摘 要 由于師資和教學(xué)資源有限，目前多數(shù)高校大學(xué)物理基礎(chǔ)課教學(xué)仍是以大班教學(xué)為主，該模式下難以實(shí)現(xiàn)有效的全員深度互動(dòng)，且大班教學(xué)模式下主觀題作業(yè)無法及時(shí)全批全改難以形成教學(xué)反饋閉環(huán)。針對(duì)上述問題，我們以人工智能和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用為突破口，基于SOTS（Smart Online Tutor System）平臺(tái)開發(fā)設(shè)計(jì)獨(dú)具特色的聊課模式大學(xué)物理課程資源，在一問一答之中讓學(xué)生完成物理概念和解題思路的建構(gòu)，在引導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)的同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生自我學(xué)習(xí)的能力和意識(shí)。經(jīng)教學(xué)實(shí)踐證明，基于SOTS智慧慕課平臺(tái)開展大學(xué)物理課程混合式教學(xué)可以達(dá)成優(yōu)秀的教學(xué)效果，具有較好的推廣示范價(jià)值。

關(guān)鍵詞 混合式教學(xué);智慧慕課;人工智能;大學(xué)物理

在教育部的大力推動(dòng)下，特別在疫情期間，以慕課技術(shù)為代表的“互聯(lián)網(wǎng)+教育”模式成為近些年來高等教育教學(xué)改革的風(fēng)景線，國內(nèi)高校投入了大量的人力和財(cái)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(xué)習(xí)教學(xué)效果難以實(shí)現(xiàn)等原因，這些慕課在實(shí)際教學(xué)中的應(yīng)用十分有限，慕課技術(shù)對(duì)教學(xué)改革和教學(xué)質(zhì)量提升的作用沒有充分地發(fā)揮出來[5-7]。

此外，由于師資和教學(xué)資源有限，目前多數(shù)高校大學(xué)物理、高等數(shù)學(xué)等公共基礎(chǔ)課教學(xué)都是以大班教學(xué)為主。從管理角度，教學(xué)質(zhì)量嚴(yán)重依賴于每個(gè)教師的經(jīng)驗(yàn)水平、個(gè)人意愿和投入程度，教學(xué)管理的成本和質(zhì)量提升的難度極大;從教師角度，常年處于一個(gè)高負(fù)荷的教學(xué)狀態(tài)，重復(fù)性的“教書”工作使教師疲于應(yīng)付;從學(xué)生角度，統(tǒng)一的授課進(jìn)度無法照顧不同學(xué)生在知識(shí)基礎(chǔ)和理解能力方面的個(gè)體差異。

鑒于上述現(xiàn)狀，如何利用人工智能技術(shù)破解上述困局，讓慕課資源真正融入教學(xué)，讓大班教學(xué)也能實(shí)現(xiàn)“一對(duì)一”的教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的混合式教學(xué)是我們本次改革實(shí)踐探索的主要目標(biāo)。

1 常規(guī)混合式教學(xué)中線上學(xué)習(xí)的瓶頸

從2019年我們開展混合式教學(xué)以來，我校大物課程線上選課人數(shù)超過13000人次，利用網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)技術(shù)大大增強(qiáng)了教學(xué)中的師生互動(dòng)和學(xué)情反饋，教學(xué)效果有了明顯提升，但是教學(xué)實(shí)踐中我們通過對(duì)學(xué)生學(xué)情和課程學(xué)情的分析，發(fā)現(xiàn)“學(xué)”“習(xí)”和“管”形式單一成了制約混合式教學(xué)質(zhì)量進(jìn)一步提升的主要瓶頸。主要表現(xiàn)在：

（1） “學(xué)”，線上主要以觀看視頻為主，學(xué)習(xí)過程缺乏有效互動(dòng)，難以通過線上實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，提升學(xué)生的自學(xué)效果。而線下群體教學(xué)，又無法照顧到每個(gè)學(xué)生在知識(shí)基礎(chǔ)和理解能力方面的個(gè)體差異，不能滿足個(gè)性化學(xué)習(xí)的需求。

