基于Sakai的大學物理實驗課程教學模式

吳 華，安夢迪，林 琳，王 輝，孫銳娟，李雨玫

(西安石油大學 a.理學院；b.信息中心，陜西 西安 710065)

隨著信息與網絡技術的發展，越來越多的高校嘗試采用網絡教學與傳統教學相結合的模式開展教學改革與創新工作. 網絡教學作為一種現代教學方式，具有交互性、共享性、開放性與協作性等特點，是深入提升教學質量、促進教學改革的有效途徑. 當前的網絡教學理念主要包含MOOC(Massive open online courses)與SPOC(Small pate online course). MOOC旨在為大眾學習者提供開放式的網絡課程，采用線上視頻教學的方式傳播知識，然后利用自動化評測系統和數據分析工具督促和評估學習者的學習過程. 與MOOC的大規模和開放式不同，SPOC具有小規模和限制性的特點，其受眾群體一般只有幾十至幾百人，且設置了課程的限制性準入條件，只有達到特定條件的申請者才能進入SPOC課程學習[1]. 混合式教學主張將傳統教學與網絡教學各自取長補短，通過重新調整課堂內外時間，合理分配線上線下教學資源，從而將學習的決定權和主動權交給學生，促進學生對知識的主動探索和師生間的交流互動[2].

1 現狀分析

大學物理實驗是一門以培養學生的觀察能力、邏輯思維能力、動手實踐能力以及開拓創新能力為目的的必修基礎課程. 傳統教學的一般做法是學生在課前預習實驗教材，課上教師講解實驗原理、實驗儀器與注意事項等，然后學生在教師引導下按實驗步驟進行實驗，觀察現象，記錄和處理實驗相關數據，驗證實驗原理和實驗結果的正確性，最后學生通過回顧和復習實驗材料完成實驗報告.

傳統大學物理實驗教學存在以下問題：

1)教學形式單一，學生長期處于灌輸式被動學習[3]；

2)教學內容陳舊固化，缺少與當堂實驗緊密結合的精品資源、實驗應用與實驗拓展；

3)教學時空固定，師生交流互動的時間和地點受限制，無法充分進行個性化的講解與答疑；

4)考核方式不完善，實驗評估以教師為主導，實驗成績以課堂表現和實驗報告為考核選項，缺乏對課前預習和課后拓展的學習過程的評估.

目前國際上優秀的MOOC平臺主要有Coursera,edX,Udacity，等等，Sakai網絡輔助教學平臺可視作MOOC理念的實例化平臺. Sakai是在線協作和學習的開源平臺，當前國內外眾多高校將Sakai作為研究和二次開發的教學平臺. 由于Sakai使用J2EE架構，具有可靠性、協作性和可擴展性，因此具有較強的復用性和安全性[4]. 國內Sakai研究和共享較好的是北京郵電大學與復旦大學，本次教學模式改革研究借鑒了這2所高校的研究成果[5-6]，使用理論結合實際的研究思路和方法，主要學習和研究Sakai開源系統相關技術，在此基礎上分析并整改大學物理實驗課程的教學內容.

2 混合式教學模式設計

將MOOC理念引入大學物理實驗課程，采用MOOC與傳統教學相結合的混合式教學模式，利用網絡教學平臺打造專屬大學物理實驗課程的翻轉課堂[7]. 具體來講，大學物理實驗課程的混合式教學模式基于教師與學生角色進行教學框架設計，分析Sakai平臺與該課程教學相關的數據和任務，充分挖掘和提煉教學核心點，并在Sakai平臺上整合與適配相關教學資源. 基于Sakai的混合式教學模式設計框架以教、學和評3個維度相應的教學側重內容，將大學物理實驗的課程學習、測試作業、互動答疑部分放在線上，將針對性的重點難點講解和具體實驗操作部分放在線下，將線上學習活躍度、學習時長和測試作業完成情況等統計分析結果作為該課程的考核評估維度. 基于Sakai的大學物理實驗課程混合式教學模式設計總體架構如圖1所示.

圖1 基于Sakai的混合式教學模式設計總體架構

大學物理實驗課程設計包含理論講解與實驗操作2部分. 根據教學大綱的基本要求，結合混合式教學模式設計架構，采用線上線下分工合作的教學方法，將實驗背景、前沿資料、理論知識、實驗操作等教學內容重新設計，形成混合式教學計劃與教學方案. 線上開辟第二課堂在線學習與交流，將理論知識、實驗儀器、實驗步驟和實驗注意事項等制作為線上碎片化的易學知識、課前課后測試作業和微教學視頻等；線下以答疑解惑與實驗操作為主，由教師講授、學生聽講式轉變為教師主導、師生互動式.

基于Sakai的混合式大學物理實驗課程教學如圖2所示.

圖2 基于Sakai的混合式教學

以大學物理實驗課程中惠斯通電橋測電阻實驗為例，課前發布本節課的主要內容、實驗模擬視頻和課前測驗，就實驗目的與要求、實驗儀器、實驗內容、實驗步驟和注意事項等內容進行線上教學. 該實驗要求學生掌握電橋測量電阻原理，學會自搭電橋，調節電橋平衡并學習交換法減小和修正系統誤差. 通過分析，惠斯通電橋原理、電橋靈敏度、實驗誤差分析方法和注意事項等內容作為線上理論學習和測驗的重點，實驗儀器、實驗步驟和實驗常見錯誤等作為視頻學習和線下課堂實驗操作的重點. 根據學生課前測試結果，教師在實驗課中簡要回顧理論內容，并且有針對性地對自搭電橋系統誤差和箱式電橋誤差原理著重講解和討論，對實驗過程中出現的錯誤以及學生提出的問題進行詳細記錄. 結合實驗操作情況教師發布課后相關作業，要求學生在線上完成該實驗的復習和課后測驗.

