基于SPOC的大学物理课程混合式教学设计与实践

王祖源 张 睿 顾 牡 张志华

(同济大学物理科学与工程学院，上海 200092)

写在正文之前

本文是笔者近5年基于SPOC的混合式教学的工作总结，我们写这个总结主要是基于以下3个方面的原因：

其一，同济大学教育技术学专业硕士点师生在不断跟踪、调研现代教育技术应用前沿的过程中，认识到高等教育信息化是促进高等教育改革创新和提高质量的有效途径，是教育信息化发展的创新前沿。正如《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》所指出的：“信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视”[1]。教育信息化的发展要以教育理念创新为先导，以优质教育资源和信息化学习环境建设为基础，以学习方式和教育模式创新为核心服务于教育改革和发展，探索现代信息技术与教育教学的深度融合，以信息化引领教育理念和教育模式的创新。2013年初夏，我们在学校本科生院(原教务处)设立的学校层面教学改革研究项目“教育技术前沿中MOOC模式研究与实践”课题支持下，正式拉开了基于MOOC的混合式教学模式设计与大学物理MOOC课程建设的序幕；同年9月，在我校大学物理(下)课程的一个班级中开始第一批教学试点。那时，在线视频部分使用的是我校在“爱课程”网上运行的“大学物理精品资源共享课”视频。“爱课程”推出的“精品资源共享课”视频是真实课堂教学的随堂录制，这种视频模式对于非在校的社会学习者是比较合适的，但我们这次试点并没有对社会开放，只面对在校学生。按教学进度配置与其教学内容对应的随堂测试、周作业与周测试，很受那些进入大学后就想“放松一下”进而经常不愿意进课堂听课的学生的欢迎。在线课堂也让我们思考：学生已经可以在线学习传统课堂上的教学内容，那当他们走进教室后，教师再给他们讲什么呢？“翻转课堂”由此应运而生，更深入一点，需要重新规划教学方案，重新录制线上教学视频。与此同时，我们研究MOOC、SPOC、微课程等特征，不断与试点班级的学生交流教与学的体会，并开始基于SPOC的混合式教学设计与实践，至2018年6月，笔者已完成了5年的基于SPOC的混合式教学模式教学试点。在这几年的教学改革中，我们努力将教育技术基本原理应用于教学实践，希望从教学理念、方法、手段等方面真正理解教育教学改革的本质，让教学改革步入科学研究的轨道，使教学质量上一个台阶。回顾历程，虽然谈不上这项改革取得了成功，但经过不断修改、完善线上线下教学资源，不断改进师生互动的方式方法，现已形成了比较稳定的“基于SPOC的混合式教学模式”。希望其中能有点滴片段可以对我国开展MOOC本土化的教师有参考和借鉴作用。

其二，我们从在高等教育的课程中实施大规模在线开放课程(慕课)的可行性研究开始，结合同济大学大学物理课程每个学期教学实践的数据分析，先后又在学校的教改课题中立项开展了“大学物理‘微课程’建设的研究与实践”“《大学物理》SPOC实践与资源建设”、上海高校本科重点教学改革项目“‘互联网+’背景下的大学物理课程建设与实践”课题以及上海市哲学社会科学规划教育学重点项目“技术支持学习环境下对学习者学习成效影响研究”等课题研究，实施教学实践的教师逐渐增加。参与这些课题研究工作的教师和研究生先后在《中国大学教学》《物理与工程》《现代教育技术》《大学物理》等期刊上发表了相关的研究论文，我们希望对这些工作进行必要的归纳总结，也算是对这些研究课题必要的交代。

图1 基于WiFi的课堂互动系统应用实例

其三，笔者曾在几个全国性教育教学相关会议和国际物理教育研讨会上介绍开设基于SPOC的大学物理混合式教学的一点体会。其间，有老师问及能否分享我们的讨论题目。坦诚地说，不是我们不愿意分享，而是没有足够的把握认为这是合适的讨论题目。例如，在一次研讨会上介绍“基于WiFi的课堂互动系统”中用过的一道关于狭义相对论视觉效应的题目，如图1所示。我们的意图是强调“长度收缩是发生在有相对运动的方向上”，以及其“不是看到的图像”等问题。或许由于不是在课堂教学过程中的场景，会下就有老师提出“这个题目不是狭义相对论的题目”。我们认为，给学生讨论什么样的题目见仁见智，而且对不同的对象，依据他们对已有知识的理解程度，讨论的题目应该有所不同。如今，我们已经整理出了一套题目，在非“写教材”的定位下，愿意与正在开展相关教学模式的老师交流分享。

0 引言

2016年初，联合国教科文组织(UNESCO)总干事伊琳娜·博科娃(Irina Bokova)在以《反思教育：向“全球共同利益”的理念转变？》(Rethinking education: Towards a global common good?)为题的研究报告[2](以下简称“报告”)“序言”部分写道：“我们在21世纪需要怎样的教育？在当前社会变革的背景下，教育的宗旨是什么？应如何组织学习？”她指出：“世界在变化，教育也必须变化。社会无处不在经历着深刻变革，这种形势呼吁新的教育形式，及今后社会和经济所需要的能力。”

事实就是这样，学生的学习模式在过去的几年里发生了巨大的变化，知识来源改变了。我们现在的教学对象也很有个性：他们获取知识的途径多元，上课不是唯一的途径；他们习惯于图像刺激，不习惯阅读长篇文字；他们注意力持续性短暂，不习惯长久坐着听讲；他们喜欢一心多用，热衷于使用移动产品，且容易接受并尝试新事物。此时，学习者与知识之间的交流互动方式也改变了。

那么作为教师，该如何对待互联网时代学生所发生的这些变化呢？我们是否应该重新思考教与学、教师与学生、课内与课外的关系？这里不妨思考这样一个问题：在信息技术应用进程中，E-mail与e-learning几乎是同时出现在人们的视线，为什么E-mail很快被人们接受而且广泛应用，但e-learning的应用却不够乐观？如同E-mail应用给我们带来了新的交流方式，京东给了人们新的购物方式，百度提供了新的获取信息的方式，教育理所当然地应该为学生提供更为有效的学习方式，实现学生创新能力的提高。

与此同时，移动互联网、大数据分析、创客以及虚拟现实(VR)、增强现实技术(AR)等新信息技术正在进入课堂，为高等教育的革新与发展提供了新的教育研究范式。这些与互联网技术密切相关的技术具有泛在性、即时性、个性化，移动互联网使学习者可以随时随地开展学习；大数据可以使教育者能够及时有效地分析学习者的学习行为，并根据反馈信息调整自己的教学工作；增强现实技术可以增强学习者和学习平台之间的交互功能，帮助学习者通过自身体验学习知识。如果高等教育能够有效地将这些信息化工具整合到教学过程中，教学效果将会得到较大的提升。

传统的教学以教师为中心，教学过程往往是单向式，传递的信息是同质的，很难实现个性化教学；学生在学习过程中缺乏实践体验，学习过程以记忆理解为主，缺少对知识的应用和基于所学知识的创新，这样的教学模式难以适应信息时代的需要。

