以微課資源庫開發為基礎的《數學物理方法》翻轉課堂教學模式改革及實踐

吳 波，周庭艷，黃海深，楊秀德，張 鵬

（遵義師范學院a.物理與電子科學學院；b.數學學院，貴州遵義563006）

2015年10月，教育部、國家發展改革委、財政部聯合發布《關于引導部分地方普通本科高校向應用型轉變的指導意見》[1]，為地方普通本科高校人才培養的目標定位指明了方向。針對這一指導意見，許多高校已經積極從頂層設計到專業發展進行了調整，最終提倡在課堂教學方式上積極探索，發展基于網絡技術和信息技術平臺應用的線上線下教學模式。其中，翻轉課堂教學模式引起了大家的高度重視。2018年8月，《教育部關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》中明確要努力推動課堂教學革命，將小班制、混合式、翻轉課堂、智慧教室建設作為納入構建線上線下相結合教學模式的重要途徑[2]。其中“翻轉課堂”作為高等院校應用型人才培養可行、有效的途徑，多次出現在國家、省、校的重要文件之中。

所謂“翻轉課堂”，其思想可追溯到美國Maureen Lage,Glenn Platt and Michael Treglia介紹經濟學教學的論文《Inverting the Classroom:A Gateway to Create an Inclusive Learning Environment》[3]。之后，J.Wesley Baker在第11屆大學教學國際會議上的論文“The classroom flip:using web course management tools to become the guide by the side”首次使用了“翻轉課堂”一詞[4]。隨著教學的實踐和發展，“翻轉課堂”基本認為是課前讓學生學習與課程相關的教學資料，課堂集中討論和解決疑問的一種“學在前，教在后”的教學模式。在信息化環境下，“翻轉課堂”重新界定了教師和學生在教學中的角色，將學習的主要任務“歸還”學生自身，避免了傳統教學中以教師講授為中心“填鴨式”教學的弊端[5]。“翻轉課堂”通過學生課前的學習過程，培養學生的自學能力；通過教學討論和答疑，更好地貫徹因材施教[6-7]。但是，在“翻轉課堂”教學模式推廣之初，也一度受到教師、學生和社會的質疑。大家非常擔心學生課前學習視頻資料的質量，課堂上教師干什么，學生能否自覺學習？能否達到預期自學效果？學生的學習效果如何評價？如何實施因材施教等問題。解決這些問題，就要認真分析“翻轉課堂”的優勢和短板，必須認清“翻轉課堂”不是課堂上取代教師，而是對教師更高的要求；教學過程不是減輕教師的工作量，而是需要教師具備更高的教學綜合能力；課堂教學討論和答疑不是重復教學，而是全新、更深入的知識體系構建；課后不是對學習活動畫一個句號，而是站在新的起點再出發……。因此，充分認識課程、學生的特點，有目的地發展適合自身特點的“翻轉課堂”教學模式，才能揚長避短，走出地方普通本科高校應用型人才培養的一條正確道路。

1 遵義師范學院《數學物理方法》“翻轉課堂”教學模式改革的必要性

《數學物理方法》是目前高校理、工科各個專業的一門重要數學基礎必修課,也是《電動力學》《量子力學》《熱力學與統計物理學》等課程的前置基礎課，一直是物理學等專業的主干課程。通常，《數學物理方法》課程內容由復變函數論、數學物理方程和特殊函數論三大部分組成，并以高等數學、普通物理學為基礎，知識內容以“繁、雜、難”著稱，是物理學等相關專業學生眼中不折不扣的“天書”。在遵義師范學院，長期以來這門課程以教師講授為主。教學課時最高時設置到108學時，最少也不低于72學時。2015年后，為進一步深化應用技術型人才培養模式轉型，大幅減少理論學時，總學時突破下限，降低到64學時。

