基于SPOC的大學物理課程混合式教學設計與實踐

王祖源 張 睿 顧 牡 張志華

(同濟大學物理科學與工程學院，上海 200092)

寫在正文之前

本文是筆者近5年基于SPOC的混合式教學的工作總結，我們寫這個總結主要是基于以下3個方面的原因：

其一，同濟大學教育技術學專業碩士點師生在不斷跟蹤、調研現代教育技術應用前沿的過程中，認識到高等教育信息化是促進高等教育改革創新和提高質量的有效途徑，是教育信息化發展的創新前沿。正如《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)》所指出的：“信息技術對教育發展具有革命性影響，必須予以高度重視”[1]。教育信息化的發展要以教育理念創新為先導，以優質教育資源和信息化學習環境建設為基礎，以學習方式和教育模式創新為核心服務于教育改革和發展，探索現代信息技術與教育教學的深度融合，以信息化引領教育理念和教育模式的創新。2013年初夏，我們在學校本科生院(原教務處)設立的學校層面教學改革研究項目“教育技術前沿中MOOC模式研究與實踐”課題支持下，正式拉開了基于MOOC的混合式教學模式設計與大學物理MOOC課程建設的序幕；同年9月，在我校大學物理(下)課程的一個班級中開始第一批教學試點。那時，在線視頻部分使用的是我校在“愛課程”網上運行的“大學物理精品資源共享課”視頻。“愛課程”推出的“精品資源共享課”視頻是真實課堂教學的隨堂錄制，這種視頻模式對于非在校的社會學習者是比較合適的，但我們這次試點并沒有對社會開放，只面對在校學生。按教學進度配置與其教學內容對應的隨堂測試、周作業與周測試，很受那些進入大學后就想“放松一下”進而經常不愿意進課堂聽課的學生的歡迎。在線課堂也讓我們思考：學生已經可以在線學習傳統課堂上的教學內容，那當他們走進教室后，教師再給他們講什么呢？“翻轉課堂”由此應運而生，更深入一點，需要重新規劃教學方案，重新錄制線上教學視頻。與此同時，我們研究MOOC、SPOC、微課程等特征，不斷與試點班級的學生交流教與學的體會，并開始基于SPOC的混合式教學設計與實踐，至2018年6月，筆者已完成了5年的基于SPOC的混合式教學模式教學試點。在這幾年的教學改革中，我們努力將教育技術基本原理應用于教學實踐，希望從教學理念、方法、手段等方面真正理解教育教學改革的本質，讓教學改革步入科學研究的軌道，使教學質量上一個臺階。回顧歷程，雖然談不上這項改革取得了成功，但經過不斷修改、完善線上線下教學資源，不斷改進師生互動的方式方法，現已形成了比較穩定的“基于SPOC的混合式教學模式”。希望其中能有點滴片段可以對我國開展MOOC本土化的教師有參考和借鑒作用。

其二，我們從在高等教育的課程中實施大規模在線開放課程(慕課)的可行性研究開始，結合同濟大學大學物理課程每個學期教學實踐的數據分析，先后又在學校的教改課題中立項開展了“大學物理‘微課程’建設的研究與實踐”“《大學物理》SPOC實踐與資源建設”、上海高校本科重點教學改革項目“‘互聯網+’背景下的大學物理課程建設與實踐”課題以及上海市哲學社會科學規劃教育學重點項目“技術支持學習環境下對學習者學習成效影響研究”等課題研究，實施教學實踐的教師逐漸增加。參與這些課題研究工作的教師和研究生先后在《中國大學教學》《物理與工程》《現代教育技術》《大學物理》等期刊上發表了相關的研究論文，我們希望對這些工作進行必要的歸納總結，也算是對這些研究課題必要的交代。

圖1 基于WiFi的課堂互動系統應用實例

其三，筆者曾在幾個全國性教育教學相關會議和國際物理教育研討會上介紹開設基于SPOC的大學物理混合式教學的一點體會。其間，有老師問及能否分享我們的討論題目。坦誠地說，不是我們不愿意分享，而是沒有足夠的把握認為這是合適的討論題目。例如，在一次研討會上介紹“基于WiFi的課堂互動系統”中用過的一道關于狹義相對論視覺效應的題目，如圖1所示。我們的意圖是強調“長度收縮是發生在有相對運動的方向上”，以及其“不是看到的圖像”等問題。或許由于不是在課堂教學過程中的場景，會下就有老師提出“這個題目不是狹義相對論的題目”。我們認為，給學生討論什么樣的題目見仁見智，而且對不同的對象，依據他們對已有知識的理解程度，討論的題目應該有所不同。如今，我們已經整理出了一套題目，在非“寫教材”的定位下，愿意與正在開展相關教學模式的老師交流分享。

0 引言

2016年初，聯合國教科文組織(UNESCO)總干事伊琳娜·博科娃(Irina Bokova)在以《反思教育：向“全球共同利益”的理念轉變？》(Rethinking education: Towards a global common good?)為題的研究報告[2](以下簡稱“報告”)“序言”部分寫道：“我們在21世紀需要怎樣的教育？在當前社會變革的背景下，教育的宗旨是什么？應如何組織學習？”她指出：“世界在變化，教育也必須變化。社會無處不在經歷著深刻變革，這種形勢呼吁新的教育形式，及今后社會和經濟所需要的能力。”

事實就是這樣，學生的學習模式在過去的幾年里發生了巨大的變化，知識來源改變了。我們現在的教學對象也很有個性：他們獲取知識的途徑多元，上課不是唯一的途徑；他們習慣于圖像刺激，不習慣閱讀長篇文字；他們注意力持續性短暫，不習慣長久坐著聽講；他們喜歡一心多用，熱衷于使用移動產品，且容易接受并嘗試新事物。此時，學習者與知識之間的交流互動方式也改變了。

那么作為教師，該如何對待互聯網時代學生所發生的這些變化呢？我們是否應該重新思考教與學、教師與學生、課內與課外的關系？這里不妨思考這樣一個問題：在信息技術應用進程中，E-mail與e-learning幾乎是同時出現在人們的視線，為什么E-mail很快被人們接受而且廣泛應用，但e-learning的應用卻不夠樂觀？如同E-mail應用給我們帶來了新的交流方式，京東給了人們新的購物方式，百度提供了新的獲取信息的方式，教育理所當然地應該為學生提供更為有效的學習方式，實現學生創新能力的提高。

與此同時，移動互聯網、大數據分析、創客以及虛擬現實(VR)、增強現實技術(AR)等新信息技術正在進入課堂，為高等教育的革新與發展提供了新的教育研究范式。這些與互聯網技術密切相關的技術具有泛在性、即時性、個性化，移動互聯網使學習者可以隨時隨地開展學習；大數據可以使教育者能夠及時有效地分析學習者的學習行為，并根據反饋信息調整自己的教學工作；增強現實技術可以增強學習者和學習平臺之間的交互功能，幫助學習者通過自身體驗學習知識。如果高等教育能夠有效地將這些信息化工具整合到教學過程中，教學效果將會得到較大的提升。

傳統的教學以教師為中心，教學過程往往是單向式，傳遞的信息是同質的，很難實現個性化教學；學生在學習過程中缺乏實踐體驗，學習過程以記憶理解為主，缺少對知識的應用和基于所學知識的創新，這樣的教學模式難以適應信息時代的需要。

