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(fā)明激光，很多光的現(xiàn)象又被重新深入的研究，這使得光學領域又重新煥發(fā)出青春的光芒，特別是光在軍事、生物醫(yī)學等領域的應用，展現(xiàn)出強大的生命力[1]。光學是一門研究光的傳播規(guī)律及光與其他物質(zhì)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(xiàn)代光學[2]。光學與其他物理課程聯(lián)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(nèi)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(shù)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(zhì)之間的相互作用繼續(xù)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(tǒng)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(yǎng)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(yǎng)，為學生的繼續(xù)教育提供扎實的基礎。

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

(1) 課程教學內(nèi)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(zhì)與數(shù)字化資源相結合的新形態(tài)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(chuàng)新實驗、電子教案等多種數(shù)字化學習資源。核心內(nèi)容包括：幾何光學、波動光學（光的干涉、光的衍射、光的偏振）、現(xiàn)代光學等章節(jié)內(nèi)容，共計68個學時。光學內(nèi)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(zhì)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(xiàn)象原理公式復雜，這都需要學生有深厚的高等數(shù)學基礎。教師在傳統(tǒng)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(jù)現(xiàn)在學生的特點，改善現(xiàn)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(chuàng)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(xiàn)代化的網(wǎng)絡教學技術相結合，這些都是目前急需解決的問題。

2 傳統(tǒng)線下教學與雨課堂在線課堂融合的必要性

為了克服傳統(tǒng)課堂中過多使用講授法，引發(fā)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(xiàn)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(fā)揮“線上”和“線下”兩種教學的優(yōu)勢，激發(fā)學生學習興趣和熱情[3,4]。特別是新冠疫情發(fā)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(tài)，急需探索一種既能適應疫情的教學環(huán)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(fā)生了深刻的變化，主要表現(xiàn)在：移動互聯(lián)網(wǎng)時代，手機是生活中一個必不可少的工具；學生的認知規(guī)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(xiàn)象可以從網(wǎng)上訂餐App和嗶哩嗶哩網(wǎng)站在學生社區(qū)的火爆程度體現(xiàn)出來，表明學生對學習和課程的期望呈現(xiàn)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(lián)網(wǎng)時代的產(chǎn)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(xiàn)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(diào)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(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

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(chuàng)建

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

圖1 《光學》課程班級創(chuàng)建過程示意圖:(a) 點擊創(chuàng)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(chuàng)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(fā)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(xiàn)代光學，共八章內(nèi)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(xiàn)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(fā)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(jié)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(nèi)容不懂，哪些知識點還沒有掌握好，據(jù)此調(diào)整課堂重點講解教學內(nèi)容。此外，還可以提供與該章節(jié)相關的文獻引導學生思考，該物理現(xiàn)象是怎么發(fā)現(xiàn)的，怎么利用該理論解釋日常生活中的現(xiàn)象？更深入一步，這種情況發(fā)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(nèi)容，并且根據(jù)學生學習的情況，針對學生的薄弱環(huán)節(jié)和知識點進行重點講解。在講解過程中注重啟發(fā)式教學，學生可以根據(jù)老師的啟發(fā)通過發(fā)彈幕方式實現(xiàn)實時互動，教師可利用生成詞云功能投屏，總結知識點內(nèi)容。此外，雨課堂還具有分組功能，根據(jù)課程內(nèi)容，設計課題化學習內(nèi)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(xiàn)優(yōu)秀的學生可以有適當獎勵，激發(fā)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(shù)、查看課件人數(shù)及完成練習的人數(shù);(b) 客觀題答題率和正確率

3.1.4 課后檢測

課后推送作業(yè)，作業(yè)形式多樣，可以是單選、多選、填空、主觀題等，規(guī)定在一定時間內(nèi)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(guī)定時間之后。以“現(xiàn)代光學基礎”為例，課后推送作業(yè)及完成情況如圖4所示。學生提交作業(yè)后，教師可查閱作業(yè)反饋數(shù)據(jù)，知道哪些是普遍存在的問題，哪些僅是個別同學出現(xiàn)的問題，在下次課上有針對性講解，或調(diào)整課程進度。此外，雨課堂有討論區(qū)，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(xiàn)代光學基礎課后學習情況的微信截圖:(a) 班級總人數(shù)、查看課件人數(shù)及完成練習的人數(shù);(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(xiàn)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(yè)。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(tǒng)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(chuàng)造性的學習活動成為可能。本研究分別統(tǒng)計了幾何光學、波動光學、量子光學和現(xiàn)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(xiàn)代光學內(nèi)容復習的學生人數(shù)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(shù)中波動光學的人數(shù)較多，其次是幾何光學，量子光學和現(xiàn)代光學的人數(shù)較少；未查看課件的人數(shù)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(nèi)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(shù)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(xiàn)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(xiàn)代光學參與度較高，學生對這兩部分內(nèi)容產(chǎn)生較濃厚的興趣；而幾何光學和波動光學內(nèi)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(xù)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(jù)學生微信雨課堂平臺的學習情況和平時線下課堂的表現(xiàn)，可以實現(xiàn)更好的過程考核。盡管雨課堂在線上教學中有較多的優(yōu)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(guī)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(jù)此判斷學生成績的優(yōu)良。這種評價機制并不能完全的反應學生優(yōu)秀與否，主觀題沒有統(tǒng)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(zhì)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(yǎng)和訓練才能更好地有效控制。

4 結論

創(chuàng)新型人才是國家技術創(chuàng)新，知識創(chuàng)新和服務創(chuàng)新的重點領域，而大學是創(chuàng)新型人才培養(yǎng)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(shù)據(jù)分析課堂情況并總結。同時對雨課堂的課堂體驗進行了規(guī)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(xiàn)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。