“大學物理”課程在線混合式教學的改革與實踐

劉海蘭 顧 牡 吳天剛 倪忠強 宋志懷

(同濟大學物理科學與工程學院，上海 200092)

突如其來的疫情給高校“大學物理”公共基礎課程的教學帶來了很大的沖擊。如何化“危”為機，加速推進教學模式的改革，實現“停課不停學”“教學質量實質等效”的教學目標[1]，對我們物理基礎課教師來講即是機遇，也是挑戰。為此，同濟大學“大學物理”課程教學團隊運用同濟大學云課堂(https://courses.tongji.edu.cn/)所用的ZOOM系統和在中國大學MOOC(https://www.icourse163.org/)平臺上所建設的國家精品在線開放課程“大學物理(系列)課程”，從預習要求的強化、前/后測題的構建和慕課堂運用、課堂直播的混合式教學設計和實施、課后作業安排、學習過程評價和QQ群運用等環節，就“大學物理”課程的教學模式和方法進行了系統的改革。從已完成的力學和狹義相對論部分的教學效果來看，改革促進了學生學習的主動性、強化了學生教學的參與度，教學效果得到了學生的普遍認可。

1 教學方案設計

與在校學習相比，居家學習通常干擾因素較多、學習氛圍不足。因此，營造良好的“大學物理”課程教學環境，激發學生的主觀能動性、引導學生積極思考、強化學生教學的參與度是教學方案設計的關鍵。近年來，我們在“大學物理”課程混合式教學模式的改革方面開展了一定的工作，在引導學生主動學習方面積累了一定的經驗[2-3]。本輪改革我們是在已有工作的基礎上，通過同濟大學“云課堂”的ZOOM直播+慕課堂討論測試等形式，將原來課堂教學的部分搬到網上，利用國家精品在線開放課程、網絡信息工具，從課前預習、課堂討論、課后練習、過程評價等各個環節對課程進行重新設計，以期實現課前了解知識、課堂內化知識、課后鞏固知識，不斷提高“大學物理”課程的教學質量。圖1為“大學物理”課程在線混合式教學示意圖。

圖1 “大學物理”課程在線混合式教學示意圖

1.1 ZOOM直播課的教學方案設計

教學內容按章節展開。為了獲得良好的教學效果，我們對每一章節的教學目標、知識結構、重點難點重新進行了梳理，并將其在各章學習前預告給學生，以利于學生通過預習構建出一條較為清晰的知識脈絡。各章內容被有機地分為若干教學單元(2課時/單元)，毎個單元都設有前測題(5題)、精講內容(精講、選講或者串講)、課堂討論題、后測題(5題)，各章結束時還提供若干課后實踐課題。圖2為“云課堂”ZOOM直播課教學方案示意圖。

圖2 云課堂ZOOM直播課教學方案示意圖

前測題和后測題的設計側重于考察基本知識和重點難點的掌握情況。本著由淺入深，階梯性提高的原則，在課堂討論題的設計上，則更加注重于物理規律的綜合運用，提高問題的挑戰度，便于引發課堂討論、學生搶答、研討辯論、全班互動等。課后實踐課題，設計為拓展性課題，引導學生積極探索和研究，學生可根據實際情況和興趣愛好，自愿參與探究性實踐項目，分層次兼顧到不同基礎和不同能力的學生。

精講內容(精講、選講或者串講)部分的設計，注重于物理思想和方法的介紹，物理模型的建立，重點難點的切入，以及問題的研究和分析。通過引入演示視頻、3D動畫等富媒體元素，幫助學生理解物理概念和規律，同時增強課堂的趣味性。此外，留下一部分內容鼓勵學生完全自主學習，課后梳理總結所學知識等。

