线上线下混合教学模式的探索与实践——递进式问题驱动下的大学物理大班课堂

王 鑫，陈曙光，肖艳萍

(湖南大学 物理与微电子科学学院，湖南 长沙 410082)

随着我国高校MOOC资源建设日趋完善和信息技术的迅猛发展，基于MOOC的线上线下混合式教学已经成为高校教学改革的大趋势. 但在实际教学中如何充分利用线上优秀资源和智能工具平台引导学生“主动学习”,又高效利用线下课堂教师的指导，实现从以“教师为主体”的传统授课模式到“以学生为中心”的混合教学模式的转换，正驱动着一线教师积极地探索和实践. 大学物理学作为理工科大学的通识必修课程，其教学改革更加具有示范性和独特性. 本文作者基于2020年春季线上教学的体会，在2020年秋季电磁学教学中摸索了一套基于MOOC的问题难度递进式的线上线下混合教学模式，取得了良好的效果．

1 混合教学模式设计思路

“大学物理”是理工科大学量大、面广的公共基础课，面向非物理专业低年级学生，通常采用大班教学模式.“大学物理”的教学，对于帮助学生从中学的应试学习过渡到大学“主动的”“研究性”学习，实现以培养学生能力为目标的教育改革起着重要作用.

世界著名心理学家卡尔·罗杰斯首次提出了“以学生为中心”的教育观点，认为教育的目标应该是培养能够适应变化和知道如何学习的有独特人格而又充分发展的人，教学过程中的各项活动都应该以学生的学习为中心，培养学生对学习负责的意识[1,2]. 根据学习成效的金字塔理论[3,4]：主动学习对知识的留存率是单纯听讲的5～9倍；清华大学王青教授指出，混合教学的抓手是问题驱动式的互动教学[4]. 基于以上理论和观点，本文在教学设计中，以学生参与教学活动中的每一个环节为原则，逐步实现学生从“回答问题，解决问题”到“发现问题，提出问题”的高层次学习. 按照科学人才观的基本规律，把课堂设计分为知识掌握、能力培养和思政育人三大目标. 考虑到我校“大学物理”课程长期采用大班教学与小班讨论相结合的教学形式，笔者提出了以MOOC为资源，问题难度三级递进，将教学过程拓展为以线下大班课堂为中心的课前(线上学习)、课中(线下大班课堂)、课后(线下小班讨论课)三个阶段的问题驱动式互动教学. (图1为课堂设计流程，图2为三级问题设计思路).

图1 课堂设计流程图

图2 三级递进式问题

1.1 “概念自测”引领线上学习

课前阅读和MOOC学习是学生的自主学习．概念自测题目的设计旨在帮助学生快速厘清课程内容的重点和思路. 学生对课程内容产生疑问，提出问题，这些问题会被教师在线收集而进入课堂教学环节，这是学生参与教学活动的第一步．

1.2 “随堂讨论”实现“答疑解惑”

学生带着问题走进线下课堂，而教师则讲解疑难点及学生疑问并组织课堂讨论．随堂讨论题目的设计是依据课程内容及学生课前疑问，难度高于概念自测题目. 线下课堂的同伴讨论和师生互动促进了学生对问题的理解和思考．为巩固对知识的掌握，线下课堂还配套设置了随堂练习和随堂测试．

1.3 “进阶思考”驱动同伴学习与探究

以上两个环节中学生完成了对知识的记忆、理解以及应用分析，为促进学生的深度学习，本文设计了高阶难度的“进阶思考”题目，作为小班讨论课上的深度讨论和引导学生研究性学习的切入点．

2 混合教学实施过程

教学过程分为三个阶段：课前(线上学习)、课中(线下大班课堂)、课后(线下小班讨论课)．

2.1 阶段Ⅰ——课前(线上学习)

(1) 课前发布学习任务

课前学习任务包括MOOC视频学习内容(基本顺序依据本校MOOC资源，但同时鼓励学生使用国内外其他高校的优秀资源)，教材阅读内容，同时发布概念自测题并要求在课前完成和在线提交．

