基于“金課”建設(shè)的“大學(xué)物理”線上線下混合教學(xué)實踐

王 輝，吳 平，朱 浩，張 曉，謝 東

(西南交通大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611756)

在全面深化教育教學(xué)改革的進(jìn)程中，課程是人才培養(yǎng)的核心要素. 2018年4月，教育部頒發(fā)了《教育信息化2.0行動計劃》；2018年6月，教育部陳寶生部長在新時代全國高等學(xué)校本科教育工作會議上首次提出了“金課”的概念；緊接著，2018年11月，教育部高教司吳巖司長作了《建設(shè)中國金課》的主題報告，提出了“金課”的“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn)，即高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度.

“互聯(lián)網(wǎng)+教育”為教學(xué)開辟了一條新途徑，借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行教學(xué)改革已經(jīng)是國內(nèi)外教育教學(xué)改革的趨勢[1-4]. 近年來，通過精品課程、精品資源共享課程、在線開放課程建設(shè)，大學(xué)物理課程已建成了一批優(yōu)秀的線上課程資源. 同時，線上線下混合教學(xué)發(fā)展成為了一種有效的教學(xué)手段，使得教與學(xué)突破了時間和空間的限制，在培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新、探究意識等方面起到了積極地作用. 國內(nèi)許多高校都在積極探索物理課程的線上線下混合教學(xué)新形態(tài)，例如清華大學(xué)王青教授[5]、安宇教授[6]、同濟(jì)大學(xué)王祖源教授[7-10]、北京師范大學(xué)包景東教授、西南交通大學(xué)、山東大學(xué)等高校的“大學(xué)物理”教學(xué)團(tuán)隊[11，12]均在該領(lǐng)域做了大量的工作.

特別是，2020年突如其來的新冠肺炎疫情給高等教育帶來了深遠(yuǎn)的影響，使得在線教學(xué)在較短時間內(nèi)得到了極大普及. 短暫的線上教學(xué)體驗，已悄然改變了廣大教師的教育觀念，師生對在線教學(xué)的認(rèn)同度大幅提升，正如鄔大光等學(xué)者[3]所言: 此次新冠疫情“倒逼”下的大規(guī)模線上教學(xué)取得了成功，但也暴露出了一些問題. 例如有的線上教學(xué)僅是上傳了直播(或錄播)的視頻等相關(guān)教學(xué)資料，缺乏對學(xué)生學(xué)習(xí)的有效引導(dǎo)；或有的教師采取“直播”的方式開展教學(xué)，把線下教學(xué)直接“搬到”了線上，線上教學(xué)的優(yōu)勢并未在本次線上教學(xué)過程中被充分利用.后疫情時代如何有效地利用優(yōu)質(zhì)在線課程及教學(xué)資源持續(xù)發(fā)揮線上教學(xué)的優(yōu)勢，構(gòu)建“以學(xué)生為中心”的教學(xué)模式，提升課程高階性、突出教學(xué)創(chuàng)新性、增加課程的挑戰(zhàn)度，是值得思考的重要問題.

大學(xué)物理課程作為全國高校理工科學(xué)生的一門重要的基礎(chǔ)課程，對各專業(yè)的工程認(rèn)證、學(xué)生的畢業(yè)達(dá)成度以及創(chuàng)新型人才培養(yǎng)具有不可替代的作用. 近年來，西南交通大學(xué)“大學(xué)物理”課程團(tuán)隊，圍繞“金課”建設(shè)的“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn)，對“大學(xué)物理”課程的教學(xué)改革進(jìn)行了深入的思考和系統(tǒng)地實踐. 基于信息化技術(shù)，從教學(xué)設(shè)計、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)評價等多維度構(gòu)建并實踐了“以學(xué)生為中心”的“大學(xué)物理”線上線下混合教學(xué)改革. 截止到2020年7月，已連續(xù)開展了3年的線上線下混合教學(xué)實踐，實踐表明，基于“金課”建設(shè)的“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn)，緊扣“教學(xué)內(nèi)容”和“教學(xué)模式”兩個關(guān)鍵點開展線上線下混合教學(xué)改革，有助于促進(jìn)學(xué)生的個性化、深層次學(xué)習(xí)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新、探究意識.

