劉海蘭 顧 牡 吳天剛 倪忠強 宋志懷

(同濟大學(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“?！睘闄C，加速推進教學(xué)模式的改革，實現(xiàn)“停課不停學(xué)”“教學(xué)質(zhì)量實質(zhì)等效”的教學(xué)目標(biāo)[1]，對我們物理基礎(chǔ)課教師來講即是機遇，也是挑戰(zhàn)。為此，同濟大學(xué)“大學(xué)物理”課程教學(xué)團隊運用同濟大學(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)要求的強化、前/后測題的構(gòu)建和慕課堂運用、課堂直播的混合式教學(xué)設(shè)計和實施、課后作業(yè)安排、學(xué)習(xí)過程評價和QQ群運用等環(huán)節(jié)，就“大學(xué)物理”課程的教學(xué)模式和方法進行了系統(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，改革促進了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、強化了學(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。

1 教學(xué)方案設(shè)計

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)生的主觀能動性、引導(dǎo)學(xué)生積極思考、強化學(xué)生教學(xué)的參與度是教學(xué)方案設(shè)計的關(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)生主動學(xué)習(xí)方面積累了一定的經(jīng)驗[2-3]。本輪改革我們是在已有工作的基礎(chǔ)上，通過同濟大學(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)、過程評價等各個環(huán)節(jié)對課程進行重新設(shè)計，以期實現(xiàn)課前了解知識、課堂內(nèi)化知識、課后鞏固知識，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

1.1 ZOOM直播課的教學(xué)方案設(shè)計

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)、知識結(jié)構(gòu)、重點難點重新進行了梳理，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脈絡(luò)。各章內(nèi)容被有機地分為若干教學(xué)單元(2課時/單元)，毎個單元都設(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)束時還提供若干課后實踐課題。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)計側(cè)重于考察基本知識和重點難點的掌握情況。本著由淺入深，階梯性提高的原則，在課堂討論題的設(shè)計上，則更加注重于物理規(guī)律的綜合運用，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、全班互動等。課后實踐課題，設(shè)計為拓展性課題，引導(dǎo)學(xué)生積極探索和研究，學(xué)生可根據(jù)實際情況和興趣愛好，自愿參與探究性實踐項目，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，注重于物理思想和方法的介紹，物理模型的建立，重點難點的切入，以及問題的研究和分析。通過引入演示視頻、3D動畫等富媒體元素，幫助學(xué)生理解物理概念和規(guī)律，同時增強課堂的趣味性。此外，留下一部分內(nèi)容鼓勵學(xué)生完全自主學(xué)習(xí)，課后梳理總結(jié)所學(xué)知識等。

云課堂ZOOM直播教學(xué)本著引導(dǎo)學(xué)生低起點開始，高落腳點結(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)提供的實時正確率統(tǒng)計，初步掌握學(xué)生預(yù)習(xí)情況。課中進行重點難點的講解，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)生進行在線實時互動。學(xué)生通過舉手、彈幕、點名或直接發(fā)言的方式參與課堂討論，實現(xiàn)生生互動和師生互動。通過互動教師也可實時了解學(xué)生聽課情況，隨時回答學(xué)生提問。最后進行后測練習(xí)，進一步了解學(xué)生課堂學(xué)習(xí)后的掌握情況，及時指導(dǎo)學(xué)生課后拾遺補缺。

1.2 SPOC在線課程和慕課堂的應(yīng)用

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)團隊的每位教師都在中國大學(xué)MOOC平臺上建立了異步SPOC課程，并開設(shè)了慕課堂，從而為每一位學(xué)生提供了一個具有較高質(zhì)量的在線學(xué)習(xí)平臺，為學(xué)生進行課前預(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)容和進度與ZOOM直播課程教學(xué)進度相互匹配。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)團隊所建設(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，進一步回顧所學(xué)內(nèi)容，拾遺補缺。

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。團隊教師利用異步SPOC的平臺優(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，教師通過SPOC平臺直接批閱學(xué)生提交的作業(yè)，并及時反饋批閱意見。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，我們充分發(fā)揮慕課堂前測、后測、討論、簽到、實時統(tǒng)計等功能，不僅增強了教學(xué)的實時互動，更是有效提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的專注度和參與感，增強了學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)的主動性。通過慕課堂的備課功能，將設(shè)計好的前測題、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，按需要使用。

此外，慕課堂管理還有學(xué)生管理、平時成績和學(xué)情統(tǒng)計等功能，所提供的數(shù)據(jù)可以為教師了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況提供詳實的資料(見圖4)，為教師及時發(fā)現(xiàn)問題、調(diào)整教學(xué)策略提供了有價值的參考。

圖4 某班級部分慕課堂管理數(shù)據(jù)

1.3 QQ班級群的作用

團隊教師都建立了各自的班級QQ群。通過QQ群的建立，可以把班級所有的同學(xué)組成一個學(xué)習(xí)團隊，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，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，達成共識(見圖5)。在群里形成了良好的學(xué)習(xí)氛圍，師生互動、生生互動、隨心隨意、隨時隨地。

圖5 某班級QQ群學(xué)生討論截屏

1.4 在線學(xué)習(xí)過程評價和課程評價

教學(xué)中既要考察學(xué)生對知識的理解，又要考察學(xué)生運用知識的能力。課程評價采用多元考核機制，形成性評價與終結(jié)性評價的結(jié)合，課程的總評成績(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)的過程評價和總體評價