国务院于2015年发布的《国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》指出，“互联网与各领域的融合发展具有广阔前景和无限潜力，已成为不可阻挡的时代潮流”[3]。党的十九大明确提出要“加快教育现代化，办好人民满意的教育”，要“发展素质教育，推进教育公平”。在这样的时代背景下，“互联网+教育”的信息化教育已然成了促进传统教育变革的重要途径，全民教育、个性化学习、终身学习等成了当今时代教学的主旋律，各种教育信息化实例层出不穷[4]。

1 “慕课”“微课程”“翻转课堂”的特征与翻转课堂是否适用于理科课程的争议

1.1 “慕课”“微课程”“翻转课堂”的特征

随着信息技术的飞速发展，传统高校教学模式面临着“大规模开放式在线课程”“移动学习”“翻转课堂”等的挑战。于是，“现在有些人认为，由于电子学习、移动学习和其他数字技术提供了大量学习机会，学校教育模式在数字时代是没有前途的”[2]。该观点对“慕课”和“翻转课堂”教育教学改革的认识存在误区，笔者认为有必要从近几年混合式教学践行者的角度，剖析“慕课”“微课程”“翻转课堂”等教育界广泛关注的热点词语的特征，探讨“互联网+”时代信息技术与教育教学深度融合的可能方式。

慕课，即大规模开放式在线课程(massive open online course，MOOC)，是20世纪末西方开创孕育、2012年开始在全世界教育界涌现出的一个浪潮，其本质是一种教学模式，是以支持大规模和开放性为特征的网络课程，今天更多地称为大规模开放的在线课程。但这种大规模开放的在线课程与传统的网络课程有着明显的区别，尽管过去的网络课程可以提供高质量的教育，但难以做到“大规模”；过去网络课程的高收费，无“开放”可言；今天的慕课是任课教师全程参与课程教学，包含课程的设置、实施、课程进行中的师生互动等，被看作是教育传播服务的变革。李晓明教授将慕课定义为一个教学过程，即“主讲教师负责的，通过互联网开放支持大规模人群参与的，以讲课短视频、作业练习、论坛活动、通告邮件、测验考试等要素交织，有一定时长的教学过程。”[5]

微课程(micro-lecture)，常简称为“微课”，指的是以一个内容简短、主题明确的视频来集中说明一个问题或核心内容的小课程，最终形成在线学习或移动学习的实际教学内容，因而被看成是在线课程所需的教学资源，包含课堂教学中的教学设计、教学方法和素材课件等。微课程的主要特点是时间短、内容少、容量小、主题突出、多样传播、针对性强，并且微课程的制作简单。目前，微课程不仅是师生学习交流的教育资源，也构成了学校教育教学改革的特色[6]。微课是信息化时代的产物，是一种革新式的教学理念和教育技术，具有教学目标明确、教学内容简化、资源使用方便和制作成本低廉等特征，制作环节包括选题、教学设计、录制微课视频、视频后期处理和资源发布等5个步骤，其中教学设计环节是微课堂建设最重要的环节。

翻转课堂(flipped classroom或inverted classroom)是信息化时代的产物，颠覆了传统课堂与课下的教学流程，是促进学生的个性化学习的创新教学模式。翻转课堂把知识的学习与信息的获取放在课下，让学生借助在线视频或互联网进行自主学习；而课上的宝贵时间用于师生交流，答疑解惑和探究学习等。这种教学模式把学习的主动权交还给学生，学生在课下可以利用多种教学资源、慕课和微课等网络资源进行自主学习、查阅资料而获取知识，教师在课上通过组织探究、研讨和答疑等的教学形式，达到交流互动，帮助学生进行知识内化，提升学生对所学知识的深刻理解，从而培养学生自主学习的能力，体现个性化学习特点。

1.2 翻转课堂是否适用于理科课程的争议

从教师的教学来看，翻转课堂教学模式实际上是教师对自己的教学进行重组。在教学流程设计上，依据翻转课堂教学模式创新逆向教学流程的思路，把学生通过阅读教材或其他网络数字资源容易习得的知识内容，放在课程网站上。通常是将知识点讲授的内容录制成视频，同时提出一些在学习过程中可以讨论的问题，包含自学过程中的自测题、有助于加深理解的问题、知识应用题以及能力拓展问题等，供学习者带着问题进行在线研讨式学习，且要求学生在教师预先设置好的学习时间节点内完成自主学习。课堂教学的内容则是以讨论式学习为主，比如进行知识点的系统性梳理，关键问题的讨论，作业过程中发现的问题讨论，某些课本以外的问题讨论等；对那些需要动手实验或深入研究的问题，也可以在研讨式的课堂上交流。翻转课堂教学模式的应用建立在信息化教学技术手段发展完备的基础上，教学技术手段的完备程度是指技术手段达到应用的标准，具有广泛的应用性，且具有便捷的使用途径。

在校学生是否适用以微课程资源为基础的翻转课堂教学是一个争论比较大的问题，特别是物理这种理科课程，如何处理微课程教学资源可能导致知识“碎片化”是首先要重点考虑的问题。碎片化包括时间碎片化、知识碎片化和学习碎片化。理性地讲，学生进行微学习(微学习主要是指由微内容和微媒体构成，学习者可以身心愉悦地随时随地进行学习。微内容是把原来较大的知识块划分为较小的但相互关联的单元模块，从而使得每个单元的学习时间更短。微媒体即承载微内容的媒体，具有轻便易用的特性。)具有自主性、个别性和个性化等特征，同时也失去了相对固定的物理空间和班级教学的组织形式，这使得学生的学习受到碎片化特征的制约。在碎片化学习的背景下，表面上变为碎片化的知识，实际上却方便了知识的重构，我们需要使用“零存整取式学习策略”。零存整取学习策略的核心思想是把不断积累的知识碎片进行融合，使碎片化的知识逐渐整合起来，并与个人原有的知识体系实现对接，从而达到化零为整的目的，最终通过将碎片化知识进行创造性重构而实现知识创新[6]。因此，教师应当规划好定期推送给学生的学习量，面授课上注意帮助学生建立起知识点之间的联通管道，归纳总结所学到的碎片知识，形成逻辑结构严密的知识框架。

还有一个回避不了的问题：有的教师担心，学生已经通过在线学习掌握了基本的学习要点，没必要再到课堂上来听课；有的学生干脆课前不进行学习，直接去课堂听老师讲，这涉及“听课”与“讲课”两个基本概念。“听课”多数情况下是学生按照指定时间去指定地点，听一个教师(通常是用投影PPT的方式)讲上1～2个小时，然后散掉。如果教师精心准备了这1～2个小时的教学内容，讲授过程中不断展示所教授内容的感悟和思考，抑扬顿挫地体现了重点和要求，学生听讲一定比自己看书的效果好很多，这样的听课的确有必要。不过这也是有成本的，那就是一群人在指定时间去同一个地方待一段时间，而且，学生之间的差异会导致他们在那段时间里不一定总有收获，特别是在某个点思想开小差的同学，回过神后就不知教师所云了。所以，教师如何设计自己的“讲课”非常重要，既要让已经习得基本知识的学生从“听课”中获益，也要让那些容易思想开小差的学生积极参与到课堂中，更要让那些课前不学习的学生尽快回归到正常的学习轨迹中来。教师的“讲课”不仅要避免与在线课程教学内容的重复，还要充分发挥课堂面授教学的优势，帮助学生深入理解、内化所学知识，这就是基于翻转课堂的混合式教学模式。在这种教学模式下，课堂活动是参与式的，学生需要为参与这样的课堂事先学习和准备。教师需要指导这种学习和准备，他可能会用到一些视频资源，可能是自己的，也可能是他人的，慕课则可以看成是有助于学生参与课堂的理想材料的一种近似[7]。

