基于混合模式和全网络模式的并行双模式教学在《计算物理基础》课程中的探索研究

董庆瑞 刘春香

摘   要：文章介绍了《计算物理基础》课程进行混合模式和全网络模式的教学实践情况。混合模式教学与传统模式教学相比，学生课堂投入度更高，网络教学平台的统计功能允许更高效地进行学习督导。与混合模式教学相比，由于课堂氛围不足，全网络模式教学的教学效果下降了，文章提出了相应的对策，同时全网络模式教学也呈现了一些独特的优势。在总结两种教学模式的基础上，为了应对突发事件对教学秩序的冲击，文章探索了一种并行双模式教学，教学活动可以在混合模式教学和全网络模式教学之间进行平顺切换，甚至可以两种教学模式同时开展。

关键词：混合模式教学;全网络模式教学;并行双模式教学;计算物理基础

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2021）09-0088-05

计算物理可以消除实际物理问题没有解析解的障碍，随着计算机计算能力的不断提高，全国各类高校的物理学本科专业普遍开设了计算物理学基础课程。随着网络技术和网络教学平台的快速发展，许多高校已经把推动混合式教学作为教学改革的重要方向。根据《计算物理基础》课程的基本特点，我校建设了线上线下相融合的混合式课程，教学效果得到了显著提升。2020年上半年的新冠疫情导致学生不能返校，我们被迫把《计算物理基础》课程的混合式教学模式改成全网络教学模式。由于课堂氛围的不足，全网络课程的教学效果有所下降，经过认真分析，我们提出的对策是：针对自律性差的学生，营造课堂氛围和加强学习督导。在总结两种教学模式的基础上，我们探索了一种基于混合模式和全网络模式的并行双模式教学，以期应对未来突发状况对教学秩序的冲击。

一、计算物理课程教学实践简介

随着计算机的飞速发展，数值计算成为物理学研究中必不可少的重要手段，计算物理、实验物理和理论物理成为物理学发展的三大支柱。[1]计算物理可以消除实际物理问题没有解析解的障碍，也可以模拟现有技术手段难以实施的物理实验。2010年教育部正式将《计算物理基础》课程列为物理学专业本科必修课。[2]《计算物理基础》课程讲授的数值计算方法包括数值微积分、解代数方程、曲线拟合和解微分方程等，处理的物理问题涉及力学、电磁学、光学、电动力学和量子力学等大学物理课程。作为本科生综合应用的专业课，讲授的数值算法尽量做到理论推导简单，需要解决的物理问题尽量采用简化的物理模型，教学目标为：让学生体验用数值计算的手段解决实际物理问题的一般步骤。

《计算物理基础》课程融合了物理专业知识和计算机编程技术，其特点是内容综合性强、知识专业性强和对操作细节要求严格。开设课程的头几年，我们采用了传统的教学模式，即学生课前预习、教师课堂讲授和课后学生完成作业。尽管传统的教学模式基本能完成教学目标，但是这种教学模式不太符合前面提到的课程特点。课前预习中学生会遇到一些有关程序操作细节的问题，增加了学生预习的难度;课堂讲授阶段，尽管我们选择了尽量简单的物理问题，但是内容依然综合性强、细节信息量大，即使知识点不难，学生也需要放慢节奏慢慢消化，往往存在跟不上讲课进程的情况，课堂授课信息量大，导致师生少有互动，因而课堂教学效果欠佳，同时，教师每年在课堂上重复讲授基础知识，严重浪费了宝贵的课堂时间，对学生关注的重点难点却来不及讲解;课后作业更是操作性强，学生需要传授编程经验，教师最好能够从旁边点拨，否则学生会事倍功半。

