多元融合的對分課堂模式在“大學物理”教學中的實踐

馬 玲，陳 鑫，藺百童，郝 睿，高永偉，張軼炳，李學豐

(寧夏大學 物理與電子電氣工程學院，寧夏 銀川 750021 )

物理學是研究物質的基本結構、運動形式、相互作用以及轉化規(guī)律的自然科學. 物理學所展現(xiàn)的科學的世界觀、認識論和方法論深刻影響著人類的思維方式以及對物質世界的基本認識. 以物理學基礎知識、基本規(guī)律和方法為主要內容的“大學物理”課程，其課程目標、教學內容、教學方法與手段為學生提供了豐富的知識體系、科學思維與能力訓練.同時，物理學以深邃的歷史底蘊、求實的科學精神、唯物辯證的研究方法、潛移默化的人文價值以及引領科技的基礎作用，鑄就了“大學物理”課程的鮮明特色[1].

1 課程教學分析

1.1 學情分析

“大學物理”課程涉及力學、熱學、電磁學、光學、相對論和量子物理，內容涵蓋面廣、知識點繁多，并要求學生能熟練利用微積分及矢量分析來解決物理問題. 然而，我校大多數(shù)理工科學生物理基礎相對薄弱，高等數(shù)學知識應用不夠靈活，這都使得學生在物理知識獲取上產生阻力，進而形成深度學習障礙，出現(xiàn)學習物理熱情不高，學習主動性差等現(xiàn)象.

1.2 教師任務分析

由于近幾年的理論課時嚴重壓縮，教學任務繁重，加上科研工作的巨大壓力，教師不能全身心的投入教學，大部分教師采用傳統(tǒng)的、講授為主的教學模式，形式單一，學生課堂參與度低，課堂效能不高. 隨著教學改革的不斷深入，教師必須轉變教學理念，以學生為中心，不斷優(yōu)化教學模式；有效整合課程內涵，使物理基本理論與工程應用結合，實現(xiàn)知識與能力的融會貫通和進階發(fā)展.

1.3 考核評價分析

課程成績歷來執(zhí)行“三七”開的評價標準，以終結性考試評價為主. 平時成績僅來源于考勤和作業(yè)，過程性考核有效力不足，不能很好地調動學生學習的主動性.

基于上述3個層面的分析，針對學生學習物理困難、學習自主性不高、教學組織和評價形式單一等問題,團隊采用多元融合的對分課堂教學模式，全面進行“大學物理”課程改革. 對分課堂是由復旦大學的張學新教授在2014年提出的，是指把一半課堂時間給教師講授，另一半給學生以討論的形式進行交互式學習，討論隔堂進行[2]. 該模式教學流程簡單易學、可操作性強，以良好的教學效果獲得了眾多教師的青睞. 無論是在文史類課程，還是理工類課程，對分課堂教學均可有效提升學生學習的主動性和課堂參與度[3-10]. 蘇琴等基于對分課堂教學模式，有效解決了學生學習大學物理時被動接受知識的困局[3]. 張章在新冠肺炎疫情期間，把對分課堂應用于大學物理線上教學，將實施效果與線下傳統(tǒng)授課進行對比，發(fā)現(xiàn)對分課堂優(yōu)勢明顯，更能提高學生的綜合能力和學習積極性[4]. 秦丹等運用對分課堂教學模式，從教學內容、教學目標、教學資源和手段、教學活動、教學評價等方面設計了多項教學措施，并采用調查問卷對教學效果進行了評估，結果表明：基于對分課堂模式的教學改革改善了學生學習行為、強化了學生學習過程的自我監(jiān)控，實現(xiàn)了知識、能力、情感的多維發(fā)展，提升了大學物理的教學質量[5].

2 課程創(chuàng)新理念及教學目標

2.1 教學理念

結合新工科背景下對課程建設內涵發(fā)展和新型工程人才的培養(yǎng)需求，設立全新的教學理念：以學生為中心，以人才培養(yǎng)目標為導向，不斷優(yōu)化教學模式，發(fā)揮教師的引導作用，凸顯學生學習的主體地位；進一步從深度和廣度提升教學內涵，滲透思政元素、專業(yè)思想和學科前沿，使物理基本理論與工程應用相融合，實現(xiàn)知識轉化為能力的進階式發(fā)展；重構教學評價體系，加強過程性考核，建立多元化評價學生的合理量規(guī).

