基于ARCS 模型设计移动模式的翻转课堂教学——以超导体的基本性质教学设计为例

钟向丽，宋宏甲，王金斌

（湘潭大学 材料科学与工程学院，湖南 湘潭 411105）

在教育部《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020 年）》提出的“加快信息化进程”及《教育信息化十年发展规划（2011—2020 年）》中提出的“建设智能化教学环境，推进信息技术与教育融合”的政策指引下，教育领域中新技术的研发及应用不断涌现，为教育带来了前所未有的机遇和挑战[1-3]。近年来，移动学习作为一种能够支持任何人、任何时候、在任何地方参与的学习方式，已受到国内外教育领域的广泛关注，其概念内涵、标准研制、环境构建及模式应用等已经得到大量探讨，大大促进了移动学习的推广和应用[4-5]。

翻转课堂是一种先学后教的教学模式，移动教学的发展为翻转课堂的高效实施提供了更多途径，教师可以借助移动平台实施学习任务安排、监督和评价，这为翻转课堂实践的内部发展因素研究提供了契机[6-7]。智能手机普及之前，翻转课堂的实施主要是教师事先将做好的PPT 或视频传给学生，学生利用电脑观看，利用课堂时间提出疑问和教师交流。相比于目前智能手机普及和移动平台的丰富，存在学习资源获取途径单一、交流不及时与学习效率低下等不足，并且学习过程无法监控，教师对学生课下学习情况掌握不足，使得教学效果难以保证。随着移动智能终端的普及和教学平台的发展，学习资源的获取途径多样化，学生和教师可以随时随地交流，保证了翻转课堂实施的外部环境。

一 翻转课堂中学生的动机水平

然而，移动学习模式的翻转课堂高效实施是一个系统工程，我们除了关注移动学习的外部环境因素之外，还应该重视移动学习模式的翻转课堂中学生的内部发展因素，学习动机就是其中一个重要方面。学习动机是在综合考虑学习者兴趣、目的、价值和期望的基础上，确保其持续学习的一种内部意愿，是促进学生深入学习的直接驱动力[8]。由于移动学习模式的翻转课堂学习是一种自主性较强的学习，要求学生有较强的学习动机、自控力来维持以保证较好的学习效果。而学习动机则能通过激起、调节、维持学生的学习活动来提升学习效果，有效解决这些问题。

二 ARCS 动机模型

学生的学习动机受教学活动影响，教师通过有效的教学设计结合动机策略可以有效提升学生的学习动机，从而保持最佳的动机水平[9]。ARCS 动机模型是为了激发和管理学生的学习动机而建立的，包含注意力（Attention）、相关性（Relevance）、信心（Confidence）和满意度（Satisfaction）四个方面。将ARCS 动机模式应用在移动模式下翻转课堂的教学设计中，在吸引学生的注意力、提高课程相关性、增强学生自信心和提升学生满意度四个层面提供有效策略，通过教学设计，让学生保持兴趣与注意力，可以有效提升学生的学习参与度、完成度和学习效果[10-11]。

三 移动模式下翻转课堂的教学设计

翻转课堂教学模式中，学生和教师一样成为教学活动的参与者，学生有了更多主动发挥的空间，更有利于培养学生的学习能力和创新思维[12]。移动教学模式为翻转课堂教学提供了良好的教学平台和学习管理系统，有助于教师实时掌握学生的学习情况，从而更好地因材施教，实现以学生为中心的教学[13]。在翻转课堂评价中，更注重学生知识技能多方面发展和多元评价方式，在学生积极参与过程中，不止知识、技能有所提升，也为价值、情感等培养提供了沃土，更加体现了教育的本质，培养身心全面发展之人[14]。同时，注重课堂内容设置、教学流程设计和教学措施的使用，培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人。因而，基于移动教学模式、翻转课堂教学模式、学习动机理论等相关理论综合分析，在教学内容、教学方法和教学评价等方面进行设计、优化并总结，对移动模式下翻转课堂教学设计的教学理论、教学观点和具体教学措施具有重要意义。

在移动模式下翻转课堂的教学设计中，需要考虑移动教学模式和翻转课堂教学模式的相互融合。教学组织和管理涉及线上和线下，教师与学生的交互方式包含面对面和不受时间、空间限制的交流，教学评价更加丰富和多元化。因而，教学设计需要更加细分化。比如，教学目标方面，需要同时注重在知识技能、过程方法和情感、态度和价值观方面的目标。教学评价方面，需要结合学习过程、自主学习情况和知识技能掌握情况等全面考核评价。教学内容安排方面，要考虑以学生为中心的原则、循序渐进原则等，不再是满堂灌。本论文将以功能材料课程为例，基于ARCS 动机模型进行移动模式下翻转课堂的教学设计。