教学模式是教育学领域的宏观概念，是建立在具有一定指导性思想基础上的教学理论，具有相对稳定和完整的教学活动框架与程序，同时又不失灵活性与可操作性。基于翻转课堂的混合式教学模式作为信息化时代兴起的教学模式有其自身的创新特点：一是教学流程的创新。传统课堂教育模式遵循的教学流程是先课堂传授知识，学生获取信息，而后学生课下巩固复习；基于翻转课堂的混合式教学模式创新性地实现了教学过程的逆向创新，学生学习的起点始于课下，学生通过自主学习获取知识，而后在课堂上通过讨论、练习等形式的课堂活动加深理解。二是辅助教学手段的创新。传统教学模式中，辅助教学手段往往在课堂教学中应用，而基于翻转课堂的混合式教学模式一大创新点在于真正借助互联网和视频制作技术的普及，将辅助视频资源应用于整个教学流程中，学生可以借助网络在线和学习视频在课下实现自主学习。三是教师功能的创新。在教育学发展的长河里，教师一直是课堂的权威，教师在教学活动中具有绝对的领导地位，教师是学生获取知识和信息最主要的渠道。但是在基于翻转课堂的混合式教学模式中，其创新之处在于教师的角色功能被重新定位，学生在学习活动中的地位被显著提高，学生在学习活动中变得更为主动，教师成为学习活动的组织者、引导者、辅助者。学生获取信息也不完全依赖于教师的传授，而可以通过各种教育技术手段完成。

我国在MOOC领域也积极响应，先后推出了中国大学MOOC、好大学在线、学堂在线、智慧树等课程平台，一方面引进国际优质课程，实现国际教育的本土化；另一方面实现国内优秀课程的共享，推广华语圈高等教育领域的优秀成果。大量在线开放课程的出现降低了课程的运行成本，上线课程和受教育人数都在增加，这使得学习名校名师的课程不再成为奢望，教育变得更加平等。对于在线课程，学习者可以根据自身的偏好和能力，挑选适合自己的课程；在课程学习中，学习者还可以与不同知识背景的同伴组成学习小组，通过交流学习知识。在推行基于翻转课堂的混合式教学过程中，教育者还可以根据需要形成小规模限制型教学班级(SPOC)，结合班级特点，开展线上线下相结合的教学，这就形成了基于SPOC的混合式教学模式。

笔者通过5年的教学实践发现，基于SPOC的混合式教学模式在激发学生内在学习动机，提高学生自主学习能力与自我效能，增大课堂授课容量，提高课堂教学效率，增强师生情感交流等方面有积极作用。微视频学习资源以其可随时随地学习，能反复利用等优点深受学生欢迎。实践表明，时长为10～15分钟的教学视频最适合学生学习，超过15分钟容易让人产生疲劳和厌倦；视频质量好坏，导学方案，课前资源，课堂问题探究设计等因素也会影响翻转课堂教学效果。

在前人基础上，我们尝试在基于翻转课堂的混合式教学中应用支架式、案例式和任务驱动式等教学策略；采用课堂测试式、竞赛式、学生自主评选作品等方法激发学生学习兴趣，培养学生自主学习能力；在课堂上运用问题探究、学生分组讨论、头脑风暴等手段激发学生潜能，培养学生合作学习能力。

2 混合式教学的基本特征

信息技术和通信技术的发展推动了教育信息化的进程，基于互联网的教学平台一方面为学习者提供了丰富的教学资源和自主学习空间，另一方面也为学生交互和师生交互提供了更加便捷的途径，成为互联网+教育的重要教学模式之一。实践效果显示：采取线上线下相结合的基于SPOC的混合式教学模式，可以实现在线课程和课堂教学的优势互补。相比于在线教育，教师的监督作用得到了加强，学生完成课程的比例得到大幅度提高；相比于课堂教学，教师可以通过选取适当的内容作为线上教学课程，降低了授课过程的成本，教师还可以根据线上学习的反馈信息，改进课堂教学；在课堂教学中，教师可以引入实践环节，强化学生的体验，增进教学效果。

根据现代教育理论，学习过程包括程序性学习和启发性学习。以记忆为主的程序性学习完全可以以学生自主学习为主；启发性学习过程，需要通过作为专家的教师与学生之间的互动来完成。由此可见，将信息技术和课堂教学有机整合，有助于形成以学生为中心，充分发掘学生自主学习动力和创新能力，形成互联网+高等教育教学的特色教学模式，提高高等教育的竞争力。

新时代对人才的协作学习能力、交际能力以及批判性思维能力提出了更高的要求。Johnson D.W.& Johnson R.T.在《合作学习》一书中提到，当面临多种学习组织形式时，推荐选择协作学习方式，并提出协作学习5要素理论：①积极的相互依赖，小组的成功与每一位成员的努力密不可分，成员之间的紧密协作才能促进学习绩效的最大化；②面对面的促进性交互，协作学习中要保证一定程度的面对面交流，促进信息的交换与加工；③个体与小组职责，小组成员之间应明确自身任务，努力完成自身职责，以确保小组整体工作的完成；④人际与小组技能；⑤小组自加工，是对小组内部活动的反思，包括对已有协作成果进行反思和修正[8]。在学校的学习中加入协作学习的形式，可以培养学习者的协作意识，有利于提高学习者的分工与协作能力。协作学习可以充分调动学生积极性、参与性，培养学生协作能力和创新能力。混合式协作学习随着计算机网络技术的发展逐渐在教育活动中成为热点。

混合式教学模式主要包括在线学习、混合模式与课堂讨论几个模块。在线学习模块的内容常以讲课短视频、作业练习、互动交流、测验考试、通告邮件等方式提供给学生，结合泛在学习(ubiquitous learning)的特点，使学习过程实现随时化、随地化，方便学生的时间安排，满足个性化学习的需要。但是片断化的学习，不利于学生将知识有机地整合，并加以应用和评价。课堂讨论结合即兴学习(right on the site learning)的特点，有利于将学习体验和个人经验进行整合，通过课堂探究和讨论，加强学生思维的主动性，实现学习过程的内化。在课堂讨论环节，教师可以采取基于问题的学习方式或者基于项目的学习方式[9]。教师根据教学的重点或者难点，按照由浅到深的原则，有目标地设计教学问题；学生通过解决问题，将线上课程中所学习的知识应用到特定的环境中来，通过小组讨论和教师的引导，对产生的结果进行评价，学生还可以通过解决多个问题，按照归纳推理的方法，对所学知识进行归纳，从元认知的高度实现对知识的内化。课堂讨论的问题，既要考虑学生的学习兴趣，也要考虑学生的学习能力，这样才能充分激发学生在讨论中的活跃程度。在讨论中，也可以适当引入劣构性问题，在解决这类问题时，学生需要自主判断题目给出的条件是否适当，并通过查阅资料，找到相应的条件，如地球的质量、原子的大小等，通过建立简化模型来解决问题。对于实践性较强的课程，教师还可以开展基于项目的学习。教师根据学习目标，确定学生的学习项目，包括实验设计、课件制作、程序设计、数值模拟等。学生根据学习项目制定出相关计划书，教师和学生通过讨论确定计划书的可行性。在实验课堂上，各学习小组按照计划完成相关实验，教师帮助学生及时解决学习上可能出现的问题。完成实验后，小组按照研究结果写出研究报告，并在课堂宣读。对于基于项目的学习，学生不仅需要运用和实践所学的知识，可能还需要将其他领域的知识整合到探究过程中，提高对知识的掌握程度。

