路为：将传统学习过程翻转，由学习者利用课外时间对知识点及概念进行自主学习，课堂时间则以教师与学生的互动为主，学生进行汇报、讨论、探究、验证等，教师起到答疑解惑的作用.［3］冯晓英等认为，一个成功的翻转课堂，应当是“线下主导型、交互协作式”的混合式教学.［4］

本文在混合式教学理念的基础上，引入翻转课堂的模式，将传统与翻转相融合，线上与线下相融合，在此基础上进行教学设计，重新规划教学空间、时间与内容，创造性地开展教学工作，从而提升学生学习效果，培育学科核心素养.

2 基于翻转课堂的混合式教学设计

混合式教学并不是简单的将传统教学分割成线上和线下两部分，它需要对每一个教学环节进行精心地重构性的设计.例如：如何有效地融合线上与线下的教学内容；如何最大程度地发挥线上与线下的优势等等.

基于翻转课堂的混合式教学，还需要体现“以学生为中心”的角色转变特征，要能够提高学生的学习参与度与自主性，让学生有更多动手与体验的机会，从而有利于知识点的内化.因此，笔者构思了“基于翻转课堂的混合式教学设计”，如图1所示.

图1 基于翻转课堂的混合式教学设计示意图

由图1可以看出，整个教学环节包括“传统课堂”和“翻转课堂”两部分，“翻转课堂”又可以分为线上和线下两种形式，但主体都是学生.整个教学设计都是基于对教学目标的精准分析，［5］包括教材、学情等，从而确定哪些教学内容适合教师讲授，哪些教学内容适合学生探究.课前在线发布的教学资源由教师准备，包括视频、网址、技术参数等等；课后在线学习任务设置也由教师提前准备，并且要建立互动平台，方便师生、生生在线讨论、答疑等.

3 基于翻转课堂的混合式教学案例

“交变电流”选自人教版选修3-2第5章第1节，［6］体现了新课程内容结构的选择性.交变电流在我们的生活中应用性较强，但是由于电磁感应的特殊性，使得学生对于交变电流的本质与规律缺乏深层次理解.

另外，本节课的授课对象为普通高中二年级理科学生.学生已有知识结构包括法拉第电磁感应定律、传感器的应用等，同时学生通过两年的高中物理学习过程，对物理基本思想（模型建构思想）和科学探究过程（一般→特殊→一般）有一定的认识，熟知科学探究方法，具备了基本的观察、分析、归纳能力.

综合上述教材与学情分析，笔者认为在“交变电流”这节课中进行“基于翻转课堂的混合式教学”是有实际意义的.

3.1 课前准备

课前准备采用线上教学的方式.教师可以针对不同班级学生情况，发布不同的线上教学资源，内容包括知识和能力两个层面，如图2所示.

图2 课前准备线上教学资源结构体系图

课前线上发布教学资源，学生可以选择学习的时间和地点、学习的内容和进度，还可以控制观看视频的速度、次数以及网络资源查找的广度.这种方式能够最大程度地给予学生学习的自主性，真正实现了按需学习.

3.2 课堂教学实施

鉴于高中物理的特点，课堂采用线下教学的方式.其中，引入部分采用演示实验，可视化的小灯泡亮度与电流表读数，简洁直观，明确概念；在难点“交变电流的产生”中，采用模型建构与问题导向相结合的方式，发挥教师讲解的传统教学模式优势；在重点“交变电流的变化规律”部分，一改以往“传递主义”的理论推导，采用探究实验，让学生通过定量研究验证并得出结论，发挥翻转课堂教学模式的优势.

3.2.1 体验对比，明确概念界定

建立电源、电键、小灯泡、电流表构成的闭合回路.

体验1.电源为干电池供电，见图3（a）所示.

体验2.电源为手摇发电机供电，见图3（b）所示.

图3 演示实验实物图

对比.相同点：小灯泡均能发光、电流表均有示数.不同点：（a）图小灯泡发光稳定，（b）图小灯泡发光会闪烁；（a）图电流表指针稳定，（b）图连接电流表，电流表指针来回摆动.

明确概念.（a）图电流方向不随时间变化，称为直流（DC）；（b）图电流大小和方向随时间做周期性变化，称为交变电流（AC）.

3.2.2 模型建构，分析产生原因

问题1.观察手摇发电机有哪些部分组成？

生：大小轮、皮带、磁铁、线圈、转轴、手柄等.

问题2.手摇发电机是如何产生交变电流的？

生：线圈在磁场中转动.

问题3.这个问题其实比较复杂，我们研究复杂问题应该从简单模型出发.首先，你希望研究怎样的磁场？

生：匀强磁场最简单.

问题4.其次，你希望研究多少匝线圈呢？

生：1匝.

问题5.你希望研究的线圈是什么形状？

生：长方形.

问题6.你希望线圈怎么转动？

生：匀速转动.

建立模型.现在让我们建立一个满足你们所有希望的模型：匀强磁场中，单匝矩形线圈，匀速转动，这就是理想模型.

今天我们就要从单匝矩形线圈在匀强磁场中的匀速转动为着手点，对交变电流的产生展开研究.

问题7.线圈在磁场中转动，哪些位置比较特殊？

生：一个周期中，0°、90°、180°、270°、360°为特殊位置，如图4所示.

问题8.在图4中判断电流不方便，怎么办？

图4 线圈在磁场中逆时针转动的特殊位置

生：借助降维处理，将三维图转变为二维图，如图5所示.

图5 线圈在磁场中逆时针转动的特殊位置二维图

问题9.请分析这5个特殊位置电流方向、磁通量、感应电动势的变化等，并填写表1.

生：根据图5中所标位置及速度方向，可以得到结果如表1所示.

