混合模式與全網絡模式在“計算物理基礎”中的運用

楊覺明 張巖文 張建軍

［摘 要］ 伴隨著現代計算機技術的快速發展，我國物理學在開展研究工作的過程中，需要借助大量的數值計算工作，才有利于解決實際物理問題。為了進一步提高該領域以及相關行業應用人才的綜合素養，在“計算物理基礎”課程教學過程當中，應當結合課程的基本特征和要求，積極采用線上線下相結合的混合式課程，同時也可以采用全網絡模式，為學生打造良好的學習環境和平臺，營造濃厚的學習氛圍。主要圍繞這兩種模式，針對“計算物理基礎”課程當中的具體應用策略進行深入的分析和研究。

［關鍵詞］ 混合教學模式；全網絡模式；計算物理基礎

［基金項目］ 2017年1月—2020年12月國家自然科學基金委員會“層狀高效熱電材料的能帶與熱導率雙調控研究”（51661030）；2023年1月—2026年12月國家自然科學基金委員會“碲烯電催化還原二氧化碳的理論研究”（12264042）

［作者簡介］ 楊覺明（1973—），男，河南沈丘人，博士，石河子大學理學院副教授，主要從事凝聚態物理研究；張巖文（1979—），男，甘肅永昌人，石河子大學理學院副教授（通信作者），新疆大學物理與科學技術學院2006級光學專業博士研究生，研究方向為計算材料；張建軍（1970—），男，陜西靖邊人，碩士，石河子大學理學院教授，主要從事理論物理研究。

［中圖分類號］ G434；O4-4 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）29-0129-04 ［收稿日期］ 2023-01-18

進入信息時代，計算機技術獲得了突飛猛進的發展，同時也推動我國所采用的計算方式和方法得到了進一步的完善，在這樣的情況下，計算物理學在物理學科當中所扮演的角色更加重要。在開展“計算物理基礎”課程教學工作的過程當中，首先要讓學生了解當前計算物理在該領域當中所取得的研究成果，進一步明確計算物理在學習物理知識過程當中的重要性，充分掌握計算物理的相關內容分析和物理問題處理。為了進一步提高課堂教學質量，教師可以靈活采用混合模式和全網絡模式，為學生提供豐富的課程資源和內容的同時。也有利于減輕教師本身的教學工作量，進一步激發學生的思維潛能。

一、“計算物理基礎”課程概述

（一）主要概念

近幾十年來，我國計算機技術以及相關理論獲得了突飛猛進的發展，在此情況下物理學的教學工作和科研領域也在大力應用計算技術推進相關工作。通過引入計算機技術，有利于提高工作效率和質量，同時也能夠豐富人們的研究方法和手段。“計算物理基礎”作為應用物理學專業的基礎理論課程之一，對于解決實際的物理問題具有十分重要的作用，通常可以利用計算機的數值演算功能，進行一些復雜計算任務，預測相關變化趨勢和現象。同時也可以借助計算機的實驗模擬功能，幫助相關研究人員對實驗的結果進行預測和判斷［1］。通過這種方式和手段能夠更好地指導實驗的進行和開展，相比較于傳統的人工操作的模式，更有利于節省人力和物力資源。借助第一性原理的數值模擬功能，有利于相關研究人員廣泛獲取復雜系統在內的許多信息資源，對此在開展這門課程之前，要帶領學生充分了解計算物理在該領域當中的重要性。“計算物理基礎”目前在許多高校都被作為物理學和應用物理專業的基礎理論課程和必修課程，但根據現階段教學開展情況來看，綜合應用程度不高。關鍵在于部分高校并沒有對這門課程予以高度的重視，甚至一些學校還沒有開設這門課程，由此可能導致所采用的教材內容難以統一，教學資源沒有得到及時更新。