針對《數學物理方法》課程知識點多，內容較難的問題，不僅不加課時還減少課時，傳統意義的教學方式已經無法適應當前的教學需要，必須實施新一輪的全面課堂教學模式改革。同時，地方本科高校的生源質量一般偏低，這也給傳統理工科理論課程教學帶來非常大的困難，尤其對于高等數學和物理專業課程的教學。而這些課程又是《數學物理方法》的前置基礎課，影響被進一步擴大，常常表現出來的就是學生大規模的厭學現象。這些學生上課不積極，經常遲到和早退，作業主要靠抄襲完成，學期成績低，補考和重修率居高不下，教學質量監控部門經常收到學生反映“教學內容太深”“作業太多”“數學太難”“老師上的太快”等諸如此類的意見。面對這些問題和矛盾，我們的任課教師只有不斷反映課時少，不斷降低考試難度，不斷加班補課，努力工作，不斷不厭其煩給學生反復講解，加強引導和管理。但是，這些付出收效甚微，最終還是換不來教學質量的有效提升。不容置疑，傳統意義上的課堂教學講授方式受到了摧毀式的挫敗，盡管老師們還不愿接受這一點，還不想改，不會改，大家還是任由學生抄襲、曠課、厭學等學風低迷情況不斷蔓延。顯然，課堂教學的需求和發展不再允許這樣的低效率教學，高校教學改革勢在必行。只有堅持教學改革，拓展學生獲知渠道，營造課堂教學趣味，專注學生自學能力和創新能力的培養才是出路[8-12]。

為保障教學任務在有限的課時內高質量的完成，為解決學生厭學現象的頻繁發生，為專注學生自我學習、自我發展能力的培養，《數學物理方法》課程必須將課程建設與現代信息技術手段結合起來，發展“翻轉課堂”新型教學模式，提高教學和學習效率。同時，《數學物理方法》的建設必須立足自身需求，充分考慮到學校學生特點和應用型人才培養的任務，而且還要考慮目前學生課前學習資源缺乏和課程專業性較強的特點。因而，自己動手開發建設符合本校實際情況的微課視頻資源庫，是實施好“翻轉課堂”教學的必由之路。

2 《數學物理方法》實施翻轉后的教師和學生角色定位和任務

2.1 教師的角色和任務

首先，教師需要開發合適充足的課程微課資源。教材、圖書參考書、網絡資料等無聲讀物，由于全是高等數學寫成的，繁雜的數學語言需要較好的數學基礎和較高的自學能力去解讀，如何讓初學者有基礎、有興趣地獨立自學，成為首要問題。因此，針對遵義師范學院學生情況，開發適合的、足量的微課，作為學生的課前和課后學習資源是非常必要的。同時，針對微課，老師需要開發一些課后檢測自查題、收集相應知識點應用的文獻資料、應用案例等，擴展學生認知，從而達到課前基礎知識研修的目標。此外，老師課前需要設計一套行之有效的方法，來檢驗學生的自學情況，因為學生的自學積極性還需要培育。

其次，做好課堂教學的答疑和討論，以及更深層次的應用和拓展。教師課堂要回答課程的目的，各個知識點的聯系和邏輯關系，重點問題是什么，如何將這些知識應用到實際問題中等諸如此類的問題。針對自學中遇到的一些難點要解惑，對擴展性的問題和知識體系要貫通，對應用的問題要引導和研討；針對學生基礎薄弱的問題，還要解決學生在課前研修中提出的諸多生澀、模糊和不理解的基礎概念問題。

再次，教師要做好下一次教學內容的自學引導和課外實踐項目的要求，不能讓學生盲目地查找資料。同時，布置的作業要體現教學的主體內容，要典型。課后需要設計開放性的課外研習任務，幫助學生將所學的內容應用于解決實際的問題，理論用于實踐。

最后，在上述過程中，教師要注意鼓勵自學，樹立典型，加強管理，合理評價。《數學物理方法》實施翻轉的評價體系，首先要保障學生課前自學微課資源，并養成自學習慣，形成自發的合作研習氛圍，就要開發和設計一套合理的課前評價體制，記錄每個學生的自學情況；其次要曝露學生在自學中出現的問題，也要有設計合理的問題呈現方式，并體現課堂的表現；最后針對應用和開放性任務，要鼓勵學生積極學習。另外，要加強學生學習過程的評價，針對學生學前研修、考勤、作業、課外研修任務、章節學習效果、半期和期末等環節給予合理的考慮，適當納入評價體制中，合理評價學生的學習過程，綜合評價學生的學習效果。

2.2 學生的角色和任務

首先，自學將成為學生的主要任務，這需要學生要有一定的基礎，能讀懂教師的微課，文獻資料等等資源，并讓這樣的自學成為學習的行為習慣。

其次，學生要學會思考、學會交流、學會應用。學生自學中需要獨立思考，總結形成自己的觀點和看法；通過學生內部的交流和討論，將一些可以解決的問題通過相互溝通而解決掉，最終形成課堂上集中的幾個難點問題，教師課堂教學中將重點解決。學生課堂上要積極主動參與問題討論，力求解決學習中的疑惑，掌握深入應用的方法。此外，學生還需學會動手解決一定的課后習題和處理課外的拓展任務，做到學以致用。

