劉海蘭 顧 牡 吳天剛 倪忠強(qiáng) 宋志懷
(同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200092)
突如其來的疫情給高?!按髮W(xué)物理”公共基礎(chǔ)課程的教學(xué)帶來了很大的沖擊。如何化“危”為機(jī),加速推進(jìn)教學(xué)模式的改革,實(shí)現(xiàn)“停課不停學(xué)”“教學(xué)質(zhì)量實(shí)質(zhì)等效”的教學(xué)目標(biāo)[1],對我們物理基礎(chǔ)課教師來講即是機(jī)遇,也是挑戰(zhàn)。為此,同濟(jì)大學(xué)“大學(xué)物理”課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)運(yùn)用同濟(jì)大學(xué)云課堂(https://courses.#edu.cn/)所用的ZOOM系統(tǒng)和在中國大學(xué)MOOC(https://www.icourse163.org/)平臺(tái)上所建設(shè)的國家精品在線開放課程“大學(xué)物理(系列)課程”,從預(yù)習(xí)要求的強(qiáng)化、前/后測題的構(gòu)建和慕課堂運(yùn)用、課堂直播的混合式教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施、課后作業(yè)安排、學(xué)習(xí)過程評(píng)價(jià)和QQ群運(yùn)用等環(huán)節(jié),就“大學(xué)物理”課程的教學(xué)模式和方法進(jìn)行了系統(tǒng)的改革。從已完成的力學(xué)和狹義相對論部分的教學(xué)效果來看,改革促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、強(qiáng)化了學(xué)生教學(xué)的參與度,教學(xué)效果得到了學(xué)生的普遍認(rèn)可。
與在校學(xué)習(xí)相比,居家學(xué)習(xí)通常干擾因素較多、學(xué)習(xí)氛圍不足。因此,營造良好的“大學(xué)物理”課程教學(xué)環(huán)境,激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性、引導(dǎo)學(xué)生積極思考、強(qiáng)化學(xué)生教學(xué)的參與度是教學(xué)方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。近年來,我們在“大學(xué)物理”課程混合式教學(xué)模式的改革方面開展了一定的工作,在引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)[2-3]。本輪改革我們是在已有工作的基礎(chǔ)上,通過同濟(jì)大學(xué)“云課堂”的ZOOM直播+慕課堂討論測試等形式,將原來課堂教學(xué)的部分搬到網(wǎng)上,利用國家精品在線開放課程、網(wǎng)絡(luò)信息工具,從課前預(yù)習(xí)、課堂討論、課后練習(xí)、過程評(píng)價(jià)等各個(gè)環(huán)節(jié)對課程進(jìn)行重新設(shè)計(jì),以期實(shí)現(xiàn)課前了解知識(shí)、課堂內(nèi)化知識(shí)、課后鞏固知識(shí),不斷提高“大學(xué)物理”課程的教學(xué)質(zhì)量。圖1為“大學(xué)物理”課程在線混合式教學(xué)示意圖。
圖1 “大學(xué)物理”課程在線混合式教學(xué)示意圖
教學(xué)內(nèi)容按章節(jié)展開。為了獲得良好的教學(xué)效果,我們對每一章節(jié)的教學(xué)目標(biāo)、知識(shí)結(jié)構(gòu)、重點(diǎn)難點(diǎn)重新進(jìn)行了梳理,并將其在各章學(xué)習(xí)前預(yù)告給學(xué)生,以利于學(xué)生通過預(yù)習(xí)構(gòu)建出一條較為清晰的知識(shí)脈絡(luò)。各章內(nèi)容被有機(jī)地分為若干教學(xué)單元(2課時(shí)/單元),毎個(gè)單元都設(shè)有前測題(5題)、精講內(nèi)容(精講、選講或者串講)、課堂討論題、后測題(5題),各章結(jié)束時(shí)還提供若干課后實(shí)踐課題。圖2為“云課堂”ZOOM直播課教學(xué)方案示意圖。
圖2 云課堂ZOOM直播課教學(xué)方案示意圖
前測題和后測題的設(shè)計(jì)側(cè)重于考察基本知識(shí)和重點(diǎn)難點(diǎn)的掌握情況。本著由淺入深,階梯性提高的原則,在課堂討論題的設(shè)計(jì)上,則更加注重于物理規(guī)律的綜合運(yùn)用,提高問題的挑戰(zhàn)度,便于引發(fā)課堂討論、學(xué)生搶答、研討辯論、全班互動(dòng)等。課后實(shí)踐課題,設(shè)計(jì)為拓展性課題,引導(dǎo)學(xué)生積極探索和研究,學(xué)生可根據(jù)實(shí)際情況和興趣愛好,自愿參與探究性實(shí)踐項(xiàng)目,分層次兼顧到不同基礎(chǔ)和不同能力的學(xué)生。