近几年，借助于网络技术的快速发展和网络教学平台的功能升级，我们吸取了翻转课堂的教学理念，基于超星学习通平台，建立了线上线下相融合的混合式课程。[3]在混合式课程的教学中，教师将传统的授课内容录制成教学视频，学生課前通过收看视频自主学习基本知识点，在此基础上，教师充分利用课堂时间通过问题探究的方式引导学生进行更深入的思考和练习。通过混合模式的教学实践，教学效果得到了显著提升。

二、基于超星学习通的混合模式教学

1.教学资源库的开发与课前在线自主学习

学生课前通过收看视频自主学习基本知识点，代替传统课堂的功能，有两个好处：一是学生可以根据自己的理解状况自主控制学习进度，遇到不懂的地方还可以反复收看和思考;二是允许充分利用课堂的宝贵时间进行更多的师生互动。课前自主学习虽然是在课外进行，却是本课程的基础部分。没有课前自主学习的基础，课堂时间对疑难问题的解析和对教学内容更深入的讨论就无从谈起。

教师通过超星学习通平台准备的课前学习资源库包括电子版教材、授课ppt课件、授课视频、例题编程演示视频。授课视频是学习资源库的核心内容，录制视频需要教师进行多年积累，是进行混合模式教学的重要基础。作为实际操作性很强的课程，授课内容涉及许多技术细节，授课视频可以讲得详细一些，这样可能会增加学生收看视频的时间，尽管如此，学生花在琢磨技术细节上的时间少了，学生的整体学习效率还是会提高。建议授课视频做成短视频，每个授课视频尽量控制在15分钟以内，这样做的目的是：课外学习时学生保持注意力集中的难度会增加，观看短视频更容易让人获得成就感。另外，从教师的角度讲，把长视频分解成短视频，当发现纰漏时，更便于订正。相关例题的程序演示视频，可以展示编程的实际过程，因其实用性强，颇受学生欢迎。为视频添加字幕、标注知识点，可以增加视频的可观看性。教学资源的开发，不能期望一劳永逸，需要经常维护更新，每学期都要检查、纠错和更新迭代。优质的教学资源库，配合合理的督导学习机制，会大大改善学生自主学习的效果。

在课前自主学习阶段，教师在超星学习通平台发布相关章节的教学资源，学生通过收看视频、阅读教材和复习授课ppt课件等方式进行学习。超星学习通平台允许教师为教学资源设置任务点，实时统计学生的学习进度并计算学生的自学成绩;自学成绩被设置成期末总成绩的组成部分，可以提高学生课前自主学习的积极性。为了应对少数学生的拖延心理，建议教师为授课视频设置收看截止时间;对于未按时完成课前自学的学生，教师可以进行单独提醒或课程群内公开提醒。教学实践表明，经过督导，视频收看率几乎达到百分之百。超星学习通平台还具有统计视频收看反刍率的功能，这个数据可以反映视频的难易程度，供教师更新视频时参考。学生对视频中基本知识点的消化程度，只能通过课堂问题讨论和课后作业质量来反映。另外，教师也要注意：布置课程进度，要坚持宁少勿多的原则，否则学生会感觉任务难以完成而产生挫败感。

虽然我们力求教学资源库尽量详细，学生在课前自学中也必然会产生疑问。我们尝试在课堂讨论之前以多种形式收集学生的疑问，比如在超星学习通讨论区留言、将疑问发到课程群、将疑问记录到小纸条拍照后直接发给教师等，以便教师进行更有针对性的备课。然而，清晰地书面呈现疑问需要较高的总结问题和表达问题的能力，因此，课前收集疑问的尝试并不理想。

2.课堂讨论的三个环节

通过课前自学阶段对基本知识点进行了初步消化后，在课堂讨论阶段教师就有充裕的时间引导学生进行更深入的思考和练习了，课堂讨论阶段可分为教师答疑、问题讨论和当堂测验三个环节。

