混合式教學(xué)在固體物理學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用

曹偉平，顧莉莉

（麗水學(xué)院工學(xué)院，浙江麗水323000）

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)、信息化教學(xué)的不斷發(fā)展，翻轉(zhuǎn)課堂、慕課等各種教學(xué)模式應(yīng)運而生。翻轉(zhuǎn)課堂（Flipped Classroom）[1]，是指重新調(diào)整課堂內(nèi)外的時間，將學(xué)習的決定權(quán)由教師轉(zhuǎn)移給學(xué)生，從而創(chuàng)造學(xué)生課下學(xué)習課上練習鞏固的一種新的課堂模式。這種教學(xué)模式需要學(xué)生課前自主學(xué)習教學(xué)視頻，課堂上在教師的指導(dǎo)下做練習或?qū)嶒?。翻轉(zhuǎn)課堂實現(xiàn)了師生間角色的轉(zhuǎn)換，但其實施的障礙之一就是如何錄制優(yōu)質(zhì)的教學(xué)視頻。慕課（MOOC，大型開放網(wǎng)絡(luò)課程）[2]，是結(jié)合早期翻轉(zhuǎn)課堂的理念和網(wǎng)絡(luò)視頻公開課方法的一種教學(xué)模式，將學(xué)習的全過程從線下搬到線上，在平臺上完成注冊報名、視頻授課、在線答疑、線上考試、發(fā)放電子結(jié)業(yè)證書等一系列在校學(xué)習流程。慕課實現(xiàn)了真正的遠程教育，縮短了教育水平的差距。但是，全程網(wǎng)上教學(xué)的最大缺點就是課程通過率低。教師在網(wǎng)上能提供的管理和幫助受到限制，學(xué)生的自學(xué)能力和自我控制能力較弱，極大地影響課程學(xué)習的效率。

翻轉(zhuǎn)課堂、慕課等教學(xué)模式都存在一定的不足，而混合式教學(xué)是在傳統(tǒng)課堂教學(xué)的基礎(chǔ)上，結(jié)合了翻轉(zhuǎn)課堂和慕課開放網(wǎng)絡(luò)課程特點的一種教學(xué)模式，具有一定的優(yōu)越性。表1給出了混合式教學(xué)與傳統(tǒng)課堂教學(xué)的差異?；旌鲜浇虒W(xué)混合的不僅僅是講授式、討論式、研究式、在線學(xué)習、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)方式，還有各種深層次的教學(xué)策略。這種教學(xué)模式汲取了面對面教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化教學(xué)的精華，教師根據(jù)學(xué)生的實際情況，對視頻教學(xué)和面授課程內(nèi)容的比例進行靈活調(diào)整，以達到最佳的教學(xué)效果。

表1 傳統(tǒng)課堂教學(xué)與混合式教學(xué)中各要素的對比表

1 適合混合式教學(xué)的校內(nèi)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的建設(shè)及應(yīng)用

高校信息化是國家教育信息化的重要組成部分，信息化也是加快學(xué)科建設(shè)的重要手段。信息技術(shù)對教育發(fā)展具有革命性影響，因而麗水學(xué)院確立了“支撐專業(yè)建設(shè)、提升教學(xué)水平、增強創(chuàng)新能力、服務(wù)地方發(fā)展”的學(xué)科建設(shè)目標。這些工作的推進需要建立以泛在快速的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和基于云架構(gòu)的資源共享環(huán)境為核心的學(xué)科建設(shè)公共支撐平臺，進一步融合學(xué)校數(shù)字圖書、教學(xué)影像視頻等各類知識資源，構(gòu)建跨學(xué)科的網(wǎng)絡(luò)信息平臺，為學(xué)科交叉提供在線的信息交流環(huán)境，開展資源共享，促進學(xué)術(shù)交流合作，加快學(xué)科的交叉融合。

課程的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)是信息化的重要組成部分，因此麗水學(xué)院在《麗水學(xué)院改革和發(fā)展規(guī)劃（2011—2015年）》中提出了“創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系、改革人才培養(yǎng)模式、加強實踐教學(xué)、提高課程建設(shè)質(zhì)量”等一系列的工作。這些工作的開展需要應(yīng)用移動互聯(lián)、云計算等各類技術(shù)手段，構(gòu)建在線教育支撐的聯(lián)合培養(yǎng)、虛擬課堂支撐的學(xué)生自學(xué)、仿真實驗環(huán)境支撐的實踐教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)評議支撐的科學(xué)評估、綜合數(shù)據(jù)分析支撐的課程質(zhì)量評價等創(chuàng)新模式。從而全面推進學(xué)生自主性、互動性和探究式學(xué)習，實現(xiàn)學(xué)校人才培養(yǎng)戰(zhàn)略的總目標。

