基于注意力曲線的近代物理專題智慧課堂的設計*

林 輝 孟大敏 劉成岳 陳 冰 楊遠俊 景 佳 唐 瓊

(合肥工業大學物理學院 安徽 合肥 230009)

1 近代物理專題課程開設的目標

作為基礎通識必修課程大學物理的延續課程，近代物理專題通常作為工科院校非物理類專業本科生的一門選修課程，擔當著補充講解由于大學物理課時不夠而刪除的近代物理知識章節,幫助學生了解近代物理學的發展概貌,提高大學生的科學素養，并可啟發有物理學習潛質的學生清晰自己未來的個人發展方向等任務.

近代物理專題課程通常以3個課時(50 min/課時)介紹一個專題，內容既要涉及物理理論，又要涉及實際應用.理論不能講得太深奧，避免沒有基礎的學生如墜深淵，失去學習興趣.最好能用簡潔形象的語言接續學生已有的大學物理知識講解，并結合一定的物理實例、史實講解，才能吸引學生有興趣聽得下去.

以工科物理教學為例，文獻[1]中的廣義相對論、量子力學中的氫原子問題、電子的自旋/原子的電子殼層結構，以及最后兩章內容(第十四章 激光和固體的量子理論 、第十五章 原子核物理和粒子物理簡介)，在工科大學物理常規112 學時內很難包含，而在近代物理專題中就可以作為一個個獨立的專題進行理論簡介，并結合豐富的圖片、視頻、實例應用進行展開.為強化理論學習的具體性，還可適當選擇淺顯易懂、計算量小的習題當作例題講解，增強學生的認知深度.

2 學習注意力曲線

學生在聽課的過程中，注意力是一個動態變化的過程.通常注意力曲線有如下特征[2～4]，如圖1橫軸代表上課時間，縱軸代表注意力集中程度.可見剛開始學生注意力高度集中，對課堂內容保持高度的期待；大約15 min后，注意力開始下滑，精神漸漸渙散；到下課前10 min又恢復精神，注意力開始回升.

圖1 學生課堂注意力曲線

在整個課堂教學中，教師如果采用風格一致的講授方式，就會導致課堂中間階段教學效率的低下.因此教師在整堂課教學過程中，必須注意有節奏地轉換教學方式，盡量延長學生的興奮時間，并在學生注意力渙散時喚醒學生，提高課堂效率[2].

3 課堂設計案例

下面以合肥工業大學近代物理專題之一：固體物理基礎與硅信息時代，結合線上教學資源，設計智慧課堂如表1所示.

表1 “固體物理基礎與硅信息時代”課堂設計

第1堂課

前段15 min，在學生好奇心、注意力都比較集中的時間內，先介紹固體物理基礎知識1，內容包括：固體物理的研究對象和研究方法、晶體的特點等.

中間10 min，學生注意力開始渙散期，此時介紹歷史之旅1.通過回顧相關的物理知識與諾貝爾獎故事，提升學生的學習注意力，例如回顧大學物理學過的“X射線的衍射”中的勞厄實驗與布拉格公式，及其獲諾貝爾獎故事、采用倒格矢研究的意義等.

在學生注意力調動起來后，接下來的20 min繼續介紹固體物理基礎2，例如包括倒格子空間、晶體的結合與晶格的振動等.

在下課前5 min，為檢驗學生的聽課效果，采用雨課堂回答如下問題：

(1)固體物理的研究對象？

(2)晶體的特點？

(3)倒格子處理晶體點陣結構的物理意義？

并將課堂上介紹過的這部分內容，設置為多選題，讓同學們通過多選答案的不確定性進行邏輯思考判斷后給出答案.題目及答案設置如圖2所示.

此外，為有效節約課堂時間，題目可以在開始講課前就發放給學生，讓學生被問題“驅動”著聽課，這樣每道題設置回答30 s即可.

(a)

(b)

(c)

第2堂課

前段15 min，介紹電子能帶理論1，內容包括電子共有化、自由電子氣模型、薛定諤方程求解的困難等.

中間10 min，介紹歷史之旅2：布洛赫博士論文故事與布洛赫模型.

后段20 min時間內，講解電子能帶理論2，介紹能帶的形成、能帶的分類(滿帶、導帶和禁帶)，能帶導電的原理，以及由此而形成的導體、半導體和絕緣體等.

同樣，最后5 min可以接著回答雨課堂問題.電子能帶理論雨課堂選擇題設置如下：

(4) 什么是“近自由電子氣模型”？

(5) “能帶理論”三個基本假設？

(6)滿帶和不滿帶都能產生電流嗎？

(7)絕緣體不導電的原理？

(8)半導體的導電原理？

(9)能帶理論的成功？

(10)能帶理論的局限？

并將課堂上介紹過的這部分內容設置為多選題題目及答案，設置如圖3所示.

