三大系统下的大学物理“混合式”教学构建——以绪论课为例

张丽萍，石 岩，孔令宜

(1. 河北师范大学 教师教育学院，河北 石家庄 050024；2. 河北师范大学 物理学院，河北 石家庄 050024)

2019年“双万计划”、2020年“强基计划”以及当前新冠疫情都向课堂教学提出了挑战，此境域下的混合式教学尤为重要. 基于此，联系教育部“学生中心、产出导向、持续改进”及“课程思政”的理念，构建了动力系统、教学系统、愿景系统指向的大学物理“混合式”教学模式，其中绪论课教学构架如图1(大学物理绪论课教学构建).

图1 大学物理绪论课教学构建

1 动力系统：课前启发力+课中调动力+课后追加力

混合式教学下的动力系统是以强化学习动力为目的，基于国家、社会和个体需求,通过多项刺激来唤醒学习动机，传递学习激情，厚植探索热忱. 它涵盖课前启发力→课中调动力→课后追加力.

1.1 课前启发力：唤醒学习动机

学习动机意指瞄准发展目标并引发与维系学习行为的动力倾向[1]. 教师可通过资料推送(物理学史、科学家事迹等)、预习提纲及问卷调查开展启发式教育，领悟学生实情，开拓学习视野，唤醒学习动机. 如表1(课前调查问卷).

表1 课前调查问卷

1.2 课中调动力：传递教育激情

“激情”是一种浓烈、短促的心理情绪表象. “激情”与“课程思政”融合可有效调动活力课堂，从对话、进站、携手三方面传递激情教学.

对话(线下)：学习小组对话，深化学习情感. 如诠释“为什么学习大学物理”，让学生自主结组通过“头脑风暴”探讨“物理价值”要义，通过交流碰撞笃定学科价值，提高进取意识，实现学习激情真调动.

进站(线上)：邀约专业素质高、价值把控准的名师及专家入住工作站，利用网络平台进行教学研讨和经验分享. 如讲解“大学物理学什么”，邀请名师远程介绍本学科历史发展进程，寓情予教，传递思想解放、视野通达、学习纯真的教育激情.

携手(混合式)：携手品德高尚、学法得当的莘莘学子，利用MOOC和实际课堂搭建朋辈沟通桥梁. 如阐释“如何学好大学物理”，分享时间管理经验，“因趣促学”优化学习者思维，实现激情再发生.

1.3 课后追加力：厚植探索热忱

教学探究是以加强求索意识为前提，按照一定教学标准创设以学生的“学”为中心的创新性活动. 通过讲座和调研追加学生学习深度，厚植探索热忱.

讲座(混合式)：将研究对象、研究现状、研究体验(特别是探究乐趣)作专题报告，强化探究的过程性认知. 如指明未来光纤技术发展前景，分享探究价值以提高学生探索热情.

调研(线下)：布置多维课题，提升亲身探究情愫. 如学生走进导师工作室体验科研工作流程，访问研究生学习与生活. 以“奇”为引，培植甘于寂寞、热爱科学、勇挑重担的意识，追加勇于探索的精神和热忱.

2 教学系统：课前定目标+课中启智慧+课后求产出

教学系统意指以学生发展为轴心，运用系统论方法实现教学目标，它包含课前确立教学目标→课中创建智慧课堂→课后强化质量产出.

2.1 课前确定教学目标：学生中心、产出导向、持续改进

布鲁姆(1956)提出：“记忆、理解、应用、分析、综合和评价六大认知能力.”[2]基于此，借助MOOC网络平台，依据“学生中心、产出导向、持续改进”理念，从“课前了解与标记→课中分析与综合→课后应用与创新”，分别就大学物理“为何学？学什么？怎么学？”展开教学目标设计，见图2(大学物理教学目标设计).

图2 大学物理教学目标设计

2.2 课中创建智慧课堂：高效、生态、智能的混合式教学

“智慧课堂”意指为生本服务和学习产出而构建高效、生态、智能化学习环境的课堂[3]，承接动力系统，阐释“为什么学习物理→大学物理学什么→怎样学好大学物理”.

2.2.1 为什么学习物理？

物理学以独特的思维方式揭示自然客观规律. 开展“智慧型”物理意义学习，衔接动力系统“对话”探讨之思，从物理学“促进思维观念转变”与“推动社会科技进步”展开.