师：由表1可以看到，当线圈平面（S）与磁场（B）垂直时，感应电动势为0，这个特殊的位置称为中性面.

表1 特殊位置定性分析表

问题10.请在坐标纸上定性画出上述5个特殊位置的坐标，并猜想持续转动时e-t图像的形状.

生：根据表1，描出5个特殊位置的点，并猜想作出e-t图像，如图6所示.

图6 e-t图像（猜想）

图中，有两条图线，一条为折线（虚线），即将5个点用直线两两连起来；另一条为曲线（实线），即经过这5个点的正弦曲线.这是学生们猜想e-t图像中出现几率最高的两种情况.

3.2.3 实验探究，验证变化规律

那么手摇发电机的e-t图像究竟是什么样的呢？实践是检验真理的唯一标准.在该环节我们引入了江苏省前黄高级中学耿宜宏教授团队研制开发的手摇发电机改进实验装置.

实验仪器：改进后的手摇发电机实验装置，［7］如图7所示.在确保磁场为匀强磁场的基础上，可以通过改变励磁电流I的大小来改变磁场B的强弱；在3D打印的技术支持下，可以通过绕制方式的不同来改变线圈的横截面积；通过线圈的不同组合，可以改变线圈的匝数；通过可调转速且带数显的电机带动转动杆匀速转动，可以改变不同的转速从而改变角速度的大小.

图7 改进后的手摇发电机实验装置实物图

最后，旋转线圈产生的交变电流通过360°旋转导电滑环导出到电压传感器，利用DIS实验软件记录交变电流电动势波形图，并进行数据处理.

探究1.调节励磁线圈电流大小为1.60 A，线圈面积3S、匝数为250匝、转速为800 r／min，利用DIS软件中的电压传感器记录产生的电动势波形，得到图像如图8所示.

验证1.应用数据处理中的“拟合”发现实验图线与正弦拟合图线基本重合（如图8中所示，粗线曲线为实验所得，细线曲线为正弦拟合曲线）.实验证实手摇发电机产生的电流为交变电流，电流的大小与方向呈周期性变化，且证明该交变电流为为正弦式交流电.

图8 改进后的手摇发电机产生的感应电动势波形

师：从图8可以发现，电动势的最大值保持不变.那么电动势的最大值与什么有关呢？

生：最大值的影响因素可能是磁场强弱、转速大小、线圈面积大小、线圈匝数等.

探究2.为了节约时间，此处为分组实验，然后进行讨论，最后得出结论，整个过程全部由学生完成.现将学生探究实验结果汇总，如表2及图9所示.

图9 各组定量探究正弦式交变电流电动势最大值E m影响因素汇总图

表2 各组定量探究正弦式交变电流电动势最大值E m影响因素实验数据汇总表

验证2.由表2和图9可以看出，感应电动势的最大值与线圈横截面积、线圈匝数、磁场的磁感应强度和线圈转速都成正比关系.

综合探究1和探究2，可以验证得到感应电动势的瞬时值为e=Emsinωt，其中Em为感应电动势的最大值，Em=NBSω，此时线圈垂直中性面.

结论：线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的转轴匀速转动时，产生的电流大小与方向都随时间做周期性变化，且其变化规律满足正弦函数，即产生了正弦式交变电流.该电流的大小与线圈匝数、横截面积、转速以及磁场磁感应强度的大小都成正比关系.

3.3 课后拓展

考虑到时间关系，课后拓展也采用线上教学的方式.教师发布的学习任务同样包括知识和能力两个层面，如图10所示.

图10 课后拓展线上学习任务结构体系图

图10 中学习任务分为必做题与选做题，例如带星号的任务为选做内容；不同难度的学习任务对应不同的得分值，例如课后习题就会设置成由简到难递进的模式，对应的分值也会从低到高各不相同.教师会给出A、B、C、D、E 5个目标等级对应的分值，学生可以根据自身能力和需要选择对应的目标等级，从而确定需要完成的学习任务，真正实现了个性化分层次学习.

4 基于翻转课堂的混合式教学效果分析

“交变电流”这节课，传统的教学模式是引入概念，然后通过电磁感应理论分析交变电流产生的原因，接着通过理论推导，得出交变电流的变化规律，最后介绍一下交变电流的应用.过程中可能会穿插一些演示实验，但是总体以教师讲授为主.

基于翻转课堂的混合式教学设计的应用，使得“交变电流”这节课充满了生命力.课前准备的线上教学资源，给了学生极大的学习自主性；课后拓展的线上学习任务，给学生提供了个性化分层次学习的平台；线下课堂教学的时候，融合传统教学与翻转课堂两种教学方式，相辅相成，相得益彰，这是本节课的亮点.

笔者对分别进行传统教学和混合式教学的两个班级学生发放了调查问卷105份，全部回收并有效，就知识学习与能力提升两个层面对比两种模式的教学效果，统计结果如图11所示.

由图11（a）可以看出，在混合式教学模式下，学生的课前准备与课堂讨论的参与率有明显增加，且课前准备的线上教学资源发布，使得学生对教学目标更加明确；由图11（b）可以看出在混合式教学模式下，融合了对比、建模、降维、验证等思维能力以及探究能力的培养，学习获得感有大幅度增加，更能体现提升物理学科核心素养的教学目标.

图11 教学效果问卷调查结果对比图（单位：百分比）

5 结束语

为了将高中物理课程“育人”的根本目的落到实处，本文将翻转课堂与混合式教学相结合，构思了基于翻转课堂的混合式教学设计.该教学设计体现了“以学生为主体，以教师为主导”的教学理念，经过“交变电流”的教学实践及教学效果分析，说明传统与翻转、线上与线下可以在碰撞中融合，在融合中完善，为一线教师展开混合式教学提供了参考.