云課堂ZOOM直播教學本著引導學生低起點開始，高落腳點結束，提升教學挑戰度，充分體現兩性一度的教學理念。教師利用慕課堂進行前測，學生則通過微信小程序參與練習。通過系統提供的實時正確率統計，初步掌握學生預習情況。課中進行重點難點的講解，視教學情況選擇精講、選講或串講，并通過有一定難度問題的課堂討論，與學生進行在線實時互動。學生通過舉手、彈幕、點名或直接發言的方式參與課堂討論，實現生生互動和師生互動。通過互動教師也可實時了解學生聽課情況，隨時回答學生提問。最后進行后測練習，進一步了解學生課堂學習后的掌握情況，及時指導學生課后拾遺補缺。

1.2 SPOC在線課程和慕課堂的應用

利用已經建成的國家精品在線開放課程“大學物理(系列)課程”，教學團隊的每位教師都在中國大學MOOC平臺上建立了異步SPOC課程，并開設了慕課堂，從而為每一位學生提供了一個具有較高質量的在線學習平臺，為學生進行課前預習、課后復習、自主學習提供了便利。

1) 線上SPOC教學

SPOC教學內容和進度與ZOOM直播課程教學進度相互匹配。本學期共開設了兩門SPOC課程即“大學物理1: 力學、相對論”和“大學物理3: 電磁學”(http://www.icourse163.org/spoc/course/TONGJI……)。這兩門課程的資源就是我們教學團隊所建設的國家精品在線開放課程的資源，在中國大學MOOC平臺上經過12期的開設，資源的內容越發成熟，學習者已超過25萬人。

SPOC在線課程提供課程視頻、在線作業、在線測試、在線討論和在線考試等。學生通過在線學習、觀看視頻等進行預習、討論和復習，并完成單元作業、單元測試。通過回放ZOOM直播課的課堂錄屏，進一步回顧所學內容，拾遺補缺。

疫情期間，原來的課外(紙質)作業的提交和批改難以實現。而課外(紙質)作業是物理教學中不可缺少的重要環節之一。團隊教師利用異步SPOC的平臺優勢，讓學生在線下完成課外(紙質)作業，然后將其拍照上傳至SPOC平臺，教師通過SPOC平臺直接批閱學生提交的作業，并及時反饋批閱意見。避免了重要教學環節的缺失。圖3為在線學習作業完成、提交和批閱流程。

圖3 課外(線下)作業和線上作業完成、提交和批閱流程

2) 慕課堂

SPOC慕課堂在在線教學中發揮了重要作用。根據教學方案，在線直播時，我們充分發揮慕課堂前測、后測、討論、簽到、實時統計等功能，不僅增強了教學的實時互動，更是有效提高了學生學習的專注度和參與感，增強了學生預習和復習的主動性。通過慕課堂的備課功能，將設計好的前測題、后測題、討論題和問答題等作為資源導入練習庫，教學直播時，按需要使用。

此外，慕課堂管理還有學生管理、平時成績和學情統計等功能，所提供的數據可以為教師了解學生學習情況提供詳實的資料(見圖4)，為教師及時發現問題、調整教學策略提供了有價值的參考。

圖4 某班級部分慕課堂管理數據

1.3 QQ班級群的作用

團隊教師都建立了各自的班級QQ群。通過QQ群的建立，可以把班級所有的同學組成一個學習團隊，充分發揮群的優勢。教師在群里上傳電子課件，公布作業答案，發布班級公告，在線答疑、在線問卷等。通過答疑解惑，關心學生的學習情況，給予學生力所能及的幫助。助教則通過QQ群，發布作業注意事項，溫馨提醒作業截止日期等。學生們則通過QQ群，互幫互學。提出課中課后學習中遇到的困難，通過研究討論，解決問題，達成共識(見圖5)。在群里形成了良好的學習氛圍，師生互動、生生互動、隨心隨意、隨時隨地。

圖5 某班級QQ群學生討論截屏

1.4 在線學習過程評價和課程評價

教學中既要考察學生對知識的理解，又要考察學生運用知識的能力。課程評價采用多元考核機制，形成性評價與終結性評價的結合，課程的總評成績(100%)為線下期終考試(60%)+線上SPOC成績(兩門SPOC課程共20%)+平時成績(線下作業+課堂表現共20%)(見表1)。

