大学物理智慧教学模式的探索与实践

杜颜伶,季成杰,孔志勇

(山东中医药大学智能与信息工程学院,山东济南,250399)

一、引言

近年来,以人工智能技术为核心的信息科技革命引发了人类生产方式、生活方式、思维方式的巨大变革,教育领域亟须创新教育教学模式。《教育信息化2.0行动计划》强调,要全面提升教育信息化的发展水平,以教育信息化全面推动教育现代化,推动现代教育模式的变革,利用人工智能、大数据、物联网等新兴技术,依托各类智能设备和互联网,积极开展智慧教育创新研究和示范,推动新技术支持下的教育模式变革。[1-3]从《教育信息化2.0行动计划》来看,“智慧教育”这一名词不仅首次出现在国家层面的规划文件中,更是被列为推动教育信息化2.0发展的八大行动之一。[4]《中国教育现代化2035》再次提出,加快信息化时代教育变革,建设智能化校园,统筹建设一体化智能教学、管理与服务平台。[5]可见,智慧教育既是经济全球化、技术变革的产物,又是教育信息化发展的必然阶段。[6]在此背景下,培养满足未来社会需求的高素质、专业化人才,需要广大教师紧跟教育教学发展趋势,积极应对智慧教育、智慧教学带来的新挑战。本文基于“学习通”教学平台,探索构建大学物理智慧教学模式的方法与路径,鼓励学生积极参与学习,促使学生自主构建知识体系,有效提高大学物理课程的教学效果。

二、智慧教育与智慧教学模式

“智慧教育”提出后,智慧教室、智慧课堂、智慧学习、智慧教学等概念相继出现。祝智庭提出,智慧教育是在信息技术支持下发展学生智慧能力的教育。[6]在信息时代背景下,利用智能化信息技术构建智能学习环境,教师应以智慧教学法引导学生开展智慧学习,培养具有良好的价值取向和思维品质、具备较强思维能力的人才。[4]智慧学习环境是开展智慧教育的技术支撑,学生进行智慧学习是开展智慧教育的根本。

关于智慧教学模式,于颖等人认为,智慧教学涉及教育领域的各个层面,包括组织架构、教学过程、评价方式等全方位的创新与变革,教师和学生也在此变革中不断地学习和适应,因此智慧教学模式在不同的发展阶段会有不同的表现,并提出“改进型—交互型—理想型”的进阶式智慧教学模式。[7]蔡宝来认为,智慧教学模式是在智慧课堂环境下,教师创设学习环境和学习空间,将教学资源与教学技术进行深度融合,为学生进行智慧学习提供精准指导的方案与流程。[8]智慧教学的教学活动从传统教学课堂拓展至网络和移动终端,线下同步与线上异步教学相结合。智慧教学模式使教师的课堂教学重点由知识传授转变为培养学生的能力、启迪学生的智慧。在教学过程中,智慧教学能够实现师生互动、生生互动、人机互动,借助智慧课堂将教学过程转化为过程数据,帮助教师快速、准确地了解学生的学习状态,辅助教师进行决策并开展有针对性的教学指导。

三、探索实践——智慧教学设计

在信息技术与教育深度融合的智慧教育背景下,面对重重挑战,教师需要紧跟教育信息技术的发展步伐,积极开展智慧教学实践,不断总结反思,提升智慧教学能力,创新智慧教学模式,提高教学效果。以山东中医药大学生物医学工程本科专业大学物理课程流体力学中伯努利方程的教学片段为例,本文基于“学习通”智慧教学平台探索大学物理课程的智慧教学模式实践。利用“学习通”教学平台和现代化的信息技术,整合网络资源,丰富课程内容,改革传统教学模式,实现具有专业特色的个性化、数据驱动的智慧化和学生学习的主动化。

山东中医药大学生物医学工程本科专业的学生在未来的科研工作中会涉足医疗领域,包括影像分析和医疗仪器的研发、制造与维护等,因此需要学习流体力学理论作为支撑。本节课是在上节课的知识基础上,进一步解析伯努利方程基础理论及其涉及的工程技术应用,为学生学习后续章节(实际流体、泊肃叶流量)和后续课程(影像分析、医疗仪器的设计)奠定基础。