由于各個學(xué)校的授課教師不同，學(xué)生學(xué)習程度不同，國內(nèi)開設(shè)的網(wǎng)絡(luò)精品課程很難做到學(xué)生個性化學(xué)習。因此，麗水學(xué)院于2013年發(fā)布了《麗水學(xué)院信息化建設(shè)規(guī)劃（2013—2017）》文件。文件明確指出：“建立Blackboard網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)、外語自主學(xué)習系統(tǒng)等全局性的應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，開展交流協(xié)作、在線答疑、問題探討和知識共享等應(yīng)用?！毙?nèi)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的建成為混合式教學(xué)改革提供了良好的硬件基礎(chǔ)。

目前，麗水學(xué)院已有部分教師申請采用“線上+線下”混合式教學(xué)模式進行教學(xué)改革嘗試。任課教師在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上將學(xué)習視頻、拓展資料作為學(xué)習任務(wù)點上傳到網(wǎng)上課程中，學(xué)生可以在手機或電腦端點擊學(xué)習通軟件完成任務(wù)點。此外，課堂簽到、作業(yè)批改、當堂測試等傳統(tǒng)課堂內(nèi)容均可以在線上完成，從而強化了學(xué)生個性化學(xué)習的資源配置，還能讓教師根據(jù)數(shù)據(jù)直觀地看到學(xué)生學(xué)習情況。將網(wǎng)絡(luò)學(xué)習的內(nèi)容作為課程期末考評的一部分，有效地提升了網(wǎng)絡(luò)學(xué)習的完成度，促進線上和線下的雙向?qū)W習。

2 混合式教學(xué)在固體物理學(xué)課程教學(xué)中的實踐

2.1 課前準備

教師首先根據(jù)教學(xué)計劃，將課前學(xué)習的內(nèi)容錄制成視頻上傳到教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺上。視頻內(nèi)容簡明扼要，讓學(xué)生在10分鐘內(nèi)對當次課程有系統(tǒng)的框架認識[3]。配合學(xué)習視頻，教師布置簡單的理解性練習加以鞏固。學(xué)生在學(xué)習過程中遇到問題可在討論區(qū)提出疑問并與同學(xué)、教師討論。

在固體物理學(xué)2-1節(jié)離子性結(jié)合[4]的視頻中，教師先介紹一般固體的4種基本結(jié)合形式，再介紹離子晶體內(nèi)能和馬德隆常數(shù)的計算公式及推導(dǎo)過程。最后，教師發(fā)布兩道關(guān)于公式應(yīng)用的計算題，幫助學(xué)生熟悉相關(guān)內(nèi)容，從而完成課前準備工作。

2.2 深化課程

教師在線上發(fā)布簽到活動，根據(jù)數(shù)據(jù)判斷學(xué)生的出席率。根據(jù)建構(gòu)主義教學(xué)理論，教師以學(xué)生自學(xué)過程中遇到的問題為導(dǎo)向，在學(xué)生已有的認知基礎(chǔ)上幫助學(xué)生拓展知識體系，建立新舊知識間的聯(lián)系。教學(xué)過程中教師引導(dǎo)學(xué)生逐步學(xué)習深層的內(nèi)容，促進知識內(nèi)化。

課堂上，學(xué)生提出了課前學(xué)習中遇到的問題：

（2）教材中內(nèi)能函數(shù)圖像中的曲線和特殊點代表的意義不明確。根據(jù)學(xué)生提出的問題，教師在課堂上進行小組討論，并積極引導(dǎo)。最后由幾位學(xué)生總結(jié)回答，在此基礎(chǔ)上教師進行糾正、補充。課程的最后，教師提出拓展思考，布置研究性作業(yè)：

（1）對于馬德隆常數(shù)的計算，教材給出的公式并未考慮晶胞的邊緣效應(yīng)，那么實際計算晶胞馬德隆常數(shù)時的公式又該如何表示？（2）教材給出的馬德隆常數(shù)計算公式適用范圍較窄，除了定義法還有哪些計算方法？有什么優(yōu)缺點？（3）對于復(fù)雜的求和公式，如何用計算機語言簡化計算，請用編程軟件將本節(jié)課中的復(fù)雜公式快速求解。

課后，將班級學(xué)生分成3個小組分別對上述3個問題進行研究。教師將問題的相關(guān)提示和資料發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上。學(xué)生借助教師的提示尋求解決方案，最后以PPT、專題報告、小論文等形式在第二節(jié)課中呈現(xiàn)答案。