國務院于2015年發布的《國務院關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》指出，“互聯網與各領域的融合發展具有廣闊前景和無限潛力，已成為不可阻擋的時代潮流”[3]。黨的十九大明確提出要“加快教育現代化，辦好人民滿意的教育”，要“發展素質教育，推進教育公平”。在這樣的時代背景下，“互聯網+教育”的信息化教育已然成了促進傳統教育變革的重要途徑，全民教育、個性化學習、終身學習等成了當今時代教學的主旋律，各種教育信息化實例層出不窮[4]。

1 “慕課”“微課程”“翻轉課堂”的特征與翻轉課堂是否適用于理科課程的爭議

1.1 “慕課”“微課程”“翻轉課堂”的特征

隨著信息技術的飛速發展，傳統高校教學模式面臨著“大規模開放式在線課程”“移動學習”“翻轉課堂”等的挑戰。于是，“現在有些人認為，由于電子學習、移動學習和其他數字技術提供了大量學習機會，學校教育模式在數字時代是沒有前途的”[2]。該觀點對“慕課”和“翻轉課堂”教育教學改革的認識存在誤區，筆者認為有必要從近幾年混合式教學踐行者的角度，剖析“慕課”“微課程”“翻轉課堂”等教育界廣泛關注的熱點詞語的特征，探討“互聯網+”時代信息技術與教育教學深度融合的可能方式。

慕課，即大規模開放式在線課程(massive open online course，MOOC)，是20世紀末西方開創孕育、2012年開始在全世界教育界涌現出的一個浪潮，其本質是一種教學模式，是以支持大規模和開放性為特征的網絡課程，今天更多地稱為大規模開放的在線課程。但這種大規模開放的在線課程與傳統的網絡課程有著明顯的區別，盡管過去的網絡課程可以提供高質量的教育，但難以做到“大規模”；過去網絡課程的高收費，無“開放”可言；今天的慕課是任課教師全程參與課程教學，包含課程的設置、實施、課程進行中的師生互動等，被看作是教育傳播服務的變革。李曉明教授將慕課定義為一個教學過程，即“主講教師負責的，通過互聯網開放支持大規模人群參與的，以講課短視頻、作業練習、論壇活動、通告郵件、測驗考試等要素交織，有一定時長的教學過程。”[5]

微課程(micro-lecture)，常簡稱為“微課”，指的是以一個內容簡短、主題明確的視頻來集中說明一個問題或核心內容的小課程，最終形成在線學習或移動學習的實際教學內容，因而被看成是在線課程所需的教學資源，包含課堂教學中的教學設計、教學方法和素材課件等。微課程的主要特點是時間短、內容少、容量小、主題突出、多樣傳播、針對性強，并且微課程的制作簡單。目前，微課程不僅是師生學習交流的教育資源，也構成了學校教育教學改革的特色[6]。微課是信息化時代的產物，是一種革新式的教學理念和教育技術，具有教學目標明確、教學內容簡化、資源使用方便和制作成本低廉等特征，制作環節包括選題、教學設計、錄制微課視頻、視頻后期處理和資源發布等5個步驟，其中教學設計環節是微課堂建設最重要的環節。

翻轉課堂(flipped classroom或inverted classroom)是信息化時代的產物，顛覆了傳統課堂與課下的教學流程，是促進學生的個性化學習的創新教學模式。翻轉課堂把知識的學習與信息的獲取放在課下，讓學生借助在線視頻或互聯網進行自主學習；而課上的寶貴時間用于師生交流，答疑解惑和探究學習等。這種教學模式把學習的主動權交還給學生，學生在課下可以利用多種教學資源、慕課和微課等網絡資源進行自主學習、查閱資料而獲取知識，教師在課上通過組織探究、研討和答疑等的教學形式，達到交流互動，幫助學生進行知識內化，提升學生對所學知識的深刻理解，從而培養學生自主學習的能力，體現個性化學習特點。

1.2 翻轉課堂是否適用于理科課程的爭議

從教師的教學來看，翻轉課堂教學模式實際上是教師對自己的教學進行重組。在教學流程設計上，依據翻轉課堂教學模式創新逆向教學流程的思路，把學生通過閱讀教材或其他網絡數字資源容易習得的知識內容，放在課程網站上。通常是將知識點講授的內容錄制成視頻，同時提出一些在學習過程中可以討論的問題，包含自學過程中的自測題、有助于加深理解的問題、知識應用題以及能力拓展問題等，供學習者帶著問題進行在線研討式學習，且要求學生在教師預先設置好的學習時間節點內完成自主學習。課堂教學的內容則是以討論式學習為主，比如進行知識點的系統性梳理，關鍵問題的討論，作業過程中發現的問題討論，某些課本以外的問題討論等；對那些需要動手實驗或深入研究的問題，也可以在研討式的課堂上交流。翻轉課堂教學模式的應用建立在信息化教學技術手段發展完備的基礎上，教學技術手段的完備程度是指技術手段達到應用的標準，具有廣泛的應用性，且具有便捷的使用途徑。

在校學生是否適用以微課程資源為基礎的翻轉課堂教學是一個爭論比較大的問題，特別是物理這種理科課程，如何處理微課程教學資源可能導致知識“碎片化”是首先要重點考慮的問題。碎片化包括時間碎片化、知識碎片化和學習碎片化。理性地講，學生進行微學習(微學習主要是指由微內容和微媒體構成，學習者可以身心愉悅地隨時隨地進行學習。微內容是把原來較大的知識塊劃分為較小的但相互關聯的單元模塊，從而使得每個單元的學習時間更短。微媒體即承載微內容的媒體，具有輕便易用的特性。)具有自主性、個別性和個性化等特征，同時也失去了相對固定的物理空間和班級教學的組織形式，這使得學生的學習受到碎片化特征的制約。在碎片化學習的背景下，表面上變為碎片化的知識，實際上卻方便了知識的重構，我們需要使用“零存整取式學習策略”。零存整取學習策略的核心思想是把不斷積累的知識碎片進行融合，使碎片化的知識逐漸整合起來，并與個人原有的知識體系實現對接，從而達到化零為整的目的，最終通過將碎片化知識進行創造性重構而實現知識創新[6]。因此，教師應當規劃好定期推送給學生的學習量，面授課上注意幫助學生建立起知識點之間的聯通管道，歸納總結所學到的碎片知識，形成邏輯結構嚴密的知識框架。

還有一個回避不了的問題：有的教師擔心，學生已經通過在線學習掌握了基本的學習要點，沒必要再到課堂上來聽課；有的學生干脆課前不進行學習，直接去課堂聽老師講，這涉及“聽課”與“講課”兩個基本概念。“聽課”多數情況下是學生按照指定時間去指定地點，聽一個教師(通常是用投影PPT的方式)講上1～2個小時，然后散掉。如果教師精心準備了這1～2個小時的教學內容，講授過程中不斷展示所教授內容的感悟和思考，抑揚頓挫地體現了重點和要求，學生聽講一定比自己看書的效果好很多，這樣的聽課的確有必要。不過這也是有成本的，那就是一群人在指定時間去同一個地方待一段時間，而且，學生之間的差異會導致他們在那段時間里不一定總有收獲，特別是在某個點思想開小差的同學，回過神后就不知教師所云了。所以，教師如何設計自己的“講課”非常重要，既要讓已經習得基本知識的學生從“聽課”中獲益，也要讓那些容易思想開小差的學生積極參與到課堂中，更要讓那些課前不學習的學生盡快回歸到正常的學習軌跡中來。教師的“講課”不僅要避免與在線課程教學內容的重復，還要充分發揮課堂面授教學的優勢，幫助學生深入理解、內化所學知識，這就是基于翻轉課堂的混合式教學模式。在這種教學模式下，課堂活動是參與式的，學生需要為參與這樣的課堂事先學習和準備。教師需要指導這種學習和準備，他可能會用到一些視頻資源，可能是自己的，也可能是他人的，慕課則可以看成是有助于學生參與課堂的理想材料的一種近似[7]。