精講內(nèi)容(精講、選講或者串講)部分的設(shè)計(jì),注重于物理思想和方法的介紹,物理模型的建立,重點(diǎn)難點(diǎn)的切入,以及問題的研究和分析。通過引入演示視頻、3D動(dòng)畫等富媒體元素,幫助學(xué)生理解物理概念和規(guī)律,同時(shí)增強(qiáng)課堂的趣味性。此外,留下一部分內(nèi)容鼓勵(lì)學(xué)生完全自主學(xué)習(xí),課后梳理總結(jié)所學(xué)知識(shí)等。
云課堂ZOOM直播教學(xué)本著引導(dǎo)學(xué)生低起點(diǎn)開始,高落腳點(diǎn)結(jié)束,提升教學(xué)挑戰(zhàn)度,充分體現(xiàn)兩性一度的教學(xué)理念。教師利用慕課堂進(jìn)行前測,學(xué)生則通過微信小程序參與練習(xí)。通過系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)正確率統(tǒng)計(jì),初步掌握學(xué)生預(yù)習(xí)情況。課中進(jìn)行重點(diǎn)難點(diǎn)的講解,視教學(xué)情況選擇精講、選講或串講,并通過有一定難度問題的課堂討論,與學(xué)生進(jìn)行在線實(shí)時(shí)互動(dòng)。學(xué)生通過舉手、彈幕、點(diǎn)名或直接發(fā)言的方式參與課堂討論,實(shí)現(xiàn)生生互動(dòng)和師生互動(dòng)。通過互動(dòng)教師也可實(shí)時(shí)了解學(xué)生聽課情況,隨時(shí)回答學(xué)生提問。最后進(jìn)行后測練習(xí),進(jìn)一步了解學(xué)生課堂學(xué)習(xí)后的掌握情況,及時(shí)指導(dǎo)學(xué)生課后拾遺補(bǔ)缺。
利用已經(jīng)建成的國家精品在線開放課程“大學(xué)物理(系列)課程”,教學(xué)團(tuán)隊(duì)的每位教師都在中國大學(xué)MOOC平臺(tái)上建立了異步SPOC課程,并開設(shè)了慕課堂,從而為每一位學(xué)生提供了一個(gè)具有較高質(zhì)量的在線學(xué)習(xí)平臺(tái),為學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)、自主學(xué)習(xí)提供了便利。
1) 線上SPOC教學(xué)
SPOC教學(xué)內(nèi)容和進(jìn)度與ZOOM直播課程教學(xué)進(jìn)度相互匹配。本學(xué)期共開設(shè)了兩門SPOC課程即“大學(xué)物理1: 力學(xué)、相對論”和“大學(xué)物理3: 電磁學(xué)”(http://www.icourse163.org/spoc/course/TONGJI……)。這兩門課程的資源就是我們教學(xué)團(tuán)隊(duì)所建設(shè)的國家精品在線開放課程的資源,在中國大學(xué)MOOC平臺(tái)上經(jīng)過12期的開設(shè),資源的內(nèi)容越發(fā)成熟,學(xué)習(xí)者已超過25萬人。
SPOC在線課程提供課程視頻、在線作業(yè)、在線測試、在線討論和在線考試等。學(xué)生通過在線學(xué)習(xí)、觀看視頻等進(jìn)行預(yù)習(xí)、討論和復(fù)習(xí),并完成單元作業(yè)、單元測試。通過回放ZOOM直播課的課堂錄屏,進(jìn)一步回顧所學(xué)內(nèi)容,拾遺補(bǔ)缺。
疫情期間,原來的課外(紙質(zhì))作業(yè)的提交和批改難以實(shí)現(xiàn)。而課外(紙質(zhì))作業(yè)是物理教學(xué)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)之一。團(tuán)隊(duì)教師利用異步SPOC的平臺(tái)優(yōu)勢,讓學(xué)生在線下完成課外(紙質(zhì))作業(yè),然后將其拍照上傳至SPOC平臺(tái),教師通過SPOC平臺(tái)直接批閱學(xué)生提交的作業(yè),并及時(shí)反饋批閱意見。避免了重要教學(xué)環(huán)節(jié)的缺失。圖3為在線學(xué)習(xí)作業(yè)完成、提交和批閱流程。
圖3 課外(線下)作業(yè)和線上作業(yè)完成、提交和批閱流程
2) 慕課堂
SPOC慕課堂在在線教學(xué)中發(fā)揮了重要作用。根據(jù)教學(xué)方案,在線直播時(shí),我們充分發(fā)揮慕課堂前測、后測、討論、簽到、實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)等功能,不僅增強(qiáng)了教學(xué)的實(shí)時(shí)互動(dòng),更是有效提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的專注度和參與感,增強(qiáng)了學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)的主動(dòng)性。通過慕課堂的備課功能,將設(shè)計(jì)好的前測題、后測題、討論題和問答題等作為資源導(dǎo)入練習(xí)庫,教學(xué)直播時(shí),按需要使用。
