新工科背景下應(yīng)用型本科AI+“大學(xué)物理”教學(xué)探討*

張春玲

(陽光學(xué)院人工智能學(xué)院 福建 福州 350015; 福建師范大學(xué)物理與能源學(xué)院 福建 福州 350117)

達(dá)新宇 劉文武 張容娟

(陽光學(xué)院人工智能學(xué)院 福建 福州 350015)

1 引言

人工智能(AI)是當(dāng)前信息領(lǐng)域的前沿方向之一，近些年，AI為醫(yī)療、交通、商業(yè)、航天、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域帶來了革命性變革，其中，AI+教育為教育產(chǎn)業(yè)的智慧化升級注入新能量.特別地，2017年國務(wù)院印發(fā)了關(guān)于進(jìn)一步推動人工智能發(fā)展的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》.《規(guī)劃》指出 “利用智能技術(shù)加快推動人才培養(yǎng)模式、教學(xué)方法改革，構(gòu)建包含智能學(xué)習(xí)、交互式學(xué)習(xí)的新型教育體系”[1],這意味著人工智能將成為引領(lǐng)未來教育行業(yè)的戰(zhàn)略技術(shù).

作為整個自然科學(xué)的基礎(chǔ)，物理學(xué)的發(fā)展不僅極大地豐富了人類知識的寶庫，而且多次導(dǎo)致了產(chǎn)業(yè)革命[2～5]，成為經(jīng)濟發(fā)展的高新技術(shù)源泉，對人類現(xiàn)代文明和社會進(jìn)步起了重大的推動作用.大學(xué)物理是高等本科院校理工類專業(yè)的一門十分重要的通識必修課，大學(xué)物理課程涵蓋了力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、振動和波、波動光學(xué)、狹義相對論和量子物理等多方面的內(nèi)容[6]，該門課程在培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力、理性思維能力和科技創(chuàng)新能力，增強學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識等方面發(fā)揮著重要的作用.然而，大學(xué)物理課程知識量大、學(xué)時少，目前多數(shù)應(yīng)用型本科高校都在不斷壓縮大學(xué)物理教學(xué)課時，使得教學(xué)效果不理想，教學(xué)質(zhì)量無法得到保證，甚至部分本科高校的工科專業(yè)取消大學(xué)物理課程的開設(shè).本文結(jié)合具體教學(xué)過程對大學(xué)物理這門基礎(chǔ)課程如何適應(yīng)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要進(jìn)行了探索與實踐.

2 傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題

作為一門理工類專業(yè)必修課程，大學(xué)物理課程可以說是各學(xué)科的基礎(chǔ)，但傳統(tǒng)課程教學(xué)以教師講授、學(xué)生聽課為主，且傳統(tǒng)教學(xué)使得大學(xué)物理類課程與其他學(xué)科聯(lián)系還是稍顯不足.新工科背景下，傳統(tǒng)的課程教學(xué)模式局限了高校學(xué)生的個人發(fā)展.大學(xué)物理現(xiàn)有的傳統(tǒng)教學(xué)存在學(xué)生怕物理、學(xué)習(xí)被動、教師難教等局面.

