數字化演示實驗助力慕課西行的同步課堂授課
——以光學課程為例

趙福利,崔新圖,龐曉寧,黃臻成,王馥君,羅 霖,沈 韓,何海濤

(中山大學 a.物理學院;b.教務部;c.網絡與信息中心,廣東 廣州 510275)

當今高等教育的數字化發展倍受重視,數字中國戰略引領高等教育全方位發展,國家智慧教育平臺的建設與應用,有助于將數字資源的靜態勢能轉化為教育改革的動能,推動教育數字化轉型,促進教育現代化. 在理工科教學中,實驗教學是集合科學思維、實踐設計、動手操作和數據處理等能力培養的教學環節,實驗和理論課結合是豐富綜合素質教學的重要手段,如何實現實驗課數字化,而且要有實況感和體驗感,并經歷科學思維訓練和數據處理等環節,是數字化實驗教學轉型面臨的挑戰[1-3]. 中山大學以光學課程為實例,開展合作虛擬教研,并定制了數字化實驗混合授課平臺,將實體實驗數字化,經過多層圖像定量網絡上載,同時與仿真結合,豐富課程授課內容和方式,增強演示實驗的定量表達能力,提升授課的科學性[4-6].

1 課程設計

中山大學目前擁有自主建設的線上一流光學課程,2017年上線愛課程網站,2022年上線國家智慧教育平臺. 課程已運行7個教學周期,受益者達4萬余人,輻射范圍涵蓋國內外,2020年制作英文版慕課OPTICS,2021年上線,為海外留學生開辟了學習空間. 在持續開展一流課程建設和維護的基礎上,通過學情研討,中山大學與喀什大學合作共建實體演示實驗與理論授課相結合的線上同步課堂,目標是:在一流線上課程的視頻引導學習基礎上,建設演示實驗為核心的授課方式,實現演示實驗數字化、實景現場拍攝,教師針對實驗環節設計互動,學生現場感受實體實驗,并定量分析實驗結果[7-8].

1)共建教研團隊,實行3周例會制,采用虛擬教研室模式,教師團隊定期線上教研,分析學生學情,有針對性地調整教學內容和課堂關注對象. 充分利用智慧平臺的跨地域交叉和融合功能,共享教師的知識儲備,開展互動教學研究,共同推進教學進度.

2)以國家智慧教育平臺為依托,學生統一注冊并選課,利用平臺的視頻課程和課后習題作為自學資源,教師在后臺監測學生的學習成效,為課堂互動做好鋪墊.

3)拓展開發奕課堂混合式教學平臺(Online merge offline, OMO). 為實現線上同步數字化演示實驗的功能,課程團隊定制了奕課堂平臺. 奕課堂平臺具有學生管理、課堂互動、課件管理等教學模塊及功能,支持多機位攝像頭同步放送,在線演示實驗細節全方位、全過程呈現;課堂實錄可以回放,學生課后可以反復觀看復習;自動記錄每個學生在線上課堂的互動情況,監督學生的學習情況.

4)通過奕課堂提供課堂參與度評價,教師實現異地線上教學模式下的學生成長畫像描繪.

2 課程實施

根據實際情況,調整上課時間、上課地點和上課方式,豐富奕課堂的應用場景,學生在電腦和手機上參與課堂的互動教學活動,每周總結上周學習情況和預告下周的具體內容,授課過程中及時答疑解惑. 課后組織技術組研討,優化下周呈現場景和鏡頭切換等工作細節.

根據理論與實驗結合、虛實結合的要求,教學過程包括了講解理論知識,演示實驗現象,數字化呈現實驗結果,師生互動檢驗教學成果,學生課后自主學習等環節. 為了實現實驗項目的數字化,需要根據不同的實驗項目采用不同的數字化設備及數據處理技術. 實驗數字化一方面體現在采用電動調節裝置或者攝像頭記錄手動調節的狀態,實現實驗過程輸入的數字化;另一方面采用傳感器、功率計、攝像頭等將實驗結果數字化呈現,實現實驗結果輸出的數字化. 通過演示實驗的課堂實錄學生獲取所需實驗數據,進而與理論對比,深化對課堂知識的理解.

