基于翻转课堂理念的独立学院大学物理教学模式研究*

2018-01-26许成科张登玉杨兴华邓小辉汪新文

中国教育信息化 2018年1期

许成科，张登玉，杨兴华，邓小辉，汪新文

（1.衡阳师范学院南岳学院，湖南衡阳 421000；2.衡阳师范学院物理与电子信息工程学院，湖南衡阳421000）

大学物理作为理工科院校必修的一门重要的专业基础课，其课程所包括的基本概念、理论、方法形成学生科学素养，这些构成学生科学素质和修养的重要组成部分，作为科学工作者和工程技术人员必须具备大学物理的相关科学素养。[1]大学物理课程在学生知识结构优化以及能力、素质的培养方面起着无可替代的作用。

当今世界，IT改变了几乎所有的领域。近几年来，大规模在线开放课程(MOOCs)席卷全球，冲击着传统教育培养模式，引发学习方式变革的攻坚战。[2]以信息技术为基础的翻转课堂随之产生，翻转课堂改变了传统教学中的师生角色，其颠倒了知识传授和知识内化过程，重新规划课堂时间的使用，革新了原来的教学模式，实现了教学模式的重大突破。[3]

独立学院的大多数学生的入学成绩低于普通高校学生，与二本的学生在综合素质、基础知识方面存在不少差距，尤其是数理基础薄弱。[4]如何根据独立学院学生特点，运用先进的教学理念组织教学，因材施教，提升大学物理教学质量，培养具有新世纪创新精神和实践能力的应用型人才，是摆在广大物理教师、学生、教学管理部门面前需要完成的迫切任务。[4]本文探究了翻转课堂的本质内涵，分析了独立学院教与学的实际情况，从认知负荷、建构主义和关联主义理论阐述了翻转课堂理念，构建出翻转课堂的独立学院大学物理教学模型，以期为独立学院理工科类物理课程的教学改革提供帮助。

一、翻转课堂简述

1.翻转课堂的起源与发展

美国科罗拉多州是“翻转课堂”（Flipping Classroom，或译作“颠倒课堂”）的发源地，2007年前后，其位于落基山的“林地公园”高中的乔纳森·伯尔曼（Jon Bergmann）和亚伦·萨姆斯（Aaron Sams）两位化学教师帮助缺课学生补课，首先利用录屏软件录制课堂上教师实时讲解的音视频资料和对应的PowerPoint演示文稿，并将其上传至网络，供学生下载播放。后来，在线教学视频也被其他学生接受，因此两位教师就逐渐尝试课堂外学生观看课堂视频、听视频讲解，然后在课堂上完成作业，教师及时讲解学生学习中的困难和问题。这种课堂上教师指导解决问题、课堂外在家听看教学音视频讲解的教学模式相较传统教学模式发生了重大改变，我们称之为“颠倒”或“翻转”。[5]新教学模式的实施，被学生所接受并在更大的范围传播开来，引起了学校、家长和社会各界愈来愈多的关注，影响也逐步扩大。

开放教育资源（OER）运动推动了“翻转课堂”的发展。大量优质教学资源的涌现，例如麻省理工学院的开放课件、耶鲁大学公开课、TED ED视频和可汗学院的微视频等有力地支持翻转课堂的教学开展，翻转式教学在开放教育资源运动的推动下，其影响力逐步扩大至全世界。

大规模在线课程（MOOCs）拓展了翻转课堂的教学内容和教学方法。2011年后，全球教育领域另一个重大事件——“MOOCs”（慕课）的崛起，使此前的翻转课堂在课前家中实施的教学内容和教学方式发生很大改变。慕课与以往的网络开放课程有着两点较大的区别之处：[6]一是强调 “互动与反馈”；二是倡导建立 “在线学习社区”。以往的网络公开课中，提供的视频或者学习内容为事先编辑好或录制好的。学生往往处于被动接受状态，教师与学生之间缺少交流与互动，学生之间亦是如此，学生课堂上没有参与感，学习动力不足，学习效果不深刻。通过“互动与反馈”和倡导“在线学习社区”，使学习者既是知识的获得者，又是知识的创建者。学生全程参与并沉浸在学习的建构中，记忆深刻，学习效果明显。在翻转课堂与慕课相结合的基础上，单向传授的教学视频播放并非翻转课堂的重点，而对学生深层次认知能力提升有帮助的教师与学生之间、学生与学生之间的交流与互动方面的发展是最值得人们关注。

