数字化演示实验助力慕课西行的同步课堂授课——以光学课程为例

赵福利,崔新图,庞晓宁,黄臻成,王馥君,罗 霖,沈 韩,何海涛

(中山大学 a.物理学院;b.教务部;c.网络与信息中心,广东 广州 510275)

当今高等教育的数字化发展倍受重视,数字中国战略引领高等教育全方位发展,国家智慧教育平台的建设与应用,有助于将数字资源的静态势能转化为教育改革的动能,推动教育数字化转型,促进教育现代化. 在理工科教学中,实验教学是集合科学思维、实践设计、动手操作和数据处理等能力培养的教学环节,实验和理论课结合是丰富综合素质教学的重要手段,如何实现实验课数字化,而且要有实况感和体验感,并经历科学思维训练和数据处理等环节,是数字化实验教学转型面临的挑战[1-3]. 中山大学以光学课程为实例,开展合作虚拟教研,并定制了数字化实验混合授课平台,将实体实验数字化,经过多层图像定量网络上载,同时与仿真结合,丰富课程授课内容和方式,增强演示实验的定量表达能力,提升授课的科学性[4-6].

1 课程设计

中山大学目前拥有自主建设的线上一流光学课程,2017年上线爱课程网站,2022年上线国家智慧教育平台. 课程已运行7个教学周期,受益者达4万余人,辐射范围涵盖国内外,2020年制作英文版慕课OPTICS,2021年上线,为海外留学生开辟了学习空间. 在持续开展一流课程建设和维护的基础上,通过学情研讨,中山大学与喀什大学合作共建实体演示实验与理论授课相结合的线上同步课堂,目标是:在一流线上课程的视频引导学习基础上,建设演示实验为核心的授课方式,实现演示实验数字化、实景现场拍摄,教师针对实验环节设计互动,学生现场感受实体实验,并定量分析实验结果[7-8].

1)共建教研团队,实行3周例会制,采用虚拟教研室模式,教师团队定期线上教研,分析学生学情,有针对性地调整教学内容和课堂关注对象. 充分利用智慧平台的跨地域交叉和融合功能,共享教师的知识储备,开展互动教学研究,共同推进教学进度.

2)以国家智慧教育平台为依托,学生统一注册并选课,利用平台的视频课程和课后习题作为自学资源,教师在后台监测学生的学习成效,为课堂互动做好铺垫.

3)拓展开发奕课堂混合式教学平台(Online merge offline, OMO). 为实现线上同步数字化演示实验的功能,课程团队定制了奕课堂平台. 奕课堂平台具有学生管理、课堂互动、课件管理等教学模块及功能,支持多机位摄像头同步放送,在线演示实验细节全方位、全过程呈现;课堂实录可以回放,学生课后可以反复观看复习;自动记录每个学生在线上课堂的互动情况,监督学生的学习情况.

4)通过奕课堂提供课堂参与度评价,教师实现异地线上教学模式下的学生成长画像描绘.

2 课程实施

根据实际情况,调整上课时间、上课地点和上课方式,丰富奕课堂的应用场景,学生在电脑和手机上参与课堂的互动教学活动,每周总结上周学习情况和预告下周的具体内容,授课过程中及时答疑解惑. 课后组织技术组研讨,优化下周呈现场景和镜头切换等工作细节.

根据理论与实验结合、虚实结合的要求,教学过程包括了讲解理论知识,演示实验现象,数字化呈现实验结果,师生互动检验教学成果,学生课后自主学习等环节. 为了实现实验项目的数字化,需要根据不同的实验项目采用不同的数字化设备及数据处理技术. 实验数字化一方面体现在采用电动调节装置或者摄像头记录手动调节的状态,实现实验过程输入的数字化;另一方面采用传感器、功率计、摄像头等将实验结果数字化呈现,实现实验结果输出的数字化. 通过演示实验的课堂实录学生获取所需实验数据,进而与理论对比,深化对课堂知识的理解.