（2） “習(xí)”，線上基本以客觀題為主，這對(duì)以邏輯推理為主的理工科課程達(dá)不到練習(xí)的目的。線下主觀題作業(yè)批改周期長，學(xué)生難以達(dá)到鞏固所學(xué)的目的，對(duì)教師也難以形成真實(shí)有效的學(xué)情反饋。

（3） “管”，以禁止視頻快進(jìn)、規(guī)定觀看時(shí)長等常規(guī)技術(shù)手段為主，難以對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程形成有效的倒逼機(jī)制，特別是對(duì)于基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，學(xué)習(xí)自主意識(shí)不強(qiáng)的同學(xué)，線上學(xué)習(xí)的效果體現(xiàn)不明顯。

2 應(yīng)用人工智能技術(shù)打造混合式教學(xué)的新形態(tài)

為了解決上述常規(guī)混合式教學(xué)模式下存在的問題，我們使用了SOTS智慧學(xué)習(xí)平臺(tái)作為線上理論學(xué)習(xí)的主要載體，該平臺(tái)將互聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)引入視頻學(xué)習(xí)和主觀題作業(yè)批改等教學(xué)環(huán)節(jié)[8-9]，如圖1所示。視頻學(xué)習(xí)與檢測(cè)、評(píng)價(jià)、反饋、決策和學(xué)習(xí)紀(jì)律監(jiān)管深度融合，作業(yè)題型包括了計(jì)算題、證明題等主觀題型，并且能讓電腦自動(dòng)批改，實(shí)現(xiàn)線上作業(yè)效果與傳統(tǒng)線下作業(yè)實(shí)質(zhì)等效。

利用平臺(tái)人工智能技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并依據(jù)本課程教學(xué)過程中各環(huán)節(jié)在線上或線下開展的優(yōu)勢(shì)比較，我們構(gòu)建了基于聊課理念（即通過與學(xué)生一問一答聊天式的授課）的大學(xué)物理線上學(xué)習(xí)新形態(tài)，制定了本課程的“3+3”混合式教學(xué)范式的總體設(shè)計(jì)。如圖2所示，課程講授、問題互動(dòng)和課后作業(yè)主要在線上完成，而匯報(bào)討論、考試評(píng)講和實(shí)驗(yàn)演示則主要在線下進(jìn)行，線上線下，各顯所長，有機(jī)融合，協(xié)同育人。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了如圖3所示的“五個(gè)一”學(xué)習(xí)全鏈條考核評(píng)價(jià)激勵(lì)體系，即“一小節(jié)一互動(dòng)、一學(xué)時(shí)一作業(yè)、一單元一測(cè)試、一模塊一匯報(bào)、一學(xué)期一統(tǒng)考”。以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的連續(xù)性、層次化的激勵(lì)體系充分體現(xiàn)混合式教學(xué)的特點(diǎn)。課程成績?cè)u(píng)價(jià)1+1+N 體系由期末考試成績（50%）+線上學(xué)習(xí)成績（30%）+N項(xiàng)線下平時(shí)成績（20%）組成，其中線上學(xué)習(xí)成績包括單元測(cè)驗(yàn)、課后作業(yè)、在線討論等。線下平時(shí)成績又分為兩大類，一類體現(xiàn)基本盤，如課堂互動(dòng)表現(xiàn)等，一類體現(xiàn)“挑戰(zhàn)度”，如創(chuàng)新設(shè)計(jì)、課堂研討、學(xué)科競(jìng)賽加分等，全面貫徹以學(xué)生為本的思想，重點(diǎn)考核對(duì)學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及能力素質(zhì)的培養(yǎng)。

3 線上教學(xué)設(shè)計(jì)