四 基于ARCS 动机模型的教学设计案例

（一）内容概述

超导体的基本性质是功能材料课程中超导材料的内容，涉及到超导的基本概念，需要在认识基本概念基础上，认识超导体的零电阻特性和完全抗磁性，结合二者的理解，分析二者的区别与联系，为后续理解超导材料的其他性质、超导机制及其应用打好基础。

（二）教学目标分析

1 知识与技能

熟悉超导的基本概念；掌握超导体的基本性质；了解超导材料各个性能的相关应用。

2 过程与方法

1）课前：教师设计课件、视频、动画、课前测试题及相关前沿资料等学习资源，通过学习通传送给学生，引起学生学习超导材料基本性质的兴趣。

2）课中：对教师提前设计好的相关课题进行讨论、分组协助学习并汇报，加深对超导材料基本性质的理解，掌握认识问题的基本规律和方法。

3）课后：教师通过学习通、微信、QQ 和邮箱等多渠道对学生提供答疑、指导和课程内容深化及课程内容相关知识前沿进展的推送，引导学生深入学习，拓展前沿。

3 情感态度价值观

1）培养学生区别与联系的辩证思维，激发学生的学习兴趣。

2）通过对新奇有趣的超导现象的介绍，培养学生热爱科学，勇于创新。

（三）教学重难点

1 教学重点

零电阻特性，完全抗磁性。

2 教学难点

完全抗磁性和零电阻特性的独立性。

（四）教学模式与策略的选择与设计

超导体基本性质这节课的内容是超导材料的基础，要让学生认识宏观超导现象，好奇超导的内在机制，激发学习超导材料的学习兴趣，其主要教学环节是在移动模式下，实施“课前揭示课题、了解概念；课中假设论证、拓展应用、课堂总结；课后深入思考、前沿拓展”。在整个教学过程中，学生的认识由开始的超导现象到超导性质，从概念到物理本质，学习超导材料，通过应用与性质的联系，加深对超导基本性质的认识。

（五）学习资源与工具设计

采用超星学习通和网络多媒体教室实施教学，需要准备的学习资源和工具有PPT 课件、视频、移动终端、黑板及白板等。

（六）教学过程

1 课前

设计学习资源，包括视频、PPT 课件和相关学习资料等，并通过超星学习通平台发布，通知学生学习，教师可以随时查看学生学习情况，督促学生完成课前学习。

1）注意动机模型——激发动机。通过视频介绍长沙磁浮快线，强调长沙磁浮快线是中国第一条拥有完全自主知识产权（自主设计、自主制造、自主施工、自主管理）的中低速磁浮铁路，激发学生的自豪感和荣誉感。在引入磁浮快线的基础上，通过视频展示磁悬浮现象，提出问题：磁悬浮的原理是什么？什么材料可以实现磁悬浮？从而引出超导现象、超导体。

从超导现象的发现实验切入，同时介绍发现超导现象的科学家卡梅林·昂纳斯（Kamerlingh Onnes）及其在超导领域的成就和诺贝尔奖获得情况，激发学生对科学的热爱，激发学生对超导的学习兴趣。

2）关联动机模型——联系生活。以学生身边的长沙磁浮快线切入，通过学习通发放问卷调查学生乘坐长沙磁浮快线情况，建立超导体与学生日常生活的联系。当学生被磁悬浮的问题吸引后，同时与自己的生活紧密联系，学生便急切想知道磁悬浮的原理，进而进一步激发学生的求知欲和学习动力。

知识融入：在视频介绍中融入超导现象、零电阻效应和完全抗磁性等基本概念。

2 课中

教师通过移动终端统计学生课前知识的学习情况、掌握情况，在此基础上，充分了解学生之间的差异性，在课堂上注重因材施教、对学生做适当引导，在学生了解基本概念的基础上，进行超导体性质深入理解和相关性讨论，提高学生在课堂上的注意力，增强学生深入学习的信心。