通過大學物理實驗混合式教學模式，實現師生線上線下的更多互動，增加教學活力，提高學生學習的積極性；同時利用網絡教學平臺完善教學內容，開拓學生的視野，培養學生的創新創造能力. 重新梳理和組織課上和課下教學內容，在教、學和評3個維度上設計出良好的混合式教學模式并將其應用在教學中，以期實現教學手段豐富化和多樣化，課程教學資源按需分配，考核機制彈性化和人性化，使該課程成為高校提升教學質量、促進教學改革的開放在線教育試點平臺.

3 大學物理實驗教學模式改革與實踐

Sakai平臺與高校教務系統聯用，進行教師、學生、班級與教室等相關數據集成. 數據集成按照集成方式可分為全量集成與增量集成[8]. 全量集成是指數據集成被觸發時，所有數據源數據均被同步到目標庫中. 增量集成是指每次觸發數據集成時只將業務系統變更的數據集成至目標庫中，按照技術實現方式，增量集成方式可分為標志位、觸發器、差異對比與日志位方式.

Sakai平臺與教務系統的數據集成采用標志位的增量集成方式，數據集成后Sakai平臺可以共享教務系統數據. 在教務系統通過查詢教師課表中教師編號、課程名稱與授課學年學期獲取教學活動編號列表，通過查詢學生課表的課程名稱、教師編號、授課學年學期與教學活動編號獲取所有上課學生與上課教室信息，通過查詢學生基本信息表的學生編號獲取學生所在班級與學院信息，從而將教務系統中課程的實際授課教師、授課班級、所在學院、上課學生、上課教室等與Sakai網絡教學平臺建立映射關系.

通過分析基于Sakai的混合式教學模式設計總體架構，結合大學物理實驗課程教學現狀與Sakai網絡教學平臺發展現狀，可以得出Sakai平臺下實施大學物理實驗教學步驟如下：

1)安裝與部署Sakai平臺. 分析和研究Sakai開源系統相關技術，安裝和部署Sakai教學平臺，驗證平臺的可用性，學習使用Sakai平臺并形成Sakai平臺使用參考指南.

2)制定混合式教學計劃與教學方案. 設計大學物理實驗課程的混合式教學框架，并以此為基礎制定該課程的教學計劃與教學方案.

3)實施教改內容. 從教、學和評3個維度梳理并完善大學物理實驗課程的教學內容，研究適合翻轉課堂的學習資源案例和技術，研究Sakai平臺同步教務系統中教師、學生、班級與教室等教務數據，在Sakai平臺上整合、適配并且發布相關教學資源. 選擇1～2個教學班級進行混合式教學模式實踐.

4)評測教改前后的教學效果. 綜合統計分析線上學習活躍度、學習時長、測試作業完成情況等，對比分析教改前后的教學成績.

大學物理實驗傳統教學成績由課堂表現和實驗報告組成，兩者占總成績的比例分別是60%和40%. 混合式教學成績由在線學習、課堂表現和實驗報告組成，三者占總成績的比例分別是20%，40%和40%. 在線學習成績是綜合線上學習活躍度、學習時長和測試作業完成情況得到的評價維度，課堂表現成績的評價維度包含考勤、交流答疑、實驗操作和實驗結果，實驗報告成績則單獨作為評價維度.

本次教改將同年級的3個教學班分為傳統教學1組、傳統教學2組與混合式教學組，傳統教學組采用常規教學方法，混合式教學組采用基于Sakai的翻轉課堂教學方法. 對3組學生期末測評成績使用SPSS工具進行獨立樣本T檢驗[9]. 傳統教學1組與2組的平均成績接近，而且顯著性水平sig值為0.948>0.05，故傳統教學1組與傳統教學2組的平均成績無明顯差異；而混合式教學組的平均成績明顯高于2個傳統教學組，且sig值為0.001<0.05，表明混合式教學組與傳統教學組存在顯著差異. 傳統教學組與混合式教學組進行T檢驗的統計分析結果如表1所示.

表1 傳統教學組與混合式教學組的T分布統計分析

使用皮爾遜相關系數分別對混合式教學組的學生在線學習成績與課堂表現成績、在線學習成績與實驗報告成績進行雙變量相關分析，相關系數r值分別為0.831和0.817，均大于0.8且顯著性水平sig值小于0.05，即在線學習分別與課堂表現成績、實驗報告成績高度正相關且結果可信. 統計分析結果表明：使用混合式教學能夠提升教學活力，提高教學質量. 混合式教學組各項成績間的皮爾遜相關系數統計分析如表2所示.

表2 混合式教學組皮爾遜相關系數統計分析

大學物理實驗線下教學包含4個部分：理論講解、交流答疑、實驗操作和實驗報告. 混合式教學組可以將1個實驗的4個內容在2課時內完成，而傳統教學組只能在規定教學時間完成理論講解、交流答疑與實驗操作部分，實驗報告需要單獨花費約30 min完成. 對比得出：混合式教學組比傳統教學組效率提升了約30%. 傳統教學組與混合式教學組線下教學時間對比如圖3所示.

圖3 傳統教學組與混合式教學組線下教學時間對比

4 結束語

教學改革是高校教師需要長期堅持而且不斷探索的創新工作. 本文以大學物理實驗課程教學模式改革為例， 采用線上線下分工合作的教學方法，通過Sakai網絡教學平臺與傳統教學相結合的方式，將教學內容重新梳理和組織，從教、學和評3個維度上設計出混合式教學模式，并選擇1個教學班級進行教學模式改革實踐，使用統計分析工具對教改后的教學效果進行定量與定性分析. 統計分析結果表明：混合式教學模式能夠有效提升大學物理實驗教學質量，并且提高教學效率.