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)字中國戰(zhàn)略引領(lǐng)高等教育全方位發(fā)展,國家智慧教育平臺的建設(shè)與應(yīng)用,有助于將數(shù)字資源的靜態(tài)勢能轉(zhuǎn)化為教育改革的動能,推動教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型,促進教育現(xiàn)代化. 在理工科教學(xué)中,實驗教學(xué)是集合科學(xué)思維、實踐設(shè)計、動手操作和數(shù)據(jù)處理等能力培養(yǎng)的教學(xué)環(huán)節(jié),實驗和理論課結(jié)合是豐富綜合素質(zhì)教學(xué)的重要手段,如何實現(xiàn)實驗課數(shù)字化,而且要有實況感和體驗感,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)字化實驗教學(xué)轉(zhuǎn)型面臨的挑戰(zhàn)[1-3]. 中山大學(xué)以光學(xué)課程為實例,開展合作虛擬教研,并定制了數(shù)字化實驗混合授課平臺,將實體實驗數(shù)字化,經(jīng)過多層圖像定量網(wǎng)絡(luò)上載,同時與仿真結(jié)合,豐富課程授課內(nèi)容和方式,增強演示實驗的定量表達能力,提升授課的科學(xué)性[4-6].

1 課程設(shè)計

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年上線愛課程網(wǎng)站,2022年上線國家智慧教育平臺. 課程已運行7個教學(xué)周期,受益者達4萬余人,輻射范圍涵蓋國內(nèi)外,2020年制作英文版慕課OPTICS,2021年上線,為海外留學(xué)生開辟了學(xué)習(xí)空間. 在持續(xù)開展一流課程建設(shè)和維護的基礎(chǔ)上,通過學(xué)情研討,中山大學(xué)與喀什大學(xué)合作共建實體演示實驗與理論授課相結(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)演示實驗為核心的授課方式,實現(xiàn)演示實驗數(shù)字化、實景現(xiàn)場拍攝,教師針對實驗環(huán)節(jié)設(shè)計互動,學(xué)生現(xiàn)場感受實體實驗,并定量分析實驗結(jié)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(xué)生學(xué)情,有針對性地調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和課堂關(guān)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(xué)研究,共同推進教學(xué)進度.

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

3)拓展開發(fā)奕課堂混合式教學(xué)平臺(Online merge offline, OMO). 為實現(xiàn)線上同步數(shù)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(xué)生管理、課堂互動、課件管理等教學(xué)模塊及功能,支持多機位攝像頭同步放送,在線演示實驗細(xì)節(jié)全方位、全過程呈現(xiàn);課堂實錄可以回放,學(xué)生課后可以反復(fù)觀看復(fù)習(xí);自動記錄每個學(xué)生在線上課堂的互動情況,監(jiān)督學(xué)生的學(xué)習(xí)情況.

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

2 課程實施

根據(jù)實際情況,調(diào)整上課時間、上課地點和上課方式,豐富奕課堂的應(yīng)用場景,學(xué)生在電腦和手機上參與課堂的互動教學(xué)活動,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,授課過程中及時答疑解惑. 課后組織技術(shù)組研討,優(yōu)化下周呈現(xiàn)場景和鏡頭切換等工作細(xì)節(jié).

根據(jù)理論與實驗結(jié)合、虛實結(jié)合的要求,教學(xué)過程包括了講解理論知識,演示實驗現(xiàn)象,數(shù)字化呈現(xiàn)實驗結(jié)果,師生互動檢驗教學(xué)成果,學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)等環(huán)節(jié). 為了實現(xiàn)實驗項目的數(shù)字化,需要根據(jù)不同的實驗項目采用不同的數(shù)字化設(shè)備及數(shù)據(jù)處理技術(shù). 實驗數(shù)字化一方面體現(xiàn)在采用電動調(diào)節(jié)裝置或者攝像頭記錄手動調(diào)節(jié)的狀態(tài),實現(xiàn)實驗過程輸入的數(shù)字化;另一方面采用傳感器、功率計、攝像頭等將實驗結(jié)果數(shù)字化呈現(xiàn),實現(xiàn)實驗結(jié)果輸出的數(shù)字化. 通過演示實驗的課堂實錄學(xué)生獲取所需實驗數(shù)據(jù),進而與理論對比,深化對課堂知識的理解.

2.1 實時互動調(diào)整上課時間

疆粵兩地有時差,為保證學(xué)生學(xué)習(xí)時間,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)束的時候顯示,能夠預(yù)留給學(xué)生最好的學(xué)習(xí)時段對授課效果有鮮明的促進作用.

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

光學(xué)是一門激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維的物理學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程,對于學(xué)生構(gòu)建專業(yè)知識結(jié)構(gòu)、開展研究型學(xué)習(xí)具有重要作用. 線上課程加入有體驗感和科學(xué)分析的演示實驗?zāi)軌騽?chuàng)新理科專業(yè)課線上授課方式,推動實體實驗教學(xué)數(shù)字化. 將中山大學(xué)實驗教學(xué)特色融入課程,能夠充分發(fā)揮實驗工程技術(shù)人員扎實的研發(fā)實力,聚焦實踐和理論相結(jié)合的線上線下混合/理論實驗綜合的同步課堂建設(shè). 課堂授課方式采用以實體定量的演示實驗為核心載體,結(jié)合理論課小結(jié)講授方式,學(xué)生通過MOOC自學(xué)基本內(nèi)容,喀什大學(xué)開設(shè)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(nèi)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(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)動傳感器,模仿步進電機的工作機制,通過編程自動數(shù)據(jù)采集.