1 “大學(xué)物理”線上線下混合教學(xué)模式設(shè)計

1.1 教學(xué)流程設(shè)計

根據(jù)“大學(xué)物理”的課程特點，基于信息化技術(shù)，設(shè)計了線上線下混合教學(xué)流程(見圖1)，將學(xué)生的線上課前學(xué)習(xí)、教師的線下課堂講授、課后學(xué)習(xí)3個不同的部分有機(jī)融合、優(yōu)勢互補(bǔ)，在教學(xué)過程中體現(xiàn)深層次的學(xué)習(xí)內(nèi)容、互動式的教學(xué)形式，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)、發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力，提升教與學(xué)的效果.

圖1 大學(xué)物理線上線下混合教學(xué)模式流程圖

在線上學(xué)習(xí)中，學(xué)生在《課前學(xué)習(xí)導(dǎo)學(xué)單》指引下，通過看視頻在線上完成知識點學(xué)習(xí)并完成線上知識點測試；對學(xué)習(xí)中的疑難問題在討論區(qū)進(jìn)行討論. 教師通過教學(xué)平臺答疑、跟蹤學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度，及時督學(xué).課堂中，利用雨課堂進(jìn)行課堂管理和互動，教師根據(jù)學(xué)生線上學(xué)習(xí)情況的反饋，通過測試、總結(jié)、問題討論等環(huán)節(jié)鞏固知識、應(yīng)用知識.教師可根據(jù)教學(xué)安排，在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)組織項目研究展示匯報等拓展內(nèi)容.課后，學(xué)生根據(jù)教師的教學(xué)要求，完成章節(jié)作業(yè)、思維導(dǎo)圖、項目學(xué)習(xí)、在線討論等.

1.2 集合教學(xué)資源，構(gòu)建線上學(xué)習(xí)平臺

高質(zhì)量、具有互動性的線上學(xué)習(xí)平臺建設(shè)是教學(xué)創(chuàng)新性的體現(xiàn)，更重要的是為學(xué)生在線下課堂進(jìn)行深層次學(xué)習(xí)，為教師提高課堂教學(xué)效率，進(jìn)行課堂教學(xué)改革創(chuàng)造了條件，奠定了基礎(chǔ).

在“大學(xué)物理”線上線下混合教學(xué)模式的實踐過程中，筆者充分利用國家精品在線課程視頻資源進(jìn)行線上學(xué)習(xí)平臺建設(shè). 線上學(xué)習(xí)平臺建設(shè)的主要內(nèi)容包括：編寫《課前學(xué)習(xí)導(dǎo)學(xué)單》、遴選與教學(xué)內(nèi)容配套的優(yōu)質(zhì)教學(xué)視頻、建設(shè)線上測試題題庫、上傳教案及教輔資料、發(fā)布章節(jié)作業(yè)、線上討論區(qū)發(fā)布討論話題等，為學(xué)生創(chuàng)造個性化、互動性的學(xué)習(xí)環(huán)境，有效引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí).

圖2 線上學(xué)習(xí)平臺建設(shè)內(nèi)容

《課前學(xué)習(xí)導(dǎo)學(xué)單》編寫的關(guān)鍵是教師將教學(xué)重點、難點及其它知識點轉(zhuǎn)換成問題，通過問題導(dǎo)向，幫助學(xué)生發(fā)展自主學(xué)習(xí)、獨立思考的能力. 以“簡諧振動”章節(jié)編寫的課前學(xué)習(xí)導(dǎo)學(xué)單為例(如圖3)，通過編寫導(dǎo)學(xué)單，讓學(xué)生明確學(xué)習(xí)內(nèi)容，明確完成線上學(xué)習(xí)任務(wù)的時間節(jié)點以及完成線上學(xué)習(xí)任務(wù)后，該章節(jié)應(yīng)理解掌握的主要知識點。

圖3 課前學(xué)習(xí)導(dǎo)學(xué)單示例

以2020年春季學(xué)期“大學(xué)物理”的1個教學(xué)班為例，該教學(xué)班共有65名學(xué)生. 該學(xué)期，筆者在超星平臺上共發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)點107個(包括視頻、教案、線上測試題等)，其中建設(shè)發(fā)布課前學(xué)習(xí)導(dǎo)學(xué)單16個、線上測試題30套(題型為選擇、判斷、填空；一套線上測試題10個題目左右；每章含2～3套線上測試題)、建設(shè)發(fā)布章節(jié)作業(yè)10次(題型為計算題；每章教學(xué)結(jié)束后發(fā)布，每章5個計算題)、發(fā)布章節(jié)思維導(dǎo)圖11次、線上前半期、后半期測試各1次。