2.翻转课堂的本质及作用

知识传授与知识内化是翻转课堂教学过程的两个主要阶段。在传统教学中，知识传授过程主要通过教师课堂内的讲授完成，然后学生在课后进行作业、操作或实践完成知识内化过程。翻转课堂模式下，这两个教学过程被颠覆。借助信息技术的帮助，学生主要在课堂外完成知识传授；课堂上，知识内化则由教师的指导和学生的主动参与探究来完成。这实际上也让原来的消费式课堂变成了生产式课堂和创造式课堂，颠倒教学过程改变了学习过程中的各个环节。[7]对比传统和翻转课堂的各个要素，具体情况如表1所示。

表1 传统课堂与翻转课堂各要素的对比表[3]

在翻转课堂中，教师从传统课堂的知识传授者成为了学习指导者和促进者，教师和学生的角色发生了转变。教师在课堂上不再以全班性的传授知识为主，而是以回答学生的个性化问题为主，原来在课堂上讲授的知识，学生可以在课前自主完成。[8]

在翻转课堂中，学生高度参与学习，学生可以与同学、教师反复地交流互动，逐步扩展知识面，挖掘知识深度，学生是学习的主角，因而翻转学习最终达成一个构建深度知识的学习过程。

国内外学术界对翻转课堂进行许多探究。综合比较有影响力的观点，翻转课堂的作用和效果主要体现在混合式学习的优势、更符合人类认知规律、更有助于新型师生关系的构建、促进教学资源的有效利用和开发以及“生成课程”的新理念等几个方面。[6]

二、独立学院大学物理教学现状分析

独立学院是指实施本科以上学历教育的普通高等学校与国家机构以外的社会组织或者个人合作，利用非国家财政性经费举办的实施本科学历教育的高等学校。独立学院是我国高等教育发展到一定阶段的产物，顺应了世界高等教育民营化和市场化发展的趋势，弥补了公办高校和民办高校的某些不足，对我国高等教育做出了积极贡献。[9]在整个高等教育规模数量增加的大环境下，受高考招生和人才培养的制约，较普通二本学校，独立学院有着自身的特点。笔者结合自身在独立学院教学的经历、体会，综合国内学者研究成果，对独立学院大学物理教与学的现状进行了分析。

1.学生大学物理学习状况分析

由于高校连续几年的扩招，学生不再是纯粹来自青年群体的精英层次，考察湖南省近几年本一、本二和本三省控线的变动趋势自然得出这一结论。（见表2）

表2 湖南省2003年、2013-2016年高考招生省控线对照表

说明：表中数据根据湖南省普通高校招生录取资料整理得到，A表示一本高校独立学院层次，B表示二本高校独立学院层次。

学生素质变化客观上造成了大学物理学习障碍。分析2013-2016年近四年的省控线得出，本二学生分数占高考试卷总分（750分）的60%～65%。本三学生省控线仅占高考试卷总分的47-65%，文史类学生最高占到62%（2013年），最低为57%（2016年）；理工类学生省控线最高占到高考试卷总分的54%（2014、2015年），最低为47%（2013年）。研究发现，高考成绩反映的学生恒心、勤奋、学习能力等方面的特质均具有较好的与其一致的稳定性，而这种稳定性对学生后面的学业成绩同样具有参考价值。[10]独立学院整体生源质量不高，与母体学校学生录取分数相比，差距较大，即使在独立学院学生之间，其录取分数也相差较大，生源水平参差不齐。因此，造成独立学院学生的心理状态和未来学习目标与本二、本一相比差异明显，这成为独立学院教学质量提升的障碍。

