线上线下混合式教学方法研究——以“量子力学”课程为例

黄晓亚

(河南城建学院 数理学院，河南 平顶山467036)

0 引言

“量子力学”是现在高新科学研究的理论基础之一,是物理专业本科生和研究生的一门专业基础课程,在课程体系中占有重要的地位,也是研究生入学考试课程之一。 学生通过该课程的学习,不仅加深了对经典物理知识的理解,还为后续专业课程奠定了必要的基础,同时也提高了学生分析和解决物理问题的能力,增强了学生的创新意识,为以后进行科学研究打下了良好的基础。

“量子力学”课程的重要性是不言而喻的,同时该课程也是一门抽象枯燥的、深奥的、计算复杂的难学课程,在学生中流传着所谓的量子力学“量力学”的概念。 学生学习“量子力学”出现畏难情绪,未战先怯,兴趣不高,缺少主动学习的意愿。 因此,面对学生学习“量子力学”的状态,非常有必要对现有的教学模式进行改革。 笔者近几年一直从事这门课程的教学,对此也进行了深入思考,结合该课程的特点及学生的学习现状,尝试进行了“混合式教学法”[1],即线上线下相结合、以学生为主体的“量子力学”课程教学活动,学生学习的积极性有所提高,教学效果也有进步。

1 “量子力学”教学中混合式教学法的教学过程

传统的“量子力学”课程教学过程以教师的讲授为主,学生被动参与,学习积极性不高,再加上教学内容抽象枯燥,计算烦冗,教学效果不好[2]。 笔者在“量子力学”课程中尝试了多元化混合式教学,改变了“填鸭式”的教学模式,进一步实现了知识课堂向能力课堂的转变。 学生在教学过程中参与度提高,处于主动地位,学生的学习效果和创新能力也得以提高,其具体过程由以下环节组成。

1.1 课前线上预习——理论学习阶段

以学生为主的课前线上预习。 教师通过线上教学平台（比如超星学习通）发布本次教学内容的小视频,视频时长在10 min 左右为宜,小视频包含本次教学活动的教学目标和核心的教学内容。 学生学习教学视频后,完成线上发布的相应练习题。 例如,对于微观粒子波粒二象性的同时测量,是“量子力学”中的一个难点,教师在线上发布该问题后,促使学生搜集查阅相关文献或成果,并对此进行广泛的讨论,不仅加深了学生对该问题的认识和理解,还培养了学生主动学习和创造性学习的好习惯。 学生完成这两项线上教学活动后,可以争取课堂积分,从而使学生对教学内容有了基本的了解,能够带着问题走进线下课堂,学习的主动性和自学能力得以提高。 学生在线上完成练习题后,教师也了解了学生对这部分教学内容掌握的程度,就可以目标更加明确地准备线下的教学内容和教学方式,进行精准施教。

针对目前教学学时减少的状况,课程内容的学习不得不延伸到课堂教学之外,所以,丰富多彩、形式多样的课前线上预习活动就显得格外重要,争取每个学生都能参与课程教学活动并找到自己的兴趣点。 组织这样的教学活动对任课教师而言也是复杂且有难度的,但在信息时代,唯有如此,才能让学生打下坚实的理论基础知识,激起学生对知识的欲望,培养出团队合作精神强、全面发展的创新型人才。

1.2 线下完成课堂教学——知识内化阶段

“量子力学”课程的主要内容是物理学家对微观世界研究成果的凝聚,展示了量子世界的神奇和魅力。 照本宣科的学习和机械式的记忆带给学生的感受是枯燥无奈甚至是挫败感。 只有教师对相应的数学符号背后的物理情景进行剖析、总结、对比,才能让学生体会到量子世界的奥妙,将外在的量子知识升华为内在的学识,才能变理论为理念。 所以,“量子力学”课堂对讲授者的要求更高,需要更加精心巧妙的课堂组织管理,并实施独具特色的多元化教学模式,如互动式教学、探究式教学等。