教學模式是教育學領域的宏觀概念，是建立在具有一定指導性思想基礎上的教學理論，具有相對穩定和完整的教學活動框架與程序，同時又不失靈活性與可操作性。基于翻轉課堂的混合式教學模式作為信息化時代興起的教學模式有其自身的創新特點：一是教學流程的創新。傳統課堂教育模式遵循的教學流程是先課堂傳授知識，學生獲取信息，而后學生課下鞏固復習；基于翻轉課堂的混合式教學模式創新性地實現了教學過程的逆向創新，學生學習的起點始于課下，學生通過自主學習獲取知識，而后在課堂上通過討論、練習等形式的課堂活動加深理解。二是輔助教學手段的創新。傳統教學模式中，輔助教學手段往往在課堂教學中應用，而基于翻轉課堂的混合式教學模式一大創新點在于真正借助互聯網和視頻制作技術的普及，將輔助視頻資源應用于整個教學流程中，學生可以借助網絡在線和學習視頻在課下實現自主學習。三是教師功能的創新。在教育學發展的長河里，教師一直是課堂的權威，教師在教學活動中具有絕對的領導地位，教師是學生獲取知識和信息最主要的渠道。但是在基于翻轉課堂的混合式教學模式中，其創新之處在于教師的角色功能被重新定位，學生在學習活動中的地位被顯著提高，學生在學習活動中變得更為主動，教師成為學習活動的組織者、引導者、輔助者。學生獲取信息也不完全依賴于教師的傳授，而可以通過各種教育技術手段完成。

我國在MOOC領域也積極響應，先后推出了中國大學MOOC、好大學在線、學堂在線、智慧樹等課程平臺，一方面引進國際優質課程，實現國際教育的本土化；另一方面實現國內優秀課程的共享，推廣華語圈高等教育領域的優秀成果。大量在線開放課程的出現降低了課程的運行成本，上線課程和受教育人數都在增加，這使得學習名校名師的課程不再成為奢望，教育變得更加平等。對于在線課程，學習者可以根據自身的偏好和能力，挑選適合自己的課程；在課程學習中，學習者還可以與不同知識背景的同伴組成學習小組，通過交流學習知識。在推行基于翻轉課堂的混合式教學過程中，教育者還可以根據需要形成小規模限制型教學班級(SPOC)，結合班級特點，開展線上線下相結合的教學，這就形成了基于SPOC的混合式教學模式。

筆者通過5年的教學實踐發現，基于SPOC的混合式教學模式在激發學生內在學習動機，提高學生自主學習能力與自我效能，增大課堂授課容量，提高課堂教學效率，增強師生情感交流等方面有積極作用。微視頻學習資源以其可隨時隨地學習，能反復利用等優點深受學生歡迎。實踐表明，時長為10～15分鐘的教學視頻最適合學生學習，超過15分鐘容易讓人產生疲勞和厭倦；視頻質量好壞，導學方案，課前資源，課堂問題探究設計等因素也會影響翻轉課堂教學效果。

在前人基礎上，我們嘗試在基于翻轉課堂的混合式教學中應用支架式、案例式和任務驅動式等教學策略；采用課堂測試式、競賽式、學生自主評選作品等方法激發學生學習興趣，培養學生自主學習能力；在課堂上運用問題探究、學生分組討論、頭腦風暴等手段激發學生潛能，培養學生合作學習能力。

2 混合式教學的基本特征

信息技術和通信技術的發展推動了教育信息化的進程，基于互聯網的教學平臺一方面為學習者提供了豐富的教學資源和自主學習空間，另一方面也為學生交互和師生交互提供了更加便捷的途徑，成為互聯網+教育的重要教學模式之一。實踐效果顯示：采取線上線下相結合的基于SPOC的混合式教學模式，可以實現在線課程和課堂教學的優勢互補。相比于在線教育，教師的監督作用得到了加強，學生完成課程的比例得到大幅度提高；相比于課堂教學，教師可以通過選取適當的內容作為線上教學課程，降低了授課過程的成本，教師還可以根據線上學習的反饋信息，改進課堂教學；在課堂教學中，教師可以引入實踐環節，強化學生的體驗，增進教學效果。

根據現代教育理論，學習過程包括程序性學習和啟發性學習。以記憶為主的程序性學習完全可以以學生自主學習為主；啟發性學習過程，需要通過作為專家的教師與學生之間的互動來完成。由此可見，將信息技術和課堂教學有機整合，有助于形成以學生為中心，充分發掘學生自主學習動力和創新能力，形成互聯網+高等教育教學的特色教學模式，提高高等教育的競爭力。

新時代對人才的協作學習能力、交際能力以及批判性思維能力提出了更高的要求。Johnson D.W.& Johnson R.T.在《合作學習》一書中提到，當面臨多種學習組織形式時，推薦選擇協作學習方式，并提出協作學習5要素理論：①積極的相互依賴，小組的成功與每一位成員的努力密不可分，成員之間的緊密協作才能促進學習績效的最大化；②面對面的促進性交互，協作學習中要保證一定程度的面對面交流，促進信息的交換與加工；③個體與小組職責，小組成員之間應明確自身任務，努力完成自身職責，以確保小組整體工作的完成；④人際與小組技能；⑤小組自加工，是對小組內部活動的反思，包括對已有協作成果進行反思和修正[8]。在學校的學習中加入協作學習的形式，可以培養學習者的協作意識，有利于提高學習者的分工與協作能力。協作學習可以充分調動學生積極性、參與性，培養學生協作能力和創新能力。混合式協作學習隨著計算機網絡技術的發展逐漸在教育活動中成為熱點。

混合式教學模式主要包括在線學習、混合模式與課堂討論幾個模塊。在線學習模塊的內容常以講課短視頻、作業練習、互動交流、測驗考試、通告郵件等方式提供給學生，結合泛在學習(ubiquitous learning)的特點，使學習過程實現隨時化、隨地化，方便學生的時間安排，滿足個性化學習的需要。但是片斷化的學習，不利于學生將知識有機地整合，并加以應用和評價。課堂討論結合即興學習(right on the site learning)的特點，有利于將學習體驗和個人經驗進行整合，通過課堂探究和討論，加強學生思維的主動性，實現學習過程的內化。在課堂討論環節，教師可以采取基于問題的學習方式或者基于項目的學習方式[9]。教師根據教學的重點或者難點，按照由淺到深的原則，有目標地設計教學問題；學生通過解決問題，將線上課程中所學習的知識應用到特定的環境中來，通過小組討論和教師的引導，對產生的結果進行評價，學生還可以通過解決多個問題，按照歸納推理的方法，對所學知識進行歸納，從元認知的高度實現對知識的內化。課堂討論的問題，既要考慮學生的學習興趣，也要考慮學生的學習能力，這樣才能充分激發學生在討論中的活躍程度。在討論中，也可以適當引入劣構性問題，在解決這類問題時，學生需要自主判斷題目給出的條件是否適當，并通過查閱資料，找到相應的條件，如地球的質量、原子的大小等，通過建立簡化模型來解決問題。對于實踐性較強的課程，教師還可以開展基于項目的學習。教師根據學習目標，確定學生的學習項目，包括實驗設計、課件制作、程序設計、數值模擬等。學生根據學習項目制定出相關計劃書，教師和學生通過討論確定計劃書的可行性。在實驗課堂上，各學習小組按照計劃完成相關實驗，教師幫助學生及時解決學習上可能出現的問題。完成實驗后，小組按照研究結果寫出研究報告，并在課堂宣讀。對于基于項目的學習，學生不僅需要運用和實踐所學的知識，可能還需要將其他領域的知識整合到探究過程中，提高對知識的掌握程度。