(一)教学目标

本文结合本专业学生的培养方案和本课程的教学大纲,设置了三级教学目标。

一是知识目标:能够熟练掌握伯努利方程及其应用,理解人体循环中的流体力学知识,了解生活中的流体力学知识。

二是能力目标:能够正确运用本节所学理论分析和解释生活和工程中的实际问题;通过课堂小测验和课堂讨论提高数理推导能力、表达沟通能力;在分析探究工程案例和习题的过程中掌握归纳演绎、类比分析等研究方法,克服思维定式的不良影响,打开思路,培养创新思维,熟悉正确严谨的逻辑推理、科学探究的学习方法。

三是学习态度与价值观:敢于批判质疑,发现问题,探索新知;通过推理培养科学的研究方法和严谨认真的学习态度;结合身边科技和工程实例的教学,培养工程意识和科学素养;了解当代中国航空航天科技的相关发展,培养掌握真知、科技报国的家国情怀和使命担当。

(二)学情分析和预期教学效果

根据“学习通”平台的数据记录,如学生上课的签到记录,课堂学习活动的参与情况,课后作业的完成情况,观看课前预习视频的时长、次数,以及预习题目的准确率等,分析本专业学生的知识储备情况和学习特点。数据表明,学生的物理基础较好;学生具有良好的学风和认真的学习态度,求知欲较强,合作交流的能力较强。同时发现,部分学生未能按时完成作业和线上预习,说明部分学生进入大学后,自主学习能力较差,自控力不强。为解决以上问题,教师需要结合平台教学数据为学生提供个性化的学习指导和监督,提高学生线上学习的积极性和主动性。根据学生参与课堂活动的情况可知,学生对日常应用和工程实例比较感兴趣。对此,教师应将课堂知识有机融入日常生活和工程实例,注重理论与实践的结合。

(三)教学策略和方法

教学以学生发展为中心,以智慧教育理念为指导,参考“学习通”教学平台中教与学的数据,教师能够更加客观、全面地分析学生课前、课中和课后的学习情况,由经验驱动选择教学策略转为由数据驱动选择教学策略和方法。教师有效开展线上线下、课内课外的智慧教学,有机融入课程思政元素,让学生认真讨论、积极参与,重视学生的思考与探究,突出“从生活走向物理,从物理走向社会”的理念,培养学生对大学物理的学习兴趣,使学生感受身边的科技,以期达成知识探究、能力培养、价值塑造“三位一体”的智慧教学目标。

采用线上线下相结合的教学方法,教师以问题驱动学生思考。在讲授过程中,教师通过启发教学引导学生进行探究,开展合作学习,同时鼓励学生针对重难点问题展开讨论,促进讲练结合。

(四)智慧教学流程设计

在教与学的流程设计上,本节课采用“课前自主学习—复习与新课导入—学习新课—课堂小结—课后拓展延伸与形成性评价”的教学流程。

1.课前自主学习

师生活动:教师发布学生课前自主学习的课程资源,包括视频、文本资料和相关预习题目。学生通过观看视频和资料,预习本节课的基础知识,并完成对应的测试题。

设计意图:学生为学习本节知识夯实必备的知识基础;教师通过分析学生的任务完成情况和答题准确率等方面了解学生的学习情况,及时调整课堂内容和教学策略,为后续课程教学奠定基础。

2.复习与新课导入

师生活动:

第一,教师对学生上节课的课后练习和本节课的预习题目进行答疑解惑。从预习题目可以看出,学生在中学所学磁力线的知识基础较好,教师可将类比教学作为本节课学习流线概念的基础。通过分析学生本节课的预习情况和答题准确率,及时对学生的预习情况作出评价。

第二,教师复习并讲解本节课包含的基本概念和理论公式,如流体、流线、伯努利方程等,并在“学习通”教学平台发布线上测试。

设计意图:教师针对上节课学生存在的疑问进行答疑解惑,为学习本节课的相关知识奠定知识基础;教师可借助平台数据分析学生上节课的线上作业准确率,了解学生对上节课课程内容的掌握情况并给予相应评价。