3 新工科背景下的AI+“大學(xué)物理”的教學(xué)改革嘗試

3.1 豐富教學(xué)方法 積極踐行應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式

為了更好地提升學(xué)生的創(chuàng)新應(yīng)用意識，大學(xué)物理課程教學(xué)采用多元化的教學(xué)模式[7,8].一般的知識點采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，由教師通過講授、實例講解、板書及在線教學(xué)平臺的輔助，把教學(xué)內(nèi)容傳遞給學(xué)生，以提高知識傳授的效率；針對教學(xué)內(nèi)容的重難點知識，教師以啟發(fā)式教學(xué)模式的方法講授，對重點內(nèi)容和學(xué)生難以理解的內(nèi)容要講清楚講透，對一般內(nèi)容可引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)掌握，要多結(jié)合工程案例或生活實際案例進(jìn)行剖析，多設(shè)計一些能啟發(fā)誘導(dǎo)學(xué)生思考的教學(xué)環(huán)節(jié)；培養(yǎng)能力的知識點采用項目式、案例式的教學(xué)模式，以真實的工程物理應(yīng)用背景創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，選取與知識點相關(guān)的實際應(yīng)用案例作為引線導(dǎo)出相應(yīng)的物理學(xué)知識.通過F35戰(zhàn)機升力系統(tǒng)的工作方式，讓學(xué)生更好地理解動量守恒定律.通過翻蓋或滑蓋手機的控制電路中使用霍爾效應(yīng)實現(xiàn)的霍爾效應(yīng)開關(guān)，來解釋霍爾效應(yīng)原理及應(yīng)用.通過智能手機的Qi標(biāo)準(zhǔn)無線充電，講解和分析電磁感應(yīng)技術(shù).通過列舉直升機后面的螺旋槳的作用、地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生四季節(jié)變化、地震會加快地球的自轉(zhuǎn)等例子，繼續(xù)啟發(fā)學(xué)生應(yīng)用角動量守恒定律去解釋這些生活現(xiàn)象.再如智能手機在拍照時，配合陀螺儀感應(yīng)器使用，就可以防止由于手抖對拍照質(zhì)量的影響.在智能手機上，微機電系統(tǒng)(MEMS)傳感器在手機導(dǎo)航、方向定位、手機游戲、場景切換、手勢識別等有著廣泛的應(yīng)用.通過舉出這些貼近實際的例子，既可以理解微機電系統(tǒng)(MEMS)陀螺儀的工作原理，又可以了解到最新最前沿的應(yīng)用和科技發(fā)展，從而激發(fā)學(xué)生的求知欲望和探索精神，促使他們進(jìn)行相關(guān)問題的思考和研究,從而培養(yǎng)科學(xué)探索、開拓創(chuàng)新的積極性.

3.2 AI助力大學(xué)物理課程線上教學(xué) 推進(jìn)在線課程建設(shè)

智慧教學(xué)也稱為AI+教學(xué)，即利用信息技術(shù)把傳統(tǒng)課堂教學(xué)的優(yōu)勢和網(wǎng)絡(luò)在線教學(xué)的優(yōu)勢結(jié)合起來，采用廣益教育的“互聯(lián)網(wǎng)+APP立體化”的移動互聯(lián)網(wǎng)教育，即融合手機端(九斗APP)+教室端+管理端(運行數(shù)據(jù)監(jiān)管)教學(xué)應(yīng)用于一體，實現(xiàn)線上線下高度融合的混合式教學(xué)模式，涵蓋課前、課中、課后的日常教學(xué)全過程[9,10].充分利用網(wǎng)絡(luò)平臺進(jìn)行在線教學(xué)，可以很好解決目前大學(xué)物理課程教學(xué)總學(xué)時不足的問題.在“九斗”Web端進(jìn)行“云課管理”，上傳物理授課視頻、音頻、課件、練習(xí)、討論問題、物理相關(guān)輔導(dǎo)書籍、物理文獻(xiàn)資料等，構(gòu)建自己豐富完善的在線課程資源.通過APP端和Web端，教師可以向?qū)W生分享本次課復(fù)習(xí)內(nèi)容、下次課的預(yù)習(xí)內(nèi)容、重難點、作業(yè)習(xí)題、注意事項等，教師也可以隨時查看每位學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度及其完成情況.同時九斗APP中搜索“大學(xué)物理簡明教程”，學(xué)生手機端可以免費獲得課程配套使用的教材電子書和課程重難點分析等教材資源，真正方便學(xué)生隨時隨地學(xué)習(xí).通過線上教學(xué)，讓學(xué)生掌握學(xué)習(xí)的自主權(quán)，不受時空限制，可重復(fù)學(xué)習(xí)，滿足不同程度學(xué)生的需求，達(dá)到因材施教.其中的九斗APP利用虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實等技術(shù)手段，結(jié)合豐富的真實案例資源，切實解決大學(xué)物理教學(xué)環(huán)節(jié)中抽象難懂的痛點.例如在波動光學(xué)章節(jié)，講解牛頓環(huán)這一薄膜干涉現(xiàn)象、原理分析和牛頓環(huán)的應(yīng)用時，通過九斗APP的牛頓環(huán)VR資源，以3D動畫形式生動呈現(xiàn)牛頓環(huán)的實驗裝置、原理分析、實驗過程、應(yīng)用分析.如圖1和圖2為AR演示的等厚干涉——牛頓環(huán)實驗.