2.1 實時互動調整上課時間

疆粵兩地有時差,為保證學生學習時間,中山大學將課程安排在晚上21:00-22:30,成為中山大學下課最晚的課程. 教學結束的時候顯示,能夠預留給學生最好的學習時段對授課效果有鮮明的促進作用.

2.2 虛實結合,創新理科專業課線上授課方式

光學是一門激發學生創新思維的物理學專業基礎課程,對于學生構建專業知識結構、開展研究型學習具有重要作用. 線上課程加入有體驗感和科學分析的演示實驗能夠創新理科專業課線上授課方式,推動實體實驗教學數字化. 將中山大學實驗教學特色融入課程,能夠充分發揮實驗工程技術人員扎實的研發實力,聚焦實踐和理論相結合的線上線下混合/理論實驗綜合的同步課堂建設. 課堂授課方式采用以實體定量的演示實驗為核心載體,結合理論課小結講授方式,學生通過MOOC自學基本內容,喀什大學開設線下課程集中講授重難點. 表1是本課程定制的線上演示實驗內容題目.

表1 線上定量演示實驗清單

圖1(a)為自行搭建的光柵光譜儀光路,學生能夠清晰地了解光譜儀的內部結構,其中光柵支架下安裝轉動傳感器,模仿步進電機的工作機制,通過編程自動數據采集.

實驗中采用多鏡頭配置,學生既可以看到整體光路結構,也可以看到后臺程序運行,還可以看到輸出效果. 圖1(b)是學生課堂上可以看到的實時展示,因為有定量結果,學生可以自行計算和研究光譜儀的性能.

2.3 引入仿真工程,助力理論授課具象化

理論講解中涉及定量環節,采用虛擬仿真技術呈現定量結果的預測,同時搭建實體實驗,啟動多鏡頭實時拍攝并保證雙向網路傳輸,將實體課堂高保真地同步到喀什課堂,學生觀感接近真實,通過可視化數據開展實驗定量分析和思考.

2.4 分析學習行為,聚焦過程性評價

奕課堂后臺可以導出課堂互動信息,助力教師細致分析學情,并深入開展教學研究.

圖2是學生的互動情況分析,192位學生全程在線,互動設計在3 min內作答,可以看到學生的互動參與率在50%以上. 從圖中可以看到學生的回答問題和回答正確率,這些數據可實時為教師提供本次課的難度和節奏. 從互動方面看,學生的耐力和對越來越有難度的問題的跟進程度有所下降,提示教師下次課要重新考慮內容的分布和學生的接受程度. 后臺分析還發現,有3名學生全部互動回答且全部正確,這也可以助力教師發現優秀的學生.

圖2 2022年10月25日課堂互動后臺統計

2.5 實時互動,解決網絡課堂學習體驗缺乏問題

以國家智慧教育平臺為基礎,拓展開發奕課堂平臺,激活網絡雙向互動,提升課堂的節奏感和功能性,將靜態優質資源轉化為具有學習驅動力的網絡互動課堂資源. 通過同步實驗+仿真的線上線下結合方式,以MOOC資源為引導,以智慧平臺為基礎,構建適應不同培養目標的同步課堂;通過互動討論、截屏提問和語音問答環節提升學生的參與度,豐富課堂內容和激活學習主動性.

圖3是水波同頻振動波的干涉和課堂提問截圖. 通過課堂實體演示和多圖層疊加,可以在實體演示基礎上定量分析,并結合理論分析設置互動問題,在網絡支持下,實現及時投票應答,并針對答題結果開展及時分析、討論和解答.

(a)

3 課程效果

學生在學習過程中一方面收獲知識,一方面收獲感悟. 本課程在實施中獲得了喀什大學物理與電氣工程學院學生的好評.

