線上線下混合式教學方法研究
——以“量子力學”課程為例

黃曉亞

(河南城建學院 數理學院，河南 平頂山467036)

0 引言

“量子力學”是現在高新科學研究的理論基礎之一,是物理專業本科生和研究生的一門專業基礎課程,在課程體系中占有重要的地位,也是研究生入學考試課程之一。 學生通過該課程的學習,不僅加深了對經典物理知識的理解,還為后續專業課程奠定了必要的基礎,同時也提高了學生分析和解決物理問題的能力,增強了學生的創新意識,為以后進行科學研究打下了良好的基礎。

“量子力學”課程的重要性是不言而喻的,同時該課程也是一門抽象枯燥的、深奧的、計算復雜的難學課程,在學生中流傳著所謂的量子力學“量力學”的概念。 學生學習“量子力學”出現畏難情緒,未戰先怯,興趣不高,缺少主動學習的意愿。 因此,面對學生學習“量子力學”的狀態,非常有必要對現有的教學模式進行改革。 筆者近幾年一直從事這門課程的教學,對此也進行了深入思考,結合該課程的特點及學生的學習現狀,嘗試進行了“混合式教學法”[1],即線上線下相結合、以學生為主體的“量子力學”課程教學活動,學生學習的積極性有所提高,教學效果也有進步。

1 “量子力學”教學中混合式教學法的教學過程

傳統的“量子力學”課程教學過程以教師的講授為主,學生被動參與,學習積極性不高,再加上教學內容抽象枯燥,計算煩冗,教學效果不好[2]。 筆者在“量子力學”課程中嘗試了多元化混合式教學,改變了“填鴨式”的教學模式,進一步實現了知識課堂向能力課堂的轉變。 學生在教學過程中參與度提高,處于主動地位,學生的學習效果和創新能力也得以提高,其具體過程由以下環節組成。

1.1 課前線上預習——理論學習階段

以學生為主的課前線上預習。 教師通過線上教學平臺（比如超星學習通）發布本次教學內容的小視頻,視頻時長在10 min 左右為宜,小視頻包含本次教學活動的教學目標和核心的教學內容。 學生學習教學視頻后,完成線上發布的相應練習題。 例如,對于微觀粒子波粒二象性的同時測量,是“量子力學”中的一個難點,教師在線上發布該問題后,促使學生搜集查閱相關文獻或成果,并對此進行廣泛的討論,不僅加深了學生對該問題的認識和理解,還培養了學生主動學習和創造性學習的好習慣。 學生完成這兩項線上教學活動后,可以爭取課堂積分,從而使學生對教學內容有了基本的了解,能夠帶著問題走進線下課堂,學習的主動性和自學能力得以提高。 學生在線上完成練習題后,教師也了解了學生對這部分教學內容掌握的程度,就可以目標更加明確地準備線下的教學內容和教學方式,進行精準施教。

針對目前教學學時減少的狀況,課程內容的學習不得不延伸到課堂教學之外,所以,豐富多彩、形式多樣的課前線上預習活動就顯得格外重要,爭取每個學生都能參與課程教學活動并找到自己的興趣點。 組織這樣的教學活動對任課教師而言也是復雜且有難度的,但在信息時代,唯有如此,才能讓學生打下堅實的理論基礎知識,激起學生對知識的欲望,培養出團隊合作精神強、全面發展的創新型人才。

1.2 線下完成課堂教學——知識內化階段

“量子力學”課程的主要內容是物理學家對微觀世界研究成果的凝聚,展示了量子世界的神奇和魅力。 照本宣科的學習和機械式的記憶帶給學生的感受是枯燥無奈甚至是挫敗感。 只有教師對相應的數學符號背后的物理情景進行剖析、總結、對比,才能讓學生體會到量子世界的奧妙,將外在的量子知識升華為內在的學識,才能變理論為理念。 所以,“量子力學”課堂對講授者的要求更高,需要更加精心巧妙的課堂組織管理,并實施獨具特色的多元化教學模式,如互動式教學、探究式教學等。