互动式教学是教师与学生间、学生与学生间产生互动,变静态教学为动态教学。 在整个课堂教学过程中,教师走下讲台,走到学生中去,共同营造一个活跃的课堂气氛,而非教师一个人的独角戏。 通过互动,引导学生主动思考、积极参与,进而培养创新思维和自主学习能力,提高学生课堂参与度和学习兴趣。

教师根据学生预习后的作业反馈情况,了解学生对本次教学内容的掌握情况,课堂上有的放矢,精准施教,进而提高教学效率。 通常预习时学生学习的小视频是简洁精炼的,而“量子力学”大部分教学内容的物理本质和物理思想是深邃和晦涩的,所以需要教师在课堂上通过互动式、循序渐进的讲解,对概念和物理本质进行讨论。 “量子力学”离不开数学,每个物理问题都需要用严密繁杂的数学推理来表达,如果教师课堂上细致地讲解这些数学推导,“量子力学”课堂将会化身为高难度的数学课堂,学生必感困倦乏味,萎靡不振,恐怕在烦冗的推导后已忘了数学推导背后的物理思想。 因此,教学中需要把物理本质从烦冗的数学中剥离出来[3],强调物理思想,压缩细致的数学推导,突出数学思路,将所需的详细数学推导步骤上传到线上平台（比如超星学习通）,供有兴趣的同学参考。 如此,学生能更好理解“量子力学”中相应的物理本质,从而提高学生的学习兴趣和课堂教学效果。

例如,典型的无限深势阱,讲这部分内容时,教师首先引导学生思考经典小球在宏观阱中运动的状态并明确其结论；然后请同学们想象电子在阱中运动的状态并分组展开讨论；接下来教师通过PPT 客观形象地展示电子在阱中运动的图像,并请同学们讨论其与宏观小球运动的区别,教师对同学们的发言进行总结并强调经典与量子的本质区别；最后通过解薛定谔方程让同学们理解电子在阱中运动状态的缘故。 这样的教学安排让学生参与到了课堂上,课堂不再是教师一个人的独角戏,实现了静态教学到动态教学的转变,教学难点被分解了,学生学习量子的畏难情绪也被克服了,学习兴趣便也能逐渐地提高。 总而言之,课堂上,教师从学生预习时的作业情况出发,在精准施教的过程中,通过巧设问题,引导学生思考讨论,分散难点,搞清问题本质,让师生和生生互动起来。

探索式教学是教师结合授课内容,课前精心设计问题,让学生带着问题去查阅文献、搜集资料、阅读教材,探讨理解相应知识点,即以问题为导向引导学生思考和探究,进而掌握物理思想和物理实质的一种教学方式[4]。 由于目前课内教学学时普遍减少,这种把教学活动延伸到课堂外的教学方式无疑是非常合适的。 课前教师根据授课内容以讨论的形式在线上教学平台发布论题,学生对此展开讨论交流及点评。 在如今手机不离手的信息时代,应用探究式教学把教学活动延伸至课堂外,不仅提高了学生的学习兴趣及学习的主动性,还提高了学生分析和解决问题的能力。例如：在讲“势垒贯穿”时,预习环节在线上教学平台发布讨论：量子世界中为什么会存在崂山道士? 在宏观经典世界生活的同学们知道,如果一个粒子的能量低于势垒的能量,这个粒子不可能穿越势垒到达墙的另一边。 所以,同学们会对只有在神话中得道的崂山道士默念一些神秘口诀才能穿越的这种量子现象产生好奇心,学生便会搜集查阅各种资料。 有了课堂之外的知识积累,课堂上教师从物理情景出发,给出薛定谔方程,结合波函数需要满足的条件,帮助学生理清思路,简化数学计算过程,注重结果分析,自然能化繁为简,得出清晰的结论,引起学生学习“量子力学”课程的兴趣。

1.3 线上线下相结合的知识巩固——能力提升阶段

课堂教学活动结束后,学生对本次课程的教学内容有了更深入系统的理解,教师在线上教学平台（比如超星学习通）上发布相应作业,学生完成作业后,教师可根据平台上得出的数据,准确地了解学生对相应知识的掌握情况,进而在线下课堂上通过辅导答疑、师生讨论等进行精准施教,直至把知识点弄懂学透彻。 每章学习内容结束后可进入章节测试环节,作业和章节测试是学生平时成绩的依据,这种方式促进了学生平时学习的积极性,提高了学生的课堂参与度,对营造良好的课堂气氛也有帮助。