课堂讨论的时间有限，完全采用探究性学习的模式，影响学习的成效。不同的混合模式可以将在线学习过程和课堂讨论模式有机地整合起来，教师可以采取课堂教学为主，在线学习作为补充的非翻转学习模式或者在线学习为主，课堂讨论作为补充的翻转模式，将两者的优势结合在一起，提高学生的学习效果。对于翻转课堂，教师可以采取在课堂讲重点、难点后再进行课堂讨论的部分翻转模式或课堂全部用于讨论的完全翻转模式。

采用翻转课堂形式，至少可以带来3个方面的益处：①实现授课、批改作业与辅导任务的分离，释放教师知识教学的劳动力，让教师的时间真正花费在个性化的交互中。②思辨和身教的补足。以往，教师在课堂里都是口若悬河地进行“填鸭”式教学，学生仅是被动的知识接收者，翻转课堂可以给这个问题带来转机。课堂时间一旦不再是以知识传授为主的讲课时，就可以在学生网上自主学习的基础上，聚焦到探究式的个性教学，包括答疑解惑、深入讨论、实际操作演示甚至手把手的指导等，这才是有灵性的、个性化的教育，这才是能培养出独立思考、实践动手能力的教育，让学生接收了知识之后能有所创造。③课堂职能的转变逼迫教师必须更深入地理解课程内容，进而提升教师水平。不能想当然地认为每个教师对所讲课程的理解都是全面且深入的。当教师使用别人的视频资源来授课时，他就由一个简单的传达者(lecturer)变成一个启迪者(facilitator)，同时，对教师的教学和业务能力提出了更高要求。

笔者所在的研究团队在近几年已经开展了基于SPOC的混合式教学模式研究，制作了许多质量较高的微课程课件和虚拟实验课件，积累了丰富的制作经验和线上教学资源。从研究结果看，混合式教学班的教学效果优于传统教学班。我们的实践表明，采取混合式教学能增加学生上课的专注程度，提高课堂教学的效果，学生在线上课程学习中的表现与学生最终的学习结果有较强的关联。在这些研究成果的基础下，研究团队计划对混合式教学进行更加系统地研究。

3 混合式教学设计的基本要求

SPOC模式主要是针对在校学生的，因而其课程教学的运作方式完全取决于任课教师的教学理念与对课程教学目标的定位。以大学物理课程为例，教学定位至少有3种可能的选择方式。

3.1 以能力培养为主的教学

2004年，美国教育协会制定了21世纪学习框架，框架中包括21世纪人才应该具有的18个要素，其中最为重要的是“4C核心能力”，包括批判性思维与问题解决能力(critical thinking & problem solving)；创新与自主学习能力(creativity & active learning)；沟通能力与合作精神(communication & cooperation)；跨文化理解与全球意识(cross-culture understanding & global awareness)。

按照大学物理混合式教学模式，教师需要厘清大学物理课程在培养学生的科学素养、能力中的具体体现，即物理课程知识与相关能力的关联。在实际操作中，需要从能力培养的角度构建知识传授的框架结构和途径，形成以问题为导向的教学——重新组织教学。在新的教学模式中，交互方式发生变化，实践环节得到加强，学生需要投入更多的时间和精力，某些问题需要自己去设计实验来回答清楚。结合“以能力培养为主”和“知识传授型”的教学优势，将在线教学、课堂教学、实践环节的优势有机地整合在一起，结合线上学习的反馈信息，以循序渐进的方式开展协作学习，实现对学生交流沟通能力、批判性思维能力、创新与自主学习能力等的培养，为将来学生的职业发展打下坚实的基础。

3.2 知识传授型的教学

知识传授型教学模式按课程自身的知识结构方式划分章节，每一部分内容配套作业、测试，以此不断对学生进行知识的强化，使其形成知识的内化。而对实践能力的培养，只能通过设置一些思考、讨论题目和课外附加实验等方式来实现。目前所见到的绝大多数教学平台都采用这种知识传授型的模式，平台上练习、测试题目的多少完全由任课教师根据授课对象的实际情况(原有知识背景、现阶段可以投入的时间、需要达到的培养目标等)来设置。

网络平台上的测试题定位于前测题，即在课堂讨论之前学生需要完成的测试。前测题有两种处理方式：一种是在学生的视频学习过程中弹出测试题，目的是强迫学生在此时停下来，思考前面的内容是否听懂和理解，如果对相应问题回答不正确，可以要求学生回去再学习一下，直至回答正确；当然，也可以设置为无论回答正确与否，休息一下就继续往下学习。另一种是在章、节学习结束以后做作业和测试，教师针对前测题中暴露出的问题组织课堂讨论；之后，学生还可以再次去做该章的测试练习(网络多数平台都将同章节内容的测试次数默认为3次，取最高分为保留成绩。)；最后的课程考试中再用类似的题目检查学生的学习效果。当然，前测题的内容一定是学习中的重点和难点。

3.3 以提高素养为主的教学

2016年，教育部提出中国学生发展核心素养，这些核心素养包括文化层面的人文底蕴、科学精神，自主发展层面的学会学习、健康生活以及社会参与层面的社会担当与实践创新，共6个方面。这些内容和4C核心素养既存在交集，也有不同。中国学生发展核心素养将学生的个人发展与社会主义核心价值观进行对接，从“立德树人”的高度阐释社会与国家对学生发展的重视。

在混合式教学中，教师一方面需要重视营造积极向上的学习环境，鼓励学生通过自主学习，协作学习开展科学探究活动，培养学生知难而上、刻苦钻研、百折不挠的职业素养；另一方面可以在教学设计上增加科学前沿进展以及中国科学家在科技前沿的相关工作，提高学生的民族自豪感和社会服务意识。

我们希望结合3种类型的教学优势，将在线教学、课堂教学、实践环节的优势有机地整合在一起，结合线上学习的反馈信息，以循序渐进的方式开展小组讨论，实现对学生口头表达能力、批判性思维能力等方面的培养，构建“在线学习+课堂讨论+实践环节”的互联网+教学模式。