課堂討論的時間有限，完全采用探究性學習的模式，影響學習的成效。不同的混合模式可以將在線學習過程和課堂討論模式有機地整合起來，教師可以采取課堂教學為主，在線學習作為補充的非翻轉學習模式或者在線學習為主，課堂討論作為補充的翻轉模式，將兩者的優勢結合在一起，提高學生的學習效果。對于翻轉課堂，教師可以采取在課堂講重點、難點后再進行課堂討論的部分翻轉模式或課堂全部用于討論的完全翻轉模式。

采用翻轉課堂形式，至少可以帶來3個方面的益處：①實現授課、批改作業與輔導任務的分離，釋放教師知識教學的勞動力，讓教師的時間真正花費在個性化的交互中。②思辨和身教的補足。以往，教師在課堂里都是口若懸河地進行“填鴨”式教學，學生僅是被動的知識接收者，翻轉課堂可以給這個問題帶來轉機。課堂時間一旦不再是以知識傳授為主的講課時，就可以在學生網上自主學習的基礎上，聚焦到探究式的個性教學，包括答疑解惑、深入討論、實際操作演示甚至手把手的指導等，這才是有靈性的、個性化的教育，這才是能培養出獨立思考、實踐動手能力的教育，讓學生接收了知識之后能有所創造。③課堂職能的轉變逼迫教師必須更深入地理解課程內容，進而提升教師水平。不能想當然地認為每個教師對所講課程的理解都是全面且深入的。當教師使用別人的視頻資源來授課時，他就由一個簡單的傳達者(lecturer)變成一個啟迪者(facilitator)，同時，對教師的教學和業務能力提出了更高要求。

筆者所在的研究團隊在近幾年已經開展了基于SPOC的混合式教學模式研究，制作了許多質量較高的微課程課件和虛擬實驗課件，積累了豐富的制作經驗和線上教學資源。從研究結果看，混合式教學班的教學效果優于傳統教學班。我們的實踐表明，采取混合式教學能增加學生上課的專注程度，提高課堂教學的效果，學生在線上課程學習中的表現與學生最終的學習結果有較強的關聯。在這些研究成果的基礎下，研究團隊計劃對混合式教學進行更加系統地研究。

3 混合式教學設計的基本要求

SPOC模式主要是針對在校學生的，因而其課程教學的運作方式完全取決于任課教師的教學理念與對課程教學目標的定位。以大學物理課程為例，教學定位至少有3種可能的選擇方式。

3.1 以能力培養為主的教學

2004年，美國教育協會制定了21世紀學習框架，框架中包括21世紀人才應該具有的18個要素，其中最為重要的是“4C核心能力”，包括批判性思維與問題解決能力(critical thinking & problem solving)；創新與自主學習能力(creativity & active learning)；溝通能力與合作精神(communication & cooperation)；跨文化理解與全球意識(cross-culture understanding & global awareness)。

按照大學物理混合式教學模式，教師需要厘清大學物理課程在培養學生的科學素養、能力中的具體體現，即物理課程知識與相關能力的關聯。在實際操作中，需要從能力培養的角度構建知識傳授的框架結構和途徑，形成以問題為導向的教學——重新組織教學。在新的教學模式中，交互方式發生變化，實踐環節得到加強，學生需要投入更多的時間和精力，某些問題需要自己去設計實驗來回答清楚。結合“以能力培養為主”和“知識傳授型”的教學優勢，將在線教學、課堂教學、實踐環節的優勢有機地整合在一起，結合線上學習的反饋信息，以循序漸進的方式開展協作學習，實現對學生交流溝通能力、批判性思維能力、創新與自主學習能力等的培養，為將來學生的職業發展打下堅實的基礎。

3.2 知識傳授型的教學

知識傳授型教學模式按課程自身的知識結構方式劃分章節，每一部分內容配套作業、測試，以此不斷對學生進行知識的強化，使其形成知識的內化。而對實踐能力的培養，只能通過設置一些思考、討論題目和課外附加實驗等方式來實現。目前所見到的絕大多數教學平臺都采用這種知識傳授型的模式，平臺上練習、測試題目的多少完全由任課教師根據授課對象的實際情況(原有知識背景、現階段可以投入的時間、需要達到的培養目標等)來設置。

網絡平臺上的測試題定位于前測題，即在課堂討論之前學生需要完成的測試。前測題有兩種處理方式：一種是在學生的視頻學習過程中彈出測試題，目的是強迫學生在此時停下來，思考前面的內容是否聽懂和理解，如果對相應問題回答不正確，可以要求學生回去再學習一下，直至回答正確；當然，也可以設置為無論回答正確與否，休息一下就繼續往下學習。另一種是在章、節學習結束以后做作業和測試，教師針對前測題中暴露出的問題組織課堂討論；之后，學生還可以再次去做該章的測試練習(網絡多數平臺都將同章節內容的測試次數默認為3次，取最高分為保留成績。)；最后的課程考試中再用類似的題目檢查學生的學習效果。當然，前測題的內容一定是學習中的重點和難點。

3.3 以提高素養為主的教學

2016年，教育部提出中國學生發展核心素養，這些核心素養包括文化層面的人文底蘊、科學精神，自主發展層面的學會學習、健康生活以及社會參與層面的社會擔當與實踐創新，共6個方面。這些內容和4C核心素養既存在交集，也有不同。中國學生發展核心素養將學生的個人發展與社會主義核心價值觀進行對接，從“立德樹人”的高度闡釋社會與國家對學生發展的重視。

在混合式教學中，教師一方面需要重視營造積極向上的學習環境，鼓勵學生通過自主學習，協作學習開展科學探究活動，培養學生知難而上、刻苦鉆研、百折不撓的職業素養；另一方面可以在教學設計上增加科學前沿進展以及中國科學家在科技前沿的相關工作，提高學生的民族自豪感和社會服務意識。

我們希望結合3種類型的教學優勢，將在線教學、課堂教學、實踐環節的優勢有機地整合在一起，結合線上學習的反饋信息，以循序漸進的方式開展小組討論，實現對學生口頭表達能力、批判性思維能力等方面的培養，構建“在線學習+課堂討論+實踐環節”的互聯網+教學模式。