概念自测题目通常按教学内容的展开顺序以问答题的形式出现．每个问题的答案都可以在教材或者视频学习中明确找到．例如：“感生电动势和感生电场”这次课的概念自测题：

① 感生电动势是怎么定义的？

② 麦克斯韦感生电场的假说是如何叙述的？

③ 比较法拉第电磁感应定律和感生电动势定义的数学表达式，试着说明产生感生电动势的非静电场．

④ 梳理教材例题关于“长直螺线管内外涡旋电场分布”的计算基本步骤．

⑤ 罗列视频和教材所提到的关于涡电流在现实生活中的应用和危害．

(2) 搜集学生问题

课前的视频学习和教材阅读，促成了学生的有效提问．通过手机APP和在线教学平台，搜集学生在线学习过程中的问题(见图3)，并在教学过程中一一做出回应．

图3 课前学生提问展示

2.2 阶段Ⅱ——课中(线下大班课堂教学)

教师在课前依据学生提出的问题，了解学生理解的难点，制定课堂教学策略，并按照教学内容设计课堂模块及随堂讨论题目. 课堂教学由知识点串讲，疑难点的课堂讨论，随堂练习及随堂测试几部分构成．以“感生电动势/感生电场”一次课的内容为例，介绍教学过程．

本示例课划分为：感生电动势的定义、感生(涡旋)电场、感生电场的计算及应用4个知识点模块．(图4—图6为各知识点模块设计的随堂讨论问题)

图4 随堂讨论——设计1

知识点二：“涡旋电场”．为让学生能够建立涡旋电场的物理直观图像，笔者设计了随堂讨论“请比较涡旋电场与静电场的异同”(见图5)，引导学生分别写出静电场和涡旋电场的环流和闭合曲面上的电场强度通量，画出静电场的电场线，直至画出涡旋电场的封闭电场线，至于其方向的问题也在讨论过程中得到进一步的澄清．

图5 随堂讨论——设计2

知识点三：感生电场/感生电动势的计算．基于前期的线上学习，例题细节不再详细讲解，而是在原有例题基础上进行拓展(见图6)，设计随堂练习巩固知识掌握(见图7).

图6 随堂讨论——设计3

图7 随堂练习-示例

知识点四：涡旋电场的应用. 关于涡旋电场的应用——电子感应加速器的原理，是学生课前提问的焦点，所以在这里引导学生做定性分析，定量计算部分则鼓励学生在小班讨论课，以小组形式进行演算展示(图8为针对学生提问设计的进阶讨论题目).

图8 进阶讨论示例

随堂测试是大班课堂的最后一个环节．一般时长为5～8分钟，学生在线提交并由平台记录成绩(见图9).

图9 随堂测试示例

2.3 阶段Ⅲ——课后(小班讨论课)

混合课堂的设计以线下大班课堂为中心，希望把学生对问题的讨论延续至大班教学的课后，激发学生对问题探究的欲望和学习的主动性. 小班讨论课为学生提供了讨论交流的平台.

小班讨论课是大班课堂教学的配套补充，每两周一次，每次两个学时．小班讨论课不包含在大班课堂教学的学时内，但对学生的评价却包含在“大学物理”课程总成绩内(占总成绩的30%). 在线上线下混合教学模式下，小班讨论课一般有两个主要任务：① 疑难问题、例题讲解；② 课堂讨论题目和进阶讨论问题的深度讨论．进阶讨论题目在大班课堂的教案中给出．小课教师会对学生参与讨论的表现做出评判(占小班成绩的1/3). 为方便讨论，各个教学小班以3～4人自愿分组，小组之间协商领取本组的重点任务，小班课上小组之间相互分享，达到既有深度讨论,又可以借助同伴学习扩大知识面的目的(图10为学生在小班讨论课堂分享讨论结果).

图10 小班讨论课展示

这里特别说明，“进阶讨论题目”是三级问题的最高阶，也是课堂的高阶性目标．进阶讨论的设计是为了启发学生的研究性学习，所以题目中既有关于相关科技发展前沿问题、实际应用问题，更有对教学疑难问题的思考(图11为进阶讨论题目展示).

图11 进阶讨论题展示

2.4 关于思政育人

“思政育人”作为教学设计的三大目标之一，笔者在教学中从物理方法、物理思想、科学家故事和科技前沿中挖掘物理学中无处不在的思政育人元素. 秉持“用意不用力”“润物细无声”的原则，思政元素的融入实际贯穿于整个教学活动中．在线上线下混合教学模式下，“进阶讨论”题目的设计，也提供了一个切入点. 譬如，进阶讨论题目的设计中，要求学生比较总结物理研究方法以实现训练科学思维；要求查阅资料了解科技发展的前沿，以及我国科技发展所处的地位，提高学生对民族文化、国家发展的自信心，也从中了解国家发展的短板，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当(图12为思政元素展示)．