（二）教學資料

“計算物理基礎”課程目前在國內還沒有形成統一的講授方式，國家出臺的《高等學校應用物理學本科指導性專業規范》對于這門課程也僅僅列出了一些基本的知識和內容，不同高校所采取的教材和資料之間存在一定的差異，為了突出課程的重點和難點知識，難以將所有授課內容集聚到教學工作當中。對此，許多高校的任課教師都會對教材內容做部分取舍處理，從計算物理應用性的角度來看，如果僅僅將其作為一門理論課程開展教學，難以幫助學生了解這門課程的本質內涵和現實意義，也會影響學生學習的目的性。對此應當避免采取純理論的講授方式。一些教師開始嘗試借助某種編程語言或者具體的案例開展教學，常見的編程語言教材包括C語言、Maple等，但同時要注重引導學生將重心放在解決實際物理問題方面，而不是過度投入程序設計工作當中。從降低學習難度的角度出發，并不推薦采用C語言和Fortran。由于這門課程可能會涉及大量的數值計算任務，從實際應用的角度來看，也會選擇擅長數值計算，并且能夠進行符號運算的Matlab作為主要的編程語言。在開展實際教學工作的過程當中，所涉及的基本教學內容包含計算機資源與計算程序基礎、基本數值計算方法、物理問題的數值計算與模擬以及數值計算概念性方案，所采用的教材內容當中也會提供一定數量的物理案例，但是由于部分學校對于教材資源更新不夠重視，也會影響學生在今后應用過程當中出現理論和實踐相脫節的問題。

二、基于超星學習通平臺的混合教學模式

（一）超星學習通平臺的主要特征

在推進高校教育工作改革的過程當中，國家和社會都十分重視借助互聯網開展教學改革，并進行了一系列實踐活動，在線上教學方面也取得了一定的成果，充分體現了現代教育技術所具有的優勢。近些年來許多高校都在著重建設體現學校特色的教學平臺，為學生提供大量的教學資源，借助微課和在線課堂以及其他平臺，著重打造線上線下混合式教學模式，任課教師也在注重提高自身的業務素養和能力，能夠靈活運用這種教學模式，進一步培養學生的邏輯思維能力以及自主學習的能力。在傳統大學物理課堂當中普遍存在課時安排少的問題，在有限的課時內難以引導學生全面掌握計算物理的相關基礎知識，并且部分教師將重心放在培養學生抽象思維能力方面，可能面臨一定的困難和挑戰。傳統“灌輸式”課堂所采取的教學形式單一，影響學生對學習的積極性和興趣，所采取的教材內容和資源沒有及時更新，影響學生對課程內容和應用的了解［2］。超星學習通本身具有強大的數據存儲以及分析功能，基于超星學習通平臺，采用這種混合式教學模式，可以充分利用互聯網信息技術的優勢，將課程內容以視頻資源或課件的形式發布在平臺當中，以便于學生自主下載和學習，同時也可以根據教師在平臺當中發布的任務，自主查閱相關資料，并在討論區發表想法和意見。

（二）加強對教學資源庫的開發，引導學生課前自主預習

采用混合教學模式代替傳統課堂具有諸多優勢，一方面可以讓學生根據自己現階段的理解能力以及學習情況，自主控制學習進度，將自身的疑問在平臺當中進行解決，在觀看學習視頻的過程當中也可以進行反復總結和思考。另一方面可以為學生提供充分的時間進行互動和交流。在課前自主學習階段，教師可以通過超星學習通平臺，將“計算物理基礎”的主要教學內容，其中包含電子版的教材、本節課堂所要用的PPT課件，以及教師為學生所準備的一些視頻資源和案例演示，都集中上傳到學習資源庫當中。教師在錄制視頻的過程當中也可以借鑒其他優秀課堂的經驗，盡可能在視頻當中將知識點進行細分，為學生講述的更加詳細，同時也要注重控制授課視頻的時長。通過這種方式引導學生自主收看這些視頻和教材內容，并在后臺設置相應的節點任務，檢查學生的參與情況和學習進度。為了避免學生出現拖延任務的問題和狀況，教師也可以設置明確的截止時間，或者在學習群內進行提醒。學生可以將自身在課堂中所遇到的疑問在后臺中進行提問，或者將自身所研究的案例和思考，以圖片的形式傳給教師。通過這種方式能夠促進師生之間的交流，也可以匯總頻率較高的問題進行統一的講解。

