“大学物理”课程在线混合式教学的改革与实践

刘海兰 顾 牡 吴天刚 倪忠强 宋志怀

(同济大学物理科学与工程学院，上海 200092)

突如其来的疫情给高校“大学物理”公共基础课程的教学带来了很大的冲击。如何化“危”为机，加速推进教学模式的改革，实现“停课不停学”“教学质量实质等效”的教学目标[1]，对我们物理基础课教师来讲即是机遇，也是挑战。为此，同济大学“大学物理”课程教学团队运用同济大学云课堂(https://courses.tongji.edu.cn/)所用的ZOOM系统和在中国大学MOOC(https://www.icourse163.org/)平台上所建设的国家精品在线开放课程“大学物理(系列)课程”，从预习要求的强化、前/后测题的构建和慕课堂运用、课堂直播的混合式教学设计和实施、课后作业安排、学习过程评价和QQ群运用等环节，就“大学物理”课程的教学模式和方法进行了系统的改革。从已完成的力学和狭义相对论部分的教学效果来看，改革促进了学生学习的主动性、强化了学生教学的参与度，教学效果得到了学生的普遍认可。

1 教学方案设计

与在校学习相比，居家学习通常干扰因素较多、学习氛围不足。因此，营造良好的“大学物理”课程教学环境，激发学生的主观能动性、引导学生积极思考、强化学生教学的参与度是教学方案设计的关键。近年来，我们在“大学物理”课程混合式教学模式的改革方面开展了一定的工作，在引导学生主动学习方面积累了一定的经验[2-3]。本轮改革我们是在已有工作的基础上，通过同济大学“云课堂”的ZOOM直播+慕课堂讨论测试等形式，将原来课堂教学的部分搬到网上，利用国家精品在线开放课程、网络信息工具，从课前预习、课堂讨论、课后练习、过程评价等各个环节对课程进行重新设计，以期实现课前了解知识、课堂内化知识、课后巩固知识，不断提高“大学物理”课程的教学质量。图1为“大学物理”课程在线混合式教学示意图。

图1 “大学物理”课程在线混合式教学示意图

1.1 ZOOM直播课的教学方案设计

教学内容按章节展开。为了获得良好的教学效果，我们对每一章节的教学目标、知识结构、重点难点重新进行了梳理，并将其在各章学习前预告给学生，以利于学生通过预习构建出一条较为清晰的知识脉络。各章内容被有机地分为若干教学单元(2课时/单元)，毎个单元都设有前测题(5题)、精讲内容(精讲、选讲或者串讲)、课堂讨论题、后测题(5题)，各章结束时还提供若干课后实践课题。图2为“云课堂”ZOOM直播课教学方案示意图。

图2 云课堂ZOOM直播课教学方案示意图

前测题和后测题的设计侧重于考察基本知识和重点难点的掌握情况。本着由浅入深，阶梯性提高的原则，在课堂讨论题的设计上，则更加注重于物理规律的综合运用，提高问题的挑战度，便于引发课堂讨论、学生抢答、研讨辩论、全班互动等。课后实践课题，设计为拓展性课题，引导学生积极探索和研究，学生可根据实际情况和兴趣爱好，自愿参与探究性实践项目，分层次兼顾到不同基础和不同能力的学生。

精讲内容(精讲、选讲或者串讲)部分的设计，注重于物理思想和方法的介绍，物理模型的建立，重点难点的切入，以及问题的研究和分析。通过引入演示视频、3D动画等富媒体元素，帮助学生理解物理概念和规律，同时增强课堂的趣味性。此外，留下一部分内容鼓励学生完全自主学习，课后梳理总结所学知识等。

云课堂ZOOM直播教学本着引导学生低起点开始，高落脚点结束，提升教学挑战度，充分体现两性一度的教学理念。教师利用慕课堂进行前测，学生则通过微信小程序参与练习。通过系统提供的实时正确率统计，初步掌握学生预习情况。课中进行重点难点的讲解，视教学情况选择精讲、选讲或串讲，并通过有一定难度问题的课堂讨论，与学生进行在线实时互动。学生通过举手、弹幕、点名或直接发言的方式参与课堂讨论，实现生生互动和师生互动。通过互动教师也可实时了解学生听课情况，随时回答学生提问。最后进行后测练习，进一步了解学生课堂学习后的掌握情况，及时指导学生课后拾遗补缺。

1.2 SPOC在线课程和慕课堂的应用

利用已经建成的国家精品在线开放课程“大学物理(系列)课程”，教学团队的每位教师都在中国大学MOOC平台上建立了异步SPOC课程，并开设了慕课堂，从而为每一位学生提供了一个具有较高质量的在线学习平台，为学生进行课前预习、课后复习、自主学习提供了便利。

1) 线上SPOC教学

SPOC教学内容和进度与ZOOM直播课程教学进度相互匹配。本学期共开设了两门SPOC课程即“大学物理1: 力学、相对论”和“大学物理3: 电磁学”(http://www.icourse163.org/spoc/course/TONGJI……)。这两门课程的资源就是我们教学团队所建设的国家精品在线开放课程的资源，在中国大学MOOC平台上经过12期的开设，资源的内容越发成熟，学习者已超过25万人。

