基于微课和翻转课堂的大学物理基础性实验教学研究

陈 杰 黄 鑫 贾 辉

(公安海警学院基础部，浙江 宁波 315801)

大学物理实验一般分为基础性实验、综合性实验和设计性实验3个逐步递进的层次[1，2]。在基础性实验阶段主要是学习基本的实验知识、锻炼基本的实验技能，如不确定度概念及评定方法、数据的测量及处理方法、实验仪器的使用和调节技术等[2]，为后续实验打好基础。在基础性实验教学中，融入微课和翻转课堂这两种教学方式能有效提高教学质量。

1　微课的视频设计和翻转课堂的问题设计

微课是针对某一知识点而专门制作的教学视频，具有不受时间空间限制和易于开放共享等优点[3，4]。在基础性实验教学中，我们运用微课的手段来支持学生的课前预习和课后的反馈。基础性实验课前预习的重点是理解实验原理、仪器构造、操作步骤、读数方法等;课后反馈的重点主要是实验报告中数据处理、误差分析中存在的普遍问题及课后思考题的详细解答等。因此，微课视频的内容主要包括这几个方面。微课视频的录制要符合短小精悍的特点，应按知识点分别录制，同时还要注意多种媒体和技术手段的配合，如板书推导、实物展示、实践操作、模拟动画等，见图1。

图1　微课视频的主要内容

翻转课堂最主要的特点是将传统的课堂教学与课后练习反转，利用课堂时间来研究探讨课后的问题[5]。在基础性实验教学中我们借鉴翻转课堂的教学模式，在课末预留一定的时间来探讨实验中出现的现象和问题，以便学生更深刻掌握实验操作技能。在翻转课堂教学中的问题设计主要是实验中出现的各种现象的原因分析及应对措施。问题的来源一部分是教师预设的内容，这是教师根据经验，预先挖掘好的具有探讨性的问题，另一部分来自于当前实验中出现的具有普遍性和典型性的问题，这需要根据教师的现场观察来确定。

2　基于微课和反转课堂模式的教学过程

2.1　课前预习环节

微课视频结合了声音、图片、动画和操作演示等形式直观的展示仪器结构、仪器操作的规程以及会出现什么现象、要注意哪些问题等，学生在观看的过程中会有一种身临其境的感觉，这比文字材料更容易让学生能理解和接受。通过微课视频支持，将学生对着教科书的文字和图画预习变为可观看教师讲解和实物演示的预习，提高了预习的效率和质量。而且“微课”视频的容量比较小，学生既可以在网络电脑上在线观看，也可以将其下载到各种移动终端上，如手机、i Pad等[6]，在课堂上进行观看。

2.2　课堂实验教学环节

第一阶段是教师的讲解环节。通过微课支持提高实验预习质量后，教师就可以适当削减实验原理和演示示范环节的讲解时间，基本只要用15～20分钟就能讲清实验的内容、实验要求和注意事项，提高了效率，也为翻转课堂的教学创造了时间条件。

第二阶段是学生的实操环节，由学生独立完成实验的操作过程，测量并记录实验的数据。在这一阶段，利用微课承担教师指导的部分功能，学生在操作中遇到问题时，可以在课堂上查看微课的视频资源，逐步对照进行操作，直至能够独立完成操作为止。教师进行巡视指导，对操作中出现的不规范问题及时发现更正，对出现的问题进行指导解决。同时，教师要记录学生操作中出现的问题，作为翻转课堂教学中问题的来源。

第三阶段进行翻转课堂的教学。在课末预留20分钟左右的时间，由教师提供2～3个问题来进行讨论。先在小组内进行讨论，然后由小组推荐进行课堂汇报，可以是操作演示和理论说明的形式。比如我们在分光计的调节和使用中，根据实验的重点和学生普遍出现的问题设计了3个问题供学生讨论：反射像的位置与载物台、望远镜光轴间的关系，如何进行调节？游标盘对称方向上设两个角游标的目的？已调好望远镜光轴垂直主轴，若将平面镜取下后，又放到载物台上，发现两镜面又不垂直望远镜光轴了，这是为什么？当然，学生的解释和总结通常是不全面的，教师要对学生的汇报进行点评，指出正确的方面，并进行总结，让学生形成系统的知识。