2.1 实时互动调整上课时间

疆粤两地有时差,为保证学生学习时间,中山大学将课程安排在晚上21:00-22:30,成为中山大学下课最晚的课程. 教学结束的时候显示,能够预留给学生最好的学习时段对授课效果有鲜明的促进作用.

2.2 虚实结合,创新理科专业课线上授课方式

光学是一门激发学生创新思维的物理学专业基础课程,对于学生构建专业知识结构、开展研究型学习具有重要作用. 线上课程加入有体验感和科学分析的演示实验能够创新理科专业课线上授课方式,推动实体实验教学数字化. 将中山大学实验教学特色融入课程,能够充分发挥实验工程技术人员扎实的研发实力,聚焦实践和理论相结合的线上线下混合/理论实验综合的同步课堂建设. 课堂授课方式采用以实体定量的演示实验为核心载体,结合理论课小结讲授方式,学生通过MOOC自学基本内容,喀什大学开设线下课程集中讲授重难点. 表1是本课程定制的线上演示实验内容题目.

表1 线上定量演示实验清单

图1(a)为自行搭建的光栅光谱仪光路,学生能够清晰地了解光谱仪的内部结构,其中光栅支架下安装转动传感器,模仿步进电机的工作机制,通过编程自动数据采集.

实验中采用多镜头配置,学生既可以看到整体光路结构,也可以看到后台程序运行,还可以看到输出效果. 图1(b)是学生课堂上可以看到的实时展示,因为有定量结果,学生可以自行计算和研究光谱仪的性能.

2.3 引入仿真工程,助力理论授课具象化

理论讲解中涉及定量环节,采用虚拟仿真技术呈现定量结果的预测,同时搭建实体实验,启动多镜头实时拍摄并保证双向网路传输,将实体课堂高保真地同步到喀什课堂,学生观感接近真实,通过可视化数据开展实验定量分析和思考.

2.4 分析学习行为,聚焦过程性评价

奕课堂后台可以导出课堂互动信息,助力教师细致分析学情,并深入开展教学研究.

图2是学生的互动情况分析,192位学生全程在线,互动设计在3 min内作答,可以看到学生的互动参与率在50%以上. 从图中可以看到学生的回答问题和回答正确率,这些数据可实时为教师提供本次课的难度和节奏. 从互动方面看,学生的耐力和对越来越有难度的问题的跟进程度有所下降,提示教师下次课要重新考虑内容的分布和学生的接受程度. 后台分析还发现,有3名学生全部互动回答且全部正确,这也可以助力教师发现优秀的学生.

图2 2022年10月25日课堂互动后台统计

2.5 实时互动,解决网络课堂学习体验缺乏问题

以国家智慧教育平台为基础,拓展开发奕课堂平台,激活网络双向互动,提升课堂的节奏感和功能性,将静态优质资源转化为具有学习驱动力的网络互动课堂资源. 通过同步实验+仿真的线上线下结合方式,以MOOC资源为引导,以智慧平台为基础,构建适应不同培养目标的同步课堂;通过互动讨论、截屏提问和语音问答环节提升学生的参与度,丰富课堂内容和激活学习主动性.

图3是水波同频振动波的干涉和课堂提问截图. 通过课堂实体演示和多图层叠加,可以在实体演示基础上定量分析,并结合理论分析设置互动问题,在网络支持下,实现及时投票应答,并针对答题结果开展及时分析、讨论和解答.

(a)

3 课程效果

学生在学习过程中一方面收获知识,一方面收获感悟. 本课程在实施中获得了喀什大学物理与电气工程学院学生的好评.

