“量子力學”課程線上線下混合式“金課”建設探索與實踐

周如龍，李冬冬，屈冰雁

（合肥工業大學材料科學與工程學院，安徽 合肥 230009）

0 引言

2018年召開的新時代全國高等學校本科教育工作會議提出要堅持“以本為本”，推進“四個回歸”，加快建設高水平本科教育，建設中國特色、世界水平的一流本科教育，為高校本科教育建設和發展指明了方向。一流的本科教育需要由一流的本科專業建設做支撐，而一流本科專業建設則需要由一流的本科課程體系作為支撐，因此2019年教育部正式啟動一流課程建設“雙萬計劃”，即“金課”建設計劃。吳巖司長在2018年《建設中國“金課”》的報告中明確了“金課”建設“兩性一度”的標準，并且對五大類“金課”的建設內涵進行了闡釋，明確提出要大力推廣線上線下混合式的“金課”建設[1]。

線上線下混合式教學顧名思義是要將線上教學和線下教學有機結合，其核心是“混合”二字，它不是兩種教學方式的簡單相加，而是要通過精心的教學設計，充分調動學生學習的自主性，強化教學過程中師生的互動性，改變傳統的學生被動式學習的狀態，充分體現“以學生為中心”的教學理念。為了達到好的教學效果，需要對線上和線下的教學內容、教學模式和教學方法等進行系統性的建設和優化，因而線上線下混合式金課建設是一項系統性的工程，需要進行不斷的探索和實踐。

合肥工業大學材料物理專業“量子力學”課程是該專業一門非常重要的專業基礎課程，它是本專業后續的核心課程“固體物理學”和“半導體物理學”，以及專業特色課程（如“光電材料與器件”“半導體材料與器件”“太陽能電池材料與技術”等）的基礎。因而，該課程的教學質量對本專業整體的人才培養質量有重要的影響。

“量子力學”課程教學和學習難度很大，概念和原理難以理解和掌握，對數學和大學物理基礎要求高。我校材料物理專業為工科專業，學生“高等數學”和“大學物理”基礎弱于理科專業，在學習“量子力學”課程時困難較大。這就要求課程教學團隊必須對該課程進行不斷的教學改革，探索適應于本專業學生的教學模式。近年來，關于“量子力學”課程教學改革與實踐的研究常見有報道[2-5]。為了提升“量子力學”課程的教學效果，本課程教學團隊借鑒其他高校該課程的教學改革經驗，積極探索線上線下混合式教學模式改革，以“兩性一度”為標準，秉承“以學生為中心”的理念，對“量子力學”課程進行了全面的建設和改革，經過四個輪次的教學改革實踐，取得了良好的建設成效。

1 “量子力學”線上線下混合式金課建設舉措

“量子力學”課程于2020年開始進行線上線下混合式教學改革，2020秋季學期首次開展了線上線下混合式小班教學實踐，教學效果良好。從2019版培養計劃開始，該課程分拆為“量子力學I”和“量子力學II”兩門課程，各2學分、32學時，其中“量子力學I”為必修、“量子力學II”為選修。“量子力學I”于2021年春季學期和2022年春季學期開展了兩輪線上線下混合式小班教學；“量子力學II”于2021年秋季學期開展了一輪線上線下混合式小班教學。在每一輪教學過程中，都針對上一輪教學過程中出現的問題進行了有針對性的改進，教學內容、教學考核方式、教學方法、線上和線下課程資源等均得到持續優化和改進，教學效果不斷提升。

1.1 教學內容的優化調整

線上線下混合式教學的核心是如何將線上自主學習和線下課堂教學有機融合，有效促進學生知識、素質和能力的提升。線上線下混合式課程設計是實現這一目標的基礎。本課程組首先通過優化和調整線上和線下學習的教學內容以及教學方式，來提升線上線下混合式教學的效果。

1.1.1 線上教學內容的優化調整

本課程選用了清華大學徐湛老師的國家精品線上課程“量子力學（上）（下）”作為線上自主學習課程，課程教學視頻數量巨大，知識點多，知識深度和難度較高，部分內容不適合我校材料物理專業本科生學習。首先，對線上視頻資源進行了精簡，刪除了難度過大的內容，或將其作為擴展學習內容，不計入線上學習成績。其次，在重要章節后添加難度適宜的習題，并進行持續升級改進，檢測和鞏固線上學習效果。在關鍵知識點后添加線上討論題，線上討論計入線上學習成績，學生通過獨立思考分享對該問題的理解，教師線上點評，通過線上討論強化學生對該關鍵知識點的理解。