采用較為口語化的講課方式，每一節(jié)課內(nèi)容設(shè)置3～5個(gè)互動(dòng)題，互動(dòng)題設(shè)置主要考察基本物理概念的理解、計(jì)算題關(guān)鍵求解步驟和與已講解例題類似的問題。學(xué)生回答錯(cuò)誤后被要求重新觀看上一節(jié)點(diǎn)的視頻內(nèi)容，回答正確后老師也會(huì)對(duì)互動(dòng)題有較為詳細(xì)的講解。例如在講解如何利用均勻磁場(chǎng)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(shí)，如圖4所示，可以先通過一個(gè)例題的講解，然后再輔以一個(gè)類似的習(xí)題進(jìn)行互動(dòng)，考查學(xué)生視頻學(xué)習(xí)的效果，檢驗(yàn)其是否正確理解了該物理概念。

對(duì)于大學(xué)物理課程中較為復(fù)雜的計(jì)算題進(jìn)行講解時(shí)，我們聊課模式的授課則是將其解題步驟進(jìn)行分解，如圖5所示，在講解非均勻磁場(chǎng)中載流導(dǎo)線受力計(jì)算時(shí)，可以在分析完電流元的受力情況后引導(dǎo)學(xué)生先寫出電流元受力的表達(dá)式，繼而得出整根載流導(dǎo)線受力的積分形式，最后又進(jìn)一步讓學(xué)生完成積分運(yùn)算，得到最后的結(jié)果。通過循循善誘的線上聊課互動(dòng)學(xué)習(xí)，達(dá)到類似于“一對(duì)一”當(dāng)面教學(xué)的效果。此外，為了形成更為有效的互動(dòng)回饋，很多聊課題目題干中的參數(shù)設(shè)置是隨機(jī)生成的。如圖6所示，每位同學(xué)面對(duì)的題目參數(shù)和答案是不一樣的，這也倒逼學(xué)生只有認(rèn)真聽懂前面的內(nèi)容才可以順利完成互動(dòng)進(jìn)入后續(xù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)。通過精準(zhǔn)的深度互動(dòng)，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)高效的自主學(xué)習(xí)，并且通過復(fù)雜問題分步驟互動(dòng)培養(yǎng)學(xué)的邏輯思維能力。聊課模式的線上學(xué)習(xí)有效避免了課堂教學(xué)特別是大班教學(xué)難以實(shí)現(xiàn)全員深度互動(dòng)的教學(xué)難題，使得理論知識(shí)的教學(xué)的效果得以顯著的提升。

為使每節(jié)課的學(xué)習(xí)，每一節(jié)課結(jié)束都會(huì)有3～5題作業(yè)題鞏固視頻學(xué)習(xí)內(nèi)容，且系統(tǒng)設(shè)置只有在完成相應(yīng)內(nèi)容的視頻學(xué)習(xí)之后才可以進(jìn)行作業(yè)。線上作業(yè)覆蓋各類題型，做到與紙質(zhì)作業(yè)實(shí)質(zhì)等效，學(xué)生完成作業(yè)提交后系統(tǒng)馬上完成批改和判分，作業(yè)成績低于設(shè)置要求的最低分時(shí)，將沒有成績，必須重做。學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)批改情況重新糾錯(cuò)修改，通過糾錯(cuò)過程完成知識(shí)的鞏固。另外，作業(yè)系統(tǒng)也可以設(shè)置隨機(jī)參數(shù)題，每位同學(xué)的收到的題目參數(shù)也各不一樣。不管是聊課學(xué)習(xí)還是作業(yè)，基于智慧慕課SOTS學(xué)習(xí)平臺(tái)設(shè)計(jì)的線上學(xué)習(xí)邏輯對(duì)全體學(xué)生形成了有效的倒逼機(jī)制，線上學(xué)習(xí)任務(wù)的完成率接近100%。

