STEM视阈下基于翻转课堂模式的《普通物理实验》课程教学探究

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　　 摘 要： 针对当前《普通物理实验》课程教学所面临的困境，探讨STEM视阈下基于翻转课堂模式的可行性。在此基础上，结合普通物理实验中“折射率测量”教学内容，探究“6-E”教学模式，即：参与、探究、解释、延伸、评价、总结6个阶段开展教学，取得了良好效果。
　　 关键词：STEM;翻转课堂;6-E教学模式;折射率测量
　　 《教育信息化“十三五”规划》提出，要统筹利用国内国际教育资源，广泛借鉴吸收国际先进经验，着力推进教育教学改革，加快推进教育现代化。在当前教育信息化背景下，如何充分调动基层特别是广大学校、师生的积极性、主动性和创造性，传承与创新高校物理实验课程与课堂创新体制机制和人才培养模式，成为高等教育工作者面临的一个重要课题。而STEM教育、慕课、翻转课堂等为教学改革产生深刻影响的教学理念、模式的出现，使高校物理实验课程成为理工科学生系统学习实验基础知识、掌握基本专业技能、提高创新思维提供新路与活力，成为当前研究热点[1-12]。当前，翻转课堂教学模式的研究主要从高等教育领域兴起，STEM教育则主要在中学小教育起步，而STEM视阈下基于翻转课堂模式的研究几乎空白。本以《普通物理实验》课程中“三棱镜顶角和折射率的测量”实验教学为例，进行STEM视阈下基于翻转课堂模式的教学实践。
　　 一、《普通物理实验》课程概况
　　 《普通物理实验》课程是各高校理工科专业开设的一门基础实验课，主要目的是使学生通过较为系统的训练，增强理论联系实际能力;通过初步实验能力的培养，培养学生良好的实验习惯与严谨求实的科学作风;通过综合实验的开发与实践，提高学生科学实验的素质、创新精神，为学生应用物理知识与方法，解决科学问题打下良好基础。可见，《普通物理实验》课程的作用举足轻重。
　　 当前，各高校开设的《普通物理实验》课程基本都涵盖了力、热、电、光等方面实验。通过本课程的学习，学生对于基本物理实验仪器的原理和性能有了进一步了解;知道对实验数据进行误差分析和不确定度评定，进而估算实验数据的可靠性;学会观察、分析、研究物理现象和验证物理规律的基本观念;并且初步具备实验设计能力。而这些能力的培养与提升，为今后的物理规律的理解与知识习得，以及包括化学、地理等其他涉及实验操作的学科的知识理解、技能培养有较大帮助。
　　 目前高校的《普通物理实验》课程一般采用传统的夸美纽斯的课堂教学形式，这种授课形式虽然具有较为高效的授课效率，但学生学习的积极性、主动性与创新性得不到充分发挥，也存在着较多问题，主要表现在：
　　 （一）演示化教学与学生操作能力培养之间的矛盾
　　 当前普通物理实验教学中，大部分教师为了节约课堂教学时间通常选择“演示性”实验教学，以期学生尽快熟知实验内容，完成相应的实验教学。学生习惯于该模式的教学，对教师依赖性度较高，学生实验过程大都只是简单地重复教师演示过程，对实验仪器性能、仪器操作等方面的了解不够全面，自我操作能力较差。
　　 （二）程序化教学与学生自主学习能力培养之间的矛盾
　　 教师的课堂教学工作一般是经过讲解、演示、学生操作等过程，这样程序化的教学模式，学生主体地位与意识被削弱，学生课前预习工作形同虚设，效果大打折扣;学生只是注重教师演示部分的教学机械性重复，对演示以外的部分基本不予以关注，学生自主学习能力的培养得不到重视，自主参与实验的热情得不到调动，学习的有效性不高。
　　 （三）教条化教学与学生创新能力培养之间的矛盾
　　 一般地，学生在实验过程中只是简单地模仿教师实验过程，机械性地根据书本要求记录相关的数据，对于为何要这样操作实验、是否还有其他实验步骤、为何要记录这些数据、数据与实验原理存在何种关联等问题并十分清楚，不能很好地探究实验的本质，更别谈对实验创新性的探究，以及利用基本实验仪器、原理创造性地解决工程问题。
　　 （四）单一化评价方式与学生能力全面测评之间的矛盾
　　 教师对于学生实验课程的期末考核，有些注重平时的实验报告，有些来源于期末考试（笔试），有些是理論与实践相结合。但这些考核方式相对较为单一，缺乏对学生实践技能真实掌握情况的考核，缺乏对学生知识内化与综合应用能力的考察，缺少对团队意识与自我能力开发的培养，缺少对学生创新性精神的鼓励。
　　 二、STEM视阈下基于翻转课堂模式的《普通物理实验》课程教学
　　 （一）STEM教育
　　 STEM教育源于美国，是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）的缩写。STEM教育并不是将上述四项简单地叠加在一起，而是要求教师在教学过程中，以工程设计实施为导向，以解决实际情境中的问题为基础，以团队合作，开放共赢为目标，开展以学生为主体、有机融合学习知识、技能，注重情感和创新精神培养的教学活动。
