數智技術打造大學物理課程數智技術打造大學物理課程

摘 要 由于師資和教學資源有限，目前多數高校大學物理基礎課教學仍是以大班教學為主，該模式下難以實現有效的全員深度互動，且大班教學模式下主觀題作業無法及時全批全改難以形成教學反饋閉環。針對上述問題，我們以人工智能和互聯網技術的應用為突破口，基于SOTS（Smart Online Tutor System）平臺開發設計獨具特色的聊課模式大學物理課程資源，在一問一答之中讓學生完成物理概念和解題思路的建構，在引導學生實現深度學習的同時培養了學生自我學習的能力和意識。經教學實踐證明，基于SOTS智慧慕課平臺開展大學物理課程混合式教學可以達成優秀的教學效果，具有較好的推廣示范價值。

關鍵詞 混合式教學;智慧慕課;人工智能;大學物理

在教育部的大力推動下，特別在疫情期間，以慕課技術為代表的“互聯網+教育”模式成為近些年來高等教育教學改革的風景線，國內高校投入了大量的人力和財力，建成了約3.5萬門慕課課程[1-4]。然而由于慕課課程完成率低，線上學習教學效果難以實現等原因，這些慕課在實際教學中的應用十分有限，慕課技術對教學改革和教學質量提升的作用沒有充分地發揮出來[5-7]。

此外，由于師資和教學資源有限，目前多數高校大學物理、高等數學等公共基礎課教學都是以大班教學為主。從管理角度，教學質量嚴重依賴于每個教師的經驗水平、個人意愿和投入程度，教學管理的成本和質量提升的難度極大;從教師角度，常年處于一個高負荷的教學狀態，重復性的“教書”工作使教師疲于應付;從學生角度，統一的授課進度無法照顧不同學生在知識基礎和理解能力方面的個體差異。

鑒于上述現狀，如何利用人工智能技術破解上述困局，讓慕課資源真正融入教學，讓大班教學也能實現“一對一”的教學效果，實現高質量的混合式教學是我們本次改革實踐探索的主要目標。

1 常規混合式教學中線上學習的瓶頸

從2019年我們開展混合式教學以來，我校大物課程線上選課人數超過13000人次，利用網絡和大數據技術大大增強了教學中的師生互動和學情反饋，教學效果有了明顯提升，但是教學實踐中我們通過對學生學情和課程學情的分析，發現“學”“習”和“管”形式單一成了制約混合式教學質量進一步提升的主要瓶頸。主要表現在：

（1） “學”，線上主要以觀看視頻為主，學習過程缺乏有效互動，難以通過線上實現深度學習，提升學生的自學效果。而線下群體教學，又無法照顧到每個學生在知識基礎和理解能力方面的個體差異，不能滿足個性化學習的需求。

（2） “習”，線上基本以客觀題為主，這對以邏輯推理為主的理工科課程達不到練習的目的。線下主觀題作業批改周期長，學生難以達到鞏固所學的目的，對教師也難以形成真實有效的學情反饋。

（3） “管”，以禁止視頻快進、規定觀看時長等常規技術手段為主，難以對學生學習過程形成有效的倒逼機制，特別是對于基礎相對薄弱，學習自主意識不強的同學，線上學習的效果體現不明顯。

2 應用人工智能技術打造混合式教學的新形態

為了解決上述常規混合式教學模式下存在的問題，我們使用了SOTS智慧學習平臺作為線上理論學習的主要載體，該平臺將互聯網和人工智能技術引入視頻學習和主觀題作業批改等教學環節[8-9]，如圖1所示。視頻學習與檢測、評價、反饋、決策和學習紀律監管深度融合，作業題型包括了計算題、證明題等主觀題型，并且能讓電腦自動批改，實現線上作業效果與傳統線下作業實質等效。

利用平臺人工智能技術優勢，并依據本課程教學過程中各環節在線上或線下開展的優勢比較，我們構建了基于聊課理念（即通過與學生一問一答聊天式的授課）的大學物理線上學習新形態，制定了本課程的“3+3”混合式教學范式的總體設計。如圖2所示，課程講授、問題互動和課后作業主要在線上完成，而匯報討論、考試評講和實驗演示則主要在線下進行，線上線下，各顯所長，有機融合，協同育人。在此基礎上，構建了如圖3所示的“五個一”學習全鏈條考核評價激勵體系，即“一小節一互動、一學時一作業、一單元一測試、一模塊一匯報、一學期一統考”。以學生為主體、教師為主導的連續性、層次化的激勵體系充分體現混合式教學的特點。課程成績評價1+1+N 體系由期末考試成績（50%）+線上學習成績（30%）+N項線下平時成績（20%）組成，其中線上學習成績包括單元測驗、課后作業、在線討論等。線下平時成績又分為兩大類，一類體現基本盤，如課堂互動表現等，一類體現“挑戰度”，如創新設計、課堂研討、學科競賽加分等，全面貫徹以學生為本的思想，重點考核對學生知識結構的優化以及能力素質的培養。

