基于“雨課堂”的混合式教學探討與學習行為可視化分析研究*
——以《光學》課程為例

黎遠鵬，牛娟娟，田雪冬，唐 劍，劉 軍

（廣西師范大學物理科學與技術學院，廣西 桂林 541004）

1 引言

光學是一門基礎課程，是物理學本科階段的必修課程之一。對于光的認識和研究歷史悠久，它是一門即古老又年輕的基礎學科。隨著梅曼發明激光，很多光的現象又被重新深入的研究，這使得光學領域又重新煥發出青春的光芒，特別是光在軍事、生物醫學等領域的應用，展現出強大的生命力[1]。光學是一門研究光的傳播規律及光與其他物質相互作用的學科，具體又可以分為四個分支：幾何光學、波動光學、量子光學和現代光學[2]。光學與其他物理課程聯系非常緊密，掌握好光學的基本理論知識為學習其他物理課程(如：原子物理、量子力學、相對論)打下良好的基礎。

該課程的授課對象和學習主體為大一新生，學生在初中和高中物理學習階段對幾何光學的內容已有初步的學習背景。開課時間為大一下學期，學生在大一上學期已修完高等數學、電磁學等兩門相關基礎課程，為《光學》的有效學習打下良好的基礎。在此基礎上，在光學課程中會對光的波動理論和光與物質之間的相互作用繼續深入學習和探討，這也是本課程的學習難點所在。本課程主要系統學習光學基本原理和基本知識，并對學生的邏輯思維、分析和解決問題的能力進行有意識的培養和訓練，使得學生建立起辯證唯物主義世界觀，提高學生的科學素養，為學生的繼續教育提供扎實的基礎。

《光學》課程理論性強、系統性強、對學生基礎要求高，教師難教、學生難學的現象日益嚴重，傳統《光學》課程線下教學的難點和不足如下：

(1) 課程教學內容多，學時少；光學教材一般選用由姚啟鈞原著，高等教育出版社出版的《光學教程》第四版。本文選用的是《光學教程》第五版，該版本教材是紙質與數字化資源相結合的新形態教材，提供了立體化的教學資源平臺，通過書中的二維碼可獲取慕課教學視頻、演示動畫、創新實驗、電子教案等多種數字化學習資源。核心內容包括：幾何光學、波動光學（光的干涉、光的衍射、光的偏振）、現代光學等章節內容，共計68個學時。光學內容繁多，但是學時有限，在有限的學時里面如何提高教學和學習的效率是提高本課程教學質量的關鍵所在。

(2) 教師主要以“PPT+板書”講授為主；教學手段單一，考核單一，且與學生缺少有效的溝通和交流，無法提高學生自主學習和主動思考的能力。

(3) 理論公式推導較多；如：波的疊加原理、菲涅爾公式、半波損失、惠更斯-菲涅爾原理、夫瑯禾費衍射等現象原理公式復雜，這都需要學生有深厚的高等數學基礎。教師在傳統課堂上主要以講授為主，面對琳瑯滿目的推導公式學生學習動力不足，導致學習主動性差。

因此，如何根據現在學生的特點，改善現有的教學方法和教學手段，使得教與學融會貫通，教師教有所長，學生學有所長，如何引導學生鼓勵創新思維方式，使得課堂氛圍百花齊放，如何將新的教育理念與現代化的網絡教學技術相結合，這些都是目前急需解決的問題。

2 傳統線下教學與雨課堂在線課堂融合的必要性

為了克服傳統課堂中過多使用講授法，引發的學生學習主動性差、參與度低、學習效果參差不齊等問題。為改善這一現象，迫切需要“以學生為中心”的教學理念對本科教育模式進行改革，并在高等教育中推廣應用。混合式教學方式打破了時間和空間的界限，通過在教學設計上進行合理的設計，發揮“線上”和“線下”兩種教學的優勢，激發學生學習興趣和熱情[3,4]。特別是新冠疫情發生以來，為降低疫情對學生學習和教師教學的影響，各大高校師生齊聚虛擬課堂，積極開展“線上”和“線下”相結合的混合教學模式的探索[5-7]。為適應高校教育新常態，急需探索一種既能適應疫情的教學環境又不影響教學和學習效果的教育新模式。

在線與離線混合教學是當前高等教育研究的熱點[8]。高等教育的主要參與者“95后”和“00后”大學生在獲取信息和知識的方式上已發生了深刻的變化，主要表現在：移動互聯網時代，手機是生活中一個必不可少的工具；學生的認知規律主要以建構主義為特征，習慣了從多種不同來源獲取信息，且對碎片化的信息非常感興趣。這一現象可以從網上訂餐App和嗶哩嗶哩網站在學生社區的火爆程度體現出來，表明學生對學習和課程的期望呈現出多元化的趨勢[9]。