表1 在線學習的過程評價和總體評價

課外SPOC在線學習包括：觀看視頻(預習/復習)、單元課程視頻和ZOOM直播錄屏，以及單元作業、測試和討論、課外(紙質)作業線上提交等。

其中平時成績包括課外(紙質)作業和課堂表現，主要包括慕課堂表現(前測/后測、討論等)和直播課堂表現等。

2 教學方案實施和案例介紹

2.1 ZOOM直播課堂教學計劃

表2為大學物理學在線教學ZOOM直播課程的教學計劃。團隊教師根據教學方案中的教學目標、教學內容、重點難點，再結合自己所教班級的具體情況，選用精講、選講或者串講的方式進行課堂教學。同時結合習題講解、課堂討論以及慕課堂進行前測和后測練習，完成單元教學。

表2 大學物理學在線教學ZOOM直播課程計劃表

續表

2.2 教學案例

這里以剛體力學部分的教學為例。根據該章的教學目標、知識結構和重點難點，課程共設計了三個單元的ZOOM直播課。第一單元：轉動慣量及計算、剛體定軸轉動定律及應用，難點：變力矩作用下定軸轉動定律的應用。第二單元：角動量定理及角動量守恒定律、定軸轉動動能定理和功能原理，難點：角動量及其守恒定律的應用。第三單元：剛體平面平行運動和純滾動、剛體力學習題討論課，進動部分留給學生自學。

在ZOOM直播課上，注重教學重點難點的講解和討論，課中列舉的例題和討論題都給學生留有思考時間，通過啟發式提問引導學生思考問題。同時學生通過舉手、教師點名、等方式參于課堂討論，與其他同學分享解題思路和方法，全班同學則通過彈幕或舉手的方式參與交流互動。

我們在第一單元的慕課堂后測練習中發現這道題目正確率只有約37%左右(見圖6)。該題的解答可以用對棒的端點A和質心O點的定軸轉動定律來解，也可以應用質心運動定理和對質心O點的定軸轉動定律來解。答對的學生更多采用了第一種解法。為了讓學生弄懂這個問題，在第三單元的習題討論課上，重點介紹了該題的第二種解法。同時給學生出了第二個題目[4]，并用質心運動定理和對質心的定軸轉動定律解了該題(見圖7)。課后學生發現用第一種和第二種兩個解法卻出現了不一樣的結果，問題到底出在哪里？通過QQ群中的進一步研究討論，最終他們認識到：與牛頓運動定律一樣，定軸轉動定律也只適用于慣性系。而該題之所以能用過質心的定軸轉動定律來解，是因為在質心這個非慣性中加上慣性力后，慣性力矩為零的緣故。通過討論學生對定軸轉動定律的應用有了更深刻的理解。

圖6 某班級慕課堂后測答題結果

在角動量及角動量守恒定律這個單元，我們錄制了一段小視頻，出了一道討論題(見圖8)，但并沒有給出標準答案。課堂和課后也引發了學生們的積極反響和討論。

圖8 剛體力學討論題二

此外，在這部分教學的最后，還留給學生課后實踐課題。例如：(1) 常見的直升飛機被看作是一個由主螺旋槳和機身組成的二體系統，當其靜止時，系統的角動量等于零；起飛時，主螺旋槳轉動，具有一個角動量，根據角動量守恒定律，機身要沿相反的方向轉動，為了制止機身轉動，就要開動尾翼螺旋槳。試分析尾翼螺旋槳產生了什么樣的力矩？它是怎樣制止機身轉動的？(2) 乒乓球的自動回滾問題：怎樣可使乒乓球向前運動的同時，以較高的轉速“反轉”，即乒乓球過一段時間自動回滾等。