圖1 選擇曲率半徑小的平凸透鏡時牛頓環(huán)干涉圖樣

圖2 選擇曲率半徑大的平凸透鏡時牛頓環(huán)干涉圖樣

通過比較圖1和圖2可以直觀地觀察到，牛頓環(huán)的半徑越大，條紋越密集.另外，隨著曲率半徑的增大，同一級的干涉條紋半徑也增大.借助AR技術(shù)，塑造“沉浸式”“交互式”學(xué)習(xí)環(huán)境，可以有效解決傳統(tǒng)教學(xué)形態(tài)中理論教學(xué)及實驗教學(xué)過程的難點和痛點，使學(xué)生如臨實境地“觸摸”那些難再現(xiàn)、難理解、難動作、難進(jìn)入的抽象知識，讓“沉默”的課堂活躍起來.

3.3 通過“每周直播+群輔導(dǎo)+教學(xué)平臺討論和答疑” 穩(wěn)步提升課程教學(xué)質(zhì)量

大學(xué)物理課程團隊實行“差異化教學(xué)”，因材施教，具體實施步驟如下：

(1)數(shù)據(jù)助手.通過平臺數(shù)據(jù)實時分析，收集學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度.學(xué)生可以自主把握，根據(jù)自己的進(jìn)度學(xué)習(xí)，同時激勵自主學(xué)習(xí)能力比較強的學(xué)生加快學(xué)習(xí)進(jìn)度.

(2)針對學(xué)生提出的教學(xué)內(nèi)容抽象較難理解、抓不住章節(jié)重點、習(xí)題解答沒有思路等問題或不滿意的地方，于每周增設(shè)數(shù)場直播，重點解答教學(xué)難點，詳細(xì)講解相關(guān)的習(xí)題解答思路，為學(xué)生補缺補漏和解疑答惑，同時，通過直播的學(xué)生舉手問答的師生互動環(huán)節(jié)，增進(jìn)師生情感交流，豐富線上線下的互動交流.

(3)團隊作戰(zhàn).根據(jù)后臺提供的學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)及與學(xué)生私下溝通的信息，團隊教師加強在線教學(xué)的溝通和協(xié)作，將每周需要直播講解的內(nèi)容(如講解課程練習(xí)作業(yè)、各章節(jié)重點難點剖析、知識點歸納整理、對學(xué)生的疑難問題進(jìn)行分析與解決等)進(jìn)行分工合作，利用騰訊課堂老師急速版軟件平臺，開啟“直播補漏”計劃，同時沒有收看直播的學(xué)生，利于其他空余時間可以觀看錄播回放，旨在做到最大化差異化教學(xué)，最大程度顧到落后者.要特別關(guān)注網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)有困難的學(xué)生，特別是來自重點疫區(qū)、貧困地區(qū)、偏遠(yuǎn)山區(qū)以及身體有疾病的學(xué)生，適當(dāng)開展“親情化”和“個性化”的教學(xué)，比如對有困難學(xué)生進(jìn)行一對一的線上輔導(dǎo)與答疑，實現(xiàn)“點對點”交流和幫扶，使其不掉隊.

