翻转课堂结合PBL在物理实验教学中的实践

赵国俭 王旗

[摘 要]大学物理实验是工科院校最重要的一门基础课，为提高教学效能，应该采用什么方式主导教学是每位相关教师必须考虑研究的一个严肃问题。互联网的普及和计算机技术应用的推广，使“翻转课堂”结合PBL教学模式变得可行和现实。特别是2020年全球疫情防控的特殊时期，翻转课堂教学模式发挥着决定性作用，且收到良好教学效果。文章就东北大学近年来该课程翻转教学结合PBL教学法情况向同行们介绍，以示借鉴，为高校基础课教学助力。

[关键词]大学物理实验;翻转课堂;慕课;PBL教学法

[基金项目]2020年5月东北大学“东北大学PBL教学法研究与应用项目”（NEUJX04217）

[作者简介]赵国俭（1964—），男，吉林长春人，理学硕士，东北大学理学院副教授，主要从事大学物理及实验教学与研究;王 旗（1981—），男，辽宁沈阳人，物理学博士，东北大学理学院副教授，主要从事大学物理及实验教学与研究。

[中图分类号] G642[文献标识码] A[文章编号] 1674-9324（2020）47-0-03[收稿日期] 2020-09-18

一、引言

大学物理实验课是工科院校本科生重要的一门必修基础课，通过对该课程的学习，可以锻炼学生从理论知识的掌握到实践能力的培养起着关键作用，是本科生培养计划中重要教学环节。教好学好应是每位当事教师或学生必须思考研究的一件大事，多年来，由于条件所限，一直沿用着传统的教学模式来进行教学，但总不能达到预期效果。传统物理实验教学分三步走模式，即课前预习、课中实验操作、课后写实验报告，但效果差强人意。首先说这三步走没问题，符合教学规律，但学生若以最终实验报告成绩为追求第一目标的话，三步走的执行落实就出现了很大漏洞和问题。而翻转课堂教学模式可以有效改善这种状况，会使学生学习变被动为主动，达到教与学良性循环[1-5]。

二、小步慢走，循序渐进，效果明显，稳步落实

近年来，物理实验教学中心完成了信息化建设的初步工作，在软硬件方面均投入建设，并显现出实际效益。硬件设备包含：电子门牌智能锁、监控系统、电源远程控制系统等。软件系统方面包含：实验中心门户网站、实验室管理、实验教学管理、实验室开放管理、实验室仪器设备管理等。实验中心门户网站实现了信息发布、资源共享、虚拟仿真平台链接等功能。实验室管理可管理实验室使用用户、门禁授权、实验室监控管理、实验台远程电源控制等。实验教学管理实现了选课与排课两种运行方式的并行。物理实验教学中心面向全校工科各专业开设“大学物理实验”课程采用了学生选课模式，面向物理类专业实验课程采用了排课模式。同时，将学生的预习、操作、实验报告全部实验课学习流程纳入系统管理，提升了实验室运行效率。实验室开放管理系统面向学生课外开放共享实验室，以竞赛、大创为抓手，给予优秀学生以更多的实验室条件。受益于系统的建设，实验室正在由关门向开门共享转变升级。实验室仪器设备管理系统有效地保证了实验室仪器设备全生命周期的管理，配合了实验室的6S标准化建设。

物理实验教学中心在6S标准化、信息化的建设基础之上开展了一系列的教学改革工作，开启了实验课教学的翻转课堂、智慧教学，学生主动学习的积极性被极大地调动起来。我校就有关大学物理实验教学方面出现的问题做了深入思考和研讨，根据现有条件以及客观环境要求，对于如何改善教与学的关系做了多方面的尝试，现把近年来分步骤改革经历过程做成下表所示。

上表中第三阶段是很接近翻转课堂模式了，当然，随着时间的推移及经验积累，还可以做得更好一些。随着网络资源不断丰富，教学方式不断优化调整，会使乏味的学习变得生动、有趣。学生不再单纯地依赖课堂学习知识，课堂与老师的角色无形中发生了变化，老师更多的责任是去理解学生的问题并引导学生去运用知识解决问题。

三、疫情下大学物理实验课高质量完成

2020年春新冠肺炎疫情的暴发，对高校教学提出了严峻挑战，如何保障高校教学顺利进行，且不打折扣完成教学计划是摆在每位教师面前的严肃问题。我们物理人审时度势，认真探索，寻求新路。将困难当机遇，将机遇当动力，寻找出以翻转课堂模式为理念，开辟线上教学新路径，设计出大学物理实验网上教学新模式，即家庭实验及网上虚拟仿真实验相结合模式。在实验中心领导带领下，教师们齐心协力，精心设计出符合特殊形势下的实验教学方案，引导学生注意观察日常生活中的物理问题，了解到生活中普遍存在且很容易被忽略的问题，类似这些都可纳入实验课程计划中，生活中事情大家很熟悉，把它提炼到物理层面的高度同学们一定会感兴趣，并会投入高度热情研究并学习。

1.观察身边生活，捕捉物理信息。比如观察一盏照明灯（路灯或家庭照明灯），采用不同方式来观察会看到不同的观测效果。如直接用眼观视、透过指缝观视还是借助照相机直接拍照记录，会看到意想不到的实验效果。从拍照结果来看，会发现照片中出现了从灯中心发出的一些光线（星芒）。为什么是这样，背后隐藏着哪些物理信息;再比如：将点燃的蜡烛放在瓶子后面，如果你从蜡烛的后面吹瓶子，蜡烛同样可能熄灭。这又為什么会这样。类似例子还有很多，都会引发学生们思考。诸如此类，很有趣，很生活，这就是物理问题。

