基于在線平臺的大學物理反轉課堂教學研究

白士剛 馮放 牟艷秋 李茫雪 李楠

[摘 要]針對高等農業院校大學物理課程現狀與瓶頸問題，基于大學物理在線課程平臺、線上與線下相結合的混合式教學理念，指出大學物理課程反轉課堂實施的必要性，以及課程內容優化方案，并進行了三類程度的翻轉課堂教學嘗試。結果表明：在物理理論框架和數學技巧課堂講授的基礎上，將理論推導細節通過在線平臺，由學生自主學習，更加適合目前的學習者;同時，該程度的反轉課堂教學，也為課堂開展研究與討論式教學提供了時間條件，有望大幅度改善課程現狀，實現基于課程的學生創新能力培養。

[關鍵詞]翻轉課堂;混合式教學;大學物理;在線課程

[中圖分類號] G642.421 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）09-0080-03

“MOOC+SPOC+翻轉課堂”的混合教學模式是保證在線課程教學效果的有效手段[1-3]。隨著移動互聯時代的到來，各類網絡終端用于課程學習，這將改變和顛覆傳統的學習模式，學生作為學習的主體將獲得更多的學習自主權，“MOOC+SPOC+翻轉課堂”必然是大學教育教學改革的方向[4-6]。隨著知識更新速度的加快，學習課程逐年增多，而各類課程課堂教學學時卻在逐年減少。近年來，國內外在線學習平臺大量涌現，如國外的 Coursera、edX 和 Udacity，以及我國的智慧樹、超星爾雅平臺、中國大學MOOC等，提供MOOC課程的大學超過400所，課程數量2400余門，學習者數量1600萬～1800萬人。

近年來，國內外多所著名高校的名牌課程嘗試采用“MOOC+SPOC+翻轉課堂”的混合教學模式。2013年，哈佛大學對版權法、美國國家安全、戰略和媒體面臨的主要挑戰、建筑學假想三門課程進行了SPOC試驗。哈佛大學福克斯教授指出，基于SPOC模式可以避免MOOC課程與課程多樣性的矛盾。加州大學伯克利分校福克斯教授開設在線課程軟件工程，并基于SPOC模式在伯克利開設課程，該SPOC課程實現了自動評分功能，后續該課程在四所大學陸續開設了SPOC課程。另外，麻省理工學院、杜克大學、范德堡大學均采用了混合學習方式。

一、高等農業院校大學物理課程現狀與瓶頸問題

（一）教學內容與教學學時之間存在矛盾

受歷史與時代發展等多重因素影響，目前在高等農業院校，大學物理課程教學學時逐漸減少，很多院校呈現出明顯的教學內容與教學學時之間的矛盾[7]。物理學是自然科學中的基礎學科之一，其涵蓋內容豐富，涉及自然界各種物質層次與現象，是理論科學與實驗科學完美的統一。目前，大學物理課程內容通常包括：力學、熱學、電磁學、光學、量子力學、相對論等。而學時減少后，大部分院校通過減少課程內容來適應新的學時限制，其主要有以下幾種方式：1.整章、整節刪除，簡單應對;2.降低講授深度，以保持內容相對完整性;3.模塊化，由選課學院自由組合，以滿足專業后續課程的需求。以上應對學時減少的做法，存在以下弊端：簡單刪除章節，會導致大學物理課程缺乏系統性與完整性;而減低講課深度，大而全，又會導致重要知識點不夠深入，不利于學生的長遠發展;把課程模塊化，由選課學院自由組合，會導致知識點的分散、缺乏系統聯系，無法體現物理學的統一性。

（二）課程內容以經典物理為主，不能反映時代的發展

現在的物理課程教學已經落后于時代的發展，特別是農業院校的物理課程，由于受學時和學科特點的影響，農業院校的物理課程一直以來都以經典物理內容為主，遠不能反映時代的發展特征，必須建立具有農業院校專業特色、反映時代進步的物理課程內容。

（三）教學模式單一

傳統農業院校的基礎物理教學模式較單一，一般僅分為農科物理和工科物理。隨著時代的發展，農業院校學科不斷增加，有向綜合型農業院校發展的趨勢，而目前的單一教學模式無法滿足學校發展對課程多樣性的需要。