1) 物理学促进人类思维的转变

科学技术的进步决定着思维形态变革，反之亦然. 人类思维经历了“前科学时代”、“科学时代”、“后科学时代”演进[4]，如图3(人类思维进步阶梯).

图3 人类思维进步阶梯

如以“力”的概念形成为例：4000多年前，墨子应用思辨提出“力，刑之所以奋也”；公元前两百多年，亚里士多德依据直觉得出“力是改变物体运动的原因”；16—17世纪，伽利略依据实验得出“力是物体产生加速度的原因”；17世纪，牛顿应用抽象与几何得出“力是改变物体运动的原因”；20世纪20年代，萨特延德拉⋅纳特⋅玻色辩证地提出“交换自旋为整数的玻色子所产生的力为粒子之间的作用力”的新型概念描述. 时至今日，以辩证思维推动的智能化高科技发展的生物力学、环境力学、纳米力学及非线性力学正改变着人类的生产生活方式.

2) 物理学推动社会科技的进步

物理学正以稳健又高速的步伐指引智能化高端应用技术的增进. 可概述四次工业革命演进史以提升学生科学素养，加深对“科学推动社会科技进步”理解(PPT和视频联动实施).

第一次工业革命(17—18世纪)——机器时代：1698年托马斯·萨弗里研制蒸气泵→1785年瓦特改良蒸汽机→1807年富尔顿设计“克莱蒙号”蒸汽机船问世→19世纪40年代人类进入蒸汽机时代.

第二次工业革命(19—20世纪)——电气时代：1831年法拉第研发圆盘发电机→19世纪60年代Robert Street研制出活塞式内燃机→1866年西门子研发自激直流发电机→20世纪初进入电气化时代.

第三次工业革命(20世纪)——互联网时代：1945年美国成功研制原子弹→1946年莫奇莱和埃克特发明电子管计算机→1950年肖克莱等人研制晶体管计算机→20世纪80年代人类进入信息化时代.

第四次工业革命(21世纪以来)——智能时代：2013年汉诺威工业博览会正式推出工业4.0概念→2018年开展“东盟4.0：企业家精神和第四次工业革命”会议→2020年《未来学校：为第四次工业革命定义新的教育模式》[5].

2.2.2 大学物理学什么？

大学物理涵盖力、热、光、电、原子物理等内容. “智慧型”教学应以培养学生正确的价值取向、思维品质、创造潜能为目标，链接动力系统“进站”学科之情，从“物理观念和知识运用、物理思维和创新能力、科学探究和交流协作、科学态度和责任担当”诠释其价值.

1) 物理观念和知识运用

物理观念是指通过对物理现象观察、分析、研究、概括以及对物理规律、事实本质科学归纳后生成的观点，最终目的是学以致用[6]. 见图4(物理观念的一般形成过程).

图4 物理观念的一般形成过程

如比照高中《选修3-4》和《光学》相关常识，抓住事物主要矛盾以加强学生思想体验；引用积分加深对已有事实理解，以建构光在非均匀介质中传输时光程；引进激光最新应用——光纤通信技术，讲解光放大器的带宽、光在光纤中的低损耗传输研究、时分复用和空分复用技术[7]；融入“探究式”“菜单式”教学，树立正确主次观并融合“对立与统一、绝对与相对”哲学理念，深入挖掘光学与思政内在联系，并把思想政治理论恰当地运用到专业课中去[8]. 以“立德树人”筑牢物理观念的形成与发展，以时间和空间的多维体验建立辩证唯物主义世界观，持续激发学生的“幸福感”、“紧迫感”、“使命感”，实现学以致用的物理价值目标指向.

2) 科学探究和交流协作

科学探究意指以探求客观对象内涵要素和运动规律为目标并应用科研手段找寻结果的过程. 基于此，师生可进入虚拟仿真实验室(线上)，体验新技术下的科学探究与交流协作.

如研究“三线摆测刚体转动惯量”：介绍实验仪器(游标卡尺、三线摆、电子停表)操作方法. 学生猜想“测圆盘转动惯量”原理并设计实验；就实验误差(随机误差、仪器系统误差、转角大小等)原因展开研讨、分析论证. 强化实事求是、缜密细心、慎思躬行，提升科学精神和探究水平.

3) 物理思维和创新能力

物理思维是一种能动、迂回、抽象的意识体现[9]. 可探讨原始问题，锤炼学生的科学思维和创新能力.

