翻轉(zhuǎn)課堂是一種不同于傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式的教學(xué)方法，翻轉(zhuǎn)課堂可讓大學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)計劃和時間在充分預(yù)習(xí)的前提下，通過討論等環(huán)節(jié)充分參與課堂教學(xué)活動，使課堂變成學(xué)生深度學(xué)習(xí)和合作探究的場所。翻轉(zhuǎn)課堂在很多大學(xué)課程的教學(xué)中得到應(yīng)用，特別是在實驗性強(qiáng)的課程教學(xué)中效果更為顯著。教學(xué)運行監(jiān)控和調(diào)查表明，在一些大學(xué)，特別是一些獨立學(xué)院，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)遇到了一些挑戰(zhàn)和問題，如能激發(fā)獨立學(xué)院學(xué)生自主學(xué)習(xí)熱情的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)資源不足等。為了解決這些問題，需要加強(qiáng)教學(xué)運行監(jiān)控，采取有效的措施，鼓勵教學(xué)管理和教學(xué)研究人員設(shè)計和拓展能引起獨立學(xué)院學(xué)生興趣的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)資源?！都佑?！向未來》是一檔由中央廣播電視總臺推出的大型科學(xué)實驗節(jié)目，節(jié)目中的科學(xué)實驗涵蓋了大學(xué)物理、大學(xué)化學(xué)、大學(xué)生物等多門課程的一些教學(xué)內(nèi)容，這些實驗中既有大型室內(nèi)、室外實驗，也有日常生活中常見的科學(xué)現(xiàn)象，節(jié)目中的實驗既有趣、驚險、令人意外、難度大，又非常嚴(yán)謹(jǐn)。該節(jié)目通過多種方式，使科學(xué)實驗變得更加生動有趣，不僅向觀眾介紹了有趣的科學(xué)文化知識，還激發(fā)了觀眾對自然科學(xué)的探究興趣。該節(jié)目不僅由著名主持人主持，還邀請了很多科學(xué)家和學(xué)生參與，他們的參與大幅提升了節(jié)目對學(xué)生的影響力。教師將以案例的形式從《加油！向未來》中遴選出可作為翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)資源的實驗視頻，根據(jù)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)理念進(jìn)行相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計，最終實現(xiàn)獨立學(xué)院翻轉(zhuǎn)課堂的有效翻轉(zhuǎn)。

一、“角動量守恒定律”翻轉(zhuǎn)課堂的設(shè)計和實施

角動量守恒定律是物理學(xué)中的一個基本定律，它描述了系統(tǒng)在外力矩為零的情況下，角動量保持不變的特性。學(xué)生學(xué)習(xí)這一定律時往往不會分析哪些外力會產(chǎn)生力矩，對內(nèi)力矩的作用和影響難以弄清。由于在課堂上難以做角動量守恒的演示實驗，教師通常是播放茹科夫斯基轉(zhuǎn)椅的實驗視頻來說明角動量守恒的條件。

但是，由于茹科夫斯基轉(zhuǎn)椅轉(zhuǎn)軸處有摩擦力，其摩擦力矩不為零，因此即使實驗員沒有做任何操作，茹科夫斯基轉(zhuǎn)椅的轉(zhuǎn)速及角動量均會減小，從而影響學(xué)生的視覺效果和對實驗結(jié)果的確認(rèn)。在《加油！向未來》節(jié)目中，雜技演員表演的空中吊環(huán)旋轉(zhuǎn)是一項令人驚嘆的高難度技藝，它體現(xiàn)了角動量守恒的魅力和美感。由于演員是被懸空著的，在旋轉(zhuǎn)過程中更容易滿足角動量守恒條件，因此，根據(jù)這一視頻制作角動量及其守恒定律的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)資源將能更好地體現(xiàn)角動量守恒的演示效果。

為了使課前預(yù)習(xí)具有交互性，可把視頻中解釋性的畫面去掉，在視頻中嵌入與角動量及其守恒定律有關(guān)的互動題，以鼓勵學(xué)生帶著問題去觀察、去分析，引導(dǎo)學(xué)生去思考、去解釋其中的現(xiàn)象，為后面的課堂翻轉(zhuǎn)打下基礎(chǔ)。為此，我們在視頻中先后嵌入了三個關(guān)于角動量及其守恒定律的問題。

問題1：在觀看了雜技演員演示兩種造型的旋轉(zhuǎn)情況后，請根據(jù)視頻中的兩種造型，指出雜技演員在空中繞其對稱軸旋轉(zhuǎn)過程中，哪種造型的轉(zhuǎn)動慣量較大？