（四）教學方法單調

物理課程教學方法單調，仍然以灌輸式、填鴨式的傳統教學方法為主。教學手段陳舊，基于現代信息技術的多維互動教學、MOOC共享教學還沒有真正得到實踐和應用。

綜上所述，針對高等農業院校大學物理課程現狀與存在的問題，基于SPOC理念[8-11]，整合與篩選MOOC課程資源，研究建立具有農業院校特色的、面向不同專業學生的大學物理SPOC在線課程，并探索應用“MOOC+SPOC+翻轉課堂”的線上線下混合教學模式，是改善課程現狀、解決瓶頸問題的重要嘗試。中外大量的教育實踐表明，物理教育在培養學生科學素質、科學思維方法及科學研究能力，尤其是在培養創新人才方面具有其他學科無法替代的特殊作用[12]。

二、網絡在線課程平臺建設

（一）在線課程

大學物理網絡教學平臺（https：//mooc1-1.chaoxing.com/course/98849315.html）適合高等農業類院校工科、農科類大學物理課程網絡教學（MOOC、SPOC），也適合作為采用線上、線下混合式教學模式（反轉課堂教學）的核心教學資源，或采用自主學習方式的學生的輔助學習資源。

大學物理在線課程具有視頻課程、在線互動等功能，結合了網絡互動平臺（及手機APP）的教學模式，線上線下活動（如課堂的簽到、選人、搶答、問卷及線上測驗、直播、小組討論等）、學習情況統計、學習資料庫、在線互動聊天答疑室、通知、在線作業、在線考試、 在線討論等功能模塊。表1為采用平臺教學，學生的平時分數生成方法，這為在傳統教學中過程考核難的問題提供了解決途徑。

（二）課程教學內容的優化

大量的中外教育實踐表明，物理教育在培養學生科學素質、科學思維方法及科學研究能力，尤其是在培養創新人才方面具有其他學科無法替代的優勢。在傳統課堂中，由于需要花費大量的時間在基礎理論的推導與證明上，物理學與各專業結合的案例講解過少，學生沒有能發揮主觀能動性，教學對學生創新能力的培養貢獻小。而基于“SPOC+翻轉課堂”的學習模式，為開展研究、討論等教學模式，以及創新能力培養方法的實施提供了可能。

在傳統課堂中，由于要花費大量的時間在基礎理論的推導、計算題目的練習中，理論發展的背景、專業結合的案例無法在傳統課堂上傳授，學生學習盲目、缺乏目標，沒有實際應用的機會。可以優化教學內容，即將大學物理教學課程的內容分為通識知識+科學素質知識（傳統的理論教學內容）+融合應用案例三部分。

（三）學生自主在線測試的實現

傳統大學物理課程考核主要采取紙質考試的方式。這種考核方式存在極大的弊端，如易造成學生主動性差、學習拖延、期末復習壓力大等問題。基于SPOC課程的個性化、小規模優勢，以及網絡平臺自動化計分功能，我們建立了線上課程隨堂測驗+線下分階段考核+課堂活動參與+期末綜合考試的考核方法，變一考為多考，全程跟蹤，著重對學生進行過程考核。

圖1為某班級參與在線測試的完成情況，第一次測驗截止到11月7日，絕大多數學生拖到截止前一天才完成。而第二次測驗截止前（11月18日）多數學生在第一次測驗的基礎上，比較分散地完成了測驗任務，這表明學生可以較快適應在線測驗。同時，圖1中也統計出學生采用的終端，近80%的學生采用手機等移動終端進行學習，這表明適合移動終端的測驗題目的開發至關重要。在線測試的難點，在于主觀題目（計算題）的練習與計算機自動評判。目前我們采取的做法是將傳統的綜合性計算題目進行拆分，將需要多個步驟完成的計算題，拆分為若干個選擇題。學生以選擇的方式作答，實現計算題所能達到的對于整體解題思路、核心步驟及計算細節的訓練功能。

三、不同程度的反轉課堂教學嘗試

反轉課堂教學的難點，是學生的認可度不高，在不同層次的學校，學生對這一教學模式的反映也存在不同程度的差別。針對這一問題，我們對三類不同程度的反轉教學模式進行了嘗試。