4 線下課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

根據(jù)課程內(nèi)容及難易程度一個(gè)單元或者半個(gè)單元進(jìn)行一次線下的重難點(diǎn)梳理和單元測(cè)試，課堂上對(duì)難點(diǎn)和易錯(cuò)概念實(shí)施同伴教學(xué)法，通過學(xué)生之間的討論來完成易錯(cuò)物理概念的建構(gòu)，對(duì)學(xué)生掌握情況較差的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性講解。通過學(xué)情反饋有效幫助教師調(diào)整教學(xué)策略，提升課程教學(xué)質(zhì)量。單元測(cè)試采用手機(jī)答題，利用信息技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析及時(shí)完成單元測(cè)試反饋，根據(jù)作答情況進(jìn)行考題講解，查缺補(bǔ)漏，讓課堂教學(xué)有的放矢。除了理論教學(xué)，針對(duì)每單元課程內(nèi)容設(shè)置開放性實(shí)踐制作類問題，例如利用動(dòng)量定理設(shè)計(jì)雞蛋落地保護(hù)裝置，利用電磁學(xué)知識(shí)制作磁懸浮裝置、電磁炮、無線充電裝置等，讓學(xué)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(shí)物匯報(bào)展示。

5 學(xué)生反饋和教學(xué)效果

問卷調(diào)查顯示，超過85%的學(xué)生認(rèn)為混合式教學(xué)可以有效幫助其提升自學(xué)能力，超過92%的同學(xué)表示可以較好的完成線上作業(yè)，超過99%的同學(xué)認(rèn)為一問一答的聊課模式有助于提升對(duì)物理概念和物理過程的理解?；趩柧淼慕Y(jié)果，我們認(rèn)為基于SOTS平臺(tái)開展的混合式教學(xué)模式有效解決了常規(guī)混合式教學(xué)線上學(xué)習(xí)部分存在的問題。

在2022—2023-1學(xué)期的大學(xué)物理B1課程安排中，共計(jì)有15個(gè)平行班，兩位教師的4個(gè)教學(xué)班開展純線下教學(xué)，9個(gè)教學(xué)班開展常規(guī)混合式教學(xué)，即“預(yù)習(xí)前測(cè)課堂講解線下作業(yè)單元測(cè)試期末測(cè)試”，2個(gè)教學(xué)班開展基于SOTS和學(xué)習(xí)通平臺(tái)的“3+3”混合式教學(xué)。兩個(gè)SOTS試點(diǎn)班卷面成績無論是平均分還是及格率分列15個(gè)平行班的第一和第二位。圖7為三組教學(xué)班的平均成績，從卷面成績分布可以明顯看出，常規(guī)混合班成績要好于純線下教學(xué)，SOTS試點(diǎn)班成績要明顯優(yōu)于其他兩組。從各分?jǐn)?shù)段的分布比較來看，該結(jié)果顯示本模式的學(xué)習(xí)對(duì)基礎(chǔ)較為薄弱的同學(xué)有明顯的促進(jìn)作用，這充分說明學(xué)生通過基于SOTS平臺(tái)開展的“3+3”混合式教學(xué)，突破了混合式教學(xué)線上學(xué)習(xí)的瓶頸，取得了優(yōu)秀的教學(xué)效果。

6 結(jié)語

基于人工智能技術(shù)開展的3+3混合式教學(xué)范式充分發(fā)揮了線上線下各自的優(yōu)勢(shì)，生動(dòng)詮釋了混合式教學(xué)的技術(shù)邏輯。通過獨(dú)具特色的大學(xué)物理線上聊課模式讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)的同時(shí)培養(yǎng)了其自我學(xué)習(xí)的能力。主觀題作業(yè)電腦全批全改對(duì)學(xué)生和教師都形成及時(shí)的學(xué)情反饋，一方面使教學(xué)持續(xù)改進(jìn)的閉環(huán)得以實(shí)現(xiàn)，另一方面也使得教師從低質(zhì)量的重復(fù)勞動(dòng)中得以解放，給教師從事高質(zhì)量育人工作開創(chuàng)了空間。按照學(xué)習(xí)活動(dòng)周期，從十分鐘左右的一小節(jié)學(xué)習(xí)互動(dòng)到一學(xué)期的期末考試的“五個(gè)一”的全過程考核激勵(lì)機(jī)制，對(duì)學(xué)生倒逼效果明顯。

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