4 混合式教学的教学设计实践

4.1 设计学习单元时应注意的教学要素

自2013年秋季以来，基于对SPOC教学模式的研究，我们通过翻转课堂将SPOC线上课程和课堂教学结合起来，在SPOC课程中，要求学生完成基本概念的学习和理解，在课堂讨论中，强化学生对知识的应用和评价。一方面，利用线上教学的泛在性，学生可以及时弥补在课堂上学习的不足；另一方面，通过课堂讨论，教师和学生可以及时发现解决问题过程中出现的误区，并加以纠正。在这个模式中，教师首先上线准备好的线上教学资料(课程教学视频等)，供学生泛在学习；在课堂上进行相关的讨论活动，包含线上学习过程中的自测题、讨论的问题以及能力拓展的问题等。线上课程在中国大学MOOC网站上提供的同济大学大学物理SPOC专区进行，整个教学的具体实施过程如图2所示。

图2 混合式教学实施流程图

针对大学物理课程的具体要求，对于每个学习单元，划分为线上部分、课堂部分和实践环节3个部分：

图3 “电磁感应”知识图谱图

(1) 在线学习环节。在线学习环节，学生需要根据自身的情况确定自身的学习路径，学习路径的确定体现了学生在线学习个性化的情况。线上部分包括视频部分的教学目标、教学内容以及相关的小测试；线上部分的内容相对机动，包括预备知识的介绍、重点内容讲解和习题选讲。这样安排有利于不同层次的学习者通过线上学习解决学习过程中可能出现的疑惑。在教学设计时，可以首先建立教授内容的知识图谱，如图3所示的关于电磁感应一章的知识图谱，根据知识图谱对授课内容进行分解，设计有关问题，使学生在学习过程中实时清楚所学内容在整个知识结构中所处的知识结构层面以及与其他各知识点的关联性。与此同时，还可以通过记录学生的学习轨迹对学生生成形成性诊断，了解学习困难的症结所在。从教学效果上看，采取混合式教学后，相关学习内容的得分率提高了10%左右。

(2) 课堂讨论环节。线下讨论环节以强化学生对知识的应用和评价为目标，不同的学生在学习过程中可能存在解决个人特定问题的需求。学生在讨论过程中，是否产生特定的问题或能否得到解决，体现了线下学习的个性化问题。学生学习活动的个性化程度从另一个角度反映了学生学习的主动程度，而激发学生的兴趣，提高学生学习的主动性是终身教育的一个重要目标。

课堂教学实施过程，可以从现实问题或引导性问题出发，以小组讨论的形式，讨论授课环节中的重点和难点相关内容。内容设计应重视和现实的联系与题材的趣味性，学生通过同伴协同学习增加对课程学习的积极性，提高对所学知识的掌握程度，密切同学之间的人际关系。例如，关于“劈尖干涉”内容的学习，国内比较广泛使用的教材对其描述都不是很详细，对于物理基础比较厚实的学生来讲，还能够理解，但是对于功底不是很好的学生却存在不少的困惑，比如，在劈尖中(空气劈尖)有多个界面发生反射，为什么只考虑其中两束？“垂直入射”指的是相对于上表面还是下表面？这些问题可以反映出学生对劈尖模型的参数不了解，对模型的物理内涵并不清楚，对公式成立条件没有详细介绍，没有具体的公式推导过程。因此，在设计引导性问题时，应区分对概念的记忆性的题目与对概念理解、应用、分析的题目，考查学生对教学目标实现的情况。从实践上看，设定“脚手架性质”的引导性问题，能够减少讨论过程中的认知负荷，提高课堂讨论的效率。在讨论题的设计中，应考虑定性分析与定量计算相结合，提高学生分析问题与解决问题的能力。

(3) 课后实践环节。课后实践环节，采取学生自主选题，设计实验的方法，突出对学生的自主创新能力与主动学习能力的培养。4年中实验班学生的选题包括特斯拉线圈、电磁炮制作、模拟磁悬浮、示波器测光速等。课后实践环节的评价采取学生互评与教师评价相结合，评价指标包括独创性、工作量、完成度、课堂展示4个方面，积极引导学生培养开拓创新、勤奋刻苦、善于沟通等与21世纪核心素养相关的技能。

本课程从线上课程和课堂教学各自的特点出发，实施混合式SPOC教学模式的研究和创新，增加基于实践操作和虚拟实验的体验性环节。通过对布卢姆教学目标进行分工，在线课程侧重基本概念和原理的学习和理解；课堂教学过程采用启发性问题导向式学习，侧重培养学生对知识的应用和评价；在实践环节培养学生的创新精神，构建“课堂教学+实验操作+泛在学习”的混合式教学新模式，激发学生的学习兴趣，提高教学质量，为互联网+大学物理课程教学探索一条新路。

4.2 设计讨论题目时应关注的7类问题

4.2.1 给学生从应试教育到素质教育过渡的逐渐适应时间

刚进入大学的学生都经历了应试教育的训练，习惯于题海战术；不太习惯提问题，而擅长解题目；学习方法主要是机械记忆，缺乏对问题的深度思考。因此，我们可以利用学生的这种习惯，先在课堂上讨论课后习题，让那些性格内向、腼腆的同学容易参与进来，也不至于担心提的问题是否会被其他同学认为“没水平”。而那些学习成绩较优秀的同学，更容易主动发言，帮助解答题目。例如，在大学物理课程的开篇，即运动学学习中，首先在在线课程的讨论区中发布以下问题：

对于抛体运动，如果抛出的位置距地面的高度为h，则最大射程对应的抛射角应该是( )

(A) 等于0°， (B) 介于0°与45°之间，

(C) 等于45°， (D) 介于45°与90°之间。

这个题目与学生中学就熟悉的抛体运动关联密切，因而他们很容易进入讨论状态。我们通常就在第二次上课时让学生讨论这个题目，他们总能热烈讨论，并积极上台讲“解题过程”，即便是成绩不是特别优秀的同学也会胸有成竹地对自己的解题能力充满信心，甚至在刚开始讨论时，就有同学抢先说“以45角斜上抛射程最大”，与此同时会有同学提醒“题目说是‘从离地面高为h处抛出’呢，可能不一样的”，……通过同学间的讨论、讲解，逐步开始关注思考问题的步骤和方法。通过课堂小组讨论，学生可以将在线学习过程延伸到课堂讨论之中，最终取得一致的结果，同时提高分析问题解决问题的能力。

4.2.2 讨论题目应注意激发学生的学习兴趣

兴趣是最好的老师，是求知的内在动力。但是学习兴趣不是天生的，教师需要想方设法引导学生，充分调动学生对学习的积极性和主动性，从多方面激发学生学习的兴趣，挖掘学生兴趣的潜在因素。在大学物理课程中，激发学生学习兴趣的题目是很容易找到的，例如在运动学中有一题目：

如图4(a)所示,当雷达天线以角速度ω连续转动时,可借助天线发出的电磁波追踪一艘铅直向上飞行的火箭,火箭发射台P与雷达R相距为l。求当天线仰角为α时,火箭的飞行速度。

图4 雷达天线追踪火箭飞行速度

在讨论中，有同学很快给出一个答案：

可是，当教师进一步询问这个答案是否真的正确时，有一部分同学犹豫了，表示“感觉有哪里不对”。此时教师要求“既然感觉有问题，就请找出问题所在”。原来该同学忘记了速度的矢量性，他给出的答案只是图4(b)中的⊥分量，火箭实际的飞行速度应是⊥分量和∥分量的合速度。本题如果根据速度的定义求解会非常简便。先设此时刻火箭离开发射台的距离为s，如图4(c)所示，于是有表达式s=ltanα，所以