(4)為每一個班級專門建立一個本課程專用 QQ 群，通過QQ電話、分享屏幕、演示白板等QQ群功能，對錯誤率較高的習(xí)題或者大家共性的疑難問題，及時詳細(xì)講解、答疑和互動，及時解決學(xué)生學(xué)習(xí)中遇到的問題，當(dāng)天的問題、難點盡量當(dāng)天及時得到解決，避免問題的積累.同時通過QQ群及時發(fā)布通知每周規(guī)定需要學(xué)完的教學(xué)內(nèi)容、提醒與督促未能在規(guī)定時間內(nèi)完成學(xué)習(xí)的學(xué)生，實現(xiàn)從課前通知、課中交流到課后督促討論的全流程的學(xué)習(xí)輔助.

(5)除了QQ群實時互動外，在本課程的超星教學(xué)平臺學(xué)習(xí)通討論區(qū)也可以與學(xué)生討論和答疑互動，與學(xué)生保持實時溝通，及時解答學(xué)生的困惑，緩解學(xué)生的焦慮.

3.4 推進(jìn)考試方法的改革 注重學(xué)生的能力培養(yǎng)與學(xué)習(xí)過程考核

大學(xué)物理課程的總評成績由平時成績和期末考試成績組成，其中平時成績可由規(guī)范練習(xí)、問題分組討論、物理案例分析或調(diào)研報告、物理科技小制作、小論文、網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)等教學(xué)環(huán)節(jié)的成績構(gòu)成.特別地，線上線下混合教學(xué)過程中，通過設(shè)置線上談?wù)搮^(qū)、設(shè)置視頻觀看時間段、線上答辯等方式來加強對學(xué)生網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)過程的考核.期末考試采用半開卷考試，半開卷考試具體實施方法為：考試前給每位學(xué)生發(fā)一張蓋章的A4紙大小白紙，允許學(xué)生在復(fù)習(xí)大學(xué)物理課程時，手寫寫上本人認(rèn)為在考試時需要參考的公式等并帶入考場，考試時允許學(xué)生查閱該紙所寫內(nèi)容.這A4紙大小考試專用紙不能復(fù)印其他同學(xué)的，不能粘貼其他紙片，也不能縮印、打印、彩印相關(guān)內(nèi)容.

大學(xué)物理涉及的考試內(nèi)容多，知識點多，采用“半開卷”的期末考試模式，讓學(xué)生自己去復(fù)習(xí)整理、總結(jié)歸納課程主要內(nèi)容，倒逼學(xué)生主動學(xué)習(xí)，讓學(xué)生勤于思考.這樣可以減輕學(xué)生要死記硬背很多物理公式的負(fù)擔(dān)，通過這種模式來發(fā)揮考試的真正作用.對于工科類學(xué)生來說，很多物理公式、知識點，不需要學(xué)生死記硬背，需要學(xué)生學(xué)會運用物理知識去分析解決問題.同時學(xué)生要平時多認(rèn)真學(xué)習(xí)，平時多積累沉淀，只有熟練掌握，才能在考試的時候充分發(fā)揮.除了線下考試外，還可以探索以開放式命題方式進(jìn)行線上考試，比如可采用小論文、報告、演講視頻、演示視頻、實際成果的運行數(shù)據(jù)等形式進(jìn)行.

4 結(jié)論

通過大學(xué)物理的學(xué)習(xí)，可以培養(yǎng)和提高學(xué)生在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐過程中的堅持不懈、開拓創(chuàng)新、勇于探索、實事求是、團隊協(xié)作的精神素質(zhì).本文積極探討了通過應(yīng)用型教學(xué)模式與方法、學(xué)習(xí)考核等多方面的改革，讓大學(xué)物理更好地發(fā)揮其在應(yīng)用型人才培養(yǎng)的促進(jìn)作用，積極推進(jìn)新工科的建設(shè).