2.3　课后反馈和复习环节

在学生提交实验报告后，教师对实验报告中出现的典型问题，比如数据处理的方法，不确定度的计算，误差来源的分析，课后思考题的详细解答等制作成微课视频，供学生对照订正，并将学生的订正情况记入下一个实验的预习成绩。以微课的形式进行反馈一方面是相较于文字材料，学生更易于接受视频短片的形式;另一方面可以不用集中面对面的交流，节省了时间，也更加自由开放。录制的微课视频也可用于学生的复习，如对于实验器材操作和仪器使用仍不是很清楚的学生，可以继续利用微课资源进行复习，比如千分尺、螺旋测微器的读数方法，分光计的调节使用等;也可以根据微课的反馈视频结合实验报告册复习数据的处理方法。

基础性实验教学的目的是要让学生掌握基本的实验技能，适合的教学方法就是集中讲授和按步操作。在上述的教学设计中，我们将微课设计为分步的操作指南，从理论上讲是适合基础性实验教学的要求的，并且体现出几个优势：一是设计了翻转课堂的教学环节，利用课堂实践集中讨论操作中的典型问题。二是设计了反馈的环节，以往学生提交实验报告后获得一个实验成绩，但很少有学生修改实验中出现的问题。三是提供了自主学习的资源保障，如游标卡尺的操作视频，在转动惯量的测定实验、固体导热系数的测定实验、金属丝杨氏模量的测定的实验中都要运用到，即可以作为新课时的预习使用，也可以作为实验读数时的操作指导，还可以作为复习资料使用。

3　教学实践的效果

3.1　提高了实验预习的效率和质量

在传统的实验教学中，实验的预习效果往往不够理想，多数学生仅仅是将实验书抄了一遍，反映在课堂上是对教师提问的一问三不知。究其原因是没有实物仪器设备的支持，初入校门的学生很难仅仅依靠教科书上的几幅插图就达到预习要求。采用微课视频的支持后，学生的普遍反映是比仅参照书本描述能更好地了解实验仪器、理解实验的原理和步骤。从课堂提问效果的前后对比中也明显感觉学生对实验的认识和熟知程度有了较大的提高，这表明微课视频的支持有效提高了实验预习的效果。

3.2　提高了实验数据的处理能力

通过反馈的环节，学生的数据处理能力得到了提升，以不确定度的处理为例，在物体转动惯量的测定实验中涉及到A类不确定度、B类不确定度及间接测量不确定度的处理，虽然在绪论课中讲解过不确定度的处理方法，但是从实验报告反映学生掌握得不够理想，为此我们录制了该实验的不确定度的处理方法，学生也进行了订正。在固体导热系数的测定中，同样要求进行间接不确定度的计算，从对比中反映出学生的掌握程度有大幅提升。同时，我们也统计了采用微课辅助教学的16级通信专业和采用传统教学方法的14级通信专业共86名学生在金属丝杨氏模量的测定实验中关于数据处理部分的成绩，结果得分高出0.4分(数据处理的总分为5分)，可见通过不断的反馈订正，使学生数据处理的能力得到了提升。

3.3　提高了实验的操作能力

在传统教学情况下，当学生在实验中遇到问题时，要么等待教师的指导，浪费了课堂的宝贵时间;要么是根据直觉进行操作，这样出现的误操作会比较多，对仪器伤害也较大。在操作环节采用微课支持后，就不需要只等待教师的指导，因而提高了实验效率;也能有效避免了学生的误操作，保护实验器材。传统的实验教学通常以个别指导的形式处理实验过程中遇到的问题和状况，但对于学生个体而言又不太可能会遇到所有的这些问题，比如分光计的调节和使用实验中望远镜光轴垂直主轴时会有多种可能，每一种情况调整的方法都不一样，通过翻转课堂教学来集中探讨实验中遇到的问题，从现场学生的反映看，对分光计的使用有了更深刻的了解。