雨課堂是一款兼具教與學的智能化教學和學習工具，是教育適應移動互聯網時代的產物。不僅可以全面改善課堂教學效果，而且使得師生互動更多，教學更方便[10]。依靠PPT課件和移動終端（微信），雨課堂在整個教學過程中（上課前，上課中和下課后）實現了教師教學與學生自學的全天候互動。課堂上，采用混合教學模式進行“光學”課程的教學改革，從根本上調動學生的學習積極性，以學生為主體，以老師為主導，加強對學生綜合運用能力和創新能力的培養。

3 實驗結果

3.1 課堂混合式教學在《光學》課程中的應用

3.1.1 《光學》課程班級的創建

微信關注“雨課堂”公眾號，綁定手機和微信號。創建《光學》課程班級如圖1所示。

圖1 《光學》課程班級創建過程示意圖:(a) 點擊創建課程;(b) 填寫課程信息;(c) 生成邀請學生二維碼

第一步點擊創建課程，課程名稱：光學，班級：19物理學。然后點擊邀請學生，生成邀請碼，邀請碼可以發送到相應的微信班級群或QQ班級群，提醒學生加入學習班級。

3.1.2 課前推送

《光學》課程分為三部分：幾何光學、波動光學、現代光學，共八章內容：(1)光的干涉；(2)光的衍射；(3)幾何光學基本原理；(4) 光學儀器的基本原理；(5) 光的偏振；(6) 光的吸收、散射和色散；(7) 光的量子性；(8) 現代光學基礎。每部分都有自己的特點，也有相應的學習方法。在開始每一章教學前，提前一周通過雨課堂發布該部分的學習方法和下次課預習課件及補充閱讀材料如圖2 所示。學習方法推送，以“光的干涉”為例，如何理解并推導波動的獨立性、疊加性和相干性，分析得出光干涉的充要條件是本節的重難點。解決措施：采用邊觀察、邊比較、課堂討論等的方式，借助多媒體資料化解難點。

圖2 預習課件及推送推送的微信截圖:(a) 光學課程預習公告;(b) 預習課件及測驗推送

光學課預告中推送學習課件和習題，通過習題檢測預習效果。并且可以通過雨課堂后臺可以了解學生在預習過程中哪些內容不懂，哪些知識點還沒有掌握好，據此調整課堂重點講解教學內容。此外，還可以提供與該章節相關的文獻引導學生思考，該物理現象是怎么發現的，怎么利用該理論解釋日常生活中的現象？更深入一步，這種情況發生的可能機制是什么？讓學生帶著問題去讀文獻。

3.1.3 課中實施

學生掃描進入課堂，兼有簽到作用，課件同步到手機微信端，學生可以隨時查看，教師課上間斷推送知識點的隨堂練習，學生在手機上作答，老師可以實時查看學生的學習情況如圖3 所示。隨堂練習即前測的目的是為了考查上次課重要知識點掌握情況，督促學生課下復習以前所學內容，并且根據學生學習的情況，針對學生的薄弱環節和知識點進行重點講解。在講解過程中注重啟發式教學，學生可以根據老師的啟發通過發彈幕方式實現實時互動，教師可利用生成詞云功能投屏，總結知識點內容。此外，雨課堂還具有分組功能，根據課程內容，設計課題化學習內容。此類學習任務分小組完成，在課堂匯報成果，并回答同學和老師提問，由老師和各小組分別打分，記為平時成績。課堂后測是為檢查學生聽課效果，同時避免學生上課玩手機，要把手機作為學習工具來使用。對于表現優秀的學生可以有適當獎勵，激發學生學習興趣。

圖3 隨堂練習學習情況的微信截圖:(a) 班級總人數、查看課件人數及完成練習的人數;(b) 客觀題答題率和正確率

3.1.4 課后檢測

課后推送作業，作業形式多樣，可以是單選、多選、填空、主觀題等，規定在一定時間內完成（便于學生復習和答題），作為平時成績的一部分。參考答案公布時間設置在完成測試題的規定時間之后。以“現代光學基礎”為例，課后推送作業及完成情況如圖4所示。學生提交作業后，教師可查閱作業反饋數據，知道哪些是普遍存在的問題，哪些僅是個別同學出現的問題，在下次課上有針對性講解，或調整課程進度。此外，雨課堂有討論區，可以在任何時候回答學生提問或者參與學生討論，互動一直在線。