實驗中采用多鏡頭配置,學(xué)生既可以看到整體光路結(jié)構(gòu),也可以看到后臺程序運行,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時展示,因為有定量結(jié)果,學(xué)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(huán)節(jié),采用虛擬仿真技術(shù)呈現(xiàn)定量結(jié)果的預(yù)測,同時搭建實體實驗,啟動多鏡頭實時拍攝并保證雙向網(wǎng)路傳輸,將實體課堂高保真地同步到喀什課堂,學(xué)生觀感接近真實,通過可視化數(shù)據(jù)開展實驗定量分析和思考.

2.4 分析學(xué)習(xí)行為,聚焦過程性評價

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

圖2是學(xué)生的互動情況分析,192位學(xué)生全程在線,互動設(shè)計在3 min內(nèi)作答,可以看到學(xué)生的互動參與率在50%以上. 從圖中可以看到學(xué)生的回答問題和回答正確率,這些數(shù)據(jù)可實時為教師提供本次課的難度和節(jié)奏. 從互動方面看,學(xué)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(nèi)容的分布和學(xué)生的接受程度. 后臺分析還發(fā)現(xiàn),有3名學(xué)生全部互動回答且全部正確,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日課堂互動后臺統(tǒng)計

2.5 實時互動,解決網(wǎng)絡(luò)課堂學(xué)習(xí)體驗缺乏問題

以國家智慧教育平臺為基礎(chǔ),拓展開發(fā)奕課堂平臺,激活網(wǎng)絡(luò)雙向互動,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)動力的網(wǎng)絡(luò)互動課堂資源. 通過同步實驗+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;通過互動討論、截屏提問和語音問答環(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(chǔ)上定量分析,并結(jié)合理論分析設(shè)置互動問題,在網(wǎng)絡(luò)支持下,實現(xiàn)及時投票應(yīng)答,并針對答題結(jié)果開展及時分析、討論和解答.

(a)

3 課程效果

學(xué)生在學(xué)習(xí)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(xué)物理與電氣工程學(xué)院學(xué)生的好評.

李萍萍同學(xué)說:老師教學(xué)在書面淺顯知識的基礎(chǔ)上,進一步擴大了教學(xué)知識的深度及廣度,擴大了學(xué)生的知識面,并且多方面培養(yǎng)了學(xué)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(xué)生的互動環(huán)節(jié),增強了課堂氣氛,使教學(xué)效果更加顯著. 陳毅同學(xué)說: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,注重知識和實驗相結(jié)合,帶動了學(xué)生學(xué)光學(xué)的積極性,同時也使我對光學(xué)了解的更深. 趙樂同學(xué)講到:老師講課十分認(rèn)真投入,條理性強,為人和藹,課堂能與同學(xué)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(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性,進一步提升學(xué)生學(xué)習(xí)的自豪感和獲得感. 喀什大學(xué)教務(wù)處評價,“中大提供的光學(xué)課程是針對喀什大學(xué)師生需求精準(zhǔn)打造的西行慕課”“中大光學(xué)教學(xué)團隊通過自主研發(fā)的仿真實驗、動畫等手段使喀什學(xué)生對光學(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)專題報道,周閱讀量超過3萬,獲得社會廣泛認(rèn)可. 這些評價定性顯示,教學(xué)是有溫度有人文情懷的互動過程,如何把同步課堂建設(shè)成為有溫度、有人文關(guān)懷的課堂,對充分提升優(yōu)質(zhì)資源發(fā)揮良好效果、打通資源補給的最后一公里至關(guān)重要.

結(jié)合數(shù)字化實驗混合課程建設(shè)是在SeeLight教學(xué)平臺的理念發(fā)展起來的. 在SeeLight平臺還嵌入了仿真的課后作業(yè)模塊,也實施了伴隨性動作抓取和行為分析,可實現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為分析,并對學(xué)習(xí)提出建議. 奕課堂現(xiàn)在已經(jīng)與SeeLight平臺對接,有望在將來實現(xiàn)如上功能.

4 分析和研討

經(jīng)過1個學(xué)期10個數(shù)字化實體實驗的互動同步課堂的教學(xué),成功實現(xiàn)了資源共享、優(yōu)勢互補的目標(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). 通過不同區(qū)域師生在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的互動教學(xué),探索了理工科理論+實驗教學(xué)的新形態(tài),基于學(xué)習(xí)行為的監(jiān)測和分析可以獲得學(xué)情數(shù)據(jù),有利于教學(xué)改進.

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)重點在內(nèi)容,課程內(nèi)容設(shè)置直接關(guān)系到專業(yè)知識的架構(gòu),好的授課形式和技術(shù)是驅(qū)動,從而激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、主動思考. 因地制宜、與時俱進定制課程是最優(yōu)選擇,如:大國重器天眼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”依托國家智慧教育平臺、國產(chǎn)自主研發(fā)平臺推進,學(xué)生在安全的網(wǎng)絡(luò)下學(xué)習(xí),數(shù)據(jù)安全可控. 在課程實時監(jiān)控和安全保障方面的偵測要全面、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),雖對青年人具有吸引力,但是對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,同時保證網(wǎng)絡(luò)空間干凈安全.

4.4 數(shù)字化轉(zhuǎn)型推進教育生態(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),有利于推進線上線下混合教學(xué)、虛擬仿真實驗教學(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,促進教育公平,推進社會全面進步.

5 結(jié)束語

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,有利于推進教育公平和促進高效協(xié)同發(fā)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(rèn)為以信息化技術(shù)有效地促進了教育公平. 因此,數(shù)字化實體實驗的網(wǎng)上復(fù)刻技術(shù)可能對未來的理工科同步課堂教學(xué)具有參考意義.