学习兴趣不浓，动力不足。独立学院学生基础相对薄弱，并且很多理工科的学生是由文科生调剂过来的，再加上大学物理课程的物理理论本身抽象、难懂的特性，导致学生在学习大学物理时觉得困难重重。[11]梁金荣[12]文章调研了高职院校的理工科学生对大学物理学习的兴趣，结果表明，60%～70%的学生对大学物理没啥兴趣，兴趣较浓的学生非常稀少，这一点也极其明显地体现在独立学院学生的学习中。部分学生录取专业和志愿专业不一致，以及录取分数相对较高的学生，自认为高考“失利”，感觉沮丧，同时觉得独立学院层次较低，大学文凭含金量不够，信心缺乏，学习失去最初的动力。

独立学院学生数理基础薄弱，学习主动性不够，自我控制力较弱，学生对大学物理学习比较吃力。林依勤[13]曾于2011年对湖南科技学院的大一至大四年级学生的数学能力进行了调查测试，结果表明，本二学生的数学能力不尽如人意，33.6%的学生不及格，这一现象也反映在独立学院学生中，并尤为严重。学习大学物理的数学基础知识（例如微积分、极限等）的不足，直接影响到大学物理基本理论、规律的学习和理解。教师课堂授课须花大量时间进行相关数学知识的讲解和推导，加重了大学物理课堂学习的负担，加剧了大学物理课时少而教学任务重之间的矛盾。

独立学院学生社会活动能力强，具有较强的参与意识和参与能力。以衡阳师范学院南岳学院为例，与母体学校衡阳师范学院的学生相比，学生家庭相对富裕，各方面条件优越，受父母、家庭影响，学生头脑灵活，动手能力强，容易接受新鲜事物，社会活动能力、参与意识和参与能力都比较强，其创新潜力甚至比本二、本一的学生还要大。

2.教师教学现状分析

独立学院的办学性质决定了其办学必须与母体高校共享教学资源，其发展离不开母体高校的支持。以衡阳师范学院南岳学院为例，从成立之初到发展至今，主要依靠母体学校的师资力量完成教学任务，这一现象在湖南省独立学院中具有相似性。近几年，独立学院逐渐拥有了自己的专职教师队伍，但多是返聘母体高校或其他高校的退休教师。国家对独立学院的发展无明确规划，母体高校对独立学院师资队伍建设动力不足，独立学院师资对母体高校的高依赖性、师资短缺和结构失衡的情况将继续存在。

大学物理丰富的教学内容和日益减少的学时之间的矛盾难以有效解决。以衡阳师范学院南岳学院为例，作为理工科类专业基础课程，大学物理一般安排在第二、三学期，囊括了力学、热力学、电磁学、波动光学、量子力学基础等内容，每学期安排48学时，教学内容多，课时相对偏少，教学课时与教学内容间的矛盾需寻求课外的有效途径予以解决。

单一的教学手段和固化的教学思维不适应信息化教学发展的要求。大部分教师采用了多媒体技术辅助教学手段，减轻了课堂教学工作量，增加了课堂教学容量，但基于讲授主义的传统教学手段对学生的吸引力不够，教师与学生之间的互动不足，学生参与性不强，造成学生对知识理解不透彻、记忆不深刻。教学效果取决于学生的基础、主观能动性和教师的辛勤付出。

三、翻转课堂教学模式的理论基础

翻转课堂是一种将课内和课外的学习活动颠倒的教学模式，其实质是将知识传授和知识内化的顺序颠倒。随着课程与当代信息技术的深度融合，翻转课堂成为国内外各学校课堂教学改革的一大焦点，也取得了优异成效。根据独立学院大学物理教学的现状，结合独立学院学生特点，构建大学物理翻转课堂教学模式，主要基于以下三个理论。