1.1.2 線下教學內容的優化調整

針對本校學生特點，對課堂教學內容進行持續優化調整，弱化公式推導，強化概念原理的分析理解。在課堂教學過程中省去了大部分基本公式推導，教學重點放在重要的概念和原理的分析和理解上，通過大量的案例訓練加深學生對這些重要概念和原理的理解和掌握。將課程重要的知識點，設計成隨堂測驗題、例題和課后思考題，通過例題、思考題以及作業題的反復訓練，強化對重要知識點的理解和應用。學生普遍反饋以案例的方式邊講解邊訓練的教學模式效果很好。表1為近幾輪教學中例題、思考題和隨堂測驗題數量。增加科學前沿知識，特別是量子力學在材料科學研究中的應用相關前沿知識，例如隧道效應與STM掃描隧道顯微鏡的工作原理、共價鍵與原子軌道波函數的關系、量子力學矩陣表示與量子化學計算、Hartreefock方法和密度泛函理論及其應用等。增加課程思政元素，培養學生正確的科學思維，引導學生樹立科學報國的理想信念，例如中國的量子通訊和量子計算研究進展、確定與不確定的辯證關系、國產材料計算模擬軟件發展等。

表1 近幾輪教學例題、思考題、隨堂測驗題調整情況

1.2 考核方式優化

為了適應線上線下混合式教學，我們對課程的考核方式進行了不斷的優化調整。2020秋季學期“量子力學”授課中采取了6種考核方式，各種考核方式所占成績比重為：期末考試40%，期中考試10%，課堂測試15%，筆記與報告10%，作業撰寫5%，線上學習20%。其中線上學習成績又分為三個部分：視頻單元考核60%，討論單元考核20%，作業單元考核20%。

2021春季學期“量子力學I”由于課程學時減少為32學時，不適合再進行期中考試，因此刪除“期中考試”考核項；為了激發學生參與課堂互動的積極性，增加“課堂表現”考核環節，考查內容為出勤情況、隨堂測試（課件插入測試題）情況、課堂參與互動情況（包括課堂提問、上臺解題、彈幕和投稿答題等）；為了進一步督促學生課后及時認真復習，課堂測試所占成績比重提升了5個百分點。2021秋季學期“量子力學II”根據學生的反饋意見進一步對考核方式和成績比重進行優化，“線上學習”成績比重降低至15%，“作業撰寫”比重提升至10%。

1.3 教學模式和教學方法的改進

1.3.1 教學模式改進

針對線上線下混合式教學的新要求，我們對線上和線下教學模式進行了持續的改進。線上教學以學生自學為主，主要是觀看慕課視頻，部分章節任課教師發布自制課堂教學視頻供學生學習；視頻學習完后，自主完成習題；線下課堂教學結束后，學生參與線上討論，可以參與老師設定的討論主題，也可以自己發起討論主題，教師對學生的討論帖進行點評回復。每一輪授課時針對前一輪授課過程中出現的問題，對各個線上教學環節進行微調改進，線上討論互動數據如表2所示。

表2 線上討論互動數據

線下教學分為課堂教學和課后學習。課堂教學模式持續改進，由原先90%以上教師講授為主，逐步轉變為講授、案例、討論、課堂訓練等多種方式混合的新的教學模式，課堂互動次數和參與課堂互動人數顯著提升（如表3，P165所示）。課后學習模式持續改進，主要包括觀看課堂視頻回放、做課后作業、觀看習題解答視頻、整理筆記（線上和課堂）等。有三項考核方式（課堂測試、作業撰寫、筆記與報告）與課后學習有關，三項成績合計占總成績比重達30%～40%，可以有效激勵學生課后認真復習。

表3 雨課堂線下課堂師生互動數據

1.3.2 教學方法改進

持續改進課堂教學方法，全面采用雨課堂進行課前、課中和課后的教學組織。課前，通過雨課堂發布線上學習任務和預習課件；課中全程采用雨課堂輔助授課；課后通過雨課堂布置習題作業并進行線上批改，通過雨課堂發布習題講解視頻。課堂教學過程中，采用雨課堂隨時測驗功能，在授課PPT中各重要知識點后插入測試題，讓學生及時通過測試題鞏固該知識點；采用雨課堂點名、彈幕和投稿等功能，以多種方式強化課堂互動，全員參與，通過課堂訓練強化學生對所學重要知識點的理解；采用雨課堂試卷功能進行課堂測試和單元測試，平均每章進行1-2次課堂測試和1次單元測試。以上這些措施顯著地提升了課堂互動效果，使學生課堂上保持認真聽課狀態，跟隨老師的思路不停思考，學習內容得到有效鞏固，教學效果顯著提升。

