基于MOOC平台下大学物理实验翻转课堂教学模式的应用与探讨

许 飞 罗锻斌 谢海芬 朱江转

(华东理工大学理学院,上海 200237)

大学物理实验作为理工科高校教学中的基础学科,其创新教育功能和载体作用早已为人们所共识,在培养学生各方面能力中的作用和地位是显而易见的。大学物理实验室是理工内院校的一门大面积必修课。目前,我院物理实验中心承担了全校理工科32个专业近2600人的大类平台课“大学物理实验”的教学任务,年教学工作量近20万人学时。大学物理实验在我校是一门独立的基础课程,培养学生运用实验手段观察、发现、分析和解决问题的能力,培养学生严谨的科学思维和创新能力,在适应科技发展与社会进步对人才需求方面有着不可替代的作用。

目前,我校大学物理实验采用两段式循环教学模式,三周完成两个实验,第一周两个班级预习,后两周两个班级交替完成实验。在长期教学中我们发现,虽然实验操作课课前老师会再次讲解主要部分,但由于时隔一周,学生对实验内容遗忘很多,预习课的效果不佳;其次,在课程设置中,综合性与创新性实验内容较少,教学模式单一,缺乏学生独立思考、自行解决问题的环节。为了提高课堂教学效率,让学生能够充分自由地利用课堂有限时间,更好地培养学生自主学习能力,我们对原有的教学模式进行了深层次改革,将翻转课堂理念引入到教学模式中[1-2]。本文将具体分析目前大学物理实验教学模式存在的问题,探讨翻转课堂模式在教学中的应用,并具体介绍该模式的实施过程。

1 传统教学模式存在的问题

近些年来,不少学者针对大学物理实验课程教学模式进行了探索和实践,实验效果有一定的成效,但仍然存在一些问题和不足,主要表现在:

1) 由于实验课时有限,学生在实验时“照方抓药”,使得学生素质提高与创新能力培养受到束缚。教师在课堂上利用有限课时详细讲解实验的调整方法和技巧等,教师留给学生课堂操作的时间严重不足,最终导致学生分析问题、独立思考的能力很难得到提高,偏离了教学的最终目标。

2) 在教学过程中,学生之间、师生之间缺乏交流讨论,难以兼顾学生的个性化与差异化。教师为了完成教学任务,在有限的课堂教学时间内,很难兼顾到每位学生的个性与差异,很难及时处理每位学生的问题。

3) 教学内容固定、考核方式片面。大学物理实验在我校是学科基础教育课程,是一门理工科的必修课,面对全校30多个专业开放,涉及化工、药学、测仪、机设等专业,实验课程无法体现各自专业教学侧重点。实验成绩形式上采用“实验操作+实验报告”的评价方式,无法充分组织自评和组内互评等多元化评价主体参与评价过程。

2 以慕课为背景的翻转课堂教学模式

慕课(MOOC)即大规模网络公开课程(Massive Open OnlineCourse),是集课程、平台、教学过程和教学理念为一体的综合体[3-6]。MOOC 通过网络建立增进教师与学生互动的自由交流平台,课程内容丰富,以开放共享为理念,提供一个完整的学习经验与学习方法。翻转课堂起源于美国,由两位化学老师Bergmann和Sams将其应用在教学实践中。其利用现代化教学手段和网络资源,将传统的课堂讲授转变为课前观看视频、课上交流讨论的形式[7]。而MOOC 为翻转课堂提供了资源保障,以MOOC为背景的翻转课堂教学模式与传统教学模式截然不同。在翻转课堂中,学生发挥自身的主观能动性,更改了以往单调的师生角色,教师由课堂主导变为学生的知识引导者,学生成为真正的学习主体[8]。在以往教学过程中,教师侧重讲解,忽略了学生能否接受消化,忽视了学生的个性差异化,而在以MOOC为背景的翻转课堂中,师生通过网络平台自由交流,学生的疑难问题能及时被发现并予以解答[9]。