1.认知负荷理论

认知负荷是原因维度和评估维度组成的多维结构，这种多维结构反映了在处理具体任务时加在学习者认知系统上的负荷。原因维度反映了任务与学习者特征之间交互的特性，评估维度则由心理负荷、心理努力和绩效等可测性概念所反映。[14]认知负荷理论中，工作记忆和长时记忆组成人类认知结构假设，工作记忆又称感觉记忆，其容量有限。长时记忆的容量几乎是无限的，是学习的中心。认知负荷理论表明，在长时记忆存储信息是教学的主要功能。认知负荷理论认为有三种类型的认知负荷——内部认知负荷、外部认知负荷和关联认知负荷。内部认知负荷取决于学习者和学习材料本身；外部认知负荷是独立于内部认知负荷的额外负荷，主要由不当的教学设计产生的；关联认知负荷是指与促进图式构建和图式自动化过程相关的负荷。教学过程需要尽量减少外部认知负荷，增加学习过程中的关联认知负荷，且使总认知负荷不超出学习者个体能承受的认知负荷，促进有效学习的发生。宋艳玲等人[15]从认知负荷角度对翻转课堂教学模式进行了研究，认为翻转课堂教学模式可以使认知资源分配更加合理，从而降低了学习者的认知负荷，取得更好的学习效果。

2.建构主义学习理论

建构主义学习理论认为学习过程是学习者主动建构知识的过程，学习者对知识的理解具有多样性，并不存在唯一标准，而是根据自己的经验背景，以自己的经历和方式构建对知识的理解，自己决定对世界的认知和意义赋予。与传统的大学物理教学模式比较，翻转课堂更注重学生知识内化阶段，改造物理教学中传统的接受式教学重教轻学，忽视学习者主动性、积极性的弊端，契合建构主义学习理论内在要求。

3.关联主义学习理论

随着信息技术的发展，网络对人类社会产生了深远影响，网络和虚拟思维逐渐成为了人们一种重要的思维方式。乔治·西门思（George Siemens）从网络思维的角度来研究学习过程和本质，提出了一种新的学习理论——关联主义。关联主义学习理论认为，学习通过涉及信息导航的各类线索的“路径寻找”和对知识领域进行探索、协商的 “意义建构”；通过比较关联主义和其他学习理论，王佑镁、祝智庭指出未来学习体系基本取向是外部联结与内部神经元联结，前者基于分布式知识库，后者基于信息处理。[16]在翻转课堂中，学生成为了学习过程的中心，在教师指导下，围绕学习主题，借助信息网络技术的支持，探索与之相关的知识领域，并就此与同学、教师等展开讨论，形成个体对学习主题的理解。

四、大学物理翻转课堂教学模型设计

目前，人们提出了多种翻转课堂教学模型，经过多年的教学实践，美国Robert Talbert总结一种普遍适用的翻转课堂模型（见图1）。该模型描述了翻转课堂中各主要教学过程，对理工科类操作性强的课程比较适用。

图1 Robert Talbert的翻转课堂结构图

张金磊[3]等人根据翻转课堂的内涵，结合Robert Talbert教授提出的翻转课堂模型的优点，给出了更加完善的翻转课堂模型（见图2）。该模型将翻转课堂分为课前学习和课堂学习，信息技术和活动学习成为创设翻转课堂学习环境的有力杠杆。

图2 翻转课堂教学模型

根据认知负荷理论、建构主义学习理论和关联主义学习理论，按照翻转课堂本质要求，分析各类翻转课堂的模型，结合独立学院教学资源和学生的特点，笔者提出更适合于独立学院的理工科类大学物理课程的教学模型（见图3）。该教学模型基于翻转课堂理念，包含了课前学习、课堂学习和交流互动三大模块，其中课前学习和课堂学习属于教学过程，交流互动活动则于固定的交流平台中完成，其贯穿于整个教学过程。在大数据资源和信息技术的支持下，学生借助手机、电脑等网络终端设备，课前可以随时随地开展知识传授活动，并且通过交流平台进行讨论、分享，完成知识探索，逐步构建个体理解的知识体系，克服了普通翻转课堂学生单纯观看视频缺乏互动交流、分享的缺点；课堂中，教师根据课前学生测评结果和交流互动情况，确定课堂探究问题，解决问题，促进学生知识内化，形成总结，并将其以视频、文字、图片等形式共享于交流平台上，供学生课后复习巩固用。

