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(xué) a.物理學(xué)院;b.教務(wù)部;c.網(wǎng)絡(luò)與信息中心,廣東 廣州 510275)

當(dāng)今高等教育的數(shù)字化發(fā)展倍受重視,數(shù)字中國(guó)戰(zhàn)略引領(lǐng)高等教育全方位發(fā)展,國(guó)家智慧教育平臺(tái)的建設(shè)與應(yīng)用,有助于將數(shù)字資源的靜態(tài)勢(shì)能轉(zhuǎn)化為教育改革的動(dòng)能,推動(dòng)教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型,促進(jìn)教育現(xiàn)代化. 在理工科教學(xué)中,實(shí)驗(yàn)教學(xué)是集合科學(xué)思維、實(shí)踐設(shè)計(jì)、動(dòng)手操作和數(shù)據(jù)處理等能力培養(yǎng)的教學(xué)環(huán)節(jié),實(shí)驗(yàn)和理論課結(jié)合是豐富綜合素質(zhì)教學(xué)的重要手段,如何實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課數(shù)字化,而且要有實(shí)況感和體驗(yàn)感,并經(jīng)歷科學(xué)思維訓(xùn)練和數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié),是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)轉(zhuǎn)型面臨的挑戰(zhàn)[1-3]. 中山大學(xué)以光學(xué)課程為實(shí)例,開(kāi)展合作虛擬教研,并定制了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)混合授課平臺(tái),將實(shí)體實(shí)驗(yàn)數(shù)字化,經(jīng)過(guò)多層圖像定量網(wǎng)絡(luò)上載,同時(shí)與仿真結(jié)合,豐富課程授課內(nèi)容和方式,增強(qiáng)演示實(shí)驗(yàn)的定量表達(dá)能力,提升授課的科學(xué)性[4-6].

1 課程設(shè)計(jì)

中山大學(xué)目前擁有自主建設(shè)的線上一流光學(xué)課程,2017年上線愛(ài)課程網(wǎng)站,2022年上線國(guó)家智慧教育平臺(tái). 課程已運(yùn)行7個(gè)教學(xué)周期,受益者達(dá)4萬(wàn)余人,輻射范圍涵蓋國(guó)內(nèi)外,2020年制作英文版慕課OPTICS,2021年上線,為海外留學(xué)生開(kāi)辟了學(xué)習(xí)空間. 在持續(xù)開(kāi)展一流課程建設(shè)和維護(hù)的基礎(chǔ)上,通過(guò)學(xué)情研討,中山大學(xué)與喀什大學(xué)合作共建實(shí)體演示實(shí)驗(yàn)與理論授課相結(jié)合的線上同步課堂,目標(biāo)是:在一流線上課程的視頻引導(dǎo)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上,建設(shè)演示實(shí)驗(yàn)為核心的授課方式,實(shí)現(xiàn)演示實(shí)驗(yàn)數(shù)字化、實(shí)景現(xiàn)場(chǎng)拍攝,教師針對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)互動(dòng),學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)感受實(shí)體實(shí)驗(yàn),并定量分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果[7-8].

1)共建教研團(tuán)隊(duì),實(shí)行3周例會(huì)制,采用虛擬教研室模式,教師團(tuán)隊(duì)定期線上教研,分析學(xué)生學(xué)情,有針對(duì)性地調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和課堂關(guān)注對(duì)象. 充分利用智慧平臺(tái)的跨地域交叉和融合功能,共享教師的知識(shí)儲(chǔ)備,開(kāi)展互動(dòng)教學(xué)研究,共同推進(jìn)教學(xué)進(jìn)度.

2)以國(guó)家智慧教育平臺(tái)為依托,學(xué)生統(tǒng)一注冊(cè)并選課,利用平臺(tái)的視頻課程和課后習(xí)題作為自學(xué)資源,教師在后臺(tái)監(jiān)測(cè)學(xué)生的學(xué)習(xí)成效,為課堂互動(dòng)做好鋪墊.