最后，學生要有高度的自覺性，并有堅定不移，不怕困難的學習精神，認真完成各個教學環節的學習任務，注重知識結構體系的建立，積極將知識用于解決實際問題，不斷加深對課程知識點的認識。

3 《數學物理方法》微課資源庫建設及翻轉教學模式的實施

3.1 微課制作和資源庫建設

微課視頻的錄制以知識片段為核心。每個章節內容根據知識點被劃分為幾個10分鐘左右的小微課。微課的目的主要是通過視頻講解，將復雜專業的數學和物理知識用通俗易懂的方式呈現，降低自學理解的門檻，由淺入深，循序漸進，主線明確，解決教學的基礎知識部分。為此，《數學物理方法》微課的設計就要有一定的原則定位：每一個微課視頻都要有必要的“導入”和“總結”，尤其每一章的第一個微視頻，更要總覽全章，厘清教學主線，幫助學生理解和建立知識體系；在講解復雜的數學推演之前都要講清目的和方式，以免學生迷失在繁難的數學推演之中；依據PPT錄屏，以畫外音的方式呈現教學內容，主要解決各章節基礎知識，在錄屏中不做討論和擴展；適當在每個微課末尾提出開放性問題和應用練習，引導學生自學后完成。

按照這個原則和方式，通過PPT演示和畫外音的方式，將總共12章內容按知識點劃分為86“講”，每一講大約10-15分鐘，對應一個獨立PPT教學資料。為使PPT高效，生動，能將復雜的數學物理問題轉化為簡單易懂的知識講解，整個課程組還利用Matlab程序，開發教學實例102個，進行數學和物理過程教學呈現的可視化輔助。針對每一“講”，除了專業性要求太高，數學推演太多的兩“講”仍沿用傳統講授法教學外，總計84“講”微課視頻嚴格按照要求制作完畢，總計超過1000分鐘，完全覆蓋所有教學章節。后期根據教學需要，仍不斷修改和增加微課視頻，主要是針對原視頻中有不恰當的、呈現方式不夠好的進行修改，增補一些拓展知識點和習題講解類微課視頻。為了更好利用這些視頻，需要充分了解學生課前自學的時間和反饋的疑惑，合理跟蹤自學效果，將整個微視頻資源庫建設到學校資源共享平臺上。同時，所有視頻轉化為“.MP4”格式，學生可以通過手機移動學習的模式，利用微課資源庫開展自學，同時也可以將學習的疑惑或者問題通過平臺呈現，老師也可以實時解答，引導順利開展自學。這個環節也可以幫助教師在上課前根據問題做好備課，做好課堂教學答疑和討論的準備。

3.2 課堂翻轉教學模式的探索

翻轉課堂不是微課視頻代替老師，更不是課堂上教師的缺位。根據前期平臺上學生反饋和交流的信息，認真梳理學生自學中存在的問題。圍繞這些問題，做好該課堂教學的設計。在《數學物理方法》教學中，根據長期的教學經驗，教學中要盡量避免答疑出現的知識碎片化，不要僅僅根據一個疑問本身來解疑，要根據出現的問題進行梳理。首先，確認哪些是有效問題，對于學生在平臺中不認真自學反饋的“整個一章都不懂”等問題，可以不考慮在教學之中。這類問題需要與學生進一步確認產生的原因，搞清是基礎原因還是沒有認真自學；其次，對有效的問題也要分類，哪一個問題是在哪個知識點中出現的，進行歸類；最后，要根據這些問題設計教學主線和知識體系，通過邏輯清晰的知識點梳理和建立知識體系，逐一課堂交接系統知識過程，逐一解決掉學生出現的各類問題。因此，為了保障教學知識體系完整，一些“額外”的知識點也需要在教學中出現。此外，課堂教學中不僅要解決學生的疑問，還要根據教學內容的特點，進一步在掌握知識點的基礎上進行拓展和應用實踐。一方面，可以通過各種課堂練習實例講解，加深對知識點的理解和掌握；另一方面，可以結合物理和工程實際，討論知識點應用的案例，開拓學生的視野；此外，還可以利用實際應用實踐任務，讓學生課后去應用知識完成開放性的實踐問題。總之，課堂教學的總目標是有效解決學生學習中的疑惑，同時引導學生課后進行知識實踐應用。這其中，對于網絡平臺提供給老師教學使用的各項功能，可以根據教學設計需要進行合理采用。翻轉課堂的教學嚴格避免課堂復雜“熱鬧”的教學場面，更多的是學生“動腦思考、動手推演、動嘴交流”。翻轉課堂也避免“鸚鵡學舌”式的翻轉教學范式，不是每節課都需要討論，不是每節課都有一大堆問題等著老師去答疑，我們需要課堂教學設計更靈活地解決學生學習中的實際問題。