根據(jù)超星平臺的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2020年春季學(xué)期，該班學(xué)生的章節(jié)學(xué)習(xí)次數(shù)達(dá)28492次，學(xué)生任務(wù)點的完成率平均達(dá)到98%以上，人均章節(jié)學(xué)習(xí)次數(shù)438次. 在完備、優(yōu)質(zhì)的線上學(xué)習(xí)平臺的指引下，該班學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性和積極性被有效的調(diào)動起來. 同時，教師通過分析學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋數(shù)據(jù)，可以及時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，調(diào)整教學(xué)策略，不斷提高自己的教學(xué)質(zhì)量.

1.3 課堂教學(xué)：知識內(nèi)化、拓展

課堂教學(xué)是在教學(xué)過程中實現(xiàn)知識內(nèi)化、拓展的重要教學(xué)環(huán)節(jié). 一方面相比線上學(xué)習(xí)，教師的監(jiān)督作用和與學(xué)生直面交流的作用得到加強(qiáng)；另一方面在學(xué)生完成線上學(xué)習(xí)的前提下，教師可根據(jù)學(xué)生線上學(xué)習(xí)的反饋，調(diào)整教學(xué)策略，針對性地開展課堂教學(xué).同時，教師將有更充足的課堂時間組織課堂討論、知識拓展等教學(xué)環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深層次的學(xué)習(xí).

疫情期間，課堂教學(xué)環(huán)節(jié)采取在線直播的形式開展(騰訊課堂或騰訊會議). 筆者設(shè)計的課堂教學(xué)的主要流程包括(如圖4)：首先檢測學(xué)生線上學(xué)習(xí)的成效(通過雨課堂進(jìn)行課堂測試，一般為5個選擇題；疫情期間該環(huán)節(jié)在超星平臺上開展). 接著，進(jìn)行重難點知識講解，穿插課堂討論、質(zhì)疑等. 考慮到學(xué)生前期已進(jìn)行了基本知識點的線上學(xué)習(xí)，因此教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生前期線上學(xué)習(xí)和課堂測試的反饋，突出重難點、易錯點講解，而非簡單、重復(fù)性的知識點羅列. 然后，進(jìn)行易錯題講解、優(yōu)秀作業(yè)展示、項目展示、交流等.

圖4 線下課堂教學(xué)基本流程

通過線上教學(xué)與線下教學(xué)的有機(jī)融合、優(yōu)勢互補(bǔ)，教師課堂教學(xué)的效率和有效性得以提高，同時使得教師有時間在課堂教學(xué)中組織更豐富的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)形式，這有益于學(xué)生進(jìn)行深層次的學(xué)習(xí).

1.4 課后：復(fù)習(xí)總結(jié)、線上討論區(qū)討論

課后，學(xué)生在線完成、提交相應(yīng)章節(jié)的作業(yè)、完成復(fù)習(xí)思維導(dǎo)圖，并在線上討論區(qū)發(fā)布討論話題進(jìn)行師生、生生之間的討論、釋疑，同時，根據(jù)教學(xué)要求開展項目研究等教學(xué)活動。

在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，學(xué)生提問、交流的積極性打破了傳統(tǒng)課堂教學(xué)的沉寂. 以2020年春季學(xué)期“大學(xué)物理”1個教學(xué)班的65名學(xué)生為例：學(xué)生們在超星平臺討論區(qū)共發(fā)布124個討論話題；學(xué)生平均發(fā)布、參與討論的次數(shù)為35次；單個學(xué)生發(fā)布、參與討論的最高次數(shù)達(dá)71次；教師參與討論65次.通過線上討論，促進(jìn)了學(xué)生之間的協(xié)作學(xué)習(xí)，也有效增強(qiáng)了師生之間、生生之間的討論與交流.