互動式教學是教師與學生間、學生與學生間產生互動,變靜態教學為動態教學。 在整個課堂教學過程中,教師走下講臺,走到學生中去,共同營造一個活躍的課堂氣氛,而非教師一個人的獨角戲。 通過互動,引導學生主動思考、積極參與,進而培養創新思維和自主學習能力,提高學生課堂參與度和學習興趣。

教師根據學生預習后的作業反饋情況,了解學生對本次教學內容的掌握情況,課堂上有的放矢,精準施教,進而提高教學效率。 通常預習時學生學習的小視頻是簡潔精煉的,而“量子力學”大部分教學內容的物理本質和物理思想是深邃和晦澀的,所以需要教師在課堂上通過互動式、循序漸進的講解,對概念和物理本質進行討論。 “量子力學”離不開數學,每個物理問題都需要用嚴密繁雜的數學推理來表達,如果教師課堂上細致地講解這些數學推導,“量子力學”課堂將會化身為高難度的數學課堂,學生必感困倦乏味,萎靡不振,恐怕在煩冗的推導后已忘了數學推導背后的物理思想。 因此,教學中需要把物理本質從煩冗的數學中剝離出來[3],強調物理思想,壓縮細致的數學推導,突出數學思路,將所需的詳細數學推導步驟上傳到線上平臺（比如超星學習通）,供有興趣的同學參考。 如此,學生能更好理解“量子力學”中相應的物理本質,從而提高學生的學習興趣和課堂教學效果。

例如,典型的無限深勢阱,講這部分內容時,教師首先引導學生思考經典小球在宏觀阱中運動的狀態并明確其結論；然后請同學們想象電子在阱中運動的狀態并分組展開討論；接下來教師通過PPT 客觀形象地展示電子在阱中運動的圖像,并請同學們討論其與宏觀小球運動的區別,教師對同學們的發言進行總結并強調經典與量子的本質區別；最后通過解薛定諤方程讓同學們理解電子在阱中運動狀態的緣故。 這樣的教學安排讓學生參與到了課堂上,課堂不再是教師一個人的獨角戲,實現了靜態教學到動態教學的轉變,教學難點被分解了,學生學習量子的畏難情緒也被克服了,學習興趣便也能逐漸地提高。 總而言之,課堂上,教師從學生預習時的作業情況出發,在精準施教的過程中,通過巧設問題,引導學生思考討論,分散難點,搞清問題本質,讓師生和生生互動起來。

探索式教學是教師結合授課內容,課前精心設計問題,讓學生帶著問題去查閱文獻、搜集資料、閱讀教材,探討理解相應知識點,即以問題為導向引導學生思考和探究,進而掌握物理思想和物理實質的一種教學方式[4]。 由于目前課內教學學時普遍減少,這種把教學活動延伸到課堂外的教學方式無疑是非常合適的。 課前教師根據授課內容以討論的形式在線上教學平臺發布論題,學生對此展開討論交流及點評。 在如今手機不離手的信息時代,應用探究式教學把教學活動延伸至課堂外,不僅提高了學生的學習興趣及學習的主動性,還提高了學生分析和解決問題的能力。例如：在講“勢壘貫穿”時,預習環節在線上教學平臺發布討論：量子世界中為什么會存在嶗山道士? 在宏觀經典世界生活的同學們知道,如果一個粒子的能量低于勢壘的能量,這個粒子不可能穿越勢壘到達墻的另一邊。 所以,同學們會對只有在神話中得道的嶗山道士默念一些神秘口訣才能穿越的這種量子現象產生好奇心,學生便會搜集查閱各種資料。 有了課堂之外的知識積累,課堂上教師從物理情景出發,給出薛定諤方程,結合波函數需要滿足的條件,幫助學生理清思路,簡化數學計算過程,注重結果分析,自然能化繁為簡,得出清晰的結論,引起學生學習“量子力學”課程的興趣。

1.3 線上線下相結合的知識鞏固——能力提升階段

課堂教學活動結束后,學生對本次課程的教學內容有了更深入系統的理解,教師在線上教學平臺（比如超星學習通）上發布相應作業,學生完成作業后,教師可根據平臺上得出的數據,準確地了解學生對相應知識的掌握情況,進而在線下課堂上通過輔導答疑、師生討論等進行精準施教,直至把知識點弄懂學透徹。 每章學習內容結束后可進入章節測試環節,作業和章節測試是學生平時成績的依據,這種方式促進了學生平時學習的積極性,提高了學生的課堂參與度,對營造良好的課堂氣氛也有幫助。