3.学习新课

(1)理想流体高度与流速之间的关系

师生活动1:展示铜壶滴漏的图片,引导学生思考铜壶滴漏的计时原理和关键设计。

结合伯努利方程,教师讲解分析小孔流速,进而分析理想流体高度与流速之间的关系。理解小孔流速不是匀速,是分析铜壶滴漏的计时原理和设计的关键,以往在物理和数学课程中关于流体流速多是以恒定流速的条件出现,导致学生具有“流速总是恒定的”这一思维定式。本节课旨在引导学生克服思维定式的不良影响,引导学生积极质疑与思考。质疑是探索知识、启迪智慧的开始。教师应鼓励学生打开思路,合作讨论,培养学生的创新思维。利用“学习通”平台课堂表现中的讨论和抢答功能,教师可在课上引导学生分析和回答铜壶滴漏的相关问题。学生积累课堂表现分数,教师进行评价。

设计意图:理论联系实际,激发学生的学习兴趣,感悟古人智慧,深入了解科学知识的实际运用价值;鼓励学生敢于批判质疑,发现问题,探索新知,强调秉承正确严谨的逻辑推理、科学探究的学习方法;通过“两性一度”的高阶性和挑战度,帮助学生掌握类比分析和理论推理的研究方法,提高逻辑推理和数理推导能力;引导学生思考、讨论和表达。

师生活动2:线上随堂测验

随堂练习题为关于输液用的吊瓶针孔滴速的求解问题,教师需引导学生用本节课所学的小孔流速知识解决问题。利用“学习通”平台的作业功能引导学生分析和回答这一问题,积累作业分数。教师结合“学习通”平台数据对学生提交的答案进行分析、点评和总结。

设计意图:通过设计线上随堂测验,讲练结合,突破学习重难点;帮助学生掌握类比分析的研究方法,提高学生的逻辑推理和数理推导能力;能够实时获得学生对知识的掌握情况,及时调整教学节奏,并对学生开展形成性评价。

(2)理想流体压强与流速之间的关系

师生活动1:通过医生及时给患者供氧的视频,帮助学生认识文丘利氧气面罩,教师提出问题:“文丘利氧气阀如何调节氧浓度?”

教师反复播放动画,引导学生仔细观察,结合伯努利方程分析引导学生回答相关问题。这一教学环节建立在前两个教学例题及应用的基础上,提出了相似但难度较大的拓展应用。教师需结合学生的专业特点和知识基础,鼓励学生自主探索、自主领悟。

设计意图:加强学生的理论学习,结合专业特点设计,为后续医疗仪器的设计和研发打下理论基础;这部分的内容比较抽象,借助动画演示能够帮助学生在建立形象思维的基础上发展逻辑思维,提高逻辑推理能力。

师生活动2:课堂互动

教师提出“向两张自然下垂的纸中间吹气,这两张纸会分开吗”的问题,引导学生动手操作。教师鼓励学生参与活动,动手尝试,引导学生分析与思考,并通过“学习通”教学平台的选人功能引导学生回答问题。学生积累课堂表现分数,教师对学生的回答进行点评。

设计意图:通过实际操作,让学生意识到“想当然”的直觉思维或以往的思维定式往往会得出错误的结论,从而学会自觉学习并形成逻辑分析思维;加深学生对伯努利方程的认知,感受气流、压强和力的关系,为下一实例分析奠定基础。

师生活动3:教师提出问题:“飞机升力主要来自哪个部件?”