李萍萍同学说:老师教学在书面浅显知识的基础上,进一步扩大了教学知识的深度及广度,扩大了学生的知识面,并且多方面培养了学生思考问题的能力,老师知识渊博,因此讲授的很有深度,并且在书本知识上也有所扩展. 课上老师很注意与学生的互动环节,增强了课堂气氛,使教学效果更加显著. 陈毅同学说:赵老师讲课讲的很细节,其中用题型加深我们的认识,注重知识和实验相结合,带动了学生学光学的积极性,同时也使我对光学了解的更深. 赵乐同学讲到:老师讲课十分认真投入,条理性强,为人和蔼,课堂能与同学们互动,营造温馨的课堂气氛,等等. 可以看出,线上课程能够给出实况的高保真实体实验,并开展合适的互动,能够明显提升学生学习的积极性和主动性,进一步提升学生学习的自豪感和获得感. 喀什大学教务处评价,“中大提供的光学课程是针对喀什大学师生需求精准打造的西行慕课”“中大光学教学团队通过自主研发的仿真实验、动画等手段使喀什学生对光学相关的基本概念、定律和原理有了更深地理解,帮助他们建立了清晰的物理图象”. 《光学》慕课西行工作成效被喀什大学和中山大学新闻网专题报道,周阅读量超过3万,获得社会广泛认可. 这些评价定性显示,教学是有温度有人文情怀的互动过程,如何把同步课堂建设成为有温度、有人文关怀的课堂,对充分提升优质资源发挥良好效果、打通资源补给的最后一公里至关重要.

结合数字化实验混合课程建设是在SeeLight教学平台的理念发展起来的. 在SeeLight平台还嵌入了仿真的课后作业模块,也实施了伴随性动作抓取和行为分析,可实现学生的学习行为分析,并对学习提出建议. 奕课堂现在已经与SeeLight平台对接,有望在将来实现如上功能.

4 分析和研讨

经过1个学期10个数字化实体实验的互动同步课堂的教学,成功实现了资源共享、优势互补的目标,也产生了系列光学教学定量演示案例,可以用于后续线下课堂的定量演示环节. 通过不同区域师生在互联网环境下的互动教学,探索了理工科理论+实验教学的新形态,基于学习行为的监测和分析可以获得学情数据,有利于教学改进.

4.1 数字技术助力教学内容方式革新

课程建设重点在内容,课程内容设置直接关系到专业知识的架构,好的授课形式和技术是驱动,从而激发学生主动学习、主动思考. 因地制宜、与时俱进定制课程是最优选择,如:大国重器天眼FAST、自主研发的大面积光栅、新型的拓扑光学材料等,可在适当环节中纳入课堂教学,在高等教育领域传播中国声音. 创新性使用可拓展兼容的数字教学技术,激发当代大学生独特的兴趣,培养学生科学素养是赋予课程现代性的技术标志之一.

4.2 网络安全保障教学环境安全清明

信息化网络教学的关键是安全. 中山大学“慕课西行”依托国家智慧教育平台、国产自主研发平台推进,学生在安全的网络下学习,数据安全可控. 在课程实时监控和安全保障方面的侦测要全面、全程保障. 只有构造可信赖、可依靠并且掌握在自己手上的信息化技术,才能安全实现自主的信息化高质量教学的发展.

4.3 构建好用易用的和谐教学生态

新技术,尤其是信息化技术,虽对青年人具有吸引力,但是对于授课教师却又具有挑战性. 因此,信息化新产品的应用推广必须首先考虑教师好用、学生易用,同时保证网络空间干净安全.

4.4 数字化转型推进教育生态转型

教育数字化转型有利于形成校-校联合资源共享的学校形态,有利于推进线上线下混合教学、虚拟仿真实验教学等教学方式的深化应用,从而改变教育发展不平衡的现状,促进教育公平,推进社会全面进步.

5 结束语

数字化教育,尤其是高等教育的数字化,将缩小物理间隔,在互联网上构建高等教育的新生态环境,优质的数字化专业课程是高校专业教育深化拓展的有效途径,有利于推进教育公平和促进高效协同发展. 目前,本案例被中国教育电视台的综合频道和《中国青年报》报道,认为以信息化技术有效地促进了教育公平. 因此,数字化实体实验的网上复刻技术可能对未来的理工科同步课堂教学具有参考意义.