图12 思政元素展示

2.5 关于学生提问

线上学习环节设计的目的，就是激发学生发现并提出问题，让学生带着问题走进课堂．学生课前提出的问题，也反向促使教师随机调整授课策略．例如有学生问“为什么讲高斯定律时不讲对称性，而应用时要讲对称性？”这一问题使教师很快了解学生对高斯定律含义和高斯定律应用之间的混淆,课堂上会专门设计例题针对性说明．

在介绍带电粒子在磁场中的运动时，学生问“若磁聚焦(相当于光学中的透镜)所用的磁场由匝数有限的线圈产生，如何求其焦距？”学生在课前主动学习中能提出这样的问题，反映了学生的思考,由此可以引导学生讨论甚至定量的计算、分析有限长螺线管在什么地方产生的磁场是最强的．

在“铁磁质”一节中，学生问：“温度达到居里点磁畴瓦解后，再降温是否还会恢复原来的铁磁质的性质？”对这一问题的讨论，甚至涉及到对热力学第二定律的理解，同时向学生介绍居里摆的实验[5]，并鼓励学生课下利用最常见的器材，把这个实验演示出来．

3 教学效果

3.1 学生反馈

学期末，请学生以小结形式对本期教学方式和效果做出评判并回收116份学生小结．95%的同学认为这种教学方式激发了学习积极性，能够带着问题走进教室，使得课堂学习更加有效．图13是由电自1904班刘同学自发在同学中所做调查的结论,这一结论应该更加贴近学生的真实感受．(图14为学生反馈截图)

图13 学生对混合教学的自我评估

图14 学生对混合教学的评价

这位同学还特别指出：“包括我询问了其它同学，认为这种模式下会花很多的时间在学物理上，这样的好处就是期末复习的时候很轻松，很多知识点在平时就已经掌握牢固了．

该样本中认为传统课堂模式好的同学，原因大都是不想在平时花太多时间在这门课上，可能是对物理不感兴趣或者是不喜欢主动学习．这些同学的共同特点是最后并没有取得很好的成绩．”

在小结反馈中，同学们不是简单地对混合教学模式的肯定，还对教学过程提出了很多有益的建议，在此不再赘述．

3.2 考试成绩分布

图15是对实行线上线下混合教学班和传统教学班级学生期末成绩的横向比较．两个教学大班为我校电气院同一个专业，实施混合教学班级为该专业的1901-04班，传统教学班级为1905-08班(任课教师为省教学比赛一等奖获得者)．混合教学大班的期末卷面及格率和平均分数分别为77%和70分，传统授课大班对应的及格率和平均分为64.4%和67分．可以看出，实行混合教学班级的及格率和优良率(80分以上)有较为明显的优势．

图15 期末成绩横向比较

图16是对实施混合教学的1901-04班期中、期末成绩的纵向比较．期中成绩的卷面及格率和平均分数分别为65%和61.2分．期末成绩反映了同学们在混合教学模式下的持续进步．需要说明的是，该班大学物理期中成绩的及格率和平均分在各个专业的横向比较中也是遥遥领先的．

图16 混合教学班成绩纵向比较

3.3 学习积极性和学习能力的提升

学生学习积极性和学习能力的提升，还反映在学期末学生提交的课程论文方面．课程论文为非强制性作业，同学们可以有感而发，可以但不限于随堂讨论和进阶讨论题目的问题限制．在所教班级116名同学中，共有8名同学提交了“大学物理”课程论文．选题涉及霍尔效应的研究进展、磁性材料研究进展以及磁滞刹车的原理等．更有一位同学就“大学物理”的教学内容和所学专业的联系做了比较概述，为“大学物理”教学内容对接不同学科专业提供了很好的参考．

4 结语

学期初，笔者也曾顾虑课前学习是否增加学生负担．但期末学生的反馈让笔者看到，正是由于课前的主动学习，提高了学习的效率和层次．问题引领式的线上线下混合教学模式的可行性和学生接受度是毋庸置疑的，也会成为今后教学改革的一个方向．

但是这一模式还有很多问题有待一线教师进一步的探索．比如线上线下的混合度如何把握？如何更有效地组织学生的讨论？如何定量评价学生的讨论？进阶讨论题目如何引领学生关注物理与前沿，甚至于形成立体化思政育人的抓手？帮助学生发现问题、提出问题、解决问题，培养高阶学习能力，提高人才培养质量，是教育者孜孜以求的目标．