（三）課堂討論三個環節

在開展課前預習工作的過程當中，教師會鼓勵學生將自己對課程內容的疑問，以圖片的形式發給教師，以便于對課程內容進行有效的調整，但在這個環節當中，收集疑問的效果并不理想。學生在對計算物理基本知識和內容達到初步消化之后，能夠跟上教師的教學節奏，并開展下一步討論和思考工作。首先，教師可以針對學生所提出的一些問題，以小組為單位詢問每名學生的看法和意見，并由教師做出統一的指導和解答。在這個環節當中，主要是為了回答學生在平臺觀看視頻中所出現的疑問，但能夠發現學生表達疑問的積極性并不高，一方面在于缺乏深入的思考，另一方面在于學生發現問題的能力和素質不強，而且并不習慣在課堂上公開提出疑問。在第二個問題討論環節當中，教師為了充分考核學生對這些基本內容的掌握情況，可以將重點和難點知識，以更加形象的方式呈現出來引導學生進行深入的思考，以便于提高學生對這些知識的理解和掌握程度。對于一些復雜的問題，教師可以采取點名或者學生自愿回答的方式。在當堂測驗的環節當中，教師可以向學生提供若干練習題目考查學生對于知識的運用狀況，也能夠鍛煉學生運用計算物理的相關內容解決問題的能力。教師可以將這個環節當中學生的表現情況作為平時分數的組成部分，以此來提高學生對回答和完成任務的積極性。

（四）引導學生完成線上作業和上機練習

為了保持學生在課堂中的注意力，避免在采取線上教學模式的過程當中出現學生玩手機的現象，教師要根據實際情況，布置適當的課程作業，考查學生運用計算物理相關知識處理和解決實際問題的能力。教師要將具體的作業和任務發布在超星學習通平臺上，并設置截止期限，根據學生之間存在的差異，靈活調整發布的時間。學生不僅可以在自己的電腦上完成作業并進行提交，也可以在統一的機房教室內進行提交。教師根據學生作業提交的情況推送相應的講解視頻，以便于學生進行參考。

（五）對學生的成績和表現進行統一的評價

由于“計算物理基礎”整體操作性較強，需要保證學生上機練習的時間，同時也要根據學生的表現情況進行統一的評價，盡可能避免采用書面考試的方式，而是應結合學生整個學習過程，并結合終結性評價的方式進行考核。通過采取這種考核模式，能夠在學習通平臺中自動獲取相應的數據信息，減少教師的工作量，也能夠真實地反映出學生的學習成果。通常需要考查學生課前自學收看視頻所取得的分數、課堂測驗環節當中規定時間內完成答題的情況、對教師所發布作業和任務的完成情況及最終所提交的課程論文和案例解析的情況。

三、基于全網絡教學模式在課程中的應用

（一）全網絡教學模式的主要特征

受到環境因素的影響，線上線下相結合的混合教學模式，需改為全網絡教學模式，打破了傳統的教學秩序，其中的一些教學環節也會發生一定的轉變。在全網絡教學模式當中，課前自學階段依舊可以在線上平臺當中進行，課堂討論環節難以在線下開展，教師也可以在平臺當中發布作業和任務，要求學生按時完成。在有條件的情況下，學生也可以上機練習，教師對學生成績的評價和考核模式主要采取線上的形式。在采用全網絡模式開展具體教學工作的過程當中，師生之間的討論和互動需要借助網絡直播的形式，網絡直播的流暢度，對于網速及其他因素都提出了較高的要求，除了要具備語音通話和視頻通話的功能，在確保流暢度的情況下，屏幕共享功能也要正常運行。

（二）全網絡教學模式的具體實踐

現階段許多高校都會采用騰訊會議的方式進行網絡直播教學，并根據學生在平臺當中所提出的疑問，及時進行統一的答疑。在答疑過程當中，教師也可以引導學生借助語音通話和屏幕共享的方式，分享自己在練習和總結的過程當中所出現的問題，平臺也會為學生開放自由聊天的功能。通過這種方式，學生可以自主在聊天室內借助文字輸入的方式進行回答和提問，教師也可以根據平臺當中所顯示的信息進行點評和分析。在采用全網絡模式教學的過程當中，教師無法做到面對面的指導教學，通常會采用共享屏幕的形式考查每名學生的練習成效及操作步驟，并借助語音指導的形式，展示具體的操作細節。