A類（完全反轉）：學生通過在線課程平臺視頻學習，在課堂完成教師布置的習題、作業、討論，師生互動主要為習題講解、答疑、討論等方式。

效果及問題：1.多數學生可以完成視頻要求的學習時長，大部分學生是在下午、晚間完成;2.整體完成質量不高，表現在課堂練習、作業完成錯誤率高，學生疑問多，甚至部分學生僅將視頻觀看作為獲得學習數據的手段，并未認真觀看和學習;3.在30人的小班課堂開展這種反轉課堂教學嘗試效果較好，90人以上的班級開展起來比較困難，主要表現在課堂討論環節秩序難以保證，組織難度大;4.課堂討論受到歡迎，如在講授流體力學一章的泊肅葉定律一節時，針對生命科學和動物醫學的學生，布置了血壓、血脂、心臟病、血管硬化的討論內容，作為知識融合應用的教學內容，多數學生積極準備，在課堂進行了相關的介紹和原理分析。

B類（部分反轉，理論推導部分學生通過在線視頻學習）：在完全反轉的基礎上，改進教學模式，將核心概念、定理的應用方法在課堂講授，而理論推導部分學生通過在線視頻學習，并將部分計算練習同步在在線課程平臺上完成，這為概念定理講授提供了課堂時間。

效果及問題：1.相比于A類完全反轉，在習題環節，學生的做題正確率有了大幅度提升;2.對于基本原理證明，學生的完成質量不高，主要表現在部分學生無法完整完成全部理論推導，原理證明基本思想及數學技巧沒有掌握;3.課堂討論環節收到較好效果，布置討論內容學生反映較為積極。

C類（部分反轉，僅將部分理論推導讓學生通過在線視頻學習）：在A類完全反轉和B類部分反轉的基礎上，進一步改進教學模式，將核心概念、定理推導整體思想框架、核心數學技巧、定理的應用方法在課堂講授，而定理完整推導部分讓學生通過在線視頻學習，并將多數計算練習、測試及部分討論同步在在線課程平臺上完成，為課堂講授、課堂討論提供時間。

效果及問題：1.相比于A類反轉和B類反轉，在定理證明上，學生完成率獲得較大提升，基于在線的習題環節，可以為學生提供較為充足的練習;2.在課堂介紹定理推導理論框架和數學技巧的基礎上，將理論推導細節在線上平臺讓學生自主完成，這為課堂進行知識拓展和討論提供了時間條件。

四、基于“MOOC+SPOC+翻轉課堂”的創新能力培養方法

1.案例教學法：在SPOC課程中，針對不同專業（類）特色，以專題形式介紹物理學在農業科學各專業上的應用案例，使學生能夠將物理學與農業緊密聯系起來，在交叉融合中培養其創新思維和學習興趣。

2.目標導引教學法：在整合和篩選公共MOOC資源的基礎上，明確本校小規模學生學習內容和目標，指導學生完成MOOC講座視頻中基本理論知識的學習。根據分類教學模式，針對不同專業（類）學生，提出每一階段的學習目標，并通過“課堂即時考核”，考查目標教學法的實施效果。

3.問題導引教學法：建立大學物理討論題庫、應用題庫，根據學生專業（類）特色，通過教師線下課前布置，學生線上學習，并通過翻轉課堂開展討論式學習，師生進一步討論和檢驗問題解決效果。

4.研究項目導引教學法：建立針對不同專業（類）學生的科學研究項目庫，將物理學基礎理論，融進若干完整的研究項目中，通過線下選題，線上學習，翻轉課堂討論，最終引導學生完成一個或幾個項目的研究，引導學生主動學習基礎理論知識。

五、結語

總體上，對于完全反轉的教學模式，學生普遍表現出困惑、畏難、自制力差甚至抵觸等問題。這些問題，在大學物理這類理科課程中尤其明顯。通過控制反轉程度，即將基本概念、定理推導理論框架和數學技巧、定理應用條件等在課堂上由教師講授，將部分習題、討論在課堂上完成，而將多數計算練習、討論、定理整體推導在在線課程平臺上完成，逐步引導學生習慣和掌握自主學習的方法，進而依托“MOOC+SPOC+翻轉課堂”模式，采用多種形式的教學方法培養學生的創新能力，更加適合目前的學習者。

[ 參 考 文 獻 ]

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[責任編輯：陳 明]