4 混合式教學的教學設計實踐

4.1 設計學習單元時應注意的教學要素

自2013年秋季以來，基于對SPOC教學模式的研究，我們通過翻轉課堂將SPOC線上課程和課堂教學結合起來，在SPOC課程中，要求學生完成基本概念的學習和理解，在課堂討論中，強化學生對知識的應用和評價。一方面，利用線上教學的泛在性，學生可以及時彌補在課堂上學習的不足；另一方面，通過課堂討論，教師和學生可以及時發現解決問題過程中出現的誤區，并加以糾正。在這個模式中，教師首先上線準備好的線上教學資料(課程教學視頻等)，供學生泛在學習；在課堂上進行相關的討論活動，包含線上學習過程中的自測題、討論的問題以及能力拓展的問題等。線上課程在中國大學MOOC網站上提供的同濟大學大學物理SPOC專區進行，整個教學的具體實施過程如圖2所示。

圖2 混合式教學實施流程圖

針對大學物理課程的具體要求，對于每個學習單元，劃分為線上部分、課堂部分和實踐環節3個部分：

圖3 “電磁感應”知識圖譜圖

(1) 在線學習環節。在線學習環節，學生需要根據自身的情況確定自身的學習路徑，學習路徑的確定體現了學生在線學習個性化的情況。線上部分包括視頻部分的教學目標、教學內容以及相關的小測試；線上部分的內容相對機動，包括預備知識的介紹、重點內容講解和習題選講。這樣安排有利于不同層次的學習者通過線上學習解決學習過程中可能出現的疑惑。在教學設計時，可以首先建立教授內容的知識圖譜，如圖3所示的關于電磁感應一章的知識圖譜，根據知識圖譜對授課內容進行分解，設計有關問題，使學生在學習過程中實時清楚所學內容在整個知識結構中所處的知識結構層面以及與其他各知識點的關聯性。與此同時，還可以通過記錄學生的學習軌跡對學生生成形成性診斷，了解學習困難的癥結所在。從教學效果上看，采取混合式教學后，相關學習內容的得分率提高了10%左右。

(2) 課堂討論環節。線下討論環節以強化學生對知識的應用和評價為目標，不同的學生在學習過程中可能存在解決個人特定問題的需求。學生在討論過程中，是否產生特定的問題或能否得到解決，體現了線下學習的個性化問題。學生學習活動的個性化程度從另一個角度反映了學生學習的主動程度，而激發學生的興趣，提高學生學習的主動性是終身教育的一個重要目標。

課堂教學實施過程，可以從現實問題或引導性問題出發，以小組討論的形式，討論授課環節中的重點和難點相關內容。內容設計應重視和現實的聯系與題材的趣味性，學生通過同伴協同學習增加對課程學習的積極性，提高對所學知識的掌握程度，密切同學之間的人際關系。例如，關于“劈尖干涉”內容的學習，國內比較廣泛使用的教材對其描述都不是很詳細，對于物理基礎比較厚實的學生來講，還能夠理解，但是對于功底不是很好的學生卻存在不少的困惑，比如，在劈尖中(空氣劈尖)有多個界面發生反射，為什么只考慮其中兩束？“垂直入射”指的是相對于上表面還是下表面？這些問題可以反映出學生對劈尖模型的參數不了解，對模型的物理內涵并不清楚，對公式成立條件沒有詳細介紹，沒有具體的公式推導過程。因此，在設計引導性問題時，應區分對概念的記憶性的題目與對概念理解、應用、分析的題目，考查學生對教學目標實現的情況。從實踐上看，設定“腳手架性質”的引導性問題，能夠減少討論過程中的認知負荷，提高課堂討論的效率。在討論題的設計中，應考慮定性分析與定量計算相結合，提高學生分析問題與解決問題的能力。

(3) 課后實踐環節。課后實踐環節，采取學生自主選題，設計實驗的方法，突出對學生的自主創新能力與主動學習能力的培養。4年中實驗班學生的選題包括特斯拉線圈、電磁炮制作、模擬磁懸浮、示波器測光速等。課后實踐環節的評價采取學生互評與教師評價相結合，評價指標包括獨創性、工作量、完成度、課堂展示4個方面，積極引導學生培養開拓創新、勤奮刻苦、善于溝通等與21世紀核心素養相關的技能。

本課程從線上課程和課堂教學各自的特點出發，實施混合式SPOC教學模式的研究和創新，增加基于實踐操作和虛擬實驗的體驗性環節。通過對布盧姆教學目標進行分工，在線課程側重基本概念和原理的學習和理解；課堂教學過程采用啟發性問題導向式學習，側重培養學生對知識的應用和評價；在實踐環節培養學生的創新精神，構建“課堂教學+實驗操作+泛在學習”的混合式教學新模式，激發學生的學習興趣，提高教學質量，為互聯網+大學物理課程教學探索一條新路。

4.2 設計討論題目時應關注的7類問題

4.2.1 給學生從應試教育到素質教育過渡的逐漸適應時間

剛進入大學的學生都經歷了應試教育的訓練，習慣于題海戰術；不太習慣提問題，而擅長解題目；學習方法主要是機械記憶，缺乏對問題的深度思考。因此，我們可以利用學生的這種習慣，先在課堂上討論課后習題，讓那些性格內向、靦腆的同學容易參與進來，也不至于擔心提的問題是否會被其他同學認為“沒水平”。而那些學習成績較優秀的同學，更容易主動發言，幫助解答題目。例如，在大學物理課程的開篇，即運動學學習中，首先在在線課程的討論區中發布以下問題：

對于拋體運動，如果拋出的位置距地面的高度為h，則最大射程對應的拋射角應該是( )

(A) 等于0°， (B) 介于0°與45°之間，

(C) 等于45°， (D) 介于45°與90°之間。

這個題目與學生中學就熟悉的拋體運動關聯密切，因而他們很容易進入討論狀態。我們通常就在第二次上課時讓學生討論這個題目，他們總能熱烈討論，并積極上臺講“解題過程”，即便是成績不是特別優秀的同學也會胸有成竹地對自己的解題能力充滿信心，甚至在剛開始討論時，就有同學搶先說“以45角斜上拋射程最大”，與此同時會有同學提醒“題目說是‘從離地面高為h處拋出’呢，可能不一樣的”，……通過同學間的討論、講解，逐步開始關注思考問題的步驟和方法。通過課堂小組討論，學生可以將在線學習過程延伸到課堂討論之中，最終取得一致的結果，同時提高分析問題解決問題的能力。

4.2.2 討論題目應注意激發學生的學習興趣

興趣是最好的老師，是求知的內在動力。但是學習興趣不是天生的，教師需要想方設法引導學生，充分調動學生對學習的積極性和主動性，從多方面激發學生學習的興趣，挖掘學生興趣的潛在因素。在大學物理課程中，激發學生學習興趣的題目是很容易找到的，例如在運動學中有一題目：

如圖4(a)所示,當雷達天線以角速度ω連續轉動時,可借助天線發出的電磁波追蹤一艘鉛直向上飛行的火箭,火箭發射臺P與雷達R相距為l。求當天線仰角為α時,火箭的飛行速度。

圖4 雷達天線追蹤火箭飛行速度

在討論中，有同學很快給出一個答案：

可是，當教師進一步詢問這個答案是否真的正確時，有一部分同學猶豫了，表示“感覺有哪里不對”。此時教師要求“既然感覺有問題，就請找出問題所在”。原來該同學忘記了速度的矢量性，他給出的答案只是圖4(b)中的⊥分量，火箭實際的飛行速度應是⊥分量和∥分量的合速度。本題如果根據速度的定義求解會非常簡便。先設此時刻火箭離開發射臺的距離為s，如圖4(c)所示，于是有表達式s=ltanα，所以