3)拓展開(kāi)發(fā)奕課堂混合式教學(xué)平臺(tái)(Online merge offline, OMO). 為實(shí)現(xiàn)線上同步數(shù)字化演示實(shí)驗(yàn)的功能,課程團(tuán)隊(duì)定制了奕課堂平臺(tái). 奕課堂平臺(tái)具有學(xué)生管理、課堂互動(dòng)、課件管理等教學(xué)模塊及功能,支持多機(jī)位攝像頭同步放送,在線演示實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)全方位、全過(guò)程呈現(xiàn);課堂實(shí)錄可以回放,學(xué)生課后可以反復(fù)觀看復(fù)習(xí);自動(dòng)記錄每個(gè)學(xué)生在線上課堂的互動(dòng)情況,監(jiān)督學(xué)生的學(xué)習(xí)情況.

4)通過(guò)奕課堂提供課堂參與度評(píng)價(jià),教師實(shí)現(xiàn)異地線上教學(xué)模式下的學(xué)生成長(zhǎng)畫(huà)像描繪.

2 課程實(shí)施

根據(jù)實(shí)際情況,調(diào)整上課時(shí)間、上課地點(diǎn)和上課方式,豐富奕課堂的應(yīng)用場(chǎng)景,學(xué)生在電腦和手機(jī)上參與課堂的互動(dòng)教學(xué)活動(dòng),每周總結(jié)上周學(xué)習(xí)情況和預(yù)告下周的具體內(nèi)容,授課過(guò)程中及時(shí)答疑解惑. 課后組織技術(shù)組研討,優(yōu)化下周呈現(xiàn)場(chǎng)景和鏡頭切換等工作細(xì)節(jié).

根據(jù)理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合、虛實(shí)結(jié)合的要求,教學(xué)過(guò)程包括了講解理論知識(shí),演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,數(shù)字化呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,師生互動(dòng)檢驗(yàn)教學(xué)成果,學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)等環(huán)節(jié). 為了實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的數(shù)字化,需要根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用不同的數(shù)字化設(shè)備及數(shù)據(jù)處理技術(shù). 實(shí)驗(yàn)數(shù)字化一方面體現(xiàn)在采用電動(dòng)調(diào)節(jié)裝置或者攝像頭記錄手動(dòng)調(diào)節(jié)的狀態(tài),實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程輸入的數(shù)字化;另一方面采用傳感器、功率計(jì)、攝像頭等將實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)字化呈現(xiàn),實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出的數(shù)字化. 通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)的課堂實(shí)錄學(xué)生獲取所需實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),進(jìn)而與理論對(duì)比,深化對(duì)課堂知識(shí)的理解.

2.1 實(shí)時(shí)互動(dòng)調(diào)整上課時(shí)間

疆粵兩地有時(shí)差,為保證學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)間,中山大學(xué)將課程安排在晚上21:00-22:30,成為中山大學(xué)下課最晚的課程. 教學(xué)結(jié)束的時(shí)候顯示,能夠預(yù)留給學(xué)生最好的學(xué)習(xí)時(shí)段對(duì)授課效果有鮮明的促進(jìn)作用.

2.2 虛實(shí)結(jié)合,創(chuàng)新理科專業(yè)課線上授課方式

光學(xué)是一門(mén)激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維的物理學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程,對(duì)于學(xué)生構(gòu)建專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)、開(kāi)展研究型學(xué)習(xí)具有重要作用. 線上課程加入有體驗(yàn)感和科學(xué)分析的演示實(shí)驗(yàn)?zāi)軌騽?chuàng)新理科專業(yè)課線上授課方式,推動(dòng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)字化. 將中山大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)特色融入課程,能夠充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)工程技術(shù)人員扎實(shí)的研發(fā)實(shí)力,聚焦實(shí)踐和理論相結(jié)合的線上線下混合/理論實(shí)驗(yàn)綜合的同步課堂建設(shè). 課堂授課方式采用以實(shí)體定量的演示實(shí)驗(yàn)為核心載體,結(jié)合理論課小結(jié)講授方式,學(xué)生通過(guò)MOOC自學(xué)基本內(nèi)容,喀什大學(xué)開(kāi)設(shè)線下課程集中講授重難點(diǎn). 表1是本課程定制的線上演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容題目.