3 線上教學設計

采用較為口語化的講課方式，每一節課內容設置3～5個互動題，互動題設置主要考察基本物理概念的理解、計算題關鍵求解步驟和與已講解例題類似的問題。學生回答錯誤后被要求重新觀看上一節點的視頻內容，回答正確后老師也會對互動題有較為詳細的講解。例如在講解如何利用均勻磁場中封閉曲面的磁通量為零的特性來方便求解某些任意曲面的磁通量的問題時，如圖4所示，可以先通過一個例題的講解，然后再輔以一個類似的習題進行互動，考查學生視頻學習的效果，檢驗其是否正確理解了該物理概念。

對于大學物理課程中較為復雜的計算題進行講解時，我們聊課模式的授課則是將其解題步驟進行分解，如圖5所示，在講解非均勻磁場中載流導線受力計算時，可以在分析完電流元的受力情況后引導學生先寫出電流元受力的表達式，繼而得出整根載流導線受力的積分形式，最后又進一步讓學生完成積分運算，得到最后的結果。通過循循善誘的線上聊課互動學習，達到類似于“一對一”當面教學的效果。此外，為了形成更為有效的互動回饋，很多聊課題目題干中的參數設置是隨機生成的。如圖6所示，每位同學面對的題目參數和答案是不一樣的，這也倒逼學生只有認真聽懂前面的內容才可以順利完成互動進入后續內容的學習。通過精準的深度互動，幫助學生實現高效的自主學習，并且通過復雜問題分步驟互動培養學的邏輯思維能力。聊課模式的線上學習有效避免了課堂教學特別是大班教學難以實現全員深度互動的教學難題，使得理論知識的教學的效果得以顯著的提升。

為使每節課的學習，每一節課結束都會有3～5題作業題鞏固視頻學習內容，且系統設置只有在完成相應內容的視頻學習之后才可以進行作業。線上作業覆蓋各類題型，做到與紙質作業實質等效，學生完成作業提交后系統馬上完成批改和判分，作業成績低于設置要求的最低分時，將沒有成績，必須重做。學生根據系統批改情況重新糾錯修改，通過糾錯過程完成知識的鞏固。另外，作業系統也可以設置隨機參數題，每位同學的收到的題目參數也各不一樣。不管是聊課學習還是作業，基于智慧慕課SOTS學習平臺設計的線上學習邏輯對全體學生形成了有效的倒逼機制，線上學習任務的完成率接近100%。

4 線下課堂教學設計

根據課程內容及難易程度一個單元或者半個單元進行一次線下的重難點梳理和單元測試，課堂上對難點和易錯概念實施同伴教學法，通過學生之間的討論來完成易錯物理概念的建構，對學生掌握情況較差的知識點進行針對性講解。通過學情反饋有效幫助教師調整教學策略，提升課程教學質量。單元測試采用手機答題，利用信息技術和大數據分析及時完成單元測試反饋，根據作答情況進行考題講解，查缺補漏，讓課堂教學有的放矢。除了理論教學，針對每單元課程內容設置開放性實踐制作類問題，例如利用動量定理設計雞蛋落地保護裝置，利用電磁學知識制作磁懸浮裝置、電磁炮、無線充電裝置等，讓學生在線下完成后通過制作成短視頻在課程QQ 群里展示或者在課堂實物匯報展示。

5 學生反饋和教學效果

問卷調查顯示，超過85%的學生認為混合式教學可以有效幫助其提升自學能力，超過92%的同學表示可以較好的完成線上作業，超過99%的同學認為一問一答的聊課模式有助于提升對物理概念和物理過程的理解。基于問卷的結果，我們認為基于SOTS平臺開展的混合式教學模式有效解決了常規混合式教學線上學習部分存在的問題。

在2022—2023-1學期的大學物理B1課程安排中，共計有15個平行班，兩位教師的4個教學班開展純線下教學，9個教學班開展常規混合式教學，即“預習前測課堂講解線下作業單元測試期末測試”，2個教學班開展基于SOTS和學習通平臺的“3+3”混合式教學。兩個SOTS試點班卷面成績無論是平均分還是及格率分列15個平行班的第一和第二位。圖7為三組教學班的平均成績，從卷面成績分布可以明顯看出，常規混合班成績要好于純線下教學，SOTS試點班成績要明顯優于其他兩組。從各分數段的分布比較來看，該結果顯示本模式的學習對基礎較為薄弱的同學有明顯的促進作用，這充分說明學生通過基于SOTS平臺開展的“3+3”混合式教學，突破了混合式教學線上學習的瓶頸，取得了優秀的教學效果。

6 結語

基于人工智能技術開展的3+3混合式教學范式充分發揮了線上線下各自的優勢，生動詮釋了混合式教學的技術邏輯。通過獨具特色的大學物理線上聊課模式讓學生實現深度學習的同時培養了其自我學習的能力。主觀題作業電腦全批全改對學生和教師都形成及時的學情反饋，一方面使教學持續改進的閉環得以實現，另一方面也使得教師從低質量的重復勞動中得以解放，給教師從事高質量育人工作開創了空間。按照學習活動周期，從十分鐘左右的一小節學習互動到一學期的期末考試的“五個一”的全過程考核激勵機制，對學生倒逼效果明顯。

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基金項目： 教育部大學物理教指委教改項目（項目編號：DWJZW202138xn）;中國高等教育學會教改項目（項目編號：23LK0409）;四川省高等教育人才培養質量和教學改革項目（項目編號：JG2021-864）;西南科技大學教育教學改革與研究項目（項目編號：22xn0028）。