A.大字形

B.一字形

C.大字形和一字形的轉(zhuǎn)動慣量一樣大

為了回答這一問題，學(xué)生可以在課前預(yù)習(xí)中回憶轉(zhuǎn)動慣量的表達(dá)式：

J= r2dm

其中，學(xué)生要明白雜技演員的造型為大字形時，身體的各部分至轉(zhuǎn)動軸線的距離，比造型為一字形時的要大，才能得出造型為大字形時的轉(zhuǎn)動慣量較大的結(jié)果。

問題2：當(dāng)演員繞其對稱軸轉(zhuǎn)動過程中，下列描述正確的是：A.角動量守恒B.角動量不守恒學(xué)生須自主學(xué)習(xí)，對繩子和演員構(gòu)成的系統(tǒng)，分析其所受的外力（重力和懸點的彈力），發(fā)現(xiàn)這兩個外力均不為零，但它們的作用線均通過轉(zhuǎn)軸，其力臂為零，故其外力矩為零，因此滿足合外力矩為零的角動量守恒的條件。

問題3：根據(jù)角動量L 的定義L=j棕，當(dāng)演員繞過其對稱軸轉(zhuǎn)動過程中，要使其轉(zhuǎn)速加快，應(yīng)如何調(diào)整姿勢？

A.由一字形變大字形

B.由大字形變一字形

有了問題1 和問題2 的鋪墊，該問題就迎刃而解了。

這樣，在觀看視頻的過程中，通過這些交互性的習(xí)題，讓學(xué)生理解在初始角速度相同的情況下，由大字形變一字形的變換姿勢的方式能讓旋轉(zhuǎn)速度變快。學(xué)生課前通過觀看這樣的翻轉(zhuǎn)課堂資源，不僅可以讓學(xué)生獲得翻轉(zhuǎn)課堂時需要的基礎(chǔ)知識，往往還可引發(fā)學(xué)生的進(jìn)一步思考，為課堂上深度學(xué)習(xí)提供可能。例如，有學(xué)生在課前預(yù)習(xí)中仔細(xì)比較了視頻中的幾幀畫面，理解了演員繞自身對稱軸旋轉(zhuǎn)時所受重力通過該軸，因此，其力臂和力矩為零，其旋轉(zhuǎn)過程中角動量守恒。但是，兩個演員一起相對過吊環(huán)的豎直軸（不同于演員的對稱軸）旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程中演員、吊環(huán)和繩子構(gòu)成的系統(tǒng)所受重力并不通過該豎直軸，其力臂和力矩“似乎”并不為零，但系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的角速度在長時間內(nèi)幾乎不變，即角動量似乎守恒這個學(xué)生感到難以理解。大家討論后發(fā)現(xiàn)演員的這一轉(zhuǎn)動就相當(dāng)于圓錐擺的運動，明白了力矩、角動量均是矢量，在定軸轉(zhuǎn)動中，力矩、角動量均在轉(zhuǎn)軸方向上。根據(jù)角動量守恒定律，某一方向的力矩只會改變這一方向的角動量，而對與之垂直方向的角動量沒有影響，即某一方向的外力矩為零，那這一方向的角動量守恒。根據(jù)力矩和角動量方向的判斷方法，可以知道此過程中演員系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的角動量方向沿豎直方向（轉(zhuǎn)動平面為水平面），而演員重力的力矩方向（不是重力的方向）是沿水平方向的，這一重力矩不會影響演員旋轉(zhuǎn)的角速度。任課教師通過翻轉(zhuǎn)課堂的課堂活動環(huán)節(jié)，有效銜接了“角動量和角動量守恒定律”這一節(jié)教學(xué)內(nèi)容的課前預(yù)習(xí)與課堂教學(xué)活動，提高了這一節(jié)課課前預(yù)習(xí)與課堂學(xué)習(xí)的效率，引導(dǎo)學(xué)生吸收和融會貫通了“剛體力學(xué)”這一章的課堂知識，激發(fā)了學(xué)生深度思考角動量和力矩矢量性含義的積極性，提升了學(xué)生主動解決相關(guān)角動量及其守恒問題的能力，實現(xiàn)了“角動量和角動量守恒定律”翻轉(zhuǎn)課堂的成功翻轉(zhuǎn)。