表1 線上定量演示實(shí)驗(yàn)清單

圖1(a)為自行搭建的光柵光譜儀光路,學(xué)生能夠清晰地了解光譜儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu),其中光柵支架下安裝轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器,模仿步進(jìn)電機(jī)的工作機(jī)制,通過(guò)編程自動(dòng)數(shù)據(jù)采集.

實(shí)驗(yàn)中采用多鏡頭配置,學(xué)生既可以看到整體光路結(jié)構(gòu),也可以看到后臺(tái)程序運(yùn)行,還可以看到輸出效果. 圖1(b)是學(xué)生課堂上可以看到的實(shí)時(shí)展示,因?yàn)橛卸拷Y(jié)果,學(xué)生可以自行計(jì)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(huán)節(jié),采用虛擬仿真技術(shù)呈現(xiàn)定量結(jié)果的預(yù)測(cè),同時(shí)搭建實(shí)體實(shí)驗(yàn),啟動(dòng)多鏡頭實(shí)時(shí)拍攝并保證雙向網(wǎng)路傳輸,將實(shí)體課堂高保真地同步到喀什課堂,學(xué)生觀感接近真實(shí),通過(guò)可視化數(shù)據(jù)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)定量分析和思考.

2.4 分析學(xué)習(xí)行為,聚焦過(guò)程性評(píng)價(jià)

奕課堂后臺(tái)可以導(dǎo)出課堂互動(dòng)信息,助力教師細(xì)致分析學(xué)情,并深入開(kāi)展教學(xué)研究.

圖2是學(xué)生的互動(dòng)情況分析,192位學(xué)生全程在線,互動(dòng)設(shè)計(jì)在3 min內(nèi)作答,可以看到學(xué)生的互動(dòng)參與率在50%以上. 從圖中可以看到學(xué)生的回答問(wèn)題和回答正確率,這些數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)為教師提供本次課的難度和節(jié)奏. 從互動(dòng)方面看,學(xué)生的耐力和對(duì)越來(lái)越有難度的問(wèn)題的跟進(jìn)程度有所下降,提示教師下次課要重新考慮內(nèi)容的分布和學(xué)生的接受程度. 后臺(tái)分析還發(fā)現(xiàn),有3名學(xué)生全部互動(dòng)回答且全部正確,這也可以助力教師發(fā)現(xiàn)優(yōu)秀的學(xué)生.

圖2 2022年10月25日課堂互動(dòng)后臺(tái)統(tǒng)計(jì)

2.5 實(shí)時(shí)互動(dòng),解決網(wǎng)絡(luò)課堂學(xué)習(xí)體驗(yàn)缺乏問(wèn)題

以國(guó)家智慧教育平臺(tái)為基礎(chǔ),拓展開(kāi)發(fā)奕課堂平臺(tái),激活網(wǎng)絡(luò)雙向互動(dòng),提升課堂的節(jié)奏感和功能性,將靜態(tài)優(yōu)質(zhì)資源轉(zhuǎn)化為具有學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)力的網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)課堂資源. 通過(guò)同步實(shí)驗(yàn)+仿真的線上線下結(jié)合方式,以MOOC資源為引導(dǎo),以智慧平臺(tái)為基礎(chǔ),構(gòu)建適應(yīng)不同培養(yǎng)目標(biāo)的同步課堂;通過(guò)互動(dòng)討論、截屏提問(wèn)和語(yǔ)音問(wèn)答環(huán)節(jié)提升學(xué)生的參與度,豐富課堂內(nèi)容和激活學(xué)習(xí)主動(dòng)性.