此外,慕課堂管理還有學(xué)生管理、平時(shí)成績和學(xué)情統(tǒng)計(jì)等功能,所提供的數(shù)據(jù)可以為教師了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況提供詳實(shí)的資料(見圖4),為教師及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、調(diào)整教學(xué)策略提供了有價(jià)值的參考。
圖4 某班級(jí)部分慕課堂管理數(shù)據(jù)
團(tuán)隊(duì)教師都建立了各自的班級(jí)QQ群。通過QQ群的建立,可以把班級(jí)所有的同學(xué)組成一個(gè)學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì),充分發(fā)揮群的優(yōu)勢。教師在群里上傳電子課件,公布作業(yè)答案,發(fā)布班級(jí)公告,在線答疑、在線問卷等。通過答疑解惑,關(guān)心學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,給予學(xué)生力所能及的幫助。助教則通過QQ群,發(fā)布作業(yè)注意事項(xiàng),溫馨提醒作業(yè)截止日期等。學(xué)生們則通過QQ群,互幫互學(xué)。提出課中課后學(xué)習(xí)中遇到的困難,通過研究討論,解決問題,達(dá)成共識(shí)(見圖5)。在群里形成了良好的學(xué)習(xí)氛圍,師生互動(dòng)、生生互動(dòng)、隨心隨意、隨時(shí)隨地。
圖5 某班級(jí)QQ群學(xué)生討論截屏
教學(xué)中既要考察學(xué)生對知識(shí)的理解,又要考察學(xué)生運(yùn)用知識(shí)的能力。課程評(píng)價(jià)采用多元考核機(jī)制,形成性評(píng)價(jià)與終結(jié)性評(píng)價(jià)的結(jié)合,課程的總評(píng)成績(100%)為線下期終考試(60%)+線上SPOC成績(兩門SPOC課程共20%)+平時(shí)成績(線下作業(yè)+課堂表現(xiàn)共20%)(見表1)。
表1 在線學(xué)習(xí)的過程評(píng)價(jià)和總體評(píng)價(jià)
課外SPOC在線學(xué)習(xí)包括:觀看視頻(預(yù)習(xí)/復(fù)習(xí))、單元課程視頻和ZOOM直播錄屏,以及單元作業(yè)、測試和討論、課外(紙質(zhì))作業(yè)線上提交等。
其中平時(shí)成績包括課外(紙質(zhì))作業(yè)和課堂表現(xiàn),主要包括慕課堂表現(xiàn)(前測/后測、討論等)和直播課堂表現(xiàn)等。
表2為大學(xué)物理學(xué)在線教學(xué)ZOOM直播課程的教學(xué)計(jì)劃。團(tuán)隊(duì)教師根據(jù)教學(xué)方案中的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、重點(diǎn)難點(diǎn),再結(jié)合自己所教班級(jí)的具體情況,選用精講、選講或者串講的方式進(jìn)行課堂教學(xué)。同時(shí)結(jié)合習(xí)題講解、課堂討論以及慕課堂進(jìn)行前測和后測練習(xí),完成單元教學(xué)。
表2 大學(xué)物理學(xué)在線教學(xué)ZOOM直播課程計(jì)劃表
續(xù)表
這里以剛體力學(xué)部分的教學(xué)為例。根據(jù)該章的教學(xué)目標(biāo)、知識(shí)結(jié)構(gòu)和重點(diǎn)難點(diǎn),課程共設(shè)計(jì)了三個(gè)單元的ZOOM直播課。第一單元:轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及計(jì)算、剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)定律及應(yīng)用,難點(diǎn):變力矩作用下定軸轉(zhuǎn)動(dòng)定律的應(yīng)用。第二單元:角動(dòng)量定理及角動(dòng)量守恒定律、定軸轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能定理和功能原理,難點(diǎn):角動(dòng)量及其守恒定律的應(yīng)用。第三單元:剛體平面平行運(yùn)動(dòng)和純滾動(dòng)、剛體力學(xué)習(xí)題討論課,進(jìn)動(dòng)部分留給學(xué)生自學(xué)。