第一个环节：教师答疑。学生提出问题以后，先尝试让其他同学发表看法，然后教师解答或总结，这个环节的教学目的是解答学生课前自主学习的疑问，然而我们的教学实践中，学生提问并不积极。通过和学生交流，发现提问不积极的原因大体分两种情况：一是课前自学后，学生表面的疑问基本解决了，但还没有深入思考，反映了学生发现问题的能力不强;二是学生即使发现了问题，由于“怕丢面子”的心理因素，往往习惯私下请教，而不是在课堂上公开主动发问。

第二个环节：问题讨论。教师以问题为导向引导学生进行深入思考，这个环节有两个教学目的：一是检查学生对基本知识点的掌握情况;二是教师把重点和难点以问题的形式提出来，学生对重点和难点进行重新思考，教师针对学生的回答进行点评分析，从而达到消化重点和难点的目的。建议教师提出问题以后，给全体学生适当的时间进行思考，然后再进行点名提问，防止未被提问的学生懈怠。对于难度较大的题目，可以考虑点名回答和鼓励学生自愿回答两种方式相结合。从教学实践来看，尽管学生不习惯主动公开提问，但是回答问题却相当踊跃，反映了青年学生“争强好胜”的积极心态。

第三个环节：当堂测验。教师提供若干练习题，这些练习题需要学生运用刚刚学习的知识点解决一些简单的实际问题;被点名学生需要在限定时间内“爬黑板”给出答案，这个环节的教学目的是锻炼和检查学生运用所学知识处理简单实际问题的能力，“爬黑板”其实是小测验，教师给出某个具体题目后，可以让全体学生先准备几分钟，随机指定3～5名学生到黑板上解题，答题过程中允许查书、请教同学或者在个人电脑上实际运行程序。然后教师对各个答案进行点评、错误分析和评分。对于较难的题目，鼓励学生自愿“爬黑板”而不是点名。教师在这个环节记录成绩作为平时过程分数的一部分，除了可以提高学生解决实际问题的积极性，还可以督促学生在课前自主学习阶段和课堂讨论环节更加认真地学习。实际教学过程中，学生对于“爬黑板”做题很积极，感觉收获较多，加上成绩激励，学习氛围和学习效果非常好。

随着移动互联网的发展，学生“上课玩手机”现象是一个令人头疼的问题。[4]我们的混合式课程教学实践中，教师采用点名提问和点名“爬黑板”做题的互动方式，学生全程高度参与课堂讨论，加上过程分形式的成绩考核激励，学生注意力高度集中，“上课玩手机”现象从根本上得到了解决。不仅如此，我们还鼓励学生在手机或平板电脑上安装计算机高级语言（如Matlab移动版），允许学生在课堂上对相关程序代码进行验证，把理论知识和实际运用结合起来达到“学以致用”的效果。

3.完成作业和上机练习

教师布置适当数量的课后作业习题，目的是锻炼学生用数值计算的方法处理实际物理问题的能力。教师将作业发布在超星学习通平台上，同时设定作业提交期限，防止学生拖延。教师布置作业不一定与学习进度同步，可以提前发布，甚至可以提前很长时间发布，允许学有余力的学生提前尝试解答。学生可以在自己的电脑上完成作业，也可以在上机课中到机房教室完成作业。学生提交作业后，教师在超星学习通推送详细的作业讲解视频及编程演示视频，供学生参考;对于作业视频没有解决的问题，留到上机课或课堂讨论中继续处理。教师可以随时在线批阅作业，对于错误较多的作业，教师可以利用超星学习通平台的“退回”功能要求学生修改或重做;教师对每次作业打分，平台系统自动统计作业分数，作为过程考核分的一部分。教学实践表明，得益于超星学习通平台的强大功能，完成作业环节进行得非常顺利。

本课程具有操作性强的特点，保证上机练习的时间非常重要。针对普通知识点和例题，鼓励学生课下在自己的电脑上进行自主练习;到机房教室进行上机课的时候，学生的主要任务是，对疑难知识点进行练习和完成作业。无论自主上机练习，还是机房教室上机课练习，学生非都常喜欢同学间的经验交流，这种交流对学习有很大的促进作用。教师在上机课中的任务是：对疑难知识点和作业完成过程中遇到的障碍进行单独辅导，单独找作业问题较大的学生进行指正，以及对普遍存在的问题统一讲解。