圖3是水波同頻振動(dòng)波的干涉和課堂提問(wèn)截圖. 通過(guò)課堂實(shí)體演示和多圖層疊加,可以在實(shí)體演示基礎(chǔ)上定量分析,并結(jié)合理論分析設(shè)置互動(dòng)問(wèn)題,在網(wǎng)絡(luò)支持下,實(shí)現(xiàn)及時(shí)投票應(yīng)答,并針對(duì)答題結(jié)果開(kāi)展及時(shí)分析、討論和解答.

(a)

3 課程效果

學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中一方面收獲知識(shí),一方面收獲感悟. 本課程在實(shí)施中獲得了喀什大學(xué)物理與電氣工程學(xué)院學(xué)生的好評(píng).

李萍萍同學(xué)說(shuō):老師教學(xué)在書(shū)面淺顯知識(shí)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步擴(kuò)大了教學(xué)知識(shí)的深度及廣度,擴(kuò)大了學(xué)生的知識(shí)面,并且多方面培養(yǎng)了學(xué)生思考問(wèn)題的能力,老師知識(shí)淵博,因此講授的很有深度,并且在書(shū)本知識(shí)上也有所擴(kuò)展. 課上老師很注意與學(xué)生的互動(dòng)環(huán)節(jié),增強(qiáng)了課堂氣氛,使教學(xué)效果更加顯著. 陳毅同學(xué)說(shuō):趙老師講課講的很細(xì)節(jié),其中用題型加深我們的認(rèn)識(shí),注重知識(shí)和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,帶動(dòng)了學(xué)生學(xué)光學(xué)的積極性,同時(shí)也使我對(duì)光學(xué)了解的更深. 趙樂(lè)同學(xué)講到:老師講課十分認(rèn)真投入,條理性強(qiáng),為人和藹,課堂能與同學(xué)們互動(dòng),營(yíng)造溫馨的課堂氣氛,等等. 可以看出,線上課程能夠給出實(shí)況的高保真實(shí)體實(shí)驗(yàn),并開(kāi)展合適的互動(dòng),能夠明顯提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性,進(jìn)一步提升學(xué)生學(xué)習(xí)的自豪感和獲得感. 喀什大學(xué)教務(wù)處評(píng)價(jià),“中大提供的光學(xué)課程是針對(duì)喀什大學(xué)師生需求精準(zhǔn)打造的西行慕課”“中大光學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)自主研發(fā)的仿真實(shí)驗(yàn)、動(dòng)畫(huà)等手段使喀什學(xué)生對(duì)光學(xué)相關(guān)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(xué)》慕課西行工作成效被喀什大學(xué)和中山大學(xué)新聞網(wǎng)專題報(bào)道,周閱讀量超過(guò)3萬(wàn),獲得社會(huì)廣泛認(rèn)可. 這些評(píng)價(jià)定性顯示,教學(xué)是有溫度有人文情懷的互動(dòng)過(guò)程,如何把同步課堂建設(shè)成為有溫度、有人文關(guān)懷的課堂,對(duì)充分提升優(yōu)質(zhì)資源發(fā)揮良好效果、打通資源補(bǔ)給的最后一公里至關(guān)重要.

結(jié)合數(shù)字化實(shí)驗(yàn)混合課程建設(shè)是在SeeLight教學(xué)平臺(tái)的理念發(fā)展起來(lái)的. 在SeeLight平臺(tái)還嵌入了仿真的課后作業(yè)模塊,也實(shí)施了伴隨性動(dòng)作抓取和行為分析,可實(shí)現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為分析,并對(duì)學(xué)習(xí)提出建議. 奕課堂現(xiàn)在已經(jīng)與SeeLight平臺(tái)對(duì)接,有望在將來(lái)實(shí)現(xiàn)如上功能.