在ZOOM直播課上,注重教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)的講解和討論,課中列舉的例題和討論題都給學(xué)生留有思考時(shí)間,通過啟發(fā)式提問引導(dǎo)學(xué)生思考問題。同時(shí)學(xué)生通過舉手、教師點(diǎn)名、等方式參于課堂討論,與其他同學(xué)分享解題思路和方法,全班同學(xué)則通過彈幕或舉手的方式參與交流互動(dòng)。
我們在第一單元的慕課堂后測練習(xí)中發(fā)現(xiàn)這道題目正確率只有約37%左右(見圖6)。該題的解答可以用對棒的端點(diǎn)A和質(zhì)心O點(diǎn)的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)定律來解,也可以應(yīng)用質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定理和對質(zhì)心O點(diǎn)的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)定律來解。答對的學(xué)生更多采用了第一種解法。為了讓學(xué)生弄懂這個(gè)問題,在第三單元的習(xí)題討論課上,重點(diǎn)介紹了該題的第二種解法。同時(shí)給學(xué)生出了第二個(gè)題目[4],并用質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定理和對質(zhì)心的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)定律解了該題(見圖7)。課后學(xué)生發(fā)現(xiàn)用第一種和第二種兩個(gè)解法卻出現(xiàn)了不一樣的結(jié)果,問題到底出在哪里?通過QQ群中的進(jìn)一步研究討論,最終他們認(rèn)識(shí)到:與牛頓運(yùn)動(dòng)定律一樣,定軸轉(zhuǎn)動(dòng)定律也只適用于慣性系。而該題之所以能用過質(zhì)心的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)定律來解,是因?yàn)樵谫|(zhì)心這個(gè)非慣性中加上慣性力后,慣性力矩為零的緣故。通過討論學(xué)生對定軸轉(zhuǎn)動(dòng)定律的應(yīng)用有了更深刻的理解。
圖6 某班級(jí)慕課堂后測答題結(jié)果
在角動(dòng)量及角動(dòng)量守恒定律這個(gè)單元,我們錄制了一段小視頻,出了一道討論題(見圖8),但并沒有給出標(biāo)準(zhǔn)答案。課堂和課后也引發(fā)了學(xué)生們的積極反響和討論。
圖8 剛體力學(xué)討論題二
此外,在這部分教學(xué)的最后,還留給學(xué)生課后實(shí)踐課題。例如:(1) 常見的直升飛機(jī)被看作是一個(gè)由主螺旋槳和機(jī)身組成的二體系統(tǒng),當(dāng)其靜止時(shí),系統(tǒng)的角動(dòng)量等于零;起飛時(shí),主螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng),具有一個(gè)角動(dòng)量,根據(jù)角動(dòng)量守恒定律,機(jī)身要沿相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng),為了制止機(jī)身轉(zhuǎn)動(dòng),就要開動(dòng)尾翼螺旋槳。試分析尾翼螺旋槳產(chǎn)生了什么樣的力矩?它是怎樣制止機(jī)身轉(zhuǎn)動(dòng)的?(2) 乒乓球的自動(dòng)回滾問題:怎樣可使乒乓球向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí),以較高的轉(zhuǎn)速“反轉(zhuǎn)”,即乒乓球過一段時(shí)間自動(dòng)回滾等。
團(tuán)隊(duì)教師普遍感覺慕課堂的前測和后測練習(xí),為我們促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí),了解和掌握學(xué)生課前預(yù)習(xí)情況、課中教學(xué)效果提供了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),也為后續(xù)教學(xué)提供了依據(jù)。
通過數(shù)周的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng),我們在SPOC課程數(shù)據(jù)庫里了解到學(xué)生觀看視頻,瀏覽文檔,隨堂討論,單元測驗(yàn)和單元作業(yè)的情況(見圖9)。作為課外主要的學(xué)習(xí)平臺(tái),該課程為學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí),包括預(yù)習(xí),復(fù)習(xí),拾遺補(bǔ)缺,自我評(píng)價(jià)的重要方式。在整個(gè)混合式在線教學(xué)中起到不可或缺的重要作用。同時(shí),通過了解這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),教師能夠及時(shí)了解學(xué)生課后學(xué)習(xí)情況,對課堂教學(xué)起到積極的指導(dǎo)作用。
