工科大學物理在線開放課程探索與實踐

高祿 袁志丹 宋漢全 趙達宇

摘要：大學物理課程是理工科大學生的必修課程，對于培養學生的思維能力和科學素養具有重要的作用。針對教學內容多、學時少、進度快的實際教學問題，對大學物理課程中電磁學部分進行了在線開放課程實踐和探索，闡述了電磁學在線課程教學實踐，分析了混合式教學的優點和缺點，并且提出了教學模式未來的改革方向和具體措施。

關鍵詞：在線課程;翻轉課堂;大學物理;電磁學

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）50-0161-02

《大學物理》是面向全校理工科專業本科生開設的一門學科基礎課，是學生本科階段非常重要的一門通識基礎課程。工科院校大學物理課程通常要面對十幾個學院幾十個不同專業的學生，任課教師需要針對不同專業對大學物理課程的不同需求增減相關的教學內容。與此同時，高校教學改革又將大學物理課程的學時不斷壓縮，導致教學現狀是內容多、學時少、進度快。這種教學現狀對工科院校大學物理課程的任課教師則提出了更高的要求，如何在少課時的情況下，講授大學物理全部的教學內容，這是我們當下亟待解決的問題。大學物理課程必須打破傳統的以教師為課堂主體的教學模式，適應新形勢的大學物理教學模式勢在必行[1-5]。

《大學物理》是面向全校理工科專業本科生開設的一門學科基礎課。精簡學時、引導學生自主學習是目前高等學校教育教學改革的大勢所趨。在新一輪培養方案中，大學物理課的總學時已被精簡為96學時。根據新一輪的培養方案，本課程分為兩個學期進行教學，每個學期的學時數為48。其中《大學物理1》安排在春季學期，內容包括力學和電磁學，授課對象為大一學生;《大學物理2》在秋季學期開設，內容包括熱學、振動、波動、光學與量子物理，授課對象為大二學生。在教學實踐中，學生普遍反映講課速度過快、基礎知識掌握得不扎實、習題課太少等情況。

針對大學物理教學存在的實際問題，并且通過調研和討論[5-10]，我們認為可以通過開設在線課程緩解學時緊張的現狀。大學物理（1）中的電磁學是整個課程的重點和難點，在線課程實踐的第一階段我們選擇了電磁學進行課程錄制。電磁學的教學目標包括使學生掌握電場、磁場以及電磁感應的基本概念和規律，理解處理電磁學問題的基本思想和方法，并能熟練運用電磁學基本規律解決實際問題。具體的教學內容包括靜電場、電勢、靜電場中的導體及電介質、磁場和它的源、磁力、磁場中的磁介質、電磁感應以及麥克斯韋方程組合電磁輻射。

在線課程教學內容主要是根據電磁學的教學目標和教學內容，講授電磁學中的基本概念和基本規律。學生可以在上課之前自主學習在線課程中講解的基本知識點。以此為基礎，教師在課堂上著重講解與基本概念和規律相關的實際運用，并且與學生展開討論式的互動，形成翻轉課堂。將傳統的教師“一言堂”的教學模式，轉化為以教師與學生之間或者學生與學生之間互動的模式。

初始階段課程受眾主要為本校大一學生，開展混合式教學。為配合這種混合式教學模式，在線課程中的教學視頻部分將從靜電場、磁場以及電磁感應的基本現象出發，引入場強、電勢、高斯定理、場強環路定理、導體的靜電平衡、電介質的極化、電位移、靜電場的能量、畢奧薩伐爾定律、安培環路定理、安培力、磁矩、磁介質的磁化、磁場強度、法拉第電磁感應定律、磁場的能量、電磁輻射等基本概念和規律，在此基礎上通過例題使學生初步掌握概念規律的應用。這種“實驗現象—概念規律—實際應用”的設計思路可以使學生奠定扎實的理論基礎，為課堂翻轉提供必要的條件。在線課程中除了教學視頻外，還上傳了相應的電子課件，以方便學生自主學習。為確保學生真正參與到在線課程中，設計了交作業和單元測試的教學環節。作業環節采用教師評價與學生互評相結合的模式，激發學生參與的興趣。作業與單元測驗都將作為平時成績的一部分，最終以一定的權重計入總評成績。

經過一個學期的教學實踐，課堂教學效果顯著提升。授課教師以在線學習為基礎，首先講解學生在理解概念規律時的困惑或盲點;然后列舉典型例題，由淺入深、循序漸進，使學生能靈活運用物理規律解決實際的電磁學問題。這樣的教學形式可以彌補課堂教學學時不足所帶來的弊端，深受廣大學生的好評。同時，我們在課程考核中也加大了線上課程的考核比重，進一步改革考試模式。目前采取的考試方案為：學期總成績=作業成績×20%+單元測驗成績×20%+期末成績×60%。其中，作業包括線上作業和課堂（線下）作業;單元測試只在線上進行;期末考試在線下進行。這一考核方式可以提高學生平時學習的積極性，促使學生把學習精力放在平時，而不是考試來臨前“臨時抱佛腳”。在線課程的教學實踐表明，這種線上和線下混合式教學模式可以提高學生的學習興趣，提高學習效率。未來計劃將本課程推廣至公共的MOOC平臺，如中國大學慕課網站，使校外有需求的學生或相關人員通過在線學習模式獲得相應的學分。

然而，盡管線上教學有諸多優點，但是在實際的教學過程中還是存在一些有待改進的問題，具體如下：（1）通過問卷調查，有相當比例的學生更喜歡或者習慣傳統的課堂教學形式，認為這種混合式的教學容易走神，或者對于缺乏自我約束力的學生這種教學形式很難起到預期的效果。（2）視頻學習缺乏生動感，很枯燥，沒有課堂上的教師真人講解吸引人。（3）線上的學習不能及時和教師溝通，可能在聽的過程中有問題，但是由于沒有及時提問溝通，后面可能就忘了這個問題。

我們下一個階段的大學物理力學、熱學、光學等教學內容的在線課程建設將根據目前存在的問題，完善教學方法和教學形式，初步設想的在線課程完善計劃如下：（1）進一步完善線上課程的教學設計，增設3D或者4D的動畫以及VR技術，以直觀的影像動畫展示物理規律，吸引學生的注意力，提高學生在線學習的興趣。（2）線上課程學習平臺增設提問窗口，學生在線學習過程中可以隨時在互動窗口提出問題。助教教師在每周課程結束以后，按時在線解答學生的疑問，或者直接與學生連線溝通。（3）課堂教學中，任課教師根據學生提出的問題，總結具有共性的疑問，集中做解答和講解。

未來高等學校的教學轉型必然是將教學重心由教師轉向學生，教學形式也將由傳統的教師講解轉向師生互動。我校大學物理電磁學在線開放課程的教學實踐，實現了真正意義上的翻轉課堂，學生通過在線學習將基本概念、規律在課前進行學習，課堂上任課教師就可以根據學生的學習反饋情況采取疑難解答、分組討論或者辯論等靈活多樣的教學形式。在線學習這一適應新形勢的教學形式使大學物理課堂學時緊張的問題得到了緩解，并培養了學生的自學能力，激發了學生的學習興趣，提高了教學效率，為高等學校理工科大學物理課程的教學改革提供了新的思路。

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