該課程為本專業難度最大的一門課程，一些難點問題學生很難通過課堂有限時間的認真聽課弄懂學會。在以往的教學中，學生通常在課堂上一直在疲于記筆記而跟不上老師的思路，更缺乏獨立思考時間。為了改進這一問題，從2021年春季學期“量子力學I”課程的教學開始采用雨課堂直播功能進行課堂教學，課程結束后生成完整課堂回放視頻，供學生課后復習。本課程公式和計算特別多，需要大量利用板書，從2021年秋季學期“量子力學II”課程開始，我們采用雨課堂雙視頻（共享屏幕+攝像頭）直播的方式進行授課，有效解決了板書錄像的問題。以上措施有效解決了學生課堂沒聽懂課后無法有效復習的問題，顯著提升了學生的學習效果，得到了學生的普遍好評。雨課堂直播數據如表4所示，每次課堂視頻都有1/3以上學生觀看了回放，且呈上升趨勢。

表4 雨課堂直播數據統計

1.4 課程資源建設

為了保障線上線下混合式教學取得更好的效果，有效促進課程教學效果和人才培養質量的提升，本課程組積極進行課程資源庫建設，不斷補充完善各類課程資源。目前已有的課程資源，各種教學資源仍在不斷補充完善之中。

2 課程特色與建設成效

綜上，該課程建設具有鮮明的特色，主要表現在以下方面：

（1）較高的高階性、創新型、挑戰度。本課程是材料物理專業一門重要的專業基礎課程，本課程的學習要為后續的專業核心課程和專業特色課程的學習奠定堅實的基礎，課程教學內容難度大，考核要求高，具有較高的挑戰度。課程引入了清華大學國家精品在線開放課程慕課資源，補充了一些科學前沿問題，教學過程中注重與后續核心專業課程知識的銜接，增加課程知識的廣度和深度，使得課程具有較好的高階性。線上線下自主學習和課堂互動教學相結合，信息化教學手段全程輔助教學，教學模式和教學方法先進。

（2）“以學生為中心”的教學理念。課程教學中一直秉承“以學生為中心”的教學理念，根據學生的學習狀況和反饋意見不斷調整優化教學內容、考核方式和教學方法。所示為教學過程中學生反饋較多的意見，以及我們針對學生的反饋意見進行的改進情況。這些措施均得到了學生的高度肯定，有效促進了學生學習效果的提升。

（3）“以能力為導向”的課程建設。課程建設堅持“以能力為導向”，不斷優化調整教學內容。近三年來，對課程教學內容進行了全面的調整，編寫了《量子力學講義》《量子力學I講義》《量子力學II講義》三本電子版教案及配套PPT課件，對各重要知識點設計了大量的難度和靈活性適中的例題、思考題和課堂測試題，通過課上課下大量的訓練，培養學生分析和解決復雜問題的能力。

3 存在的主要問題和不足

盡管該課程的建設取得了顯著的成效，但仍存在一些明顯不足，主要表現在：

（1）清華大學的慕課課程，視頻數量過多，視頻中講解公式推導多，概念分析少，很多視頻內容超出了我校學生的能力水平，較多學生反映學習壓力大。在后續的建設中，我們將調整清華大學慕課視頻和自制視頻的使用比例，更多的使用自制視頻作為課前線上學習內容。

（2）學生線上學習的積極性、參與線上討論的積極性不高。如何激勵學生按時按質的完成線上學習任務是今后需要著力解決的問題。

（3）線上線下混合教學設計還有待進一步改進，課堂互動手段不夠豐富，學生課堂參與互動的積極性不夠高，需要進一步研究完善線上線下混合式教學設計，探索更適合本課程性質和本專業學生能力的教學方式方法。

4 結語

本課程經過四個教學周期的建設和線上線下混合式教學實踐，取得了顯著的建設成效，課程教學內容持續優化，教學資源更加豐富，教學方法和教學手段更加成熟，師生互動更加頻繁，互動效果持續改善，課程教學質量持續提升。本課程的建設充分體現了“以學生為中心”“以能力為導向”的教學理念，積累了豐富的信息化教學工具輔助教學經驗，為如何提升物理基礎理論課程的教學效果探索了一種可行的模式。本課程的建設經驗可以移植到“大學物理”“熱力學與統計物理”“原子物理學”“數學物理方法”“固體物理學”“半導體物理學”等基礎物理課程，以及“高等數學”等數學類課程。