李萍萍同學說:老師教學在書面淺顯知識的基礎上,進一步擴大了教學知識的深度及廣度,擴大了學生的知識面,并且多方面培養了學生思考問題的能力,老師知識淵博,因此講授的很有深度,并且在書本知識上也有所擴展. 課上老師很注意與學生的互動環節,增強了課堂氣氛,使教學效果更加顯著. 陳毅同學說:趙老師講課講的很細節,其中用題型加深我們的認識,注重知識和實驗相結合,帶動了學生學光學的積極性,同時也使我對光學了解的更深. 趙樂同學講到:老師講課十分認真投入,條理性強,為人和藹,課堂能與同學們互動,營造溫馨的課堂氣氛,等等. 可以看出,線上課程能夠給出實況的高保真實體實驗,并開展合適的互動,能夠明顯提升學生學習的積極性和主動性,進一步提升學生學習的自豪感和獲得感. 喀什大學教務處評價,“中大提供的光學課程是針對喀什大學師生需求精準打造的西行慕課”“中大光學教學團隊通過自主研發的仿真實驗、動畫等手段使喀什學生對光學相關的基本概念、定律和原理有了更深地理解,幫助他們建立了清晰的物理圖象”. 《光學》慕課西行工作成效被喀什大學和中山大學新聞網專題報道,周閱讀量超過3萬,獲得社會廣泛認可. 這些評價定性顯示,教學是有溫度有人文情懷的互動過程,如何把同步課堂建設成為有溫度、有人文關懷的課堂,對充分提升優質資源發揮良好效果、打通資源補給的最后一公里至關重要.

結合數字化實驗混合課程建設是在SeeLight教學平臺的理念發展起來的. 在SeeLight平臺還嵌入了仿真的課后作業模塊,也實施了伴隨性動作抓取和行為分析,可實現學生的學習行為分析,并對學習提出建議. 奕課堂現在已經與SeeLight平臺對接,有望在將來實現如上功能.

4 分析和研討

經過1個學期10個數字化實體實驗的互動同步課堂的教學,成功實現了資源共享、優勢互補的目標,也產生了系列光學教學定量演示案例,可以用于后續線下課堂的定量演示環節. 通過不同區域師生在互聯網環境下的互動教學,探索了理工科理論+實驗教學的新形態,基于學習行為的監測和分析可以獲得學情數據,有利于教學改進.

4.1 數字技術助力教學內容方式革新

課程建設重點在內容,課程內容設置直接關系到專業知識的架構,好的授課形式和技術是驅動,從而激發學生主動學習、主動思考. 因地制宜、與時俱進定制課程是最優選擇,如:大國重器天眼FAST、自主研發的大面積光柵、新型的拓撲光學材料等,可在適當環節中納入課堂教學,在高等教育領域傳播中國聲音. 創新性使用可拓展兼容的數字教學技術,激發當代大學生獨特的興趣,培養學生科學素養是賦予課程現代性的技術標志之一.

4.2 網絡安全保障教學環境安全清明

信息化網絡教學的關鍵是安全. 中山大學“慕課西行”依托國家智慧教育平臺、國產自主研發平臺推進,學生在安全的網絡下學習,數據安全可控. 在課程實時監控和安全保障方面的偵測要全面、全程保障. 只有構造可信賴、可依靠并且掌握在自己手上的信息化技術,才能安全實現自主的信息化高質量教學的發展.

4.3 構建好用易用的和諧教學生態

新技術,尤其是信息化技術,雖對青年人具有吸引力,但是對于授課教師卻又具有挑戰性. 因此,信息化新產品的應用推廣必須首先考慮教師好用、學生易用,同時保證網絡空間干凈安全.

4.4 數字化轉型推進教育生態轉型

教育數字化轉型有利于形成校-校聯合資源共享的學校形態,有利于推進線上線下混合教學、虛擬仿真實驗教學等教學方式的深化應用,從而改變教育發展不平衡的現狀,促進教育公平,推進社會全面進步.

5 結束語

數字化教育,尤其是高等教育的數字化,將縮小物理間隔,在互聯網上構建高等教育的新生態環境,優質的數字化專業課程是高校專業教育深化拓展的有效途徑,有利于推進教育公平和促進高效協同發展. 目前,本案例被中國教育電視臺的綜合頻道和《中國青年報》報道,認為以信息化技術有效地促進了教育公平. 因此,數字化實體實驗的網上復刻技術可能對未來的理工科同步課堂教學具有參考意義.