如利用网络平台播放新闻资料，回顾力学中“嫦娥四号”奔月在月球背面冯⋅卡门撞击坑内预定区并实施软着陆的原始问题[10]，建立对客观事物表象和属性的感性认识，指导学生利用思维方法(逆向思维、等价转换、类比思维等)对“探测器所受地球作用力与其相对地面距离的变化关系图像、探测器与地面通信问题、实现软着陆的条件、探测器能量转换”等提出见解、表明态度、阐明理由；建构物理模型，完成“解题”向“解决问题”的创造性思维转变.

4) 科学态度和责任担当

科学态度意指本着对自己负责、对学科负责及对国家负责的正确立场，以实事求是、坚持真理的物理姿态践行科学精神，使之肩负学科价值、时代使命。介绍叶企孙、钱学森、黄旭华等人的事迹，培育学生家国情怀的担当意识(混合式教学)，如图5(钱学森人物事迹).

图5 钱学森人物事迹

2.2.3 怎样学好大学物理？

“智慧型”学习是以生为本，落地志向学习，它关注学习方法、学习行为、学习心理、学习评价及学习产出，续接动力系统“携手”分享之趣，从课前科学规划定发展→课中高效学习促进步→课后努力升华获成长，见图6(大学物理高效学习构建).

图6 大学物理高效学习构建

2.3 课后强化产出质量：状态、境界、发展的有机耦合

教学质量是指以适切教学理念、教学方法、教学技能助推高效课堂，助力学生全面发展. 可在态度、广度、深度各自内部耦合的基础上实现状态、境界、发展的有机耦合.

态度:遵循“守正、创新、行动”三维度，使学生坚守正道、锐意创新、知行合一. 如课程结束后，进行教学反思，寻找知识与应用的交汇点来谋求知识产出；加强内省，疏导消极情绪以提升“一丝不苟的学习态度、刚正不阿的处事态度、甘于奉献的劳动态度及相得益彰的交往态度”，达成物理学习内部状态有机耦合.

广度:实现“人员广、平台广、资源广”三搭建. 如开通MOOC讨论区，研发集思想性、学习性和趣味性于一体的“研习链”. 打开思维通道，就“调研成果、学习意义、责任担当”展开多角色、多模式的案例讨论；让课程活起来、学生动起来以实现广泛学习、广袤交流、广博探索等产出有机耦合.

深度:加强“问题深、思维深、研讨深”三引领. 如将物理建模理论、光电工程、星空计划、宇宙与人类、智慧教育、脑开发理论、职业生涯、成功需求理论等作为研究视角，促进深度研讨与品质发展的有机耦合.

3 愿景系统：课前“我是谁”+课中“我要怎样”+课后“我该如何”

教学愿景是教学主导和学习主体共同追求的一种长期、稳定的目标，坚持“立德树人”价值取向并将理想信念教育和规范学科教学有效融合敦促教师的“教”与学生的“学”的愿景合拍共振. 承接教学系统，阐释课前熟知定位→课中努力鞭策→课后反思升华的愿景系统.

3.1 课前熟知定位：“我是谁”

朱熹言“大学乃‘大人’之道”. 大学生对于自身身份认知经历了多样、动态的过程性转变，目前已形成多视角且内涵丰富的科学认知，即他们是或将要是“创造知识的接力者”，“改变自然的发明者”以及“改良社会的践行者”. 为此，学生应将自身定位为“努力研习物理观念和知识运用的耕耘者”，“勤奋践行科学探究和交流协作的学习者”，“勇于挑战科学思维和不断创新的研习者”以及“富有家国情怀和国际视野的使命者”等身份.

3.2 课中努力鞭策：“我要怎样”

孟子曰：“天将降大任于斯人，必先苦其心志……”，努力鞭策是发展进步的有效手段. 依托“我是谁”，明晰行动任务，洞悉责任义务：“我要绵延物理观念与知识内涵的文化底蕴”，“我要延展物理探究与合作精神的实践创新”，“我要继承物理创新与发明创造的科学精神”，“我要接力物理促进健康生活的科学态度”等学习诉求.

3.3 课后反思升华：“我该如何”

《小戴礼记、小宋礼记》言“博学之，审问之，慎思之，明辨之，笃行之”. 反思方能升华，以“我是谁”、“我要怎样”为标尺，构建“我该如何”. “我该认真填写学习评价”：叩问知识与技能，审视学习态度与情感等；“我该用心升华学习反思”：追忆学习过程与方法、反思学习效果与效率；“我该严谨制定未来职业规划”：关注世界科技发展前沿、关心国家物理发展动态，践行“格物、致知、诚意、正心、修身、齐家、治国、平天下”的宏大愿景.