4.成绩评价

该课程本质上是方法的学习，具有操作性强和细节性强的特点，不宜采用期末书面考试的方式进行考核，建议采用过程性评价和终结性评价相结合的方式进行学业成绩评价。过程性评价既可以督促平时学习，又可以避免学业成绩受考试偶然因素（如试题因素、发挥因素和突发状况）的影响。过程性评价的弊端是操作烦琐、工作量大，好在超星学习通平台可以自动统计视频收看分数和作业分数，大大减少了教师的工作量。教学实践也表明，虽然过程性评价记录的是平时的成绩，却能比考试更真实地反映学生的学习成果。

本课程成绩评价的分数统计涉及4个教学模块：①课前自学，就是统计视频收看的分数，学生只要按时完成收看就可以得分，得分相对容易。②课堂测验（爬黑板），需要学生在认真完成视频学习的基础上，保持比较好的课堂专注度，在规定的时间内完成答题，得分有一定难度。③完成作业，需要在掌握知识点的基础上，具有解決实际问题的能力，但是完成作业既有充足的时间，又可以求助教师或同学，只要下工夫就能得分。④课程论文，是在学期末自拟题目或根据教师给出的题目，解决一个复杂度较高的实际问题，并通过论文的形式把题目的来龙去脉论述清楚，是对物理理论、数学建模、编程调试、写作表达等能力的综合运用。[5]具体成绩评价的计分方式和权重如表1所示。

5.教学效果

与传统模式教学相比，混合模式教学充分发挥了网络教学平台的视频播放功能和统计分析功能，教学效果有了较大的改进，主要体现在三个方面：①没有互动的基本讲课内容以视频的形式发布在网络教学平台上，学生根据理解状况自主控制进度;②课堂教学以讨论的形式对重要知识点进行剖析，教学内容更深入，学生课堂参与度更高;③网络教学平台的统计功能先进，允许教师更高效地进行学情分析和学习督导。

三、全网络教学模式

1.具体实践

尽管混合式教学模式比较符合《计算物理基础》课程的教学特点，但是2020年上半年突如其来的新冠疫情打破了正常的教学秩序，本课程被迫从混合模式教学改成全网络模式教学。对比混合模式教学，全网络模式教学中有些环节保持不变，有些环节发生改变，具体情况如表2所示。

全网络模式教学中，课堂讨论需要网络直播，对网络直播平台流畅度的要求非常高，对网络直播平台功能的要求相对简单，只要具备语音通话、视频通话和屏幕共享几个简单功能即可。经过比较，我们采用腾讯会议进行网络直播。网络直播中的课堂讨论依次分为教师答疑、问题讨论和当堂测验三个环节。在教师答疑环节中，学生通过语音通话和屏幕共享方式提出疑问，也可以在聊天室输入文字表达疑问。在问题讨论环节中，被点名的学生通过语音通话功能进行回答，也允许学生在聊天室通过文字输入方式自愿回答，这样可以提高回答问题的效率，教师对答案进行点评分析;对于较难的问题，鼓励学生自愿语音回答。在当堂测验环节中，教师给出题目后，可以让全体学生先进行思考，然后指定3～5名学生拍照上传答案，教师对各个答案进行点评和错误分析讲解，并在花名册记录分数。全网络模式教学中，教师无法面对面指导上机练习，教学形式调整为：学生共享屏幕提出疑问，教师实时语音指导，教师还可以共享屏幕展示程序操作细节。