（三）現階段應用過程中遇到的困難和挑戰

前期混合式教學模式的廣泛應用，促使大量的任課教師在不斷地豐富教學資源庫，引入一些先進的教學視頻及授課PPT內容，以便于學生能夠隨時進行下載和觀看。這些前期的積累都為全網絡模式開展具體的教學工作提供了充分的支持，但在具體的實踐過程當中依然面臨一定的困難和問題。課堂討論環節主要是在線上進行，教師難以保障每名學生的注意力都集中在課堂之中，因此在這個階段當中學習氛圍整體不足［3］。營造活躍的課堂學習氛圍，有利于督促每名學生都能夠跟隨教師的教學節奏，對問題進行深入的探討和思考，加深對相關內容的記憶和印象，也能夠保持學生思維的活躍性。但在全網絡模式教學的情境下，部分學生缺乏自律性，脫離了教師的督促和引導，在課堂討論環節當中可能會存在心不在焉和跑題的現象，或者受到自身網速和流暢度的影響，也會難以保持高度的注意力，從而造成整體教學效果不理想等問題。

（四）未來發展過程當中所需要思考的問題

在全網絡模式應用的背景下，受到諸多因素的影響，網絡課堂也逐漸展現出與線下課堂之間的差異。一方面在線上課堂當中，學生提問和回答的活躍性更高，主要在于學習平臺能夠為學生提供匿名發言的功能，在一定程度上打消了學生自身存在的不自信心理，可以與教師進行積極的互動和交流。另一方面教師直播教學的視頻可以直接保存進行回放，也能夠為想復習的學生提供反復使用，同時教師也可以將其作為調整教學內容的主要參考依據。為了方便學生使用這些錄屏視頻，教師也要注重充分展示屏幕內容的細節，在直播教學的過程當中保障網絡的流暢度，以便于學生能夠從視頻當中快速掌握和了解課程的重點和難點內容。

四、混合模式和全網絡模式的并行教學在課程當中的應用

在混合式教學模式和全網絡模式開展具體的教學實踐活動時，在應對突發情況的過程當中可以嘗試采用并行雙模式，根據實際情況進行順利的切換，也能夠將這種負面影響降至最低。可以利用混合式教學模式當中所建設的豐富的教學資源庫，基于現代信息技術的快速發展進行兩種教學模式的平順切換。結合兩種教學模式當中完全一致的教學環節，可以在全網絡教學模式當中，充分營造良好的學習氛圍，加強對學情數據的分析，并及時給予學生充分的心理關懷和督導，有助于調動學生在課堂中的積極性，幫助學生解決線上學習所存在的一些困難和問題。

結語

綜上所述，在綜合應用混合模式和全網絡模式開展“計算物理基礎”課程教學工作的過程當中，利用網絡教學平臺本身的優勢和功能，對學生進行高效的學習督導和幫助，相比較于傳統的教學模式，能夠營造更加濃厚的課堂氛圍，為學生提供自主學習的機會，自由選擇教師所提供的豐富的課程資源。通過采用這種并行模式，更有利于提高整體的教學效果，教師所設計的教學活動也可以在兩種教學模式之間得到順利地切換，并根據實際情況做出相應的調整。

參考文獻

［1］教育部高等學校物理學與天文學教學指導委員會，物理學類專業教學指導分委員會.高等學校物理學本科指導性專業規范高等學校應用物理學本科指導性專業規范（2010年版）［M］.北京：高等教育出版社，2017：9+11-12+24+46+54+62.

［2］呂水平.基于“超星網絡平臺和學習通”的課程建設探究［J］.教育現代化，2019，6（97）：117-118+125.

［3］彭芳麟，梁穎，劉振興.在計算物理基礎課中用MATLAB培養學生的編程能力［J］.大學物理，2017，32（9）：9-14+17.

Application of Mixed Mode and Full Network Mode in Fundamentals of Computational Physics

YANG Jue-ming， ZHANG Yan-wen， ZHANG Jian-jun

（College of Science， Shihezi University， Shihezi， Xinjiang 832003， China）

Abstract： With the rapid development of modern computer technology， Chinese physics research process， with the help of a lot of numerical calculation work， can help eliminate the practical physics problems. In order to further improve the comprehensive literacy of applied talents in this field and related industries， the combination of online and offline courses should be actively adopted in the teaching process of Fundamentals of Computational Physics based on the basic characteristics and requirements of the course. Meanwhile， the full-network mode can also be adopted to create a good learning environment and platform for students. This paper mainly focuses on the two modes， carries out in-depth analysis and research on the specific application strategy.

Key words： mixed teaching model; all-network mode; fundamentals of computational physics