此題容易激發學生的學習興趣，從而引起學生參與討論的積極性，討論也能澄清學生學習中的一些錯誤概念。又如，在非慣性系問題的討論中，可以通過討論重力加速度與緯度的關系，拓展到超重、失重現象，進一步提出“怎么在地球上模擬失重現象？”“太空如何實現人造重力？”、調研宇航員平時的訓練等問題，學生討論積極性很高，頗有興趣。值得一提的是，我們在一次期中考試中，用到了這樣一道題目：

“關于重力加速度與緯度的關系我們知道，物體的重量在地球表面附近(物體地表高度h?地球半徑)不同位置稍有不同。

(1) 這個“不同”與哪些物理量有關？

(2) 已知地球的半徑R，質量M，萬有引力常量為G．若考慮地球以角速度ω自轉，試導出質量為m、靜止在緯度為φ處的物體，受到的重力表達式。”

本班同學的得分率為90.2%，這個結果表明，我們的教學中關于“非慣性系問題的討論”還是有成效的。可是，在一次碩士研究生普通物理科目的考試中，使用了類似的題目，175名考生此題的得分率為59.3%。我們不能評價這些考生涉及哪些學校的教學質量問題，但可以肯定的是他們在“非慣性系問題”學習中沒有思考過相關知識點有哪些應用，解答傳統的力學問題時，只會直接使用題目給出的“重力加速度g取9.8m·s-2”或“重力加速度g取10m·s-2”，而不去思考這個值是否會有所不同。

4.2.3 通過討論題目逐漸引導學生重視實踐學習

傳統的大學課堂授課模式基本上以教師為主導，在授課內容上，教授的知識也往往是“情景知識”。線上課程和傳統的課堂授課相比，課程知識呈現出多樣化、精品化的特點，學生在課程學習上有更大的選擇空間。在教育理念上，線上課程更加突出知識獲得的社會性，結合線下教學，通過教師與學生之間以及學生與學生之間的互動和討論，解決學生在課程學習中出現的疑惑和問題。如大、小皮球反彈高度問題的討論，學生可以自己找到正確答案，但當這個答案出現時，還是有驚訝的表情，教師可適時提出“這個結果不可思議嗎？自己到實驗室去驗證一下吧。”又如關于車上安全帶可以承受的慣性力問題，教師可以引導學生設計實驗方案，測定這個力可以達到的數值。

力學中對轉動定律的推導、有關波函數參數的確定等種種問題，都可以在教師的引導下由學生自行給出解決方案：在實踐過程中，兩種方式可以混合使用。問題的解決策略可以采用理論推導的形式，也可以通過虛擬實驗、增強現實等手段，通過歸納得到相關結論。例如我們在2014級大學物理課程關于剛體轉動慣量的教學中，教師首先提出的問題是“剛體的轉動慣量與哪些因素有關？”學生通過教材學習，或者觀看其他教學視頻，或許能夠回答這個問題，但其準確度有多高值得懷疑。我們對這個問題的教學策略是請部分同學到實驗室去作圖5(a)所示的實驗，自己測量總結出剛體的轉動慣量表達式，并討論影響轉動慣量的主要因素。在期中考試中，專門設置了對這個問題進行考察的題目如下：

圖5 學生利用轉動傳感器測量剛體的轉動慣量

圖5(b)給出測量轉動慣量的裝置，與圓形平臺相連接的同軸轉輪的半徑為R，繞在轉輪上的細線通過滑輪和滑塊M相連，忽略轉軸的摩擦。滑塊由靜止釋放，記錄下落距離為D所需的時間t1；在圓形平臺上放置待測物體，將滑塊復位到初始位置重復以上實驗，記錄下落距離為D所需的時間t2。實驗的有關數據為R=10cm,M=2.5kg,t1=4.2s,t2=6.8s,D=1.8m。計算待測物體的轉動慣量I。

考試結果是完成了實驗的同學，該題目的得分率為91.5%，而未做實驗同學的該題的得分率為70.5%。由此可見，盡管教師授課是學生獲得知識的主要途徑，學生主動實踐可以進一步強化學生對于特定知識點的掌握。與基于項目和基于問題的學習相比，基于證據的學習，在學時較少或學生學習壓力較大的情況下，對充分利用課堂時間，提高授課效率能起到一定的積極作用。

4.2.4 討論題目要關注學生對模型抽象的能力和學習方法的訓練

模型抽象的推理能力和學習方法在學生的學習中有著重要的作用，以知識點掌握為目標的授課模式，在教育理念上是行為主義的。傳統的單純課堂教學模式中，學生通過教師對作業的批改獲得反饋，調整自身的學習策略，達到對知識點應有的掌握；教師通過學生作業了解學生學習情況，調整自己的教學策略。而在混合式教學模式中，課堂教學以問題討論為主。在基于建構主義的課堂教學中，教師作為引導者和組織者，可以近距離了解學習者的學習過程，通過評價學習者的學習策略和學習過程，學習者能夠更好地調整自己的學習方法，掌握更多解決問題的思維工具，這是遠程教學難以做到的。與此同時，學習者的主動性得到更大的發揮，這對于提高學生對知識掌握的熟練程度，進一步提高學生對相關知識的掌握都能起到積極的作用。因此，只要教師仔細設計討論題目，有意識地培養學生對模型抽象的推論能力和學習方法訓練，必將對學生的科學素養和學習能力的提高起到重要的作用，這也正是組織小范圍限制型在線課程(SPOC)的一個思路。如關于無限長載流板求B問題的討論題：

一寬度為a、厚度不計的無限長扁平銅片,均勻通有電流I。在銅片外與銅片共面、離銅片右邊緣b處的P點(如圖6所示)的磁感應強度B的大小為

圖6 長直載流銅片的磁場分布

學生根據給出的選項推理選出答案(3)，陳述理由時，學生認為“當P點離載流板足夠遠時，應該回到無限長載流直線公式”。教師聽到學生這樣回答問題是很欣慰的，盡管同學對此題答案的推敲還不夠仔細(答案是錯誤的)，但對模型的認識和推理方法是可取的，學習的方法也有了明顯的進步。

4.2.5 討論題目應結合授課內容的重點與難點,循序漸進，從易到難

學生參與課堂討論的積極性，可以通過難度遞增的題目培養和保持，先通過簡單問題的訓練，讓學生獲得成就感，增加學習興趣；再逐漸引導學生完成較難題目的討論。如均勻電場的分布問題，可以先討論球對稱，再討論柱對稱，再到面對稱。在討論恒定磁場的分布時，又可以設置下列3個難度遞進的例題(圖7、圖8為例題中的示意圖)：