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。

2 教學(xué)方案實施和案例介紹

2.1 ZOOM直播課堂教學(xué)計劃

表2為大學(xué)物理學(xué)在線教學(xué)ZOOM直播課程的教學(xué)計劃。團隊教師根據(jù)教學(xué)方案中的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、重點難點，再結(jié)合自己所教班級的具體情況，選用精講、選講或者串講的方式進行課堂教學(xué)。同時結(jié)合習(xí)題講解、課堂討論以及慕課堂進行前測和后測練習(xí)，完成單元教學(xué)。

表2 大學(xué)物理學(xué)在線教學(xué)ZOOM直播課程計劃表

續(xù)表

2.2 教學(xué)案例

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)、知識結(jié)構(gòu)和重點難點，課程共設(shè)計了三個單元的ZOOM直播課。第一單元：轉(zhuǎn)動慣量及計算、剛體定軸轉(zhuǎn)動定律及應(yīng)用，難點：變力矩作用下定軸轉(zhuǎn)動定律的應(yīng)用。第二單元：角動量定理及角動量守恒定律、定軸轉(zhuǎn)動動能定理和功能原理，難點：角動量及其守恒定律的應(yīng)用。第三單元：剛體平面平行運動和純滾動、剛體力學(xué)習(xí)題討論課，進動部分留給學(xué)生自學(xué)。

在ZOOM直播課上，注重教學(xué)重點難點的講解和討論，課中列舉的例題和討論題都給學(xué)生留有思考時間，通過啟發(fā)式提問引導(dǎo)學(xué)生思考問題。同時學(xué)生通過舉手、教師點名、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。

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A和質(zhì)心O點的定軸轉(zhuǎn)動定律來解，也可以應(yīng)用質(zhì)心運動定理和對質(zhì)心O點的定軸轉(zhuǎn)動定律來解。答對的學(xué)生更多采用了第一種解法。為了讓學(xué)生弄懂這個問題，在第三單元的習(xí)題討論課上，重點介紹了該題的第二種解法。同時給學(xué)生出了第二個題目[4]，并用質(zhì)心運動定理和對質(zhì)心的定軸轉(zhuǎn)動定律解了該題(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群中的進一步研究討論，最終他們認(rèn)識到：與牛頓運動定律一樣，定軸轉(zhuǎn)動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)動定律來解，是因為在質(zhì)心這個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)動定律的應(yīng)用有了更深刻的理解。

圖6 某班級慕課堂后測答題結(jié)果

在角動量及角動量守恒定律這個單元，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)生課后實踐課題。例如：(1) 常見的直升飛機被看作是一個由主螺旋槳和機身組成的二體系統(tǒng)，當(dāng)其靜止時，系統(tǒng)的角動量等于零；起飛時，主螺旋槳轉(zhuǎn)動，具有一個角動量，根據(jù)角動量守恒定律，機身要沿相反的方向轉(zhuǎn)動，為了制止機身轉(zhuǎn)動，就要開動尾翼螺旋槳。試分析尾翼螺旋槳產(chǎn)生了什么樣的力矩？它是怎樣制止機身轉(zhuǎn)動的？(2) 乒乓球的自動回滾問題：怎樣可使乒乓球向前運動的同時，以較高的轉(zhuǎn)速“反轉(zhuǎn)”，即乒乓球過一段時間自動回滾等。

團隊教師普遍感覺慕課堂的前測和后測練習(xí)，為我們促進學(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)效果提供了實時數(shù)據(jù)，也為后續(xù)教學(xué)提供了依據(jù)。

2.3 SPOC在線課程的作用

通過數(shù)周的教學(xué)實踐活動，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，該課程為學(xué)生進行自主學(xué)習(xí)，包括預(yù)習(xí)，復(fù)習(xí)，拾遺補缺，自我評價的重要方式。在整個混合式在線教學(xué)中起到不可或缺的重要作用。同時，通過了解這些統(tǒng)計數(shù)據(jù)，教師能夠及時了解學(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，對知識的理解又更進了一步。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。

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，在這樣的特殊時期，組織教學(xué)活動，讓學(xué)生真正做到停課而不停學(xué)。

3 調(diào)查和分析

我們在教學(xué)開展后的第七到第八周，對10個教學(xué)班，1320名學(xué)生進行了一次問卷星教學(xué)調(diào)查活動。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：(1)線上直播互動性強，有助于增強教師和學(xué)生之間的互動，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間和空間的限制進行回放，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溝通解決?！薄跋Ｍ嘁稽c自主學(xué)習(xí)的時間?！薄跋Ｍ麥p少課后作業(yè)，學(xué)習(xí)時間過長，對眼睛不好。”等。

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)用和實踐，為今后進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)。

4 結(jié)語

在線混合式教學(xué)實踐表明，目前形勢背景下

所開展的這項改革在可行性、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、SPOC課程平臺都相當(dāng)穩(wěn)定，便于操作。同時也存在一定的不足之處，比如師生的互動性不如實體課堂那樣容易進行，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間進行備課，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)活動中我們將進一步總結(jié)經(jīng)驗，取長補短，積極探索，不斷改進。