2.2 教學目標

在創(chuàng)新教學理念的引領下，本文提出具有“大學物理”課程特點的三維教學目標：

知識目標：理解物理學的基本概念和基本原理；學會物理學的科學思維和科學方法.

能力目標：能靈活應用物理知識分析解決具體問題；能運用物理概念原理解釋生活中的物理現(xiàn)象；能將物理原理應用到專業(yè)領域；能根據自己的興趣制作體現(xiàn)物理學原理的產品.

情感目標：建立科學的世界觀和方法論，領悟物理學的對稱美和簡潔美；激發(fā)學生的自信心和民族自豪感，擢升學生的科學情懷和人文素養(yǎng).

3 課程創(chuàng)新設計方案

3.1 豐富教學內容，強化知識運用，滲透學科前沿

3.1.1 融入課程思政元素，培育學生家國情懷

在課堂講授中適時開展思政教育，力求從3個方面挖掘思政元素：① 講述課程涉及的科學家成就和事跡，讓學生感受物理學家的科學精神、愛國精神和奉獻精神，發(fā)揮價值引領作用；展示與理論知識有關的我國傲人的科學成就，引燃學生的民族自信心和自豪感，激發(fā)學生的愛國熱情和學習的內動力.② 充分挖掘物理學的哲學內涵，培養(yǎng)學生的辯證思維；例如：奧斯特堅信電和磁之間存在某種潛在聯(lián)系，經過多年研究終于發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應，這體現(xiàn)了哲學觀點“物質是普遍聯(lián)系的”. ③ 引導學生學會欣賞物理學之美，樹立學生的科學審美觀.物理之美體現(xiàn)在對稱美、簡約美、守恒美、結構美、統(tǒng)一美、應用美……，例如：描述電磁場規(guī)律的麥克斯韋方程，體現(xiàn)了物理的簡約美和統(tǒng)一美；庫侖定律和萬有引力定律在形式上相仿，體現(xiàn)物理的對稱美. 總之，物理學科充滿了豐富的思政元素，可在課程中盡現(xiàn).

3.1.2 見物思理遷移運用，進階物理理論深度

物理與生活息息相關，在課堂講授中引入生活中常見的問題或有趣的實驗現(xiàn)象，啟發(fā)學生利用物理知識揭示原理，激發(fā)學生學習物理的興趣. 如講解高斯定理時，采用實驗視頻導入問題：“電擊金屬籠時，籠內的鸚鵡為什么毫發(fā)無傷？”

3.1.3 枚舉科技應用實例，彰顯物理學科魅力

物理是科學與技術發(fā)展的基礎，課堂講授中引入與理論知識相關的物理前沿和科技應用，讓學生充分感受物理學科的魅力. 如在講解“帶電粒子在磁場和電場中的運動時”，介紹“中國的小太陽”——托卡馬克；在講解狹義相對論時，介紹2019年人類首次拍攝的“黑洞”.

3.1.4 線上推送優(yōu)質課程，豐富學生學習資源

線上推送網易公開課、中國大學MOOC中的相關精品課程，作為教材的優(yōu)質擴充資源，豐富學生的學習形式、開闊學生的視野.

3.2 優(yōu)化教學過程，實施多元融合的對分課堂模式

3.2.1 應用對分課堂，落實創(chuàng)新教學理念

對分課堂的實施流程分為3步(圖1)：① 課堂講授：課堂上教師講授內容的基本框架、重點和難點.② 內化吸收：課后留出時間讓學生獨立學習、內化吸收、梳理知識、提煉觀點，完成“亮考幫”作業(yè). “亮”:學生在聽課、讀書、完成教師布置的作業(yè)后，總結出學習過程中自己感受最深、受益最大、最欣賞的內容；“考”:自我學習完成后，提出其他同學可能存在的問題，在討論時挑戰(zhàn)學習同伴；“幫”:把自己不懂、不會或想要了解的內容，用問題的形式表述出來，在討論時求助同學.③ 討論交流：第二節(jié)課回到課堂進行小組討論，小組成員輪流分享亮點、提出問題，與同伴互相切磋，合作學習. 討論結束后，小組代表分享小組成員的亮點，提出經小組討論未解決的問題，教師進行現(xiàn)場解答，最后教師進行歸納總結.