二、“鐵磁質(zhì)及其性質(zhì)”翻轉(zhuǎn)課堂的設(shè)計和實施

鐵磁質(zhì)因其獨特的磁化特性而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域，如利用鐵磁質(zhì)的強(qiáng)磁性來制造電動機(jī)中的磁極和定子；在通信設(shè)備中常借助鐵磁質(zhì)的磁化特點來傳輸信號；利用鐵磁質(zhì)的磁滯現(xiàn)象可以制造存儲設(shè)備等。但是，出于對安全性、可視性等的考慮，很難在課堂上演示這些應(yīng)用，因此這一教學(xué)內(nèi)容顯得比較枯燥，很難激發(fā)學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)的興趣，難以實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂的有效翻轉(zhuǎn)?！都佑?！向未來》中有一段稱為“90 秒大戰(zhàn)釹鐵硼”的釹磁鐵性質(zhì)展示，這個片段展示了被稱為“磁王”的釹磁鐵的“強(qiáng)大力量”以及在高溫、低溫、振動下磁性的變化情況。

教師在制作相應(yīng)的課前教學(xué)資源時，除介紹鐵磁質(zhì)的性質(zhì)、磁化特性、磁化曲線、磁滯現(xiàn)象及其應(yīng)用外，播放經(jīng)剪輯并已經(jīng)插入鐵磁質(zhì)知識互動題的片段“90 秒大戰(zhàn)釹鐵硼”。經(jīng)過仔細(xì)權(quán)衡，在觀看主持人“膽戰(zhàn)心驚”的強(qiáng)大磁力展示過程中，嵌入如下互動題：

問題1：釹磁鐵的磁性很強(qiáng)，請問釹磁鐵能夠產(chǎn)生的磁場可達(dá)到多少特斯拉？這一磁場大約是地磁場的多少倍？

在看到視頻中消磁過程的畫面時，可嵌入以下問題：

問題2：你覺得哪種操作可以消掉釹磁鐵的磁性？

在教材中，通常指出振動、加熱和加方向磁場是去磁的三種主要方式。但在該節(jié)目的驗證環(huán)節(jié)，可以看到振動無法去除釹磁鐵的磁性，節(jié)目中也沒有說明其原因。對此，有學(xué)生在課堂上匯報自己的預(yù)習(xí)成果后就拋出“為什么振動無法消除釹磁鐵的磁性”的問題，從而開啟了翻轉(zhuǎn)課堂的深度討論環(huán)節(jié)。在討論中，另一個學(xué)生聲稱也注意到了這一問題，他通過上網(wǎng)搜索釹磁鐵的結(jié)構(gòu)，經(jīng)綜合分析后得出結(jié)論：釹磁鐵具有非常強(qiáng)的矯頑力，工業(yè)環(huán)境中的振動通常不足以打破釹磁鐵內(nèi)部磁疇的有序排列。即使振動足夠強(qiáng)烈，也需要持續(xù)足夠長的時間才能對磁性產(chǎn)生顯著影響。通過這樣的討論，學(xué)生就能與教師一起學(xué)習(xí)矯頑力這一抽象的概念及其意義，變“教師要學(xué)生學(xué)”為“學(xué)生自己要學(xué)”，為后面的學(xué)習(xí)提供了動力。

三、結(jié)語

通過查看教師的課堂教學(xué)視頻可以發(fā)現(xiàn)，采用上面的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)計，獨立學(xué)院課堂也可變成師生之間、學(xué)生之間深度討論的場所。由于有了高質(zhì)量的課前預(yù)習(xí)，學(xué)生在預(yù)習(xí)遇到的問題可以在課前或課中向教師和同學(xué)提問，也可以在翻轉(zhuǎn)課堂中與教師和同學(xué)進(jìn)行討論甚至辯論。這種師生互動和學(xué)生互動的方式不僅有助于加深學(xué)生對大學(xué)知識，特別是重難點的理解，還能夠提升他們的交流能力和相互協(xié)作能力。經(jīng)過一學(xué)期的試驗后，我們根據(jù)學(xué)生在線學(xué)習(xí)質(zhì)量、完成作業(yè)質(zhì)量、課堂活動表現(xiàn)、同行專家聽課、調(diào)查問卷、測試等對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行了綜合評價。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，借助科學(xué)實驗節(jié)目開發(fā)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)資源可激發(fā)學(xué)生的積極性，特別是獨立學(xué)院學(xué)生課前和課后自主學(xué)習(xí)的積極性，提高課前預(yù)習(xí)的質(zhì)量，提升翻轉(zhuǎn)課堂的問題討論質(zhì)量和效率，進(jìn)而實現(xiàn)獨立學(xué)院翻轉(zhuǎn)課堂的有效翻轉(zhuǎn)。