2.遇到的困难和得到的启发

已经建成的混合式课程教学资源库为全网络模式教学提供了强有力的支持，尽管如此，全网络模式教学仍然遇到了一些困难。一是课堂讨论阶段学习氛围不足。积极的课堂学习氛围，使师生双方精神焕发、思维活跃，激发师生潜能的充分发挥，从而能够较好地完成教学任务。全网络模式教学中，师生无法面对面交流，导致课堂学习氛围不足，部分学生在课堂讨论阶段心不在焉、反应迟钝、很少主动发言，造成教学效果不理想。二是课前阶段和课后阶段的学习效果也出现了下降。比较全网络教学模式和混合教学模式，课前自学的环节完全一致，尽管如此，由于缺少了师生面对面的课堂情感交流，师生之间的陌生感增加，因此居家全网络模式教学的课前视频收看率明显不如在校混合模式教学的课前视频收看率;由于同样的原因，学生未能按时交作业的比例也提高了。尽管整体的教学效果下降了，我们也注意到一个事实：从混合教学模式切换成全网络教学模式，自律性差的学生受到的影响很大，甚至是毁灭性的，形成鲜明对比的是，自律性强的学生受到的影响较小，甚至可以忽略。上述事实表明，进行全网络模式教学，改进教学效果的措施应该聚焦于：针对自律性差的学生，营造课堂氛围和加强学习督导。

除了遇到的困难，网络课堂也展现了一些现实课堂不具备的优势：①学生提问比在真实课堂中更加活跃，尤其是在允许聊天室匿名提问的情况下。经过和其他课程教师交流，普遍认为性格内向的学生更喜欢匿名提问，类似于网络上的“键盘侠”现象，也许这是网络时代一个值得利用的学生心理。②直播视频可以保存，供缺课的学生或想复习的学生使用，也可以供教师进行总结时参考。鉴于本课程的特点，教学视频注重展示屏幕内容细节，可以方便地将课堂直播视频录屏保存。③共享屏幕的功能非常适合上机练习环节。网络教学前，我们预计上机课无法当面指导，教学效果会打折扣，然而，腾讯会议等软件的共享屏幕功能，再配合语音通话功能，教学效果比机房当面指导毫不逊色。④网络教学直播平台可以统计学生的发言活跃度，允许教师更有针对性地进行督导。⑤所有学生都能看得更清楚听得更清楚，而不受真实课堂中座位位置和教室音响效果的影响。诸如此类的网络教学优势预示：随着网络信息技术的发展，网络模拟真实课堂的能力越来越强，网络教学平台也将提供更便捷的学情数据统计分析和人工智能技术，因此，尽管现在网络教学还有诸多不足，但是网络教学必将成为未来教学改革的重要方向。

四、并行双模式教学的探索

如上所述，我们已经在《计算物理基础》课程中分别进行了混合式课程和全网络课程的教学实践。在总结分析这些教学实践经验的基础上，为了应对未来可能出现的疫情（或类似的突发状况），我们试图实现这样一种创新性的教学方式：无论是平常时期、疫情时期、从平常时期进入疫情时期，还是从疫情时期恢复到平常时期，混合式教学模式和全网络教学模式都能够平顺地切换，力求将仓促的教学模式切换带来的负面影响降至最低。也就是说，混合教学模式和全网络教学模式类似两条并行的铁轨在兼容状态下同时运转，教学活动可以根据社会状况的变化在两者之间进行任意选择，或者可以两种教学模式同时开展，从而实现一种基于混合模式和全网络模式的并行双模式教学。

得益于混合式课程中教学资源库的建设和当前网络信息技术的飞速发展，我们所采用的混合教学模式和全网络教学模式基本上可以做到平顺切换，比如两种教学模式的课前自主学习阶段、作业环节、成绩评价、学情观测和督导方式等几个教学环节完全一致。同时，经过对前期教学实践具体情况的分析，我们也认识到，全网络模式教学中课堂氛围的不足是影响两种教学模式切换的主要限制因素，因此我们也提出了缓解限制的两个应对措施：一是在全网络模式教学中积极营造课堂阶段的学习氛围;二是根据网络教学平台的学情数据加强对学生的心理关怀和学习督导。