此题容易激发学生的学习兴趣，从而引起学生参与讨论的积极性，讨论也能澄清学生学习中的一些错误概念。又如，在非惯性系问题的讨论中，可以通过讨论重力加速度与纬度的关系，拓展到超重、失重现象，进一步提出“怎么在地球上模拟失重现象？”“太空如何实现人造重力？”、调研宇航员平时的训练等问题，学生讨论积极性很高，颇有兴趣。值得一提的是，我们在一次期中考试中，用到了这样一道题目：

“关于重力加速度与纬度的关系我们知道，物体的重量在地球表面附近(物体地表高度h≪地球半径)不同位置稍有不同。

(1) 这个“不同”与哪些物理量有关？

(2) 已知地球的半径R，质量M，万有引力常量为G．若考虑地球以角速度ω自转，试导出质量为m、静止在纬度为φ处的物体，受到的重力表达式。”

本班同学的得分率为90.2%，这个结果表明，我们的教学中关于“非惯性系问题的讨论”还是有成效的。可是，在一次硕士研究生普通物理科目的考试中，使用了类似的题目，175名考生此题的得分率为59.3%。我们不能评价这些考生涉及哪些学校的教学质量问题，但可以肯定的是他们在“非惯性系问题”学习中没有思考过相关知识点有哪些应用，解答传统的力学问题时，只会直接使用题目给出的“重力加速度g取9.8m·s-2”或“重力加速度g取10m·s-2”，而不去思考这个值是否会有所不同。

4.2.3 通过讨论题目逐渐引导学生重视实践学习

传统的大学课堂授课模式基本上以教师为主导，在授课内容上，教授的知识也往往是“情景知识”。线上课程和传统的课堂授课相比，课程知识呈现出多样化、精品化的特点，学生在课程学习上有更大的选择空间。在教育理念上，线上课程更加突出知识获得的社会性，结合线下教学，通过教师与学生之间以及学生与学生之间的互动和讨论，解决学生在课程学习中出现的疑惑和问题。如大、小皮球反弹高度问题的讨论，学生可以自己找到正确答案，但当这个答案出现时，还是有惊讶的表情，教师可适时提出“这个结果不可思议吗？自己到实验室去验证一下吧。”又如关于车上安全带可以承受的惯性力问题，教师可以引导学生设计实验方案，测定这个力可以达到的数值。

力学中对转动定律的推导、有关波函数参数的确定等种种问题，都可以在教师的引导下由学生自行给出解决方案：在实践过程中，两种方式可以混合使用。问题的解决策略可以采用理论推导的形式，也可以通过虚拟实验、增强现实等手段，通过归纳得到相关结论。例如我们在2014级大学物理课程关于刚体转动惯量的教学中，教师首先提出的问题是“刚体的转动惯量与哪些因素有关？”学生通过教材学习，或者观看其他教学视频，或许能够回答这个问题，但其准确度有多高值得怀疑。我们对这个问题的教学策略是请部分同学到实验室去作图5(a)所示的实验，自己测量总结出刚体的转动惯量表达式，并讨论影响转动惯量的主要因素。在期中考试中，专门设置了对这个问题进行考察的题目如下：

图5 学生利用转动传感器测量刚体的转动惯量

图5(b)给出测量转动惯量的装置，与圆形平台相连接的同轴转轮的半径为R，绕在转轮上的细线通过滑轮和滑块M相连，忽略转轴的摩擦。滑块由静止释放，记录下落距离为D所需的时间t1；在圆形平台上放置待测物体，将滑块复位到初始位置重复以上实验，记录下落距离为D所需的时间t2。实验的有关数据为R=10cm,M=2.5kg,t1=4.2s,t2=6.8s,D=1.8m。计算待测物体的转动惯量I。

考试结果是完成了实验的同学，该题目的得分率为91.5%，而未做实验同学的该题的得分率为70.5%。由此可见，尽管教师授课是学生获得知识的主要途径，学生主动实践可以进一步强化学生对于特定知识点的掌握。与基于项目和基于问题的学习相比，基于证据的学习，在学时较少或学生学习压力较大的情况下，对充分利用课堂时间，提高授课效率能起到一定的积极作用。

4.2.4 讨论题目要关注学生对模型抽象的能力和学习方法的训练

模型抽象的推理能力和学习方法在学生的学习中有着重要的作用，以知识点掌握为目标的授课模式，在教育理念上是行为主义的。传统的单纯课堂教学模式中，学生通过教师对作业的批改获得反馈，调整自身的学习策略，达到对知识点应有的掌握；教师通过学生作业了解学生学习情况，调整自己的教学策略。而在混合式教学模式中，课堂教学以问题讨论为主。在基于建构主义的课堂教学中，教师作为引导者和组织者，可以近距离了解学习者的学习过程，通过评价学习者的学习策略和学习过程，学习者能够更好地调整自己的学习方法，掌握更多解决问题的思维工具，这是远程教学难以做到的。与此同时，学习者的主动性得到更大的发挥，这对于提高学生对知识掌握的熟练程度，进一步提高学生对相关知识的掌握都能起到积极的作用。因此，只要教师仔细设计讨论题目，有意识地培养学生对模型抽象的推论能力和学习方法训练，必将对学生的科学素养和学习能力的提高起到重要的作用，这也正是组织小范围限制型在线课程(SPOC)的一个思路。如关于无限长载流板求B问题的讨论题：

一宽度为a、厚度不计的无限长扁平铜片,均匀通有电流I。在铜片外与铜片共面、离铜片右边缘b处的P点(如图6所示)的磁感应强度B的大小为

图6 长直载流铜片的磁场分布

学生根据给出的选项推理选出答案(3)，陈述理由时，学生认为“当P点离载流板足够远时，应该回到无限长载流直线公式”。教师听到学生这样回答问题是很欣慰的，尽管同学对此题答案的推敲还不够仔细(答案是错误的)，但对模型的认识和推理方法是可取的，学习的方法也有了明显的进步。

4.2.5 讨论题目应结合授课内容的重点与难点,循序渐进，从易到难

学生参与课堂讨论的积极性，可以通过难度递增的题目培养和保持，先通过简单问题的训练，让学生获得成就感，增加学习兴趣；再逐渐引导学生完成较难题目的讨论。如均匀电场的分布问题，可以先讨论球对称，再讨论柱对称，再到面对称。在讨论恒定磁场的分布时，又可以设置下列3个难度递进的例题(图7、图8为例题中的示意图)：

图7 求旋转均匀带电圆盘轴线上的磁场

图8 求旋转均匀带电圆筒轴线上的磁场

① 半径为R的圆环均匀带电,总电量为Q。该圆环以角速度ω绕圆心O旋转,求轴线上距圆心x处的磁感应强度。

② 半径为R的圆盘均匀带电,电荷面密度为σ。若该圆盘以角速度ω绕圆心O旋转,求轴线上距圆心x处的磁感应强度。

③ 一半径R、面电荷密度为σ的无限长均匀带电圆筒绕轴线以角速度ω匀速旋转,求圆筒内部的磁感应强度B。

这是传统课堂教学中常用的例题，但由于分布在不同的授课场景(一次在讲完载流圆电流轴线上的磁场分布后讲的补充例题，另一次放在讲完螺线管的磁场之后)，学生听后印象不深，更难举一反三。翻转课堂以后，把这3个题目放在“电流与磁场”主题的一次讨论课上完成，学生便主动关注电荷移动形成电流的特性，再据电流的形状分析磁场的分布，收获极大，少数学生甚至在那次课上就提出“如果带电圆筒加速旋转，会激发什么样的磁场呢？”等问题。