1）关联动机模型——联系积累。深化超导体零电阻特性和完全抗磁性时，结合推理论证和实验；推理论证时，引导学生联系大学物理的基础知识，强化学生的兴趣。

2）信心动机模型——维持动机。分小组进行推理论证：超导体与理想导体有什么区别？

概念：超导体电阻为零——超导体是等电位的，超导体内没有电场——超导体中的电流会像理想导体中的电流一样成为永不衰减的永久电流。

假设：超导体是一种ρ=0，σ=∞的理想导体。

疑问：超导体的零电阻特性和完全抗磁性是不是相互独立的两个属性？

物理学分析：磁通线可以穿透没有电阻的理想导体。当外部磁通变化时，根据楞次定律，理想导体中产生的感生电流所引起的磁通变化将抵消其体内磁通量的变化。公式表达如下

式中：ρ 为电阻率；σ 为电导率；j 为电流；E 为电场。

因而，理想导体内不可能存在电场。

式中：t 为时间；B 为磁场。

可知，理想导体内不可能有随时间变化的磁场，即在理想导体内保持当它失去电阻时样品内部的磁场。认为磁通分布被“冻结”在理想导体中，外加磁场的变化不能改变“冻结”在理想导体内部的磁通分布。

实验：选取同样体积的理想导体和超导材料，按照如图1 所示的步骤进行两组实验。

先降温后施加磁场，发现先降温，使得理想导体电阻为零，同时超导体电阻为零，然后施加外磁场，一定时间后去除外磁场，两种材料的磁感应强度均为零。

先施加磁场后降温，施加磁场后，两组材料内部均有磁感应强度，然后进行降温，发现降温后，理想导体内部有磁感应强度，而超导体的磁感应强度为零。

教师引导学生总结：图1（a）理想导体内部是否存在磁力线以及如何分布与降温及加外磁场的先后顺序有关；图1（b）超导体内部是否存在磁力线以及如何分布与降温及加外磁场的先后顺序无关。

图1 理想导体不可逆与超导体可逆的磁性质

鼓励学生得出结论：超导体不仅是理想导体，还具有完全抗磁性。零电阻特性和完全抗磁性是超导体的两个独立特性。

设计意图：结合学生所学进行推理，通过理论和实验论证超导体的零电阻特性和完全抗磁性是相互独立的两个属性，让学生体会到新知识与已有知识的关联，体会到通过自己的思考和分析总结出规律的乐趣，增强学生的学习信心。

3）满意动机模型——获得成就感。基于超导体的基本性质，思考超导体如何让列车悬浮而高速运动，结合课前提出的磁浮列车的原理，引导学生用课堂学习的专业知识解释生活中的神奇事物，揭示科学的神秘面纱，获得满满的成就感。另外，教师通过总结超导体的性质与应用的联系，让学生深刻体会到专业知识能切实应用到实际生活中，提升专业的归属感，提升专业信心和满意度。

3 课后

基于学生在超导体基本性质学习中的兴趣、信心和满意，进一步强化学生的学习动机，为后续超导材料的制备、表征、应用等深入学习提供良好的学习动力基础，维持学习动力。利用移动学习终端在课后对学生进行学习答疑和拓展引导。

1）注意动机模型——激发动机。通过超星学习向学生推送超导领域的诺贝尔奖获得者的资料，介绍自超导发现以来，该领域的诺贝尔奖获得情况，包括超导发现、零电阻特性和完全抗磁性、超导BCS 理论等，一共获得五次诺贝尔物理学奖，诞生了10位诺奖得主。激发学生持续学习和探讨超导体的兴趣。

提出问题：科学家始终追求提高超导问题，如何进一步提高超导的温度？

2）信心动机模型——获得成就感。通过超星学习通向学生推送超导材料的发展历史及我国科学家在超导领域的卓越贡献，包括朱经武、赵忠贤等。引导学生了解科学家的成就，增强民族自豪感和荣誉感，充满信心地学习。

3）满意动机模型——自我认可。通过超星学习通向学生推送超导材料相关的前沿科学和技术研究资料，使其能通过课堂所学所思，认识和解读前沿科学知识，从自身认可所学的意义，进而持续和深入学习。

移动终端为课后翻转课堂的实施提供了良好的便利，为课后学习动机的保持和内化提供了便捷的途径。

五 结束语

功能材料课程涉及材料的组成与结构、制备、性能及应用，对学生综合应用材料学科的基础知识、理论、方法和思路具有重要作用，是培养学生综合能力和创新思维的重要课程。较强的学习动机是保证移动学习模式的翻转课堂这种自主性强的学习效果的关键内因。将ARCS 动机模型应用于移动学习模式下翻转课堂的教学设计中，在课前、课中和课后基于ARCS 动机模型的注意、关联、信心和满意度进行教学内容和教学环节的设计，旨在课前引起学生的学习兴趣、课中维持学习兴趣和课后内化学习动力。基于移动模式的特点和优势，优化翻转课堂的实现，提升学生的学习效果。