在單元作業(yè)這部分環(huán)節(jié),要求學(xué)生通過互評(píng)來完成作業(yè)的批改。這不僅提升了學(xué)生同伴相互協(xié)作的精神,而且也對該次作業(yè)的解答有了明確認(rèn)識(shí),對知識(shí)的理解又更進(jìn)了一步。此外,SPOC課程的教師答疑區(qū)成為學(xué)生課外答疑解惑的重要平臺(tái)。
綜上所述,通過在線混合式教學(xué),即借助于ZOOM“云課堂”和SPOC在線課程,在這樣的特殊時(shí)期,組織教學(xué)活動(dòng),讓學(xué)生真正做到停課而不停學(xué)。
我們在教學(xué)開展后的第七到第八周,對10個(gè)教學(xué)班,1320名學(xué)生進(jìn)行了一次問卷星教學(xué)調(diào)查活動(dòng)。共收到調(diào)查樣本733份。
調(diào)查結(jié)果表明:學(xué)生普遍認(rèn)可目前所采用ZOOM直播+SPOC方式的教學(xué)模式,ZOOM線上直播和SPOC在線學(xué)習(xí)方式在學(xué)生中較受歡迎。其原因主要有以下幾點(diǎn):(1)線上直播互動(dòng)性強(qiáng),有助于增強(qiáng)教師和學(xué)生之間的互動(dòng),提高教學(xué)效果;(2)在直播過程中,隨堂錄屏所保存的錄像可以不受時(shí)間和空間的限制進(jìn)行回放,方便沒有掌握的學(xué)生反復(fù)觀看和反復(fù)學(xué)習(xí);(3)SPOC在線學(xué)習(xí)便于學(xué)生進(jìn)行課后預(yù)習(xí),復(fù)習(xí)和練習(xí)。
66.99%學(xué)生認(rèn)為前段時(shí)間的學(xué)習(xí)效果非常有效或有效,而認(rèn)為效果不好的只占7.5%。
99%的同學(xué)具備進(jìn)行線上學(xué)習(xí)并完成學(xué)校要求的學(xué)習(xí)任務(wù)。
95.09%的同學(xué)通過電腦進(jìn)行線上學(xué)習(xí)。
82.81%的同學(xué)認(rèn)可慕課堂的考勤方式,不認(rèn)可或沒有使用只占17.19%
79.13%的同學(xué)認(rèn)為線上教學(xué)中使用的慕課堂中的課堂練習(xí)對學(xué)習(xí)幫助最大。
66.99%學(xué)生對采用ZOOM直播+SPOC方式的教學(xué)模式非常滿意或比較滿意,不滿意的只占5.46%。
68.89%學(xué)生認(rèn)為班級(jí)的QQ群在學(xué)習(xí)過程中發(fā)揮很重要或比較重要的作用,認(rèn)為不重要的只占3.27%。
大多數(shù)同學(xué)喜歡老師采用ZOOM直播方式,55.66%的同學(xué)希望每次都采用ZOOM直播。
線上教學(xué)仍然存在一些不足之處。有學(xué)生反映“線上遇到疑問不能與老師及時(shí)溝通解決?!薄跋M嘁稽c(diǎn)自主學(xué)習(xí)的時(shí)間?!薄跋M麥p少課后作業(yè),學(xué)習(xí)時(shí)間過長,對眼睛不好?!钡取?/p>
以上的調(diào)查問卷,以及長期以來的教學(xué)改革的成果在疫情中的應(yīng)用和實(shí)踐,為今后進(jìn)一步開展線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)模式提供了積極有效的依據(jù)。
在線混合式教學(xué)實(shí)踐表明,目前形勢背景下
所開展的這項(xiàng)改革在可行性、適用性方面有著較大的優(yōu)勢。教師普遍感覺所使用的ZOOM直播平臺(tái)、SPOC課程平臺(tái)都相當(dāng)穩(wěn)定,便于操作。同時(shí)也存在一定的不足之處,比如師生的互動(dòng)性不如實(shí)體課堂那樣容易進(jìn)行,教師和學(xué)生的教學(xué)壓力和負(fù)擔(dān)普遍較大。一方面,根據(jù)教學(xué)方案,教師將投入更多的時(shí)間進(jìn)行備課,試圖使得直播課堂與SPOC課程不簡單重復(fù),直播課堂將給與學(xué)生更多有價(jià)值的信息和幫助,以充分體現(xiàn)各自的功能和效果,體現(xiàn)混合式教學(xué)的優(yōu)勢。另一方面,對于基礎(chǔ)較差和自控能力較弱的學(xué)生而言,學(xué)習(xí)上遇到的困難和挑戰(zhàn)也是比較大的。根據(jù)調(diào)研結(jié)果,如何做出相應(yīng)調(diào)整,讓師生雙方高效愉快的教與學(xué),在后續(xù)的教學(xué)活動(dòng)中我們將進(jìn)一步總結(jié)經(jīng)驗(yàn),取長補(bǔ)短,積極探索,不斷改進(jìn)。