4.2.6 从正问题到逆问题，引导学生进行研究性学习

大学教师把教学落实在知识传授上是远远不够的，重要的是要培养学生获得知识、创新知识的能力。教学过程中应该唤起学生的问题意识，鼓励学生提出问题，推敲所学知识的实际应用，引导学生进行研究性学习。教师要采用启发式、研究性教学，可以从对某个问题的推理开始，让学生体验研究问题的基本方法，增强研究问题的兴趣。

传统“麦克斯韦分子速率分布律”的教学中，一般都不讲分布函数的由来，重点讲授分布曲线反映出的物理意义及3个特征速率，学生对“分布”问题却完全没有体会，也不能把这个知识点应用到其他地方。我们尝试做了一个推理性的问题讨论[7]：

对这个问题的讨论，学生需要在理解“分布”含义的基础上，寻找与最概然速率概念相对应的最概然动能表达式。经过讨论得到最概然动能为kT/2后，是否可以继续去研究为什么“能量按自由度均分原理”中表述每个自由度上具有的平均动能是kT/2，而不是kT。在经历了这样的推理过程后，学生有点习惯于提问题了。例如，在习得均匀带电球面的电场分布后，有学生问“电场为什么在球面上发生突变？”“如果电荷正好分布在球面上，电场怎么分布呢？”此时，教师不直接回答，而是建议学生分析“内外半径分别为R1和R2(R1

4.2.7 根据学生反馈情况调整教学策略，注重对学生的正确引导

以学生为主体的讨论课堂，教师不可能按照自己事先预设好的流程和时间实施教学。这时，教师要根据学生的课堂反映及时调整教学策略，学生存在思考误区时，适时给予正确的引导。通过对记录的讨论过程进行分析发现，并非所有的问题都能得到学生的积极回应，学生在小组讨论的过程中会发表对讨论内容的意见，教师可综合学生的意见对讨论题进行更新或修改，以确定讨论题能够更好地促进学生思维能力的发展。

教师掌握学生的学习数据后，还可通过学习分析技术，选定学习成绩的影响因素以及预测算法，构建预测模型，从而可以对学生下一阶段的学习成绩进行预测。对于预测结果偏低的学生实施及时地干预和帮扶，以及动态调整教学内容等，以确保教学质量。以在传统教学中常用的一个例题为例：

把电容为C的空气平行板电容器,接到端电压为V的电源上充电。之后，把电容器两个极板间距离增大至n倍,则外力所做功的可能值为

原本把这个题目设计在手机互动答疑环节里，希望学生在有限的10分钟里完成答题，教师再根据学生答题反馈的数据分析学生出现的问题。但学生的第一感觉是难，对答案中的“或”不理解，似乎无从下手。这时，有同学主动提议“讨论一下吧。”这说明学生已经习惯于通过与同伴讨论解决学习中的问题。然而，讨论回答的过程并不顺利，多数学生还是不明白为什么有两个可能的值。这时，教师建议学生再认真审阅题目，提示仔细寻找已知条件；最终收集到了各小组的选项(当然答题时间已经超过，但教师可以通过重新发起答题收集答案)，教师再根据反馈数据评讲。

第二轮教学中再用此题目，则直接作为讨论题目：把电容为C的空气平行板电容器,接到端电压为V的电源上充电之后，把电容器两个极板间距离增大至n倍,求外力所做的功。这次学生讨论很快，都争着上讲台给出自己的分析解答过程和正确答案，其他同学也纷纷表示对该答案的认同。面对此景，教师提问：“大家都认为这个解答准确无误了，还有其他解答吗？”学生开始沉默了，……之后，有同学问“拉开极板，是否与电源断开呢？”此时老师鼓励学生分析，“前面得到的答案是对应电源断开还是不断开的情形，再讨论另一种情形。”尔后，一位物理基础很好的同学上讲台陈述她的解答。也就在她的解答过程中自言自语“不对呀，外力做了功，怎么能量还减少了呢！”于是，教师从功能转换的角度引导学生一步一步分析，最终找出“电源做的功还没考虑进去”是导致错误的原因。对这次课的效果，一位听课老师评述到：“听了王老师的物理翻转课堂课感触颇深，主要有以下几点：第一，课堂不再局限于以教师为主导的传授性教学，注重的是让学生发挥其主观能动性。学生是课堂主讲人，老师在其中起到指点和辅助的作用。学生通过小组讨论，通过对一个问题的思考可以解决一类问题，找到相关问题的解决方式。这是一直以来教育所追寻的，也是最为理想的教学、学习过程。第二，学生讲解的方式，学生通过课堂讲解问题，交流并可以发现自己所不容易发现的思维漏洞。将自己未知、未考虑到的情况一一挖掘出，这是一个相较于传统课堂更能促进学生快速掌握知识、逻辑方法的过程。第三，老师的正确引导也至关重要，老师通过拨乱反正的指点，将学生引导到教师先前搭好的脚手架上，构建学生相关的学习体系，完善学生的知识储备。”

再如笔者之一最近一次热学课上的经历：让学生讨论题目为“摩尔数相同的两种理想气体:氦和氧,在相同的初态下进行等容吸热过程,如果吸收的热量相同,(1)它们的温度升高值是否相同?(2)压强增加值是否相同?”(注：这批学生系专升本学生)。一开始，学生将氦气和氧气均看作双原子分子，则它们温度升高是相同的；但由于题设吸热相同，压强增加值不能相同，这就是矛盾的结果。教师此时并没有指出错误所在，而是让他们重新审视自己分析解答的过程(这大概可以看作是批判性思维的过程)。在他们重新分析后指出，问题出在“氦气和氧气均是双原子分子”上，于是有同学当场上网查询，得知氦气是单原子分子，后面的正确答案也就容易得到了。学生的这个学习过程，不仅反映了他们已逐渐养成敢于质疑自己的态度，还可以看到互联网在辅助学习中的作用。教师没必要扼杀学生对互联网的热情，只有在课程教学中通过自己的教学问题，抓住学生的注意力，才能让互联网发挥更好的作用。

5 教育技术在混合式教学设计中的应用

教育技术是育人技术及其创新整合的技术，其核心是教学设计技术和课程开发技术。具体指“关于学习资源和学习过程的设计、开发、利用、管理和评价的理论和实践”。教育技术与教学理念的深度融合意味着教学者将教育技术运用于教学资源的制作，教学的设计以及实施，教学评价等各个环节。通过技术手段，教师一方面能够正确分析学情，及时发现学生学习过程中可能出现的问题，提高教学过程的精准性，实现教学过程的个性化；另一方面可以正确评价不同的教学资源与教学手段，提高教学效果与效率，实现教学过程的优质化。下面分别对这两个方面介绍相关实践工作。