图3 独立学院大学物理翻转课堂教学模型

1.课前设计模块

最大化地开展课前学习是大学物理翻转课堂教学的主要特征之一。学生借助信息网络技术手段和优秀的教学视频，充分利用课外碎片时间，不受时间和地点的约束，不断延长课堂学习时间，提高学习效率，改善教学效果。

（1）教学视频设计与制作

在翻转课堂中，知识传授过程主要是学习者在课前观看任课教师提供以课堂教学视频为主体的相关丰富的学习资源来完成。课堂教学视频可由主讲教师亲自录制，也可以共享网络优秀的教育资源。

目前，国内外涌现了大批优秀的开放教育资源，例如，哈佛和耶鲁大学开发的公开课、可汗学院课程、TED、Coursera、Edx和Udacity等大规模在线课程以及清华大学的学堂在线、中国大学MOOC、微课网等。在众多的优质教育资源中，教师寻找与课程教学内容相关的教学资源，既节省了人力、物力，减轻了教师工作量，又提高了教学效率、增大了教学资源的利用率，同时也使学生享受全世界优秀教师讲授的优质课堂。

教学视频必须跟教学目标、教学内容一致。考虑不同专业班级学生的差异性，需要多版本地录制或制作教学视频，并根据学生的实际情况对教学内容进行针对性讲解。教师要给出自学提纲，引导和帮助学生自学、相互交流，指导学生在交流平台中有效互动，构建自我知识图解，降低外部认知负荷，提高关联认知负荷。

教学视频以微视频为主，每个视频时长在5～15分钟。传统的教学视频一般以一课时的内容作为知识单元进行讲授，时长在45分钟左右，内容丰富，学生注意力难以持续保持，课前消化困难，更是给学生利用细碎时间的学习带来阻碍。因此，相较“传统课堂”，“翻转课堂”教学视频需从两个方面进行改进。一是采用“录屏软件+PPT”的方式进行教学视频的录制。选择一个录屏软件，以PPT空白演示文稿为电子白板，根据学生的学习认知规律和知识的内在逻辑，把教学问题的讲解过程一步步地呈现在PPT演示文稿上，同时配以语音讲解。[17]这样录制的教学视频，视频信息精炼、明确，无其他冗余信息，帮助学生集中注意力，提高课前自主学习效率。二是细化知识单元粒度。将一节物理课的教学内容划分为若干个知识点，每1～2个知识点使用一个微视频进行讲解，这些微视频的时长，一般在5～15分钟。每个微视频配有相应的针对性练习进行巩固，教师要利用“最近发展区”理论，合理设计练习的难易和数量，指导和帮助学生顺利完成新、旧知识的过渡。

（2）快速少量的测评

在翻转课堂教学模式中，课堂上教师讲得少，学生交流互动、讨论多，因此，课前要求学生必须进行有效的教学视频学习。快速少量的测评有助于教师了解学生对课堂知识的理解和掌握程度，有助于教师发现学生学习过程中存在的难点和疑惑，同时也是评估学生是否开展有效学习的重要手段。交互平台相关功能模块将测评的结果及时汇总并处理，帮助教师了解学生的学习状况，为课堂教学活动的开展提供素材和依据。

2.课堂活动模块设计

大学物理翻转课堂教学关键是在开展课前预习的基础上如何通过课堂活动设计完成知识内化的最大化。

（1）确定问题

根据教学目标，教师查看学生课前学习情况，综合分析、总结，提出与课堂相关的、具有探究价值的问题，这些问题的解决将有助于学生对知识的理解和掌握，有助于解答学生的疑惑和消除学习中的困难。例如“机械运动”章节中的“简谐运动的动力学特征”这一节课可以设计这几个问题：①二阶常系数齐次线性微分方程的解法；②弹簧振子模型的数学表示和物理定义；③近似简谐振动的常见微振动的处理；④简谐运动的举例判断；⑤常见简谐振动的线性回复力探究；⑥应用探究。

学生根据自己的兴趣与前期学习的理解来选择相应的探究题目，教师根据学生的实际情况，有针对性地指导学生进行问题选择。教师按问题进行分组，选择同一问题的学生自然组成一个讨论小组，教师加以适当引导，根据班级人数和课堂活动时间，每班可分成5～8个小组，每组5～10人。

