混合式教學在固體物理學課程教學中的應用

曹偉平，顧莉莉

（麗水學院工學院，浙江麗水323000）

0 引言

隨著互聯網的出現、信息化教學的不斷發展，翻轉課堂、慕課等各種教學模式應運而生。翻轉課堂（Flipped Classroom）[1]，是指重新調整課堂內外的時間，將學習的決定權由教師轉移給學生，從而創造學生課下學習課上練習鞏固的一種新的課堂模式。這種教學模式需要學生課前自主學習教學視頻，課堂上在教師的指導下做練習或實驗。翻轉課堂實現了師生間角色的轉換，但其實施的障礙之一就是如何錄制優質的教學視頻。慕課（MOOC，大型開放網絡課程）[2]，是結合早期翻轉課堂的理念和網絡視頻公開課方法的一種教學模式，將學習的全過程從線下搬到線上，在平臺上完成注冊報名、視頻授課、在線答疑、線上考試、發放電子結業證書等一系列在校學習流程。慕課實現了真正的遠程教育，縮短了教育水平的差距。但是，全程網上教學的最大缺點就是課程通過率低。教師在網上能提供的管理和幫助受到限制，學生的自學能力和自我控制能力較弱，極大地影響課程學習的效率。

翻轉課堂、慕課等教學模式都存在一定的不足，而混合式教學是在傳統課堂教學的基礎上，結合了翻轉課堂和慕課開放網絡課程特點的一種教學模式，具有一定的優越性。表1給出了混合式教學與傳統課堂教學的差異。混合式教學混合的不僅僅是講授式、討論式、研究式、在線學習、翻轉課堂等教學方式，還有各種深層次的教學策略。這種教學模式汲取了面對面教學和網絡數字化教學的精華，教師根據學生的實際情況，對視頻教學和面授課程內容的比例進行靈活調整，以達到最佳的教學效果。

表1 傳統課堂教學與混合式教學中各要素的對比表

1 適合混合式教學的校內網絡教學平臺的建設及應用

高校信息化是國家教育信息化的重要組成部分，信息化也是加快學科建設的重要手段。信息技術對教育發展具有革命性影響，因而麗水學院確立了“支撐專業建設、提升教學水平、增強創新能力、服務地方發展”的學科建設目標。這些工作的推進需要建立以泛在快速的網絡環境和基于云架構的資源共享環境為核心的學科建設公共支撐平臺，進一步融合學校數字圖書、教學影像視頻等各類知識資源，構建跨學科的網絡信息平臺，為學科交叉提供在線的信息交流環境，開展資源共享，促進學術交流合作，加快學科的交叉融合。

課程的網絡教學是信息化的重要組成部分，因此麗水學院在《麗水學院改革和發展規劃（2011—2015年）》中提出了“創新人才培養體系、改革人才培養模式、加強實踐教學、提高課程建設質量”等一系列的工作。這些工作的開展需要應用移動互聯、云計算等各類技術手段，構建在線教育支撐的聯合培養、虛擬課堂支撐的學生自學、仿真實驗環境支撐的實踐教學、網絡評議支撐的科學評估、綜合數據分析支撐的課程質量評價等創新模式。從而全面推進學生自主性、互動性和探究式學習，實現學校人才培養戰略的總目標。

由于各個學校的授課教師不同，學生學習程度不同，國內開設的網絡精品課程很難做到學生個性化學習。因此，麗水學院于2013年發布了《麗水學院信息化建設規劃（2013—2017）》文件。文件明確指出：“建立Blackboard網絡教學系統、外語自主學習系統等全局性的應用服務系統，開展交流協作、在線答疑、問題探討和知識共享等應用。”校內網絡教學平臺的建成為混合式教學改革提供了良好的硬件基礎。

目前，麗水學院已有部分教師申請采用“線上+線下”混合式教學模式進行教學改革嘗試。任課教師在網絡教學平臺上將學習視頻、拓展資料作為學習任務點上傳到網上課程中，學生可以在手機或電腦端點擊學習通軟件完成任務點。此外，課堂簽到、作業批改、當堂測試等傳統課堂內容均可以在線上完成，從而強化了學生個性化學習的資源配置，還能讓教師根據數據直觀地看到學生學習情況。將網絡學習的內容作為課程期末考評的一部分，有效地提升了網絡學習的完成度，促進線上和線下的雙向學習。

2 混合式教學在固體物理學課程教學中的實踐

2.1 課前準備

教師首先根據教學計劃，將課前學習的內容錄制成視頻上傳到教學網絡平臺上。視頻內容簡明扼要，讓學生在10分鐘內對當次課程有系統的框架認識[3]。配合學習視頻，教師布置簡單的理解性練習加以鞏固。學生在學習過程中遇到問題可在討論區提出疑問并與同學、教師討論。

在固體物理學2-1節離子性結合[4]的視頻中，教師先介紹一般固體的4種基本結合形式，再介紹離子晶體內能和馬德隆常數的計算公式及推導過程。最后，教師發布兩道關于公式應用的計算題，幫助學生熟悉相關內容，從而完成課前準備工作。