针对传统教学模式中存在的问题,我们将以MOOC为背景的翻转课堂教学新模式引入到大学物理实验教学当中,充分考虑不同学生的个性化与差异化,通过微课、手机APP等资源,将教师面授教学改为以学生为主导的主动学习模式,这样能够更好的培养学生自主学习、独立思考、合作探索的能力[10-11]。目前,我们已经开设了部分班级作为MOOC试点班级。

2.1 课外预习资源配置

优秀的教学视频是翻转课堂教育模式的重要工具,也是教学过程顺利进行的保证[12]。我们建立了以手机APP“学习通”为平台的翻转课堂教学模式。超星学习通作为一款移动教学工具,相比于同类产品有着以下几点突出优势:(1)资源丰富。通过首页“找资料”以及“移动图书馆”可以查找大量资料,包括期刊、图书、专题、报纸、讲座等;(2)数据同步。学习通手机APP与电脑端网络教学平台学习数据同步,包括建设课程数据、课题互动、学习数据等;(3)交流功能。通过单位账号实名登录,可以进行同校间、校际间线上交流。另外,完备的教学模块也是众多教学者选择学习通的原因之一,包括资料发放、班级群聊、课中互动、签到投票等,连主流的直播功能也是支持的。

根据教学内容安排录制微课视频制作教学课件并上传至“学习通”平台,如图1所示。在传统教学模式中,学生主要通过完成预习报告的形式进行实验预习,遇到问题只能自己查阅教材,对实验步骤的熟悉、仪器结构的认识比较抽象,导致预习的效果不佳。新模式下,预习不再是学生枯燥地完成预习报告,取而代之的是生动形象的微课视频等资源,并在线上完成预习思考题,如图2所示,学生须在视频观看中进行穿插答题,不答题则视频中断。每学期安排八个必做实验和两个选做实验,每个实验设置了七八个预习问题;在学习通APP 还准备了课题研究实验和虚拟仿真实验,学有余力的同学可以根据需要选择学习。教师端“学习通”APP记录学生视频学习时长以及答题的准确情况,从而给定预习成绩。传统教学模式下教师课堂对实验目的、原理、步骤、操作技巧等长时间讲解,被分解在学生的课余时间。

图1 学习通平台手机页面

图2 学习通视频页面

新模式下,学生通过APP视频等相关教学资源完成实验项目的学习,使得大学物理实验的学习过程更具有趣味性、主动性和针对性[13]。学生结合自身学习计划,选择合适时间登陆APP观看视频,学生可以更好的利用学习时间[14-16];其次,不同基础的学生可以结合自身对实验的理解情况,有针对性的选择播放教学视频的次数。

2.2 课中夯实理论,自主实验

传统教学模式中,教师需要在课堂上花费大量的时间讲解实验原理、步骤、仪器、注意事项等等,耗时费力;同时,留给学生自己动手操作的时间不足,学生操作的机会减少。在以MOOC为背景的翻转课堂教学模式下,学生可以深入地预习,教师则可以不再介绍实验步骤等。

新模式下,课堂中更多注重通过师生交流讨论的方式引导学生内化知识[17-18]。前期我们做了充足的准备,对每个实验的重难点设置问题构成题库,课堂面授中教师从题库中随机抽取相关问题进行课堂讨论,并充分利用教学设备资源,将APP相关模块投屏至课堂大屏幕;每个实验教师在学习通APP里通过“抢答”“主题讨论”“随堂练习”等活动方式设置七八个问题。由师生互动代替了原来的教师讲解,学生都会积极参与进来。讨论中,学生可以进行互动并再现于大屏幕上;在学生之间、师生之间的交流互动中,教师可以了解全班同学的前期预习情况,学生在了解彼此答题情况的过程中,对实验的重难点已潜移默化地吸收,知识的传递更加有效。这里以2019年秋C43与D43班级直流电桥实验为例介绍课堂讨论的相关情况。图3是课堂讨论相关问题,题目设置紧扣电桥实验的重难点,如“惠斯通单臂电桥的误差来源? 如何消除”“如何理解并实现电桥快速平衡?”等;在某一次电桥实验面授课“主题讨论”的具体投屏中,教师提出问题:“自搭电桥有哪些系统误差? 用什么方法修正系统误差?”并通过APP将问题投影至课堂大屏幕,学生结合自身的预习情况陆续给出答案,教师通过学生的回答了解学生对实验相关内容的掌握情况;投屏互动中还有“签到、抢答、选人”等环节,如图4所示;在这些环节中教师根据学生参与情况对学生进行加分,课程结束系统会自动统计学生成绩。