1.营造全网络模式教学中课堂阶段的学习氛围

全网络模式教学中课堂氛围的不足，对自律性不强的学生会产生严重影响。为了减少这种影响，建议在网络直播教学中采取以下几个措施：①要求教师和所有学生开摄像头。开摄像头会产生身处公共场合的感觉，不易开小差，自然会将注意力集中于讲课内容。②鼓励学生参与讨论。允许和鼓励学生使用语音通话或聊天室文字输入进行提问和回答，也允许匿名发言，都可以增加学生参与讨论的积极性。③控制上课人数。如果上课人数过多，学生在课堂上与教师、同学进行互动的平均机会就会减少，课堂参与度的下降会导致学生的注意力不集中，建議上课人数不要超过45人。④除了鼓励学生自愿参与讨论，教师还要增加点名的次数，督促潜水的学生参加互动。总之，上述措施都是为了克服课堂氛围不足的负面影响。尽管采取了上述措施，网络虚拟课堂与真实课堂在营造学习氛围方面还是存在差距的，另外，对于个别学生来说，上网设备落后、网络状况不佳和居家环境不舒适等客观因素，更让营造课堂气氛很难实现，也是必须接受的客观现实。

2.加强心理关怀和学习督导

全网络模式教学期间，教师可以通过主动关怀学生拉近师生心理距离，从而潜移默化地促进学生学习。利用社交软件的语音通话或视频通话功能，教师可以方便地与学生进行交流，通过询问、鼓励、引导和关怀等方式增进师生情感。教师也可以通过加强网络督导来提高学生的学习积极性。通过超星学习通等网络教学平台的数据统计和分析功能，教师可以获得班级整体和具体学生的详细学情，从而能够在分析学情的基础上进行精准督导。实施网络督导也很方便，教师可以在课程群发布整体学情，让学生清楚自己的学习状况在班级整体中的位置，教师也可以通过腾讯QQ对某个学生进行相应的提醒，在有必要的情况下可以直接通过语音通话或视频通话进行交流。相比课堂督导，这种网络督导更有针对性，也更加明确具体。同时，加强对学生的心理关怀和进行网络督导也要把握松紧适度的原则，避免过多干涉学生的自主空间。

五、结语

本文介绍了《计算物理基础》课程进行混合模式教学和全网络模式教学的实践情况。与传统模式教学相比，混合模式的教学效果有了较大的改进。与混合模式教学相比，由于课堂氛围不足，全网络模式的教学效果下降了，改进措施是：针对自律性差的学生，营造课堂氛围和加强学习督导。同时，全网络模式教学也呈现了一些现实课堂不具备的优势，预示了未来的教学改革方向。在总结两种教学模式的基础上，为了应对突发性事件对教学秩序的冲击，我们探索了一种基于混合模式和全网络模式的并行双模式教学，教学活动可以在混合模式和全网络模式之间进行平顺切换，甚至可以两种教学模式同时开展。鉴于《计算物理基础》课程是一门与编程操作密切相关的专业课，期望本文的探索为类似课程的教学研究提供一个示例。

参考文献：

[1]A.J.Freeman.堪为物理学第三分支的计算物理[J].物理学进展，1984（1）：1-11.

[2]教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会.高等学校物理学本科指导性专业规范[M].北京：高等教育出版社，2010：9，11-12，24，46，54，62.

[3]M.J.Lage，G.Platt.The Internet and the Inverted Classroom[J].The Journal of Economic Education，2000，31（1）：11.

[4]呂水平.基于“超星网络平台和学习通”的课程建设探究[J].教育现代化，2019，6（97）：117-118，125.

[5]彭芳麟，梁颖，刘振兴.在计算物理基础课中用MATLAB培养学生的编程能力[J].大学物理，2013，32（9）：9-14，17.

（编辑：王天鹏）

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