圖7 求旋轉均勻帶電圓盤軸線上的磁場

圖8 求旋轉均勻帶電圓筒軸線上的磁場

① 半徑為R的圓環均勻帶電,總電量為Q。該圓環以角速度ω繞圓心O旋轉,求軸線上距圓心x處的磁感應強度。

② 半徑為R的圓盤均勻帶電,電荷面密度為σ。若該圓盤以角速度ω繞圓心O旋轉,求軸線上距圓心x處的磁感應強度。

③ 一半徑R、面電荷密度為σ的無限長均勻帶電圓筒繞軸線以角速度ω勻速旋轉,求圓筒內部的磁感應強度B。

這是傳統課堂教學中常用的例題，但由于分布在不同的授課場景(一次在講完載流圓電流軸線上的磁場分布后講的補充例題，另一次放在講完螺線管的磁場之后)，學生聽后印象不深，更難舉一反三。翻轉課堂以后，把這3個題目放在“電流與磁場”主題的一次討論課上完成，學生便主動關注電荷移動形成電流的特性，再據電流的形狀分析磁場的分布，收獲極大，少數學生甚至在那次課上就提出“如果帶電圓筒加速旋轉，會激發什么樣的磁場呢？”等問題。

4.2.6 從正問題到逆問題，引導學生進行研究性學習

大學教師把教學落實在知識傳授上是遠遠不夠的，重要的是要培養學生獲得知識、創新知識的能力。教學過程中應該喚起學生的問題意識，鼓勵學生提出問題，推敲所學知識的實際應用，引導學生進行研究性學習。教師要采用啟發式、研究性教學，可以從對某個問題的推理開始，讓學生體驗研究問題的基本方法，增強研究問題的興趣。

傳統“麥克斯韋分子速率分布律”的教學中，一般都不講分布函數的由來，重點講授分布曲線反映出的物理意義及3個特征速率，學生對“分布”問題卻完全沒有體會，也不能把這個知識點應用到其他地方。我們嘗試做了一個推理性的問題討論[7]：

對這個問題的討論，學生需要在理解“分布”含義的基礎上，尋找與最概然速率概念相對應的最概然動能表達式。經過討論得到最概然動能為kT/2后，是否可以繼續去研究為什么“能量按自由度均分原理”中表述每個自由度上具有的平均動能是kT/2，而不是kT。在經歷了這樣的推理過程后，學生有點習慣于提問題了。例如，在習得均勻帶電球面的電場分布后，有學生問“電場為什么在球面上發生突變？”“如果電荷正好分布在球面上，電場怎么分布呢？”此時，教師不直接回答，而是建議學生分析“內外半徑分別為R1和R2(R1

4.2.7 根據學生反饋情況調整教學策略，注重對學生的正確引導

以學生為主體的討論課堂，教師不可能按照自己事先預設好的流程和時間實施教學。這時，教師要根據學生的課堂反映及時調整教學策略，學生存在思考誤區時，適時給予正確的引導。通過對記錄的討論過程進行分析發現，并非所有的問題都能得到學生的積極回應，學生在小組討論的過程中會發表對討論內容的意見，教師可綜合學生的意見對討論題進行更新或修改，以確定討論題能夠更好地促進學生思維能力的發展。

教師掌握學生的學習數據后，還可通過學習分析技術，選定學習成績的影響因素以及預測算法，構建預測模型，從而可以對學生下一階段的學習成績進行預測。對于預測結果偏低的學生實施及時地干預和幫扶，以及動態調整教學內容等，以確保教學質量。以在傳統教學中常用的一個例題為例：

把電容為C的空氣平行板電容器,接到端電壓為V的電源上充電。之后，把電容器兩個極板間距離增大至n倍,則外力所做功的可能值為

原本把這個題目設計在手機互動答疑環節里，希望學生在有限的10分鐘里完成答題，教師再根據學生答題反饋的數據分析學生出現的問題。但學生的第一感覺是難，對答案中的“或”不理解，似乎無從下手。這時，有同學主動提議“討論一下吧。”這說明學生已經習慣于通過與同伴討論解決學習中的問題。然而，討論回答的過程并不順利，多數學生還是不明白為什么有兩個可能的值。這時，教師建議學生再認真審閱題目，提示仔細尋找已知條件；最終收集到了各小組的選項(當然答題時間已經超過，但教師可以通過重新發起答題收集答案)，教師再根據反饋數據評講。

第二輪教學中再用此題目，則直接作為討論題目：把電容為C的空氣平行板電容器,接到端電壓為V的電源上充電之后，把電容器兩個極板間距離增大至n倍,求外力所做的功。這次學生討論很快，都爭著上講臺給出自己的分析解答過程和正確答案，其他同學也紛紛表示對該答案的認同。面對此景，教師提問：“大家都認為這個解答準確無誤了，還有其他解答嗎？”學生開始沉默了，……之后，有同學問“拉開極板，是否與電源斷開呢？”此時老師鼓勵學生分析，“前面得到的答案是對應電源斷開還是不斷開的情形，再討論另一種情形。”爾后，一位物理基礎很好的同學上講臺陳述她的解答。也就在她的解答過程中自言自語“不對呀，外力做了功，怎么能量還減少了呢！”于是，教師從功能轉換的角度引導學生一步一步分析，最終找出“電源做的功還沒考慮進去”是導致錯誤的原因。對這次課的效果，一位聽課老師評述到：“聽了王老師的物理翻轉課堂課感觸頗深，主要有以下幾點：第一，課堂不再局限于以教師為主導的傳授性教學，注重的是讓學生發揮其主觀能動性。學生是課堂主講人，老師在其中起到指點和輔助的作用。學生通過小組討論，通過對一個問題的思考可以解決一類問題，找到相關問題的解決方式。這是一直以來教育所追尋的，也是最為理想的教學、學習過程。第二，學生講解的方式，學生通過課堂講解問題，交流并可以發現自己所不容易發現的思維漏洞。將自己未知、未考慮到的情況一一挖掘出，這是一個相較于傳統課堂更能促進學生快速掌握知識、邏輯方法的過程。第三，老師的正確引導也至關重要，老師通過撥亂反正的指點，將學生引導到教師先前搭好的腳手架上，構建學生相關的學習體系，完善學生的知識儲備。”

再如筆者之一最近一次熱學課上的經歷：讓學生討論題目為“摩爾數相同的兩種理想氣體:氦和氧,在相同的初態下進行等容吸熱過程,如果吸收的熱量相同,(1)它們的溫度升高值是否相同?(2)壓強增加值是否相同?”(注：這批學生系專升本學生)。一開始，學生將氦氣和氧氣均看作雙原子分子，則它們溫度升高是相同的；但由于題設吸熱相同，壓強增加值不能相同，這就是矛盾的結果。教師此時并沒有指出錯誤所在，而是讓他們重新審視自己分析解答的過程(這大概可以看作是批判性思維的過程)。在他們重新分析后指出，問題出在“氦氣和氧氣均是雙原子分子”上，于是有同學當場上網查詢，得知氦氣是單原子分子，后面的正確答案也就容易得到了。學生的這個學習過程，不僅反映了他們已逐漸養成敢于質疑自己的態度，還可以看到互聯網在輔助學習中的作用。教師沒必要扼殺學生對互聯網的熱情，只有在課程教學中通過自己的教學問題，抓住學生的注意力，才能讓互聯網發揮更好的作用。

5 教育技術在混合式教學設計中的應用

教育技術是育人技術及其創新整合的技術，其核心是教學設計技術和課程開發技術。具體指“關于學習資源和學習過程的設計、開發、利用、管理和評價的理論和實踐”。教育技術與教學理念的深度融合意味著教學者將教育技術運用于教學資源的制作，教學的設計以及實施，教學評價等各個環節。通過技術手段，教師一方面能夠正確分析學情，及時發現學生學習過程中可能出現的問題，提高教學過程的精準性，實現教學過程的個性化；另一方面可以正確評價不同的教學資源與教學手段，提高教學效果與效率，實現教學過程的優質化。下面分別對這兩個方面介紹相關實踐工作。