3.3 實施效果

《數學物理方法》課程教學模式改革以微課教學視頻資源庫建設為基礎，以“先學后教”翻轉課堂教學改革為核心，以網絡資源共享和師生交互平臺建設為手段，瞄準學生自主學習能力的培養和專業知識技能的構建，打破傳統以教師講授為主的單一教學方式，創建以學生學習為主體的翻轉課堂教學模式，實現靈活的翻轉課堂教學和富有收獲的學生學習體驗。

基于微課資源庫的建設完成，開始在2016和2017級物理學專業和材料物理專業學生之中實施翻轉課堂教學實踐，優化形成比較符合學生實際的翻轉教學模式：第一階段，自主學習。學生課前利用微課視頻等資源自主學習，做自學筆記，反饋學習中的疑問或問題；第二階段，課堂解疑。課堂教學中教師需要利用問題導向，收集自主學習中出現的問題，并組織課堂講解；第三階段，課堂應用。在掌握基本知識的基礎上講應用、拓展，加強動手能力和思維訓練；第四階段，課后延伸。除了常規的作業布置以外，引導學生開展相關物理和工程等實際問題的討論和解決；第五階段，學習評價。建設章節測驗試題庫和期末試題庫，通過章節線上測驗和課后實踐任務的完成情況，綜合評價該生章節學習情況。整個學期通過平時學習、中期、期末等評價，綜合評價學生的學習情況。

從實施情況來看，學生對課程的學習興趣大幅提升，自學能力得到顯著改善，知識掌握程度也顯著提高，解決實際問題的能力大大加強，達到了課時縮減，教學質量穩步提升的預期目標。任教10余年來2016級學生及格率首次突破85%，2017級更是上升到94%，平均成績也大幅提升，實現歷史新高。2016級早退、曠課1次以上的學生接近10%，2017級早退、遲到和曠課基本消失。現在《數學物理方法》微課視頻資源庫不僅成為初學者學習的資源，同時也成為高年級學生復習、課題應用和考研的有力工具，可以持續為學生學習提供幫助。

3.5 存在的問題

事物兼有兩面，基于微課視頻資源庫建設的翻轉課堂實施2年多以來，雖然成績是顯著的，但是有些問題也是根深蒂固的，還需要不斷的努力和提升。《數學物理方法》實施翻轉課堂教學改革的過程中，首要問題是學習理念的轉變。學生已經非常習慣了被動接受知識的課堂，現在需要自己獨立自學，一方面沒有自學的經驗和基礎，另一方面也沒有恒心和毅力去完成。學生普遍認為課程難、數學繁、基礎弱。在“翻轉課堂”教學改革實施中，曾經出現過抽查學生預習筆記，按要求完成率不超過50%的情況。其次，教學體制不夠健全，學生常常反應微課視頻的學習會花費很多精力，沒有時間兼顧其他科目的學習。學生的學習任務繁重也是普遍的情況，這也是教育部要求壓縮“水課，彈性學制，實施線上線下”改革的原因。

4 總結

改革如同一次革命。《數學物理方法》基于微課資源庫建設實施翻轉課堂教學改革，一方面不斷豐富和完善微課資源庫，保障課前學生學習資源的充足；另一方面不斷更新完善課堂教學翻轉模式，以學生有效獲知為目標，結合自身課程、學生實際，進行改革探索。兩年來，圍繞培養學生自學能力，提升學生獲知水平為目標，取得了一些進展。但是，應該認識到，改革才剛剛開始，仍面臨許多問題，還需要不斷加大課程教學團隊的建設、理念的更新、平臺的完善、管理評價體系的健全。可以相信隨著教學改革的持續推進，地方普通高校課堂教學模式改革將會得到快速的發展，人才培養的質量也將會顯著提升。