　　 （二）翻转课堂
　　 翻转课堂（Flipped Class），是一种颠倒传统课堂教学结构的新型教学模式。在这种教学模式中，教学着重针对知识重难点与学生存在的盲点进行引导，引导学生通过课前预习、课堂参与等方式完成知识内化，而不用占用大量课堂时间讲授相对浅显易懂的知识点;而学生通过自我知识剖析、团队协作、教师释疑等多种形式主动参与教学活动，强化知识要点，构建自身知识体系。
　　 （三）STEM视阈下基于翻转课堂模式的《普通物理实验》课程教学可行性
　　 1. STEM教育理念与《普通物理实验》课程要求一致
　　 教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会、物理基础课程教学指导委员会制订的《理工科类大学物理实验课程教学基本要求》（简称《要求》）对教学基本内容与能力培养做了明确要求。STEM以要求培养学生的实践能力与创新精神为核心，激发学生的探索欲望与未知精神;以指向生活真实任务为指向，综合科学、技术，数学、表达，艺术等元素，培养解决问题的能力与广阔视野，这些教育理念与《要求》不谋而合。 　　 2. 翻转课堂模式与传统《普通物理实验》课程教学模式一致
　　 传统的《普通物理实验》课程教学采用“课堂实验预习、课堂实践操作、课后实验报告”的教学模式，而翻转教学模式亦是采取这种模式。这在教学形式上符合学生学习习惯，因此物理实验就是“天生的翻转课堂”。但翻转课堂教学模式要求教师坚持“学生主体”导向，主动变，根据学生课堂学习中所反馈对知识理解、重难点梳理与解决等方面的问题，采用灵活多变的教学方法，不断改进策略，达到最优化的教学效果。
　　 3. STEM视阈下的翻转课堂教学与创新型人才培养途径相统一
　　 物理实验课程分为基础性实验、综合性实验、设计性或研究性实验三个实验教学层次，不同层次的逐渐递进提升，体现了学生在实验中的独立性、独创性，是培养创新型人才、建设创新型国家战略思想在教学中的重要体现和必然要求。而STEM视阈下的翻转课堂教学强调由学生以个体或团队的形式设计方案基本独立完成全过程，最终达到学以致用的学习目标，是对实验教学在人才培养方面的一个重要强化和激励。
　　 三、STEM视阈下基于翻转课堂模式的《普通物理实验》课程教学实践
　　 STEM视阈下基于翻转课堂的教学并不是传统课堂教学模式的彻底推翻，而是在继承传统教学模式优势与特点的前提下，通过学生课堂实验操作与相关知识的课堂实践延伸活动，培养学生协作能力、分析能力解决实际问题的能力与创新意识。
　　 （一）教学模式
　　 STEM视阈下基于翻转课堂的《普通物理实验》课程采用“6-E”教学模式，即：参与（Engagement）、探究（Exploration）、解释（Explanation）、延伸（Extension）、评价（Evaluation）、总结（Experience），以团队合作学习形式促进学生对知识理解、建构与应用。
　　 （二）模式实施
　　 从教师与学生角色两个维度出发，构建全方位的教学模式。具体而言，包括以下五个方面：
　　 1. 课前预习
　　 引入（Engagement）：识别影响实验进程的相关问题与制约因素。按照实验要求，根据重难点与操作步骤，教师制作学习视频，同时设置难易程度不同的问题，供学生预习思考;学生通过视频课前预习，需要完成预习作业。
　　 2. 课堂学习
　　 探究（Exploration）：小组研究，设想和分析观点。围绕问题思考，教师引导学生思考、设计、调查和组织收集得到;学生协作进行实验演示，完成实验项目;针对设计性实验进行头脑风暴，产生可能性方案或者构建对问题解决的框架。
　　 释疑（Explanation）：重难点释疑，分享观点。该阶段教师针对学生在探究、演示环节过程中的疑问进行释疑;学生将对探索过程存在的问题进行分析沟通，其他小组成员进行评价，分享对问题解决的观点。
　　 3. 课后复习
　　 延伸（Extension）：巩固知识，加深理解，学以致用。该阶段学生将巩固所学的实验知识与方法，通过延伸的实验项目探索建立起科学、技术、工程、数学及其他学科之间的联系，实验STEM教学“在做中学”的要求，而教师要注重过程的引导与评判。
　　 评价（Evaluation）：多元评价，量化考核。实验教学既要关注学生日常表现，又要考虑期末考试成绩。因此，采用量表评价的方式，综合考虑自我评价，同伴评价，班级与老师评价等。