图3 学习通主题讨论页面

在这样的课堂讨论交流之后,学生已熟练掌握实验的重难点以及仪器调节的注意事项与技巧,不仅提高了课堂效率,更重要的是学生调动了主观能动性,改变了单调的师生角色关系,教师由课堂的主导者变更为学生知识的指引者,学生真正成为学习的主体。

2.3 课后评价反思,拓展提高

课后阶段,学生在实验基础之上,进行实验报告的撰写,进行详细的数据处理,对实验结果进行了分析和评定,将自己在课堂遇到的问题、注意事项以分析思考题的形式进行展开。

图4 课堂投屏功能选择

课后的反馈评价对于翻转课堂至关重要,教师通过这一环节可以了解学生对课程的掌握程度以及课堂的教学效果。新模式下,我们通过以下三个方面来实现反馈评价:(1)评阅实验报告,重点批改数据处理与分析思考题;(2)教师通过APP中问卷、学生反馈模块进行线上平台数据统计;(3)将翻转课堂与信息化相结合,建立了MOOC班微信群辅助教学。通过以上方式,教师对新模式下教学效果进行调查,了解学生对知识的掌握程度、参与讨论的情况、实验的兴趣等,从而优化教学方案。

3 新模式实验教学效果分析

基于MOOC平台下实验翻转课堂教学,课堂环节发生转变,新知识的学习过程与学习深度内化过程发生颠倒,教学空间由单一的课堂延伸到任何场所和时间;传统教学模式教师向学生灌输知识,教师起主导作用,新的教学模式,教师不再是知识传播的唯一来源,知识传授放在课堂外,学生在教师引领下自主学习,由教师单一讲授转变成交互学习[19]。

相对于传统教学,翻转课堂形式下,由于教师提前准备了丰富的、更加具体形象的资源,包括PPT、视频等,实验预习课和操作课的时间有一定的减少,如拉伸法测量金属丝的杨氏模量实验,预习课时间由90分钟减少到70分钟,实验课大部分同学均能提前完成,规定课时内完成不了实验的现象大大减少;更重要的是,翻转课堂模式下,教师讲授的形式部分由“抢答”、问卷等形式替代,课堂气氛更活跃,学生课堂提问增加,学习效果也更好。在MOOC试点班级中,随机抽取了八个班级192名学生进行问卷调查,如表1所示。对新模式实验效果,整体满意度超过95%,不满意的情况为0;其中,超过98%的同学认为新的教学模式大大地激发了学习兴趣,近94%的同学认为新的模式提高了学习的自主性与主动性;超过91%的同学,对学习资源满意。可见,基于MOOC平台下实验翻转课堂教学模式,让学生有了更多的自主选择权,大大地调动了学生的学习兴趣与热情,有利于更大程度地挖掘学生潜能,提高了教学效率。

表1 MOOC翻转课堂教学满意度调查统计表

4 结语

在新形势下,对原有的教学模式进行了深层次改革,将两种新型教学模式MOOC与翻转课堂有效结合起来,引入到大学物理实验教学当中,力求达到教学效果的最优化。目前,我国已拥有较多类似MOOC的优质资源平台,翻转课堂可以很好地利用这些优质资源发挥作用,促进学生个性化发展,有利于加快我国教育信息化建设,基于MOOC平台的翻转课堂教学模式势必成为教育改革的新趋势。