4 分析和研討

經(jīng)過(guò)1個(gè)學(xué)期10個(gè)數(shù)字化實(shí)體實(shí)驗(yàn)的互動(dòng)同步課堂的教學(xué),成功實(shí)現(xiàn)了資源共享、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的目標(biāo),也產(chǎn)生了系列光學(xué)教學(xué)定量演示案例,可以用于后續(xù)線下課堂的定量演示環(huán)節(jié). 通過(guò)不同區(qū)域師生在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的互動(dòng)教學(xué),探索了理工科理論+實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新形態(tài),基于學(xué)習(xí)行為的監(jiān)測(cè)和分析可以獲得學(xué)情數(shù)據(jù),有利于教學(xué)改進(jìn).

4.1 數(shù)字技術(shù)助力教學(xué)內(nèi)容方式革新

課程建設(shè)重點(diǎn)在內(nèi)容,課程內(nèi)容設(shè)置直接關(guān)系到專業(yè)知識(shí)的架構(gòu),好的授課形式和技術(shù)是驅(qū)動(dòng),從而激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、主動(dòng)思考. 因地制宜、與時(shí)俱進(jìn)定制課程是最優(yōu)選擇,如:大國(guó)重器天眼FAST、自主研發(fā)的大面積光柵、新型的拓?fù)涔鈱W(xué)材料等,可在適當(dāng)環(huán)節(jié)中納入課堂教學(xué),在高等教育領(lǐng)域傳播中國(guó)聲音. 創(chuàng)新性使用可拓展兼容的數(shù)字教學(xué)技術(shù),激發(fā)當(dāng)代大學(xué)生獨(dú)特的興趣,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)是賦予課程現(xiàn)代性的技術(shù)標(biāo)志之一.

4.2 網(wǎng)絡(luò)安全保障教學(xué)環(huán)境安全清明

信息化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的關(guān)鍵是安全. 中山大學(xué)“慕課西行”依托國(guó)家智慧教育平臺(tái)、國(guó)產(chǎn)自主研發(fā)平臺(tái)推進(jìn),學(xué)生在安全的網(wǎng)絡(luò)下學(xué)習(xí),數(shù)據(jù)安全可控. 在課程實(shí)時(shí)監(jiān)控和安全保障方面的偵測(cè)要全面、全程保障. 只有構(gòu)造可信賴、可依靠并且掌握在自己手上的信息化技術(shù),才能安全實(shí)現(xiàn)自主的信息化高質(zhì)量教學(xué)的發(fā)展.

4.3 構(gòu)建好用易用的和諧教學(xué)生態(tài)

新技術(shù),尤其是信息化技術(shù),雖對(duì)青年人具有吸引力,但是對(duì)于授課教師卻又具有挑戰(zhàn)性. 因此,信息化新產(chǎn)品的應(yīng)用推廣必須首先考慮教師好用、學(xué)生易用,同時(shí)保證網(wǎng)絡(luò)空間干凈安全.

4.4 數(shù)字化轉(zhuǎn)型推進(jìn)教育生態(tài)轉(zhuǎn)型

教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型有利于形成校-校聯(lián)合資源共享的學(xué)校形態(tài),有利于推進(jìn)線上線下混合教學(xué)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)等教學(xué)方式的深化應(yīng)用,從而改變教育發(fā)展不平衡的現(xiàn)狀,促進(jìn)教育公平,推進(jìn)社會(huì)全面進(jìn)步.

5 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字化教育,尤其是高等教育的數(shù)字化,將縮小物理間隔,在互聯(lián)網(wǎng)上構(gòu)建高等教育的新生態(tài)環(huán)境,優(yōu)質(zhì)的數(shù)字化專業(yè)課程是高校專業(yè)教育深化拓展的有效途徑,有利于推進(jìn)教育公平和促進(jìn)高效協(xié)同發(fā)展. 目前,本案例被中國(guó)教育電視臺(tái)的綜合頻道和《中國(guó)青年報(bào)》報(bào)道,認(rèn)為以信息化技術(shù)有效地促進(jìn)了教育公平. 因此,數(shù)字化實(shí)體實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)上復(fù)刻技術(shù)可能對(duì)未來(lái)的理工科同步課堂教學(xué)具有參考意義.