SPOC在线课程提供课程视频、在线作业、在线测试、在线讨论和在线考试等。学生通过在线学习、观看视频等进行预习、讨论和复习，并完成单元作业、单元测试。通过回放ZOOM直播课的课堂录屏，进一步回顾所学内容，拾遗补缺。

疫情期间，原来的课外(纸质)作业的提交和批改难以实现。而课外(纸质)作业是物理教学中不可缺少的重要环节之一。团队教师利用异步SPOC的平台优势，让学生在线下完成课外(纸质)作业，然后将其拍照上传至SPOC平台，教师通过SPOC平台直接批阅学生提交的作业，并及时反馈批阅意见。避免了重要教学环节的缺失。图3为在线学习作业完成、提交和批阅流程。

图3 课外(线下)作业和线上作业完成、提交和批阅流程

2) 慕课堂

SPOC慕课堂在在线教学中发挥了重要作用。根据教学方案，在线直播时，我们充分发挥慕课堂前测、后测、讨论、签到、实时统计等功能，不仅增强了教学的实时互动，更是有效提高了学生学习的专注度和参与感，增强了学生预习和复习的主动性。通过慕课堂的备课功能，将设计好的前测题、后测题、讨论题和问答题等作为资源导入练习库，教学直播时，按需要使用。

此外，慕课堂管理还有学生管理、平时成绩和学情统计等功能，所提供的数据可以为教师了解学生学习情况提供详实的资料(见图4)，为教师及时发现问题、调整教学策略提供了有价值的参考。

图4 某班级部分慕课堂管理数据

1.3 QQ班级群的作用

团队教师都建立了各自的班级QQ群。通过QQ群的建立，可以把班级所有的同学组成一个学习团队，充分发挥群的优势。教师在群里上传电子课件，公布作业答案，发布班级公告，在线答疑、在线问卷等。通过答疑解惑，关心学生的学习情况，给予学生力所能及的帮助。助教则通过QQ群，发布作业注意事项，温馨提醒作业截止日期等。学生们则通过QQ群，互帮互学。提出课中课后学习中遇到的困难，通过研究讨论，解决问题，达成共识(见图5)。在群里形成了良好的学习氛围，师生互动、生生互动、随心随意、随时随地。

图5 某班级QQ群学生讨论截屏

1.4 在线学习过程评价和课程评价

教学中既要考察学生对知识的理解，又要考察学生运用知识的能力。课程评价采用多元考核机制，形成性评价与终结性评价的结合，课程的总评成绩(100%)为线下期终考试(60%)+线上SPOC成绩(两门SPOC课程共20%)+平时成绩(线下作业+课堂表现共20%)(见表1)。

表1 在线学习的过程评价和总体评价

课外SPOC在线学习包括：观看视频(预习/复习)、单元课程视频和ZOOM直播录屏，以及单元作业、测试和讨论、课外(纸质)作业线上提交等。

其中平时成绩包括课外(纸质)作业和课堂表现，主要包括慕课堂表现(前测/后测、讨论等)和直播课堂表现等。

2 教学方案实施和案例介绍

2.1 ZOOM直播课堂教学计划

表2为大学物理学在线教学ZOOM直播课程的教学计划。团队教师根据教学方案中的教学目标、教学内容、重点难点，再结合自己所教班级的具体情况，选用精讲、选讲或者串讲的方式进行课堂教学。同时结合习题讲解、课堂讨论以及慕课堂进行前测和后测练习，完成单元教学。

表2 大学物理学在线教学ZOOM直播课程计划表

续表

2.2 教学案例

这里以刚体力学部分的教学为例。根据该章的教学目标、知识结构和重点难点，课程共设计了三个单元的ZOOM直播课。第一单元：转动惯量及计算、刚体定轴转动定律及应用，难点：变力矩作用下定轴转动定律的应用。第二单元：角动量定理及角动量守恒定律、定轴转动动能定理和功能原理，难点：角动量及其守恒定律的应用。第三单元：刚体平面平行运动和纯滚动、刚体力学习题讨论课，进动部分留给学生自学。

在ZOOM直播课上，注重教学重点难点的讲解和讨论，课中列举的例题和讨论题都给学生留有思考时间，通过启发式提问引导学生思考问题。同时学生通过举手、教师点名、等方式参于课堂讨论，与其他同学分享解题思路和方法，全班同学则通过弹幕或举手的方式参与交流互动。

我们在第一单元的慕课堂后测练习中发现这道题目正确率只有约37%左右(见图6)。该题的解答可以用对棒的端点A和质心O点的定轴转动定律来解，也可以应用质心运动定理和对质心O点的定轴转动定律来解。答对的学生更多采用了第一种解法。为了让学生弄懂这个问题，在第三单元的习题讨论课上，重点介绍了该题的第二种解法。同时给学生出了第二个题目[4]，并用质心运动定理和对质心的定轴转动定律解了该题(见图7)。课后学生发现用第一种和第二种两个解法却出现了不一样的结果，问题到底出在哪里？通过QQ群中的进一步研究讨论，最终他们认识到：与牛顿运动定律一样，定轴转动定律也只适用于惯性系。而该题之所以能用过质心的定轴转动定律来解，是因为在质心这个非惯性中加上惯性力后，惯性力矩为零的缘故。通过讨论学生对定轴转动定律的应用有了更深刻的理解。