1.5 項目學(xué)習(xí)引入大學(xué)物理教學(xué)

在教學(xué)中增加研究性、創(chuàng)新性、綜合性的教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)課程體系整體設(shè)計，促進(jìn)知識、能力、素質(zhì)三者有機(jī)結(jié)合. 從2018年開始，筆者在大學(xué)物理教學(xué)中引入基于問題和基于數(shù)值分析的探究式學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，科學(xué)地加大學(xué)生的學(xué)習(xí)投入，提高課程教與學(xué)的高階性和挑戰(zhàn)度.

在教學(xué)實踐中，筆者會在每年發(fā)布的IYPT(國際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽)題目中選擇一些實驗器材簡單易得的題目，例如“水中的蠟燭”(2018年)、“響亮的聲音”(2019年)、“漏斗與球”(2019年)，或從大學(xué)物理課程知識點中遴選數(shù)值仿真項目發(fā)布給學(xué)生，由學(xué)生自由分組組成團(tuán)隊，通過團(tuán)隊協(xié)作，完成查閱資料、設(shè)計研究方案、理論模擬、實驗設(shè)計操作等項目研究環(huán)節(jié). 在課堂上，教師組織不同組的學(xué)生分成正方、反方和評論方進(jìn)行項目研究的展示、交流及辯論，并由同學(xué)們互評得分，項目學(xué)習(xí)的情況將計入平時成績。

以大學(xué)物理量子力學(xué)部分“實物粒子的波粒二象性”問題為例，實物粒子的波粒二象性是量子力學(xué)中最重要、最基本的概念，學(xué)生對此概念理解比較困難，而且觀察實物粒子的波動性往往受到實驗條件的限制. 學(xué)生利用Matlab仿真軟件研究大量電子通過雙縫的情形，清楚地展示了大量電子通過雙縫時表現(xiàn)出了與光波類似的干涉圖樣(如圖5). 通過該項目的研究，一方面幫助學(xué)生從概念上更深刻地理解了實物粒子的波粒二象性，提高了學(xué)生利用數(shù)值仿真軟件解決實際問題的能力；另一方面激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，使學(xué)生從抽象的物理理論中跳出來，欣賞到物理的美.

圖5 教學(xué)班學(xué)生Matlab數(shù)值仿真案例

圖6 教學(xué)班學(xué)生項目研究掠影

在“大學(xué)物理”教學(xué)中開展項目學(xué)習(xí)，在培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計思維、工程思維、數(shù)字化思維、推理批判能力、溝通協(xié)商能力等方面起到了積極的推進(jìn)作用，是對促進(jìn)學(xué)生知識、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的創(chuàng)新人才培養(yǎng)新途徑的有益探索. 項目學(xué)習(xí)得到了2018年校課程評估專家和學(xué)生們的認(rèn)可，評估專家指出：“開展項目學(xué)習(xí)、討論、辯論交流，方式新穎，進(jìn)一步把物理教學(xué)的興趣點激活，使得學(xué)生非常喜歡和投入”. 學(xué)生在項目學(xué)習(xí)報告中寫到:“這樣一個探究過程十分有意思，盡管很難，但卻讓我學(xué)到很多課本外的東西，學(xué)會了如何對一個問題進(jìn)行研究分析，這無疑對我以后的學(xué)術(shù)生涯有著莫大的幫助”.

2 成績評價及成效

在“大學(xué)物理”線上線下混合教學(xué)模式的實踐過程中，嚴(yán)格考試、考核評價，建立了過程性考核與結(jié)果性考核有機(jī)結(jié)合的課程考評制度，在常規(guī)考核的基礎(chǔ)上增加了線上學(xué)習(xí)的過程考核和項目學(xué)習(xí)考核.“大學(xué)物理”線上線下混合教學(xué)班的課程成績組成主要包括：平時成績(35%，含線上學(xué)習(xí)情況、線上測試題完成情況、線上討論區(qū)參與討論情況、項目研究情況、出勤、課堂表現(xiàn))、中期考試(30%，課程線下統(tǒng)考)、期末考試(35%，課程線下統(tǒng)考).

首先，為了檢驗混合(SPOC)教學(xué)班學(xué)生的課程學(xué)習(xí)效果，筆者將2018-2019學(xué)年混合(SPOC)教學(xué)班與傳統(tǒng)教學(xué)班學(xué)生的兩次線下統(tǒng)考期末卷面成績做一個對比，兩次期末考試均采用同一套試卷.如圖7所示，SPOC教學(xué)班學(xué)生的期末卷面成績的及格率和優(yōu)秀率均明顯高于傳統(tǒng)教學(xué)班，這表明“大學(xué)物理”線上線下混合教學(xué)模式對提升學(xué)生的課程學(xué)習(xí)效果是有益的.