2.3 解答研究性問題

高等教育的目的之一是培養(yǎng)學(xué)生能夠熟練應(yīng)用所學(xué)知識解決問題的能力。第二節(jié)課主要以學(xué)生為中心，教師通過理論講授將問題拋出，為學(xué)生提供積極探索未知領(lǐng)域的契機，提升教育的深度和廣度。

學(xué)生通過研究NaCl晶體發(fā)現(xiàn)，若一維晶胞中有2n+1個離子，則計算實際晶胞的馬德隆常數(shù)時，兩端的離子對晶體內(nèi)能的貢獻是內(nèi)部離子的1/2，考慮邊緣效應(yīng)后的馬德隆常數(shù)公式為：

即為兩端邊緣處離子對內(nèi)能的貢獻和內(nèi)部晶胞離子對內(nèi)能的貢獻之和。同理，二維晶格中頂點上的離子只貢獻了1/4，邊上的離子只貢獻1/2。學(xué)生解答第一問時發(fā)現(xiàn)馬德隆常數(shù)的定義式受到了晶胞類型和維度的影響，公式會變得越來越復(fù)雜。于是學(xué)生開始尋找馬德隆常數(shù)的計算方法。通過查找相關(guān)文獻，發(fā)現(xiàn)常用方法主要有3種：定義法、Evjen晶胞法、晶格靜電能法[5]。其中，Evjen晶胞法是將正離子的平均庫侖能合理分配達到正負項幾乎相互抵消，從而加快收斂速度。但Evjen晶胞法僅適用于簡單立方晶系的求解，沒有普適性。晶格靜電能法就是通過靜電能求解常數(shù)。通過群論方法一定能找到一個最小重復(fù)單元平行六面體晶胞，通過參考殼層模型，向外擴大六面體的大小求解多個數(shù)值，以便觀察常數(shù)的收斂情況，因此只需要確定單位晶胞內(nèi)的化學(xué)式單元數(shù)、正離子數(shù)、負離子數(shù)和正負離子編號后每個離子所處的位置（晶胞內(nèi)或邊緣）即可[6]。這樣的方法具有普遍適用性，并且按晶胞殼層數(shù)計算可以發(fā)現(xiàn)，馬德隆常數(shù)的收斂很快且精確度較高。

為了快速求解不同大小晶胞的馬德隆常數(shù)，學(xué)生利用VB語言進行編程。圖1即學(xué)生根據(jù)公式自己編程和作圖得到的二維正方離子格子修正前后的馬德隆常數(shù)與n之間的關(guān)系圖。

圖1 二維正方離子格子修正前后的馬德隆常數(shù)與n之間的關(guān)系圖

根據(jù)學(xué)生的解答，教師進行評價，及時糾正講解過程中出現(xiàn)的問題。反復(fù)多次的師生交互活動幫助學(xué)生將原有的知識范圍逐漸拓寬，知識難度逐漸加深。課后學(xué)生可以將報告內(nèi)容上傳到網(wǎng)絡(luò)課堂上供大家學(xué)習。

因此，我們總結(jié)和編制了圖2的混合教學(xué)模式框架以及圖3的課程評價體系。

圖2 混合式教學(xué)模式框架

圖3 課程評價體系

3 結(jié)語

高等教育致力于培養(yǎng)高水平創(chuàng)新型人才和實踐技術(shù)型人才，傳統(tǒng)的教學(xué)氛圍只會降低學(xué)生的學(xué)習積極性和知識吸收能力。與傳統(tǒng)的教學(xué)模式不同，混合式教學(xué)更注重培養(yǎng)學(xué)生自我探索未知領(lǐng)域的能力，充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習主動性和能動性，同時還能挖掘教師的教學(xué)智慧，提升教師教學(xué)能力[7]。

先自學(xué)再討論的模式更加符合人類的認知規(guī)律，在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣、促進主動學(xué)習、形成良好學(xué)習氛圍，以及豐富學(xué)生的知識儲備等方面有著非常重要的作用。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺拓寬了學(xué)習的空間，提供了學(xué)習交流的平臺。教師利用剩余的課堂教學(xué)時間去提高教學(xué)難度和教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習的能力和鉆研精神，達到學(xué)有致用的效果。

就教師而言，信息化教學(xué)減少了一些教授過程，教師利用大數(shù)據(jù)處理可實時觀測到教學(xué)過程和督促學(xué)生學(xué)習，并量化學(xué)習過程。信息化幫助教師對學(xué)生進行教學(xué)評估，為教學(xué)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[8]，同時問題討論給師生提供了教學(xué)相長的機會。在混合式教學(xué)模式中，教師是帶領(lǐng)學(xué)生探索知識，使學(xué)生具有知識傳承與創(chuàng)新的意識和能力的引導(dǎo)者，這正是國家全力推進教育體制改革的目的，具有深遠的意義。