圖1 對分課堂實施流程

對分課堂實現(xiàn)了學生的參與式學習[11]，激發(fā)了學生學習的主觀能動性，促進了學生知識的內化與吸收. 對分課堂實施難點在于教師精講和學生內化吸收內容的選擇和設計. 經過實踐表明：對于物理計算專題，采用對分課堂效果良好. 例如：電場強度的計算、高斯定理的應用、畢奧-薩伐爾定律的應用、安培環(huán)路定理等等. 設計思路：教師精講核心的物理概念、物理定律以及推導，對概念、定律應用的方法與步驟只扼要介紹，細節(jié)不講；然后將課本中相應的例題布置給學生，讓學生在課下獨立學習，完成“亮考幫”作業(yè). 第二節(jié)課上依次進行小組討論、小組匯報、教師答疑、教師總結.

在對分課堂實踐的過程中，從學生的“亮考幫”作業(yè)可以看出，學生通過獨立的學習和思考，不僅學會了概念和定理的初步應用，還能體會到更為深刻的物理思想. 例如：學生發(fā)現(xiàn)電場線的特點反映了電場的性質，數(shù)學微積分的思想在解決物理問題中的妙用等等. 學生通過自身努力獲得的知識和感悟，遠比教師直接輸入效果好. 對分課堂的課堂討論是圍繞“亮考幫”進行的，學生有備而來、有話可說，課堂討論氣氛熱烈，不會出現(xiàn)不知如何討論的尷尬場景. 經過“亮考幫”的精心準備和小組分享，學生匯報環(huán)節(jié)精彩紛呈. 小組代表分享的“亮點”總會讓人驚喜，學生能力不可小覷，他們是能夠洞察到物理的博大精深之處的.小組匯報環(huán)節(jié)可以使教師充分了解學生的學習困難. 教師答疑時，要有選擇的回應學生問題——對于典型的、共性的問題給予詳細的解答，而對于個性的、與課程內容相關度不大的問題課下解答. 最后，教師利用10～15分鐘的時間，對課程內容進行高度的歸納，對學生易錯或疏漏的知識點要進行特別說明，達到總結提升之功效.

3.2.2 實現(xiàn)演示實驗教學，還原物理學科本色

物理學是一門實驗學科，物理學原理離不開實驗支撐，課堂講授過程中引入演示實驗，化抽象為形象，幫助學生更好地理解物理知識. 團隊依托基礎物理實驗中心,積極開展與課程配套的演示實驗設計制作，全面挖掘大學物理中涉及的演示實驗，并將其拍攝成實驗微視頻以方便課堂教學的使用.

3.2.3 思維導圖章節(jié)測試，實現(xiàn)任務驅動學習

每章結束后，要求學生以思維導圖的形式梳理知識脈絡，總結本章要點；然后教師完成本章復習和習題講解后，進行章節(jié)測試(線下筆試). 章節(jié)測試旨在敦促學生重視平時的學習，培養(yǎng)良好的學習習慣.

3.2.4 開展項目教學活動，培養(yǎng)學生高階能力

課前10分鐘，要求學生輪流準備個人感興趣的或教師指定的與物理相關的課題，并以PPT的形式匯報展示. 學生通過查閱資料和自主學習，運用所學的知識探究科學前沿及工程應用涉及的物理原理.課程結束后，組織學生通過網絡投票，遴選最優(yōu)作品進行獎勵.

3.3 優(yōu)化教學環(huán)境，支持教學創(chuàng)新

3.3.1 建設線上課程資源，助力課堂有效對分

借助智慧樹平臺，由團隊錄制的“大學物理”課程已上線運行. 課程內容秉承上述教學內容創(chuàng)新要點進行設計，特色鮮明. 視頻素材可作為學生課前的預習材料，便于教師實施對分課堂.

3.3.2 依托網絡信息平臺，提升教學管理效能

依托雨課堂信息化平臺，學生在課上通過手機進行投票、答題和彈幕，學生課堂參與度達100%.在課上推送題目并限時作答，及時獲得反饋，便于教師了解學生對知識點的掌握情況；將答題成績計入平時成績，實現(xiàn)過程性考核；課程結束后，根據課堂報告，推出優(yōu)秀學生和預警學生，便于老師及時了解學生情況；還可以上傳作業(yè)、推送預習視頻等，有效提高教學管理效能.