圖7 “大學(xué)物理”線上線下混合教學(xué)班(SPOC班)與傳統(tǒng)教學(xué)班期末卷面成績對比圖

另外，為了分析學(xué)生線上學(xué)習(xí)效果對課程整體學(xué)習(xí)效果的影響，筆者以2020年春季學(xué)期“大學(xué)物理”的一個SPOC教學(xué)班為樣本，分別分析了學(xué)生的線上綜合成績與2020年9月份學(xué)生返校后進(jìn)行的線下閉卷期末卷面成績之間的關(guān)系、以及線上綜合成績與學(xué)生總評成績之間的關(guān)系. 線上綜合成績是收集學(xué)生在超星平臺上的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，包括學(xué)生觀看視頻的情況、線上測試題的完成情況、線上簽到、線上平臺發(fā)帖、回帖等參與討論情況. 疫情期間，2020年春季學(xué)期“大學(xué)物理”線上線下混合教學(xué)班的總評成績設(shè)置如下：線上綜合成績(35%，含線上學(xué)習(xí)情況、線上測試題完成情況、線上討論區(qū)參與討論情況、簽到、項目研究、課堂表現(xiàn))、中期考試(10%，線上統(tǒng)考)、后半期測試(10%，線上統(tǒng)考)、期末考試(占總評成績的45%，線下閉卷統(tǒng)考).

將學(xué)生的線上綜合成績與線下期末卷面成績做線性回歸分析(圖8)，可得線性相關(guān)系數(shù)R2=0.31839(R=0.564),表明學(xué)生的線上學(xué)習(xí)成績與該生的期末卷面成績之間存在較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系.

圖8 學(xué)生線上綜合成績與線下期末卷面成績相關(guān)性分析

將學(xué)生的線上綜合成績與總評成績做線性回歸分析(圖9)，可得線性相關(guān)系數(shù)R2=0.68694(R=0.829)，這表明學(xué)生的線上學(xué)習(xí)成績與該生的課程總評成績之間存在著強(qiáng)相關(guān).

圖9 學(xué)生線上綜合成績與總評成績相關(guān)性分析

通過上述分析可以看到學(xué)生線上學(xué)習(xí)效果與課程學(xué)習(xí)效果存在較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系. 通過在教學(xué)過程中設(shè)計多維度、全過程的考核因素，使得學(xué)生在整個學(xué)習(xí)過程中都保持投入、認(rèn)真學(xué)習(xí)的狀態(tài)，改變學(xué)生僅靠期末突擊復(fù)習(xí)應(yīng)對課程考核的情形.

3 結(jié)語

隨著信息化技術(shù)的高速發(fā)展，將有更多高校師生選擇線上線下混合教學(xué)新形態(tài)，這將對后疫情時代因勢利導(dǎo)持續(xù)發(fā)揮線上教學(xué)的作用，促進(jìn)信息化時代背景下高校教育教學(xué)改革具有重要意義.

在“大學(xué)物理”線上線下混合教學(xué)實踐過程中，圍繞“金課”建設(shè)的“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn)，通過對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、考核評價等關(guān)鍵點進(jìn)行教學(xué)改革，有效發(fā)揮了線上和線下教學(xué)的優(yōu)勢，形成了“在線學(xué)習(xí)+課堂總結(jié)討論+課外研究實踐”的完整教學(xué)體系，形成了一種以“學(xué)生為中心”的創(chuàng)新教學(xué)模式，促進(jìn)了學(xué)生的個性化、深層次學(xué)習(xí)，促進(jìn)了師生的共同發(fā)展.

在后續(xù)線上線下混合“金課”的教學(xué)實踐中，筆者將繼續(xù)秉承以“學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，將課程思政進(jìn)一步有機(jī)融入課程，實現(xiàn)知識體系與價值體系的有機(jī)統(tǒng)一. 同時，將加強(qiáng)與國內(nèi)兄弟院校之間的教學(xué)經(jīng)驗交流。