團隊教師普遍感覺慕課堂的前測和后測練習，為我們促進學生學習，了解和掌握學生課前預習情況、課中教學效果提供了實時數據，也為后續教學提供了依據。

2.3 SPOC在線課程的作用

通過數周的教學實踐活動，我們在SPOC課程數據庫里了解到學生觀看視頻，瀏覽文檔，隨堂討論，單元測驗和單元作業的情況(見圖9)。作為課外主要的學習平臺，該課程為學生進行自主學習，包括預習，復習，拾遺補缺，自我評價的重要方式。在整個混合式在線教學中起到不可或缺的重要作用。同時，通過了解這些統計數據，教師能夠及時了解學生課后學習情況，對課堂教學起到積極的指導作用。

在單元作業這部分環節，要求學生通過互評來完成作業的批改。這不僅提升了學生同伴相互協作的精神，而且也對該次作業的解答有了明確認識，對知識的理解又更進了一步。此外，SPOC課程的教師答疑區成為學生課外答疑解惑的重要平臺。

綜上所述，通過在線混合式教學，即借助于ZOOM“云課堂”和SPOC在線課程，在這樣的特殊時期，組織教學活動，讓學生真正做到停課而不停學。

3 調查和分析

我們在教學開展后的第七到第八周，對10個教學班，1320名學生進行了一次問卷星教學調查活動。共收到調查樣本733份。

調查結果表明：學生普遍認可目前所采用ZOOM直播+SPOC方式的教學模式，ZOOM線上直播和SPOC在線學習方式在學生中較受歡迎。其原因主要有以下幾點：(1)線上直播互動性強，有助于增強教師和學生之間的互動，提高教學效果；(2)在直播過程中，隨堂錄屏所保存的錄像可以不受時間和空間的限制進行回放，方便沒有掌握的學生反復觀看和反復學習；(3)SPOC在線學習便于學生進行課后預習，復習和練習。

66.99%學生認為前段時間的學習效果非常有效或有效，而認為效果不好的只占7.5%。

99%的同學具備進行線上學習并完成學校要求的學習任務。

95.09%的同學通過電腦進行線上學習。

82.81%的同學認可慕課堂的考勤方式，不認可或沒有使用只占17.19%

79.13%的同學認為線上教學中使用的慕課堂中的課堂練習對學習幫助最大。

66.99%學生對采用ZOOM直播+SPOC方式的教學模式非常滿意或比較滿意，不滿意的只占5.46%。

68.89%學生認為班級的QQ群在學習過程中發揮很重要或比較重要的作用，認為不重要的只占3.27%。

大多數同學喜歡老師采用ZOOM直播方式，55.66%的同學希望每次都采用ZOOM直播。

線上教學仍然存在一些不足之處。有學生反映“線上遇到疑問不能與老師及時溝通解決。”“希望多一點自主學習的時間。”“希望減少課后作業，學習時間過長，對眼睛不好。”等。

以上的調查問卷，以及長期以來的教學改革的成果在疫情中的應用和實踐，為今后進一步開展線上線下相結合的混合式教學模式提供了積極有效的依據。

4 結語

在線混合式教學實踐表明，目前形勢背景下

所開展的這項改革在可行性、適用性方面有著較大的優勢。教師普遍感覺所使用的ZOOM直播平臺、SPOC課程平臺都相當穩定，便于操作。同時也存在一定的不足之處，比如師生的互動性不如實體課堂那樣容易進行，教師和學生的教學壓力和負擔普遍較大。一方面，根據教學方案，教師將投入更多的時間進行備課，試圖使得直播課堂與SPOC課程不簡單重復，直播課堂將給與學生更多有價值的信息和幫助，以充分體現各自的功能和效果，體現混合式教學的優勢。另一方面，對于基礎較差和自控能力較弱的學生而言，學習上遇到的困難和挑戰也是比較大的。根據調研結果，如何做出相應調整，讓師生雙方高效愉快的教與學，在后續的教學活動中我們將進一步總結經驗，取長補短，積極探索，不斷改進。