基于《绪论课》布置课后作业，助力学生自主学习、科学规划、踏实进取. 见表2(课后作业)所示.

表2 课后作业

4 教学实践：教学实施+学生成长+实验对比

2015年9月——2020年1月我们开展了“启发·诊治·竞技·反思性”崇德瀹智教学体系构建，通过了实践检验并于2020年1月获得河北省优秀教学改革成果三等奖. 践行了学生中心、产出导向教学理念，以19届物理学院全部应届220名毕业生追踪数据为例：在读研学生群体中，保研、考研去向多为国内名牌高校，985占比41.3%、211占比高达60.1%；在就业群体中，不乏省市级名校，在县级市及以上就业人群达到了80.8%. 2020年的新冠疫情使线上教学成为必然事件，课程思政亦越发重要. 此背景下，构建了三大系统教学模式，它是前者的升级和优化，涵盖教学实施、学生成长、实验对比.

4.1 教学实施

课前任务驱动下的学习动力调动. 设置有梯度、有价值的预习提纲. 如“力”的教学：我国古代对“力”是怎样描述和研究的，从中得到哪些启示？“力”的定义演进及其价值？从属种关系视角能否厘清“力学”家族概念群及逻辑意义？近现代力的概念和研究的新视角、新应用？

课中核心素养下的智慧课堂呈现. 素养本位的教学设计：以学科核心素养为目标，以“物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任”建构结构化待学的问题、情境、知识、技能、活动等，使之成为一个体现素养生成的趣味、逻辑、启思、增智的教学案例故事.

混合式智能系统：首先凭借信息技术的无时限、可重复、富媒体优势实现从“要我学”到“我要学”；其次增强课堂学习的交互性、探究性与竞技性，实现从“学过”“学会”到“会学”“会用”；最大化满足“异”学习(个别化)，通过“异”引领，剔除“懒”“浮”或“厌”学习. 从根本上优化学风、倡导研习、助力成才。

课后深度学习下的学习愿景落实. 除常规课后作业外，构建以学习动力和愿景诉求为目标，助力课程深度学习的课程群(物理观念探究、物理疑难解析、物理价值挖掘)、工作站(学科交融、物理服务、思政引领)、竞赛队(奥林匹克物理竞赛、大学物理实验竞赛、“互联网+”大学生创新创业大赛)、互助组(物理资源搭建、学业困难帮扶、物理技能指导、物理价值提升).

4.2 学生成长

以师范认证目标为统领，以高水平人才培养“4+1起来”为抓手，全方位、全过程跟踪记录三大系统下的学生成长. 评价构成：70%平时成绩+30%期末成绩；平时成绩涵盖：课后作业、课堂表现(出勤、讨论、各类活动中的业绩)；期末成绩(期末试卷测评).

4.3 实验对比

实验对象为2020级物理学A班及B班学生. 保证两班除教学模式外其它内容，如教师资历、教材、课时、进度、前后测试、赋分统计等可控因素均在实验误差范围内. 实验结束后，用SPSS软件对两班成绩量化统计，并通过量表、访谈、家访等多种形式全面比较本届学生与往年学生的综合素质，以总结成效、反思不足、深化教改.

5 结语

承接已经过实践检验的“启发·诊治·竞技·反思性”崇德瀹智教学体系研究成果，以新时代教育部颁布的全国高校教学改革系列文件指导思想为依据[11-12]，构建了课前启发调动、课中智慧学习、课后愿景生成三大系统教学模式，并应用过程性评价筑牢物理的根、体会创新的趣、实现成长的优.

目前此模式已投入试验并深受学生喜爱，如图7所示：85.24%的学生认为课上教学内容生动有趣、课下任务清晰明了，能主动科学安排时间并谋划未来，立志不负韶华、潜心学习、博闻强基. 笔者将继续潜心教改，对学生成长的关键能力(理解能力、逻辑思维能力、创新能力、模型建构能力、推理论证能力、实验探究能力等)、道德品质(服务意识、奋斗精神、品德修养等)、家国情怀(国际视野、责任担当、理想信念等)实时检测，不断更新并完善此教学模式，努力实现新时代四大教育支柱：“学会求知、学会做事、学会做人、学会共处”.

图7 学生满意程度调查