(a)

(b)

(e)

(f)

(g)

(h)

(i)

第3堂課

前段15 min，介紹半導體理論，如本征半導體、雜質半導體(n,p 型半導體)、pn 結等.

中間10 min，為調動學生的學習注意力，介紹“硅時代”——信息時代，指出隨著量子力學和相對論的發展，人類社會已經悄然進入工業4.0時代；介紹電子管、晶體管、集成電路的發展史等.

后25 min播放中國大學MOOC在線課程視頻專題：“半導體材料--e時代基礎”[5]，在播放之前提出問題，讓學生帶著問題思考、尋找答案.

硅時代雨課堂選擇題設置如下：

(1)硅時代即是什么時代？

(2)第一個晶體管誕生在哪一年？

(3)第一個晶體管采用的半導體材料是下面哪種？

(4)微電子工藝的“超純”要求Si和Ge單晶純度達多少個9？

(5)半導體材料Si來自于生活中的哪種物質？

敲鈴下課時，視頻并沒有播完，可讓學生帶著意猶未盡課后接著看.問題可通過雨課堂“上傳試卷”功能發放給學生，課后自愿完成(不做要求,答題完畢，顯示答案).

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

4 教學反思

在整個教學過程中，盡量遵循了注意力曲線規律設計教學內容，有節奏地轉換教學方式，延長學生的興奮時間，提高課堂效率.在教學方法上，采用了問題驅動式、智慧教學工具(雨課堂)、線上線下教學資源相結合的混合式教學方法.使得每個學生“被動”(例如必須現場提交問題答案)和“主動”(課后繼續聽線上課程專題，及回答生動有趣的科普問題)地參與到教學內容學習中去.

整個專題教學中采用了理論與應用相結合，既有深奧的理論(固體物理基礎和能帶理論)，又有與我們生活息息相關的半導體應用(硅時代)，滿足了普通211院校本科生的知識需求.此外，為了讓對物理學習有濃厚興趣的學生得到更高層次的滿足，我們也準備了程守洙等編著的《普通物理學》教材“第十四章 固體的量子理論”的課后習題，指導學生課后閱讀，并配上參考答案以降低學習難度.從定性到定量滿足學生不同層次的學習需求.此外，那些對近代物理學發展方方面面有濃厚興趣的學生，我們推薦課外拓展閱讀材料[6～8]，以開闊學生的知識眼界.

作為一門專業選修的考查課，每次專題課我們都盡量使用雨課堂記錄學生回答問題的效果，并以回答的記錄作為期末成績的評定參考(如隨堂測驗占30%)，也作為考勤的依據(如出勤率占20%).因為選修課一般人數都較多(約200人)，每次點名不現實.智慧工具雨課堂的使用帶來了很大的便利.學生回答問題的正確率可現場開獎，公布正確答案，有力地調動了學生參與的積極性，“亢奮”了精神狀態.

此外，為避免給學生造成過大的學習壓力，問題回答的正誤我們只是作為期末成績評定的部分參考，并以粗線條劃分檔次.其實即使學生答錯了，可能這個錯誤對學生大腦皮層的刺激更強勁，反而給學生留下更深的印象.作為直接授課內容的再學習，每位學生親自參與回答問題，是一種很好的臨場體驗，也是學習的間接延續.

課堂提問在題目設置上，要針對每堂課所授的內容選題，答案也要盡量來自于直接講授的內容.并通過問題答案的客觀化、具體化而變成選擇題.

提問的題目最好在授課之前就發放給學生，使學生被問題“驅動”著主動在教師所授內容中查找需要的答案.學生在選項提示下回答，可有效縮短答題時間(一般設定為30～60 s)，提高課堂效率.

5 結論

本文基于注意力曲線設計了近代物理專題之一——固體物理基礎與硅信息時代的智慧課堂，在教學過程中使用了驅動式、被動式、主動式等教學法，采用了智慧工具和線上線下教學手段.經過多次課堂實踐，得到同學們的肯定，取得了良好的教學效果.

作為一所隸屬于國家教育部的211工科院校，我們對合肥工業大學本科生開設了近10年的近代物理專題教學，形成了一支經驗豐富、知識全面的教學隊伍.每一次專題盡量做到理論與應用結合，教與學動靜結合，以及新型教學法和先進教學手段的主動使用.調動了學生濃厚的學習興趣.

致謝

感謝合肥工業大學何曉雄教授給我們近代物理專題課程的教學內容與安排奠定了堅實的基礎.