5.1 試題分析系統在混合式教學中的應用

混合式教學融入了翻轉課堂、同伴教學、基于問題的學習等多種元素，課堂討論題選擇是否恰當，對課堂討論能否有效進行，教學效果能否提高起到十分重要的作用。

在實踐中，我們針對答題記錄，通過Rasch模型[8]確定題目的難度與區分度。之所以采用這一模型，是因為傳統的通過得分率確定難度系數的方法對樣本依賴嚴重，不同能力的學生的得分率不同，因而計算出不同的難度系數。在Rasch模型中，學生答題正確概率P(θ)可表示為

其中，P(θ)表示答題正確概率；D為量表因子；θ表示學生的解題能力，由測驗成績確定；a為題目的區分度；b為題目的難度系數。這一模型中學生的得分率與解題能力有關，解題能力高的學生，同樣的題目得分概率更高。

在確定題目的難度與區分度后，教師可根據自身的需要，在課堂教學中使用測試題組。從我們的實踐上看，在課堂討論中，選取難度適中，區分度較高的題目，有利于學生討論的順利進行。題目過難，學生無法通過較短時間的課堂討論(10分鐘左右)順利解決問題；題目過于簡單，不利于激發學生的深入思考。形成性評價過程應使用不同難度的題目，根據學生解答情況確定學生的學習效果。

5.2 教學應答系統在混合式教學中的應用

教學應答系統[9]是收集學生課堂的實時響應，向教師反饋學生學習情況的交互系統。在課堂教學中，教師往往提出問題，學習者通過課堂反饋系統提交答案，教師通過系統分析，呈現反饋信息并主動調整教學過程，及時解決課堂中出現的問題。教學應答系統用于課堂教學的具體流程如圖9所示[10]。

圖9 教學應答系統在課堂教學中的使用流程

目前教學應答系統大體上可分為基于專用設備(如cliker)的課堂反饋系統與基于自備設備(如智能手機、平板電腦)的課堂反饋系統兩大類。近年來，隨著移動設備的普及和智能化程度的提高，基于自備設備的課堂反饋系統使用成本較低，在課堂教學中的使用率出現了增長的趨勢[9]。

鑒于教學應答系統在課堂教學中的流程關系，我們開發了基于WiFi的課堂互動系統(軟著登記第1207044號)，其主要功能是在課堂教學中發起問題討論，教師憑借學生實時的答題情況進行有針對性的課堂教學；課外通過分析已采集到的學生反饋數據，調整以后的教學計劃。目前，該系統的應用模式為單選題、多選題、填空題和系列題組四種。教學實踐表明學生在課堂中注意力集中的時間有限，采用教學應答系統能夠將學生的注意力聚焦于課堂討論，這樣教師通過教學設計與課堂討論，可以深化相關重點與難點的理解，提高學習過程的效率。從實踐來看，通過一組內容相關的討論題可以將不同知識點的內容有效結合地在一起，提高學生分析問題與解決問題的能力。例如，在力學單元，我們設計了如圖10所示的案例：

通過改變條件，可以逐個深入地討論牛頓第二定律(討論物體的加速度)，剛體轉動定律(考慮滑輪的質量時物體的加速度)，質心的運動(討論懸掛滑輪的繩索中的張力)，非慣性系(討論電梯加速時，物體的加速度)。由于涉及的知識點較多，通過死記公式答題的學生將不得不對具體的情況進行分析，并通過課堂討論，消除學習中產生的疑惑。

在混合式教學模式中，教師可以根據在線問題的答題記錄，了解學生預習的情況，使用教學應答系統，再現問題，實現在線學習過程與課堂學習過程的對接。此外，教師還可以通過教學應答系統，針對課程學習的內容開展形成性評價，了解學生對相關知識掌握的程度。在課堂中教師根據應答系統的答題信息，判斷是否開展課堂討論。圖11為兩次課堂答題的答題記錄。

圖11左側圖中答題正確率約為90%,沒有必要進行課堂討論；右圖中答題正確率約為40%，且各個選項都有學生響應，說明學生在相關知識的理解上還存在不少誤區，可以通過課堂討論消除學生的困惑，增強學生對知識的理解與掌握。

6 混合式教學的教學效果

在5年混合式教學的基礎上，我們對學生線上學習與線下學習的數據進行了整理與分析，總體來說，和對照組相比，平均成績提高大約5分，

圖10 基于WiFi的課堂互動系統應用舉例

圖11 教學應答系統的答題結果

由于測試樣本的標準差一般在10分左右，效應因子大約為0.5，屬于中度效應，這與其他主動學習的情況基本相同。基于學習分析技術，我們從不同的角度考察了混合式教學的教學效果。

圖13 混合式教學中線上線下交互網絡圖(a) 初期線上； (b) 初期線下； (c) 末期線上； (d) 末期線下

6.1 混合式教學對學習態度的影響

采用科羅拉多物理學習態度量表[11]測量混合式教學對學習態度的影響，該量表一共包括42個小題，共涉及8個維度的學習態度，包括：(1)對一般問題的解決能力；(2)解題信心；(3)對復雜問題的解決能力；(4)個人興趣；(5)與現實生活的聯系；(6)意義理解與努力程度；(7)概念理解；(8)概念應用。在采用混合型教學模式以后，除解題信心基本不變以外，學習態度各個維度都出現了正向變化，其中現實聯系和概念理解應用方面變化最大，體現了課堂討論的教學設計對學習效果的直接影響[12]。將學習態度得分折算成百分制得分后，得出學習態度與考試成績的關系曲線(N=66)，如圖12所示。

圖12 學習態度與測試成績之間的相關關系

學習態度與成績之間的相關系數R=0.58，P<0.01,屬于中度相關，可以理解為在混合式教學中有效的教學設計提高了學生的學習態度，尤其是對概念的理解和應用，從而對學習成績的提高起到了促進的作用。

6.2 混合式教學對學生交流溝通能力的影響

通過社會網絡分析軟件UCINET6.0與NETDRAW，對線上學生的交互記錄與課堂討論的錄音進行網絡分析，得出以下交互社群圖，其中方塊的大小體現交互的踴躍程度，連線反映兩個人之間是否存在交流溝通。從圖13中不難發現，在混合式教學初期，無論是課堂交互還是在線交互，教師都起到核心的作用，學生之間的交互并不踴躍，課堂討論集中于小組內部；在混合式教學的末期，部分學生的發言在課堂交互以及在線交互的比例增加，組組之間的交互增多，說明學生逐漸適應了同伴協作學習的新環境，部分同學能夠通過主動交流協作，解決學習中出現的問題。通過混合式教學模式，學生的交流溝通能力得到了加強。

我們研究表明相對于討論的數量，課堂討論的質量對學習效果起到更大的作用[13]，如何通過教學設計，提高混合式教學中討論的質量，是教師需要重視的問題。從我們的實踐上看，重視教師在討論中的啟發與引導，是提高課堂討論質量的重要策略。

7 結語

混合式教學的教學效果，并不直接來自于簡單的線上教學與課堂教學的相加，而是通過教學設計將在線教學與課堂教學有機地結合在一起，充分發揮在線教學與課堂教學的優勢，真正實現學生科學素養與能力的共同提高。

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