因为该课程是研究生入学考试课程,教师可在线上课程平台上发布一些典型的题目,供参加考试的学生练习选做,以实现差异化教学,所以线上平台的建设及合理利用对混合式教学法教学效果的提高很重要。 充足的线上资源、线上线下相结合的教学环节、巧妙的教学过程是良好教学效果的保障。 在“手机不离手”的当下,充分利用终端设备进行线上课程活动,对学生参与课程的积极性有很大的帮助,课程教学效果也有明显的提高。

2 将思政元素融入课程教学

2018 年,教育部出台了《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》,这一文件对高校教师提出了明确的要求,专业人才的培养不仅要重视专业知识的传授,更要重视立德树人。 在教学过程中,教师应该注重课程思政的建设,寻找专业课程中的知识点与思政教育工作的结合点,以实现全方位教书育人的高校教育目标。

“量子力学”建立的过程完美地体现了创造性思维。 很多开创性的成果背后,充满了科学家艰辛的探索,蕴藏着许多精彩动人的故事,也是进行思政教育的生动教材。 比如：普朗克提出能量量子化的故事、玻尔提出氢原子理论的故事、荷兰学生古德斯密特和乌伦贝克发现自旋理论的故事。 通过科学家故事的讲述,让学生了解量子世界是如何一点一点被发现的,了解前辈们对待科学孜孜不倦的探索精神、诚恳的态度以及师生间的关怀,以便润物无声地使得前辈们的创新精神、探索精神等融入学生思想之中,达到育人效果。

教师讲授相应的知识点时,还应该适当地引入相关的前沿知识。 2009 年,中国科学技术大学潘建伟院士带领团队成功实现了世界上最远距离的隐态传输,其传输速度是光速的4 倍。 这一成果立刻引起世界科学界高度的关注。 教师把这些激动人心的事例引入教学中,不仅提高了学生的学习积极性,而且能以润物细无声的方式感染学生,弘扬爱国主义精神,增强使命感和自豪感,在学生心中种下科学的种子,积极投身我国的科学研究事业。

课程思政之于课程教学的关系正如盐之于汤,“量子力学”课程这锅汤也离不开课程思政这勺盐,不然汤必然索然无味,达不到育人效果,而恰到好处的盐,能让量子课堂回味无穷,意犹未尽。

3 课程考核方式

为了线上线下混合式教学的顺利实施,充分调动学生学习的积极性和主动性,进一步提高学生自主学习和分析解决问题的能力,“量子力学”课程考核采用“平时成绩+考试成绩”相结合的模式进行。 其中,平时成绩由线上教学平台（比如超星学习通）统计产生,由视频完成、作业、课堂互动及章节测试来决定。这种考核方式,督促了学生的平时学习力度,减轻了期末复习的负担,鼓励学生积极参与课堂,提高了学生的自主学习能力,对提高课堂教学质量有一定的帮助。

“量子力学”中的量子约束效应指当空间尺寸和边界条件变化时,量子系统会显示出不同的物理规律。 所以,在教学过程中让学生理解约束对行为的显著影响,教师合理地利用线上教学平台约束学生平时的学习行为,让学生养成主动学习、遵守规则的习惯,直至习惯成自然,学生将感受不到约束的限制。 量变产生质变,良好的习惯一定能够让学生通过自律的学习生活方式获取喜人的成绩。

总之,“量子力学”课程的教学改革是系统复杂的工程,在教学改革的过程中,必须以教学大纲为根本、以学生为中心,合理安排线上线下混合式教学活动。 教师要重视教学方法,精准安排教学内容,巧妙组织教学过程,善于激发学生学习兴趣,积极调动学生内在动力,不断改革,勇于尝试,逐渐提高教学质量,培养理论基础过硬、自主学习能力和创新能力强、具有爱国情怀的高素质人才。