3.4 重構教學評價體系，加強過程性考核

考核評價是檢驗教學質量的主要手段，恰當?shù)脑u價方式不僅有利于教師開展教學改革，而且更能激勵學生主動學習. 改變傳統(tǒng)“三七”開的評價模式，增大過程性考核比重——平時成績和期末考試各占50%. 平時成績將課堂測試(線上推題)、思維導圖、章節(jié)測試、“亮考幫”作業(yè)、課堂筆記等均納入考核指標體系，建構多元化評價標準(圖2).通 過多維度考核，合理、全面地評價學生知識、技能的掌握情況，激發(fā)學生平時學習的主動性，避免學生為應付考試而突擊式學習. 對于“亮考幫”作業(yè)、思維導圖，制定相應的評價標準，做到量化考核、有理有據.

圖2 多元化評價標準

4 課程教學效果評價與反饋

4.1 教學效果評價——教學目標達成情況分析

4.1.1 知識目標

以2019級電子信息專業(yè)1班為例，從三章的測試統(tǒng)計結果來看(圖3)，不論是成績分布，還是平均分，均能反映出大多數(shù)學生較好地掌握了基本知識點；且平均分逐漸升高，優(yōu)秀率不斷上升，表明學生的學習能力不斷提高.

4.1.2 能力目標

思維導圖和“亮考幫”作業(yè)中亮點的總結鍛煉了學生歸納、綜合等科學思維能力，“考”和“幫”中問題的提出體現(xiàn)了學生在求知過程中的探索精神；項目式教學營造科研情境，實現(xiàn)了學生的深度學習，培養(yǎng)了學生將物理原理遷移運用于實際的高階能力.

4.1.3 情感目標

課程改革后的大學物理讓學生感到生動有趣，學生的課堂表現(xiàn)活躍，學習物理的熱情高漲. 從期末的課程小結中可以看出學生切身的學習感受：學生領悟到了物理學的神奇與美，體會到了物理學與專業(yè)之間的緊密聯(lián)系；通過了解物理學家的卓越成就，被他們的科學精神深深感動，并想和他們一樣努力，實現(xiàn)自己的人生價值.由此可見，課程中的思政教育做到了潤物細無聲.

4.2 教學效果反饋

4.2.1 學生課堂聽課效率提升

全新的授課方式讓學生耳目一新，學生聽課全神貫注. 從課堂測試統(tǒng)計結果可以看出，學生聽課效果良好. 從雨課堂推送的優(yōu)秀學生來看，每次推送的優(yōu)秀學生都不同，充分體現(xiàn)出學生學習物理較高的積極性和高效性.

4.2.2 問卷調查及統(tǒng)計結果

為了解學生對各項教學改革舉措的評價，設計了“大學物理”教學改革的問卷調查和對分課堂教學法問卷調查，并進行數(shù)據統(tǒng)計. 從摘錄的部分統(tǒng)計結果顯示，學生對對分課堂、演示實驗的引入、課堂測試、思維導圖、章節(jié)測試等環(huán)節(jié)十分認可(表1)；95.2%的學生對多種手段融合下的“大學物理”課程感到有趣，90.7%的學生對多元融合“大學物理”課程的教學效果感到滿意.

圖3 章節(jié)測試的成績分布統(tǒng)計結果

表1 問卷調查統(tǒng)計結果摘錄

5 課程教學持續(xù)改進措施

本課程堅持以學生為中心，采用多元融合的對分課堂模式，對于教學問題的解決和教學目標的達成是非常有效的，現(xiàn)已在我院大學物理課程全面推廣. 今后還需持續(xù)改進：① 進一步推進對分課堂模式，開發(fā)對分課堂的新課型，如用對分課堂進行物理概念和規(guī)律教學；② 結合專業(yè)特點開展小組式實踐型項目學習活動，鼓勵學生制作科技作品. 今后，筆者將依據專業(yè)認證對標分析的結果，對教學內容、教學模式及評價進行持續(xù)改進，以期獲得好的教學效果.