（2）知识内化

课堂内的教学活动以学生讨论、探索式学习为主，教师适时引导、启发学生，促进学生对知识理解迈向更深层次。学生以小组为单位，根据选取的问题，学生先独立探索，再相互交流，印证理解，最后形成小组探索结果。学生在探索过程中，通过借助手机、ipad等网络终端设备，查阅相关资料，或相互学习，或请教教师，跨越相邻问题梯度，自主解决问题。分组讨论学习完成后，每个小组派出代表通过课堂现场讲解或者交流互动平台上的成果展示等各种方式或途径跟同学、教师及时交流互动，汇报问题探究、解决的过程，与同学分享学习过程和收获，教师课堂上加以引导、深入，形成最后的学习结果。为调动学生参与课堂自主探究学习的积极性，教师可以量化学生课堂学习表现，并计入平时成绩。

（3）总结反馈

经过课堂讨论、探究学习后，教师对知识进行总结，形成体系，组织完成本课堂知识架构，帮助学生将知识消化、整合并内化。最后布置下一次课堂学生学习的任务、要求和目标。每次课堂学习完成后，教师根据学生学习情况和交流平台上的评价反馈信息，进行教学总结，及时调整教学方法、手段和教学目标、要求等，为下一步教学计划的制订提供依据。课后，引导学生将自己的汇报过程录制成视频片段，上传至交流平台，同学间利用课余时间相互观看、分享和回顾。

五、结论

翻转课堂相较传统教学有着开放、交互性的特点，更能体现“混合式”学习的优势，更符合学生的认知规律，借助信息技术手段，将教学资源利用最大化。独立学院大学物理教学现状使其教学改革势在必行，信息技术的发展和革新和以其为基础的信息化教学资源的涌现为教学改革提供了技术支持。独立学院学生整体突出的参与意识和较强的动手、创新能力为翻转课堂理念的应用提供了良好的学生基础。目前，在独立学院大学物理课程中实行翻转课堂教学更适合其教学现状和特点。当然，在翻转课堂教学中，教师要付出更多的时间和精力为学生准备课前学习资源（尤其是视频教学资源），精心准备课堂讨论主题，充分利用信息网络平台和互联网终端设备，引导学生进行自主性和探索性学习。

[1]罗兴垅,罗颖.独立学院大学物理教学研究[J].大学物理,2010(1)：55-56.

[2]桑新民,李曙华,谢阳斌.“乔布斯之问”的文化战略解读——在线课程新潮流的深层次思考[J].开放教育研究,2013(3)：30-41.

[3]张金磊,王颖,张宝辉.翻转课堂教学模式研究[J].远程教育杂志,2012(4)：46-51.

[4]马海兴,刘义东.独立学院大学物理教学模式探索[J].中国科技信息,2012(9)：202-223.

[5]何克抗.从“翻转课堂”的本质,看“翻转课堂”在我国的未来发展[J].电化教育研究,2014(7)：5-16.

[6]顾小清,胡艺龄,蔡慧英.MOOCs的本土化诉求及其应对[J].远程教育杂志,2013(5)：3-11.

[7]桑新民,李曙华,谢阳斌.21世纪：大学课堂向何处去？——“太极学堂”的理念与实践探索[J].开放教育研究,2012(2)：9-21.

[8]刘震,曹泽熙.“翻转课堂”教学模式在思想政治理论课上的实践与思考[J].现代教育技术,2013(8)：17-20.

[9]史建新,陶平.独立学院大学物理教学的现状与思考[J].中国现代教育装备,2010(23)：102-106.

[10]吕欣,古副文.高考分数与大学成绩相关性实证分析[J].教育情报参考,2005(9)：16-17.

[11]朱叶青.独立学院大学物理学习现状分析[J].科技资讯,2014(22)：241.

[12]梁金荣.高职院校大学物理课程状况分析与改革探析[J].韶关学院学报,2015(2)：97-100.