2.可以利用手机做实验。手机是当今社会人们手边必备的通信工具，有谁会想到利用手机还可以做许多物理实验。事实上手机里嵌着很多可供使用的传感器，通过下载phyphox软件可以激活使用。利用它可以做单摆实验、电梯运行中的加速度测量实验等等。下面几幅就是利用手机记录的时时动画状态。

通过仔细挖掘发现，手机功能实在是强大了，利用它可以做很多有趣有意义物理实验，因此有同学非常感慨说：“通过这次手机实验，我体会到，实验不一定要在专业的实验室里才能实现，实验就来源于生活，只要细心观察，从一件件小事中都能看到物理学的影子，各种物理定律无时无刻不对我们所在的世界发挥着作用！没想到我们每天都在用的手机居然集成了这么多种类的传感器，可见生活中要善于观察，更要有探索精神！”

3.利用家里可利用的条件，可做些定性或定量探究性物理实验。又如在设计测量重力加速度实验中，充分发挥并挖掘家庭中现有的可用资源，如可将毛线当作摆线、小磁铁块作为摆球、卷尺可用来测量长度等，再如设计波动光学实验中，像头发丝，泡沫盒都有其用武之地，像这些平时常见的物件关键时刻都可派上用场。物理实验不一定是高大上，也许是小精简生活化，寻常百姓也可走进科学认识科学。家庭也可以是课堂，课堂就在身边。在家做实验，难免会缺少精确的设备，这在给自己带来困扰的同时，也让自己感受到了“自己创造条件”的乐趣。有的同学深有体会：“测重力加速度时，我把表弟的悠悠球给征用了，家里没磁铁，只好用光照来测周期，于是我用台灯、两个小音箱、一些书做了一个简易的光电门，虽然测出的结果不一定像在实验里那样准确，但由于实验从头至尾都由自己设计、执行，所以就对实验有了更深刻的理解。”

4.虚拟仿真实验是家庭实验的有利补充。手机也不是万能的，若不能进入实验室做实验，那么虚拟仿真就是最好的选择。网络上有很多各高校或科研机构研发出来的物理虚拟仿真实验，学生们可以选作一些自己感兴趣的物理实验，每个专题实验项目提供的资料非常全面，有项目介绍、实验演示等，学生们可以通过自主观摩学习可以达到与线下相同的学习效果，像一些高大上实验家里做不了，又不能进实验室，那么做虚拟仿真实验是最好的选择，这是课堂翻转的又一种方式。

5.“战役版”大学物理实验教材横空出世。在2020年春季这一特殊时期，在师生共同努力下，制定并出版了符合当下需求且符合培养计划的新型实验教材—“战役版”大学物理实验。该教材涵盖了力学、热学、电磁学、光学等内容，配套有实验原理讲解、实验操作视频、参考数据、自测题等资源，还增加了拓展学习部分，让学生更好地了解物理学家在发现物理规律过程中的故事，在大学物理实验教学中完成立德树人的根本任务。

经过一段时间网络教学，得到了学生的广泛认同。课堂翻转方式有多种多样，要因势利导，尊重规律，注重效果。总而言之，同学们不管是在家做实验还是进行虚拟仿真实验，都能达到发现问题、认识问题、解决问题的目的，只要有探索精神，严谨的科学态度，那么课堂翻转无处不在，生活处处是课堂。

四、翻转课堂结合PBL模式教学方式展望

1.加强慕课建设，完善慕课内容及知识体系，为翻转课堂提供丰富学习资源。

2.实验课程核心内容在于实验操作，在这方面要积极运作、探索，要多做一些实验操作视频，每个视频都要短小精悍，突出主题，内容集中。能有效抓住学生渴望得到知识愿望及需求的心理，视频的长度控制在学生注意力能比较集中的时间范围内。利用视频具有暂停、回放等多种功能，可以自我调节、自我控制，这样有利于学生的自主学习。

3.建立广泛的畅通的交流平台，架通信息共享通道桥梁。除了网络上广泛使用的微信、QQ等之外，还要利用好學校资源平台。总之，利用一切可以利用的环境条件便于沟通信息、答疑解惑，为课堂翻转助力，提高学习效率。

翻转课堂结合PBL教学法从根本上改变了教学实践，优化了传统的教学方式，提高了学习效率。物理实验再也不是老师做一步、学生跟一步的“广播体操”，而更像是老师制定规则、学生合作探究的“自由体操”，逐渐成为激发学生学习兴趣、获取物理知识、培养科学思维的重要途径。

参考文献

[1]苏恒宇.基于PBL理念的翻转课堂在建筑力学课程中的建设应用[J].当代教育实践与教学研究，2020（13）：19-20.

[2]张鑫.基于PBL的翻转课堂教学模式探索[J].知识经济，2020（19）：137+177.

[3]吴明彩，吕俊，徐蕾，陈祥攀.基于雨课堂的PBL翻转课堂模式在生物化学实验教学中的应用[J].教育教学论坛，2020（21）： 378-379.

[4]王蕊丽，孔祥洪，郭阳雪.翻转课堂中的大学物理实验教学[J].教育教学论坛，2016（40）：279-280.

[5]赵秋瑭，陈小凤，代锦辉，田荣刚.构建基于“卓越计划”的物理实验教学体系[J].实验科学与技术，2015，13（05）：105-107.

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