因為該課程是研究生入學考試課程,教師可在線上課程平臺上發布一些典型的題目,供參加考試的學生練習選做,以實現差異化教學,所以線上平臺的建設及合理利用對混合式教學法教學效果的提高很重要。 充足的線上資源、線上線下相結合的教學環節、巧妙的教學過程是良好教學效果的保障。 在“手機不離手”的當下,充分利用終端設備進行線上課程活動,對學生參與課程的積極性有很大的幫助,課程教學效果也有明顯的提高。

2 將思政元素融入課程教學

2018 年,教育部出臺了《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》,這一文件對高校教師提出了明確的要求,專業人才的培養不僅要重視專業知識的傳授,更要重視立德樹人。 在教學過程中,教師應該注重課程思政的建設,尋找專業課程中的知識點與思政教育工作的結合點,以實現全方位教書育人的高校教育目標。

“量子力學”建立的過程完美地體現了創造性思維。 很多開創性的成果背后,充滿了科學家艱辛的探索,蘊藏著許多精彩動人的故事,也是進行思政教育的生動教材。 比如：普朗克提出能量量子化的故事、玻爾提出氫原子理論的故事、荷蘭學生古德斯密特和烏倫貝克發現自旋理論的故事。 通過科學家故事的講述,讓學生了解量子世界是如何一點一點被發現的,了解前輩們對待科學孜孜不倦的探索精神、誠懇的態度以及師生間的關懷,以便潤物無聲地使得前輩們的創新精神、探索精神等融入學生思想之中,達到育人效果。

教師講授相應的知識點時,還應該適當地引入相關的前沿知識。 2009 年,中國科學技術大學潘建偉院士帶領團隊成功實現了世界上最遠距離的隱態傳輸,其傳輸速度是光速的4 倍。 這一成果立刻引起世界科學界高度的關注。 教師把這些激動人心的事例引入教學中,不僅提高了學生的學習積極性,而且能以潤物細無聲的方式感染學生,弘揚愛國主義精神,增強使命感和自豪感,在學生心中種下科學的種子,積極投身我國的科學研究事業。

課程思政之于課程教學的關系正如鹽之于湯,“量子力學”課程這鍋湯也離不開課程思政這勺鹽,不然湯必然索然無味,達不到育人效果,而恰到好處的鹽,能讓量子課堂回味無窮,意猶未盡。

3 課程考核方式

為了線上線下混合式教學的順利實施,充分調動學生學習的積極性和主動性,進一步提高學生自主學習和分析解決問題的能力,“量子力學”課程考核采用“平時成績+考試成績”相結合的模式進行。 其中,平時成績由線上教學平臺（比如超星學習通）統計產生,由視頻完成、作業、課堂互動及章節測試來決定。這種考核方式,督促了學生的平時學習力度,減輕了期末復習的負擔,鼓勵學生積極參與課堂,提高了學生的自主學習能力,對提高課堂教學質量有一定的幫助。

“量子力學”中的量子約束效應指當空間尺寸和邊界條件變化時,量子系統會顯示出不同的物理規律。 所以,在教學過程中讓學生理解約束對行為的顯著影響,教師合理地利用線上教學平臺約束學生平時的學習行為,讓學生養成主動學習、遵守規則的習慣,直至習慣成自然,學生將感受不到約束的限制。 量變產生質變,良好的習慣一定能夠讓學生通過自律的學習生活方式獲取喜人的成績。

總之,“量子力學”課程的教學改革是系統復雜的工程,在教學改革的過程中,必須以教學大綱為根本、以學生為中心,合理安排線上線下混合式教學活動。 教師要重視教學方法,精準安排教學內容,巧妙組織教學過程,善于激發學生學習興趣,積極調動學生內在動力,不斷改革,勇于嘗試,逐漸提高教學質量,培養理論基礎過硬、自主學習能力和創新能力強、具有愛國情懷的高素質人才。