　　 总结（Experience）：注重反馈，总结经验，改进教学。一方面，教师要以学生实验表现，了解学生知识与技能弱点;另一方面学生以问卷调查、论坛讨论等渠道，提供信息，为教师总结教学经验，不断改进教学方式提供依据。在总结环节，教师应反思教学过程是否注重设计过程的展开与研讨、在课堂教学中进行翻转课堂教学，而不仅仅是学生实验操作以及所布置学生课外任务。
　　 （三）模式实践
　　 以《普通物理实验》中“三棱镜顶角和折射率的测量”为例，以5至7人为一个学习小团队，基于STEM视阈采用翻转课堂模式的《普通物理实验》课程教学完成教学实践。
　　 1. 課前预习：知识引入
　　 教师通过视频录制，介绍折射率测量在工程方面的应用、物理学中测量折射率的方法，以及本实验的实验原理、基本实验操作。学生通过学习，初步了解实验内容，有效解答课前思考题，完成预习报告。这个部分的内容不仅仅涵盖了本实验的相关知识，而且也包括在工程方面的应用。同时也将传统教学中教师讲授的部分内容前置，倘若学生完成情况良好，教师课堂效果将事半功倍，也是翻转课堂成功实施的前提。
　　 2. 课堂学习：探究与释疑
　　 教师主动引导，邀请预习报告完成良好的小组成员从基本的实验原理出发，根据实验示意图得出实验顺利进行的相关参数与注意事项。一来同辈教学有助于激发学生学习热情，分享学习成果;二来有助于在学习活动中培养学生表达分析能力。学生协作进行实验演示，完成实验项目。教师有针对性地引导其他小组同学，仔细观察认真思考台上进行实验展示的同学是否出现错误，如何更有效地完成实验项目。这一过程注重“教师主导，学生主体”的发挥。在这一环节中，教师发现学生对于分光计的调整与使用、如何有效地测量三棱镜折射率掌握情况良好，而课前的视频预习确实有助于学生对最小入射角、顶角与折射率关系的物理原理、数学公式的理解与推导。
　　 3. 课后复习：实验项目课外延伸
　　 在完成三棱镜折射率测量实验后，教师以测量YF3：Er3+纳米玻璃材料折射率为题，要求学生自主设计实验。学生提出的实验方法包括：分光计测折射率的测量、插针法测折射率、布儒斯特角法测折射率、掠入射法测折射率等。这些方法都是大学物理实验里常见方法，可见以STEM为导向的实验教学，有助于提升学生资料收集、分析、实践能力。不同的方法测量折射率偏差大小不同，其中自主设计的用布儒斯特角法测量折射率实验中，学生采用激光光源，用数字式检流计测光强，通过布儒斯特角测量得到材料的折射率的数值与真实值最为接近，这是因为材料表面较为粗糙，外观不够平整，用其他方法测量得到折射率误差较大。 　　 4. 评价与反馈
　　 实验教学的评价方式贯穿于整个过程，不仅关注学生学习效果，也注重在学习过程中的所体现的情感、态度与价值观，这些都要尽可能转化为量化的考核。因此，教学评价标准分别学习成绩测评与综合能力测评两个方面。我们对2016级机械电子专业的两个教学班（一个采用STEM视阈下基于翻转课堂模式，称为实验班;另一个采用传统大学物理实验教学模式，称为普通班）进行测评考核。
　　 一是学习成绩测评。这部分测评是由学生日常的实验报告、期末考试考核成绩等相对客观、可直接量化要素组成。实践证明，实验班实验报告的完整性、逻辑清晰度、期末卷面期末成绩均好于普通班。
　　 一是综合能力测评。这部分测评主要包括实验操作的组织与分工能力、课堂答题的语言组织能力、学科知识的整合力、物理概念的理解与数学推导能力、课外延伸实验的创新性等方面组成。结果同样表明，实验班好于普通班。
　　 从学生课后学习反馈情况来看，实验班对新的教学方法的满意度（包括很满意、满意、比较满意等三个层次）较高，达到92%，高于普通班的60%。学生普遍反映，翻转课堂的学习模式对课堂主动参与问题讨论与操作实践的帮助比较大;STEM教学模式（特别是课外延伸实验）使得不同小组在互助与竞争的学习环境中获得成就感。
　　 四、总结
　　 而普通物理实验往往涵盖了数学、技术、能够将科学、技术、工程、信息等多学科知识，完成一个实验项目通常需要将学多科知识进行有效整合，这些都与STEM教学要求与目标不谋而合。通过实践证明：以项目为基础，基于STEM视阈的教学，采用翻转课堂的教学方法，有助于增进学生对科学问题探究与工程设计的热情，增强解决实际工程项目的积极性与主动性，提升学生实践技能与协作精神。当然，由于STEM教育还处在起步阶段，我们也发现STEM教育的实践还存在一些问题，比如：如何进行有效地顶层设计;教学过程中不能只强度动手实践，而忽视对学生设计能力、创新思维的培养;如何充分调动学生学习兴趣，使得教学延伸环节成为学生探索未知世界的乐园而非负担等，这些也将成为我们今后进行课程有效整合的研究热点。
　　
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