播放“盛世强军”视频,教师通过“学习通”平台的选人功能,结合公式和图片,引导学生分析和回答这一问题。学生积累课堂表现分数,教师对学生的回答进行点评。

设计意图:加深学生对伯努利方程的认知,并思考伯努利方程在科技前沿中的应用;有机融入课程思政元素,增强学生的民族自豪感,实现知识传授与价值引领的有机统一。

4.课堂小结

教师对本节课的学习内容进行简单小结,分发课后拓展资料并在“学习通”教学平台布置学习和讨论作业,具体包括以下几个方面。第一,在“学习通”上完成本节课程相关作业并提交。第二,在“学习通”预习下一小节的课前学习资料及相关习题,并提交。第三,提供“肺动脉压与三尖瓣返流之间的关系”的高阶学习和课后思考视频。第四,引入“八月秋高风怒号,卷我屋上三重茅”这一诗句,让学生思考为什么杜甫屋顶的茅草容易被卷走。

设计意图:学生对所掌握知识和能力进行巩固和升华。课后题目的设计体现了分层教学的教育思想,第三个作业主要考虑“两性一度”,适合学有余力的学生进行课后知识拓展,第四个作业结合了本节课的知识,对学生进行价值引领。

5.课后拓展延伸与形成性评价

教师为学生搭建课后学习平台,引导学生进行自主学习和自主评价。学生可以根据自身能力和学习兴趣围绕本节课所学知识进行更广泛、更深入的研究。学生的终结性考核与过程性评价(平时成绩)并重,终结性考核成绩(占综合成绩60%)来自期末考试,学生的平时成绩(占综合成绩40%)来自过程性评价。过程性评价是对学习过程进行连续评价,能够系统地考核和评价学生学习过程的各个方面,为学生创造更多自我展示的机会,激发学生的学习兴趣,培养学生的自主学习能力。但过程性评价需要教师合理划分各种学习行为的权重,遵循“规则先行,重在引导”的原则。在多元化评价的实施过程中,教师需保证对学生的评价和学生对平时成绩的积累有章可循。[9]

平时成绩主要来自课堂表现(20%)、音视频的学习(20%)、平时作业(20%)、章节测试(15%)、分组任务(15%)和线上签到(10%)。其中,课堂表现主要借助“学习通”教学平台的线上投票、问卷、抢答、选人、讨论、随堂练习等功能发起课堂活动。鉴于大学生在所有教学的有效性评价中最看重师生之间的有效互动,教师应及时评价学生的学习活动,鼓励学生积极参与课堂活动,获取新知识,提高教学效果。[10]在“音视频的学习”板块,教师可利用“学习通”教学平台整合各方资源,加强线上学习资料的建设和资源共享,让学生利用其开放的教育资源自主学习。在“作业”和“章节测试”板块,教师需要根据学生的学习情况发布作业和章节测试任务,学生答对即可获得分数。教师可以借此了解学生对知识的掌握程度及教学目标的达成情况。“分组任务”板块的设计可鼓励学生学以致用,解决实际问题。对于分组任务,教师需注重方法指导,引导学生优化自主探究过程,让自主探究落到实处。教师可引导学生根据自己所学自主选择内容并制作视频和活动文案。教师可围绕学生选题的难易程度、是否有充分的独立思考能力和实践能力、小组分工是否明确、学生的参与度与贡献情况、知识与技术的应用是否合理、组织是否有序、步骤设计是否科学、问题解决情况、目标达成度等标准,对学生作品进行打分和评价。

四、结语

随着我国高校教育改革的不断推进,基于现代信息技术的智慧教育是高等教育的发展趋势。将智慧教育理念应用于教学活动,能够提高教学效率,改善教学效果,有助于培养现代化的创新型人才。本文以山东中医药大学生物医学工程本科专业大学物理课程中的伯努利方程教学为例,基于“学习通”教学平台构建大学物理智慧教学模式,开展了有效的智育和德育教学。在教学设计上,以智慧教育理念为指导,借助“学习通”教学平台的数据,了解学生课前、课中和课后的学习情况,并借此实现数据驱动的教学。贯彻“从生活走向物理,从物理走向社会”的理念,充分结合学生的学习特点和专业特点设计课程应用实例,既能有效地开展思政育人,又能培养学生的学习兴趣,提高学生的课堂参与度。在教学策略上,为解决学生课堂讨论时间有限的问题,教师需要精心设计线上导航任务学习单,开展科学、公正、公开的过程性评价,引导学生有针对性地学习,培养学生主动学习的思维,有效提高课程教学效果。