图6 某班级慕课堂后测答题结果

在角动量及角动量守恒定律这个单元，我们录制了一段小视频，出了一道讨论题(见图8)，但并没有给出标准答案。课堂和课后也引发了学生们的积极反响和讨论。

图8 刚体力学讨论题二

此外，在这部分教学的最后，还留给学生课后实践课题。例如：(1) 常见的直升飞机被看作是一个由主螺旋桨和机身组成的二体系统，当其静止时，系统的角动量等于零；起飞时，主螺旋桨转动，具有一个角动量，根据角动量守恒定律，机身要沿相反的方向转动，为了制止机身转动，就要开动尾翼螺旋桨。试分析尾翼螺旋桨产生了什么样的力矩？它是怎样制止机身转动的？(2) 乒乓球的自动回滚问题：怎样可使乒乓球向前运动的同时，以较高的转速“反转”，即乒乓球过一段时间自动回滚等。

团队教师普遍感觉慕课堂的前测和后测练习，为我们促进学生学习，了解和掌握学生课前预习情况、课中教学效果提供了实时数据，也为后续教学提供了依据。

2.3 SPOC在线课程的作用

通过数周的教学实践活动，我们在SPOC课程数据库里了解到学生观看视频，浏览文档，随堂讨论，单元测验和单元作业的情况(见图9)。作为课外主要的学习平台，该课程为学生进行自主学习，包括预习，复习，拾遗补缺，自我评价的重要方式。在整个混合式在线教学中起到不可或缺的重要作用。同时，通过了解这些统计数据，教师能够及时了解学生课后学习情况，对课堂教学起到积极的指导作用。

在单元作业这部分环节，要求学生通过互评来完成作业的批改。这不仅提升了学生同伴相互协作的精神，而且也对该次作业的解答有了明确认识，对知识的理解又更进了一步。此外，SPOC课程的教师答疑区成为学生课外答疑解惑的重要平台。

综上所述，通过在线混合式教学，即借助于ZOOM“云课堂”和SPOC在线课程，在这样的特殊时期，组织教学活动，让学生真正做到停课而不停学。

3 调查和分析

我们在教学开展后的第七到第八周，对10个教学班，1320名学生进行了一次问卷星教学调查活动。共收到调查样本733份。

调查结果表明：学生普遍认可目前所采用ZOOM直播+SPOC方式的教学模式，ZOOM线上直播和SPOC在线学习方式在学生中较受欢迎。其原因主要有以下几点：(1)线上直播互动性强，有助于增强教师和学生之间的互动，提高教学效果；(2)在直播过程中，随堂录屏所保存的录像可以不受时间和空间的限制进行回放，方便没有掌握的学生反复观看和反复学习；(3)SPOC在线学习便于学生进行课后预习，复习和练习。

66.99%学生认为前段时间的学习效果非常有效或有效，而认为效果不好的只占7.5%。

99%的同学具备进行线上学习并完成学校要求的学习任务。

95.09%的同学通过电脑进行线上学习。

82.81%的同学认可慕课堂的考勤方式，不认可或没有使用只占17.19%

79.13%的同学认为线上教学中使用的慕课堂中的课堂练习对学习帮助最大。

66.99%学生对采用ZOOM直播+SPOC方式的教学模式非常满意或比较满意，不满意的只占5.46%。

68.89%学生认为班级的QQ群在学习过程中发挥很重要或比较重要的作用，认为不重要的只占3.27%。

大多数同学喜欢老师采用ZOOM直播方式，55.66%的同学希望每次都采用ZOOM直播。

线上教学仍然存在一些不足之处。有学生反映“线上遇到疑问不能与老师及时沟通解决。”“希望多一点自主学习的时间。”“希望减少课后作业，学习时间过长，对眼睛不好。”等。

以上的调查问卷，以及长期以来的教学改革的成果在疫情中的应用和实践，为今后进一步开展线上线下相结合的混合式教学模式提供了积极有效的依据。

4 结语

在线混合式教学实践表明，目前形势背景下

所开展的这项改革在可行性、适用性方面有着较大的优势。教师普遍感觉所使用的ZOOM直播平台、SPOC课程平台都相当稳定，便于操作。同时也存在一定的不足之处，比如师生的互动性不如实体课堂那样容易进行，教师和学生的教学压力和负担普遍较大。一方面，根据教学方案，教师将投入更多的时间进行备课，试图使得直播课堂与SPOC课程不简单重复，直播课堂将给与学生更多有价值的信息和帮助，以充分体现各自的功能和效果，体现混合式教学的优势。另一方面，对于基础较差和自控能力较弱的学生而言，学习上遇到的困难和挑战也是比较大的。根据调研结果，如何做出相应调整，让师生双方高效愉快的教与学，在后续的教学活动中我们将进一步总结经验，取长补短，积极探索，不断改进。