圖4 現代光學基礎課后學習情況的微信截圖:(a) 班級總人數、查看課件人數及完成練習的人數;(b) 習題答題率和準確率;(c) 學生反饋

3.2 基于雨課堂的學生課后復習情況可視化分析

光學課程姚啟鈞著(第六版)共8章書，其中幾何光學5個學時，波動光學45個學時，量子光學15個學時，現代光學5個學時，共計70個學時。光學課件及習題會通過雨課堂小程序推送到學生的手機微信端，學生可以自行下載復習及完成老師布置的作業。通過復習不僅可以診斷和彌補學生課上學習的缺陷，還可以使學生把最基本、最重要的知識系統地保持在記憶中。學生通過將所學的知識融會貫通，使得開展具有創造性的學習活動成為可能。本研究分別統計了幾何光學、波動光學、量子光學和現代光學四個學習模塊課后復習情況并進行了對比，如圖5和圖6所示。

圖5 學生復習完成情況對比圖

圖6 學生習題完成情況對比圖:(a) 答題率;(b) 準確率

如圖5 完成量子光學和現代光學內容復習的學生人數比幾何光學、波動光學的多，大概相差20個人；僅查看課件的人數中波動光學的人數較多，其次是幾何光學，量子光學和現代光學的人數較少；未查看課件的人數最少，說明整體上大部分學生都按時完成了課后復習。

為進一步具體評價學生復習的效果，對學生課后習題完成情況進行了對比分析。從答題率來看，四部分內容整體的答題率都較高，基本都超過70%。僅波動光學中習題1答題率為40%左右，答題人數較少；從準確率上看幾何光學和波動光學大部分在60%以上，而量子光學習題3和習題4明顯低于40%，現代光學中習題3-5的準確率也明顯低于40%。波動光學中習題1準確率為0%。通過習題測驗結果可知：量子光學和現代光學參與度較高，學生對這兩部分內容產生較濃厚的興趣；而幾何光學和波動光學內容的學習效果較好，學生對這兩部分的知識點掌握的較牢固。這為后續的光學教學和教學評價提供良好的指導作用。

3.3 基于雨課堂平臺輔助教學效果評價與討論

基于雨課堂平臺的《光學》教程輔助教學實踐中，使得教師可以更快、更高效的掌握學生簽到、答題等情況，教師可以更加科學和精準的判斷學生的學習效果，從而更加精準地改進教學方法。教師可以根據學生微信雨課堂平臺的學習情況和平時線下課堂的表現，可以實現更好的過程考核。盡管雨課堂在線上教學中有較多的優點，但也還存在一些不足，針對這些不足，思考解決的對策，才能更好的促進教學的改革。

(1) 課前預習和復習評價較難規范，可結合線下課堂提問來檢查預習和復習情況，綜合掌握學生的學習進度和效果；

(2) 雨課堂可以對習題的答題率和準確率進行直觀的可視化分析，可據此判斷學生成績的優良。這種評價機制并不能完全的反應學生優秀與否，主觀題沒有統一答案標準，雨課堂無法對主觀題的結果進行精準評價。因此，可結合線下考核提高評價機制；

(3) 學生反饋中，在手機端查看的PPT 需要具有更高的質量及分辨率，因此對于教師來講，采用“雨課堂”推送的課件需要更加精心的設計。此外，雨課堂是使用需要學生帶手機上課，避免不了手機上其他信息的影響，很難保證學生精力一直集中在課堂上而不是手機社交軟件和游戲上，這些需要長久的學習習慣培養和訓練才能更好地有效控制。

4 結論

創新型人才是國家技術創新，知識創新和服務創新的重點領域，而大學是創新型人才培養的主要渠道。雨課堂作為一種新興的智能教學工具，有助于獲得較好的教學效果。我們將雨課堂應用于《光學》課程教學中，在課前進行課件推送，課上進行點名，做習題以及互動討論，課后通過數據分析課堂情況并總結。同時對雨課堂的課堂體驗進行了規劃，在之后的課程建設和改革中逐漸實施。在雨課堂的實踐中遇到了一些問題并思考了相應的對策，相信在接下來的教改實施過程中還會出現各種問題，只有保持思考的習慣，積極應對和解決，才能使教學更加精彩。通過教育教學方法改革，大大提高了學生學習光學課程的興趣，親身體驗了在線自主學習，離線多面討論和改進的樂趣，班級參與和活動得到了顯著改善。