5.1 试题分析系统在混合式教学中的应用

混合式教学融入了翻转课堂、同伴教学、基于问题的学习等多种元素，课堂讨论题选择是否恰当，对课堂讨论能否有效进行，教学效果能否提高起到十分重要的作用。

在实践中，我们针对答题记录，通过Rasch模型[8]确定题目的难度与区分度。之所以采用这一模型，是因为传统的通过得分率确定难度系数的方法对样本依赖严重，不同能力的学生的得分率不同，因而计算出不同的难度系数。在Rasch模型中，学生答题正确概率P(θ)可表示为

其中，P(θ)表示答题正确概率；D为量表因子；θ表示学生的解题能力，由测验成绩确定；a为题目的区分度；b为题目的难度系数。这一模型中学生的得分率与解题能力有关，解题能力高的学生，同样的题目得分概率更高。

在确定题目的难度与区分度后，教师可根据自身的需要，在课堂教学中使用测试题组。从我们的实践上看，在课堂讨论中，选取难度适中，区分度较高的题目，有利于学生讨论的顺利进行。题目过难，学生无法通过较短时间的课堂讨论(10分钟左右)顺利解决问题；题目过于简单，不利于激发学生的深入思考。形成性评价过程应使用不同难度的题目，根据学生解答情况确定学生的学习效果。

5.2 教学应答系统在混合式教学中的应用

教学应答系统[9]是收集学生课堂的实时响应，向教师反馈学生学习情况的交互系统。在课堂教学中，教师往往提出问题，学习者通过课堂反馈系统提交答案，教师通过系统分析，呈现反馈信息并主动调整教学过程，及时解决课堂中出现的问题。教学应答系统用于课堂教学的具体流程如图9所示[10]。

图9 教学应答系统在课堂教学中的使用流程

目前教学应答系统大体上可分为基于专用设备(如cliker)的课堂反馈系统与基于自备设备(如智能手机、平板电脑)的课堂反馈系统两大类。近年来，随着移动设备的普及和智能化程度的提高，基于自备设备的课堂反馈系统使用成本较低，在课堂教学中的使用率出现了增长的趋势[9]。

鉴于教学应答系统在课堂教学中的流程关系，我们开发了基于WiFi的课堂互动系统(软著登记第1207044号)，其主要功能是在课堂教学中发起问题讨论，教师凭借学生实时的答题情况进行有针对性的课堂教学；课外通过分析已采集到的学生反馈数据，调整以后的教学计划。目前，该系统的应用模式为单选题、多选题、填空题和系列题组四种。教学实践表明学生在课堂中注意力集中的时间有限，采用教学应答系统能够将学生的注意力聚焦于课堂讨论，这样教师通过教学设计与课堂讨论，可以深化相关重点与难点的理解，提高学习过程的效率。从实践来看，通过一组内容相关的讨论题可以将不同知识点的内容有效结合地在一起，提高学生分析问题与解决问题的能力。例如，在力学单元，我们设计了如图10所示的案例：

通过改变条件，可以逐个深入地讨论牛顿第二定律(讨论物体的加速度)，刚体转动定律(考虑滑轮的质量时物体的加速度)，质心的运动(讨论悬挂滑轮的绳索中的张力)，非惯性系(讨论电梯加速时，物体的加速度)。由于涉及的知识点较多，通过死记公式答题的学生将不得不对具体的情况进行分析，并通过课堂讨论，消除学习中产生的疑惑。

在混合式教学模式中，教师可以根据在线问题的答题记录，了解学生预习的情况，使用教学应答系统，再现问题，实现在线学习过程与课堂学习过程的对接。此外，教师还可以通过教学应答系统，针对课程学习的内容开展形成性评价，了解学生对相关知识掌握的程度。在课堂中教师根据应答系统的答题信息，判断是否开展课堂讨论。图11为两次课堂答题的答题记录。

图11左侧图中答题正确率约为90%,没有必要进行课堂讨论；右图中答题正确率约为40%，且各个选项都有学生响应，说明学生在相关知识的理解上还存在不少误区，可以通过课堂讨论消除学生的困惑，增强学生对知识的理解与掌握。

6 混合式教学的教学效果

在5年混合式教学的基础上，我们对学生线上学习与线下学习的数据进行了整理与分析，总体来说，和对照组相比，平均成绩提高大约5分，

图10 基于WiFi的课堂互动系统应用举例

图11 教学应答系统的答题结果

由于测试样本的标准差一般在10分左右，效应因子大约为0.5，属于中度效应，这与其他主动学习的情况基本相同。基于学习分析技术，我们从不同的角度考察了混合式教学的教学效果。

图13 混合式教学中线上线下交互网络图(a) 初期线上； (b) 初期线下； (c) 末期线上； (d) 末期线下

6.1 混合式教学对学习态度的影响

采用科罗拉多物理学习态度量表[11]测量混合式教学对学习态度的影响，该量表一共包括42个小题，共涉及8个维度的学习态度，包括：(1)对一般问题的解决能力；(2)解题信心；(3)对复杂问题的解决能力；(4)个人兴趣；(5)与现实生活的联系；(6)意义理解与努力程度；(7)概念理解；(8)概念应用。在采用混合型教学模式以后，除解题信心基本不变以外，学习态度各个维度都出现了正向变化，其中现实联系和概念理解应用方面变化最大，体现了课堂讨论的教学设计对学习效果的直接影响[12]。将学习态度得分折算成百分制得分后，得出学习态度与考试成绩的关系曲线(N=66)，如图12所示。

图12 学习态度与测试成绩之间的相关关系

学习态度与成绩之间的相关系数R=0.58，P<0.01,属于中度相关，可以理解为在混合式教学中有效的教学设计提高了学生的学习态度，尤其是对概念的理解和应用，从而对学习成绩的提高起到了促进的作用。

6.2 混合式教学对学生交流沟通能力的影响

通过社会网络分析软件UCINET6.0与NETDRAW，对线上学生的交互记录与课堂讨论的录音进行网络分析，得出以下交互社群图，其中方块的大小体现交互的踊跃程度，连线反映两个人之间是否存在交流沟通。从图13中不难发现，在混合式教学初期，无论是课堂交互还是在线交互，教师都起到核心的作用，学生之间的交互并不踊跃，课堂讨论集中于小组内部；在混合式教学的末期，部分学生的发言在课堂交互以及在线交互的比例增加，组组之间的交互增多，说明学生逐渐适应了同伴协作学习的新环境，部分同学能够通过主动交流协作，解决学习中出现的问题。通过混合式教学模式，学生的交流沟通能力得到了加强。

我们研究表明相对于讨论的数量，课堂讨论的质量对学习效果起到更大的作用[13]，如何通过教学设计，提高混合式教学中讨论的质量，是教师需要重视的问题。从我们的实践上看，重视教师在讨论中的启发与引导，是提高课堂讨论质量的重要策略。

7 结语

混合式教学的教学效果，并不直接来自于简单的线上教学与课堂教学的相加，而是通过教学设计将在线教学与课堂教学有机地结合在一起，充分发挥在线教学与课堂教学的优势，真正实现学生科学素养与能力的共同提高。

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