2.2 深化課程

教師在線上發布簽到活動，根據數據判斷學生的出席率。根據建構主義教學理論，教師以學生自學過程中遇到的問題為導向，在學生已有的認知基礎上幫助學生拓展知識體系，建立新舊知識間的聯系。教學過程中教師引導學生逐步學習深層的內容，促進知識內化。

課堂上，學生提出了課前學習中遇到的問題：

（2）教材中內能函數圖像中的曲線和特殊點代表的意義不明確。根據學生提出的問題，教師在課堂上進行小組討論，并積極引導。最后由幾位學生總結回答，在此基礎上教師進行糾正、補充。課程的最后，教師提出拓展思考，布置研究性作業：

（1）對于馬德隆常數的計算，教材給出的公式并未考慮晶胞的邊緣效應，那么實際計算晶胞馬德隆常數時的公式又該如何表示？（2）教材給出的馬德隆常數計算公式適用范圍較窄，除了定義法還有哪些計算方法？有什么優缺點？（3）對于復雜的求和公式，如何用計算機語言簡化計算，請用編程軟件將本節課中的復雜公式快速求解。

課后，將班級學生分成3個小組分別對上述3個問題進行研究。教師將問題的相關提示和資料發布到網絡教學平臺上。學生借助教師的提示尋求解決方案，最后以PPT、專題報告、小論文等形式在第二節課中呈現答案。

2.3 解答研究性問題

高等教育的目的之一是培養學生能夠熟練應用所學知識解決問題的能力。第二節課主要以學生為中心，教師通過理論講授將問題拋出，為學生提供積極探索未知領域的契機，提升教育的深度和廣度。

學生通過研究NaCl晶體發現，若一維晶胞中有2n+1個離子，則計算實際晶胞的馬德隆常數時，兩端的離子對晶體內能的貢獻是內部離子的1/2，考慮邊緣效應后的馬德隆常數公式為：

即為兩端邊緣處離子對內能的貢獻和內部晶胞離子對內能的貢獻之和。同理，二維晶格中頂點上的離子只貢獻了1/4，邊上的離子只貢獻1/2。學生解答第一問時發現馬德隆常數的定義式受到了晶胞類型和維度的影響，公式會變得越來越復雜。于是學生開始尋找馬德隆常數的計算方法。通過查找相關文獻，發現常用方法主要有3種：定義法、Evjen晶胞法、晶格靜電能法[5]。其中，Evjen晶胞法是將正離子的平均庫侖能合理分配達到正負項幾乎相互抵消，從而加快收斂速度。但Evjen晶胞法僅適用于簡單立方晶系的求解，沒有普適性。晶格靜電能法就是通過靜電能求解常數。通過群論方法一定能找到一個最小重復單元平行六面體晶胞，通過參考殼層模型，向外擴大六面體的大小求解多個數值，以便觀察常數的收斂情況，因此只需要確定單位晶胞內的化學式單元數、正離子數、負離子數和正負離子編號后每個離子所處的位置（晶胞內或邊緣）即可[6]。這樣的方法具有普遍適用性，并且按晶胞殼層數計算可以發現，馬德隆常數的收斂很快且精確度較高。

為了快速求解不同大小晶胞的馬德隆常數，學生利用VB語言進行編程。圖1即學生根據公式自己編程和作圖得到的二維正方離子格子修正前后的馬德隆常數與n之間的關系圖。

圖1 二維正方離子格子修正前后的馬德隆常數與n之間的關系圖

根據學生的解答，教師進行評價，及時糾正講解過程中出現的問題。反復多次的師生交互活動幫助學生將原有的知識范圍逐漸拓寬，知識難度逐漸加深。課后學生可以將報告內容上傳到網絡課堂上供大家學習。

因此，我們總結和編制了圖2的混合教學模式框架以及圖3的課程評價體系。

圖2 混合式教學模式框架

圖3 課程評價體系

3 結語

高等教育致力于培養高水平創新型人才和實踐技術型人才，傳統的教學氛圍只會降低學生的學習積極性和知識吸收能力。與傳統的教學模式不同，混合式教學更注重培養學生自我探索未知領域的能力，充分發揮學生的學習主動性和能動性，同時還能挖掘教師的教學智慧，提升教師教學能力[7]。

先自學再討論的模式更加符合人類的認知規律，在激發學生的學習興趣、促進主動學習、形成良好學習氛圍，以及豐富學生的知識儲備等方面有著非常重要的作用。網絡教學平臺拓寬了學習的空間，提供了學習交流的平臺。教師利用剩余的課堂教學時間去提高教學難度和教學質量，培養學生自主學習的能力和鉆研精神，達到學有致用的效果。

就教師而言，信息化教學減少了一些教授過程，教師利用大數據處理可實時觀測到教學過程和督促學生學習，并量化學習過程。信息化幫助教師對學生進行教學評估，為教學提供數據基礎[8]，同時問題討論給師生提供了教學相長的機會。在混合式教學模式中，教師是帶領學生探索知識，使學生具有知識傳承與創新的意識和能力的引導者，這正是國家全力推進教育體制改革的目的，具有深遠的意義。