大學物理智慧教學模式的探索與實踐

杜顏伶,季成杰,孔志勇

(山東中醫藥大學智能與信息工程學院,山東濟南,250399)

一、引言

近年來,以人工智能技術為核心的信息科技革命引發了人類生產方式、生活方式、思維方式的巨大變革,教育領域亟須創新教育教學模式。《教育信息化2.0行動計劃》強調,要全面提升教育信息化的發展水平,以教育信息化全面推動教育現代化,推動現代教育模式的變革,利用人工智能、大數據、物聯網等新興技術,依托各類智能設備和互聯網,積極開展智慧教育創新研究和示范,推動新技術支持下的教育模式變革。[1-3]從《教育信息化2.0行動計劃》來看,“智慧教育”這一名詞不僅首次出現在國家層面的規劃文件中,更是被列為推動教育信息化2.0發展的八大行動之一。[4]《中國教育現代化2035》再次提出,加快信息化時代教育變革,建設智能化校園,統籌建設一體化智能教學、管理與服務平臺。[5]可見,智慧教育既是經濟全球化、技術變革的產物,又是教育信息化發展的必然階段。[6]在此背景下,培養滿足未來社會需求的高素質、專業化人才,需要廣大教師緊跟教育教學發展趨勢,積極應對智慧教育、智慧教學帶來的新挑戰。本文基于“學習通”教學平臺,探索構建大學物理智慧教學模式的方法與路徑,鼓勵學生積極參與學習,促使學生自主構建知識體系,有效提高大學物理課程的教學效果。

二、智慧教育與智慧教學模式

“智慧教育”提出后,智慧教室、智慧課堂、智慧學習、智慧教學等概念相繼出現。祝智庭提出,智慧教育是在信息技術支持下發展學生智慧能力的教育。[6]在信息時代背景下,利用智能化信息技術構建智能學習環境,教師應以智慧教學法引導學生開展智慧學習,培養具有良好的價值取向和思維品質、具備較強思維能力的人才。[4]智慧學習環境是開展智慧教育的技術支撐,學生進行智慧學習是開展智慧教育的根本。

關于智慧教學模式,于穎等人認為,智慧教學涉及教育領域的各個層面,包括組織架構、教學過程、評價方式等全方位的創新與變革,教師和學生也在此變革中不斷地學習和適應,因此智慧教學模式在不同的發展階段會有不同的表現,并提出“改進型—交互型—理想型”的進階式智慧教學模式。[7]蔡寶來認為,智慧教學模式是在智慧課堂環境下,教師創設學習環境和學習空間,將教學資源與教學技術進行深度融合,為學生進行智慧學習提供精準指導的方案與流程。[8]智慧教學的教學活動從傳統教學課堂拓展至網絡和移動終端,線下同步與線上異步教學相結合。智慧教學模式使教師的課堂教學重點由知識傳授轉變為培養學生的能力、啟迪學生的智慧。在教學過程中,智慧教學能夠實現師生互動、生生互動、人機互動,借助智慧課堂將教學過程轉化為過程數據,幫助教師快速、準確地了解學生的學習狀態,輔助教師進行決策并開展有針對性的教學指導。

三、探索實踐——智慧教學設計

在信息技術與教育深度融合的智慧教育背景下,面對重重挑戰,教師需要緊跟教育信息技術的發展步伐,積極開展智慧教學實踐,不斷總結反思,提升智慧教學能力,創新智慧教學模式,提高教學效果。以山東中醫藥大學生物醫學工程本科專業大學物理課程流體力學中伯努利方程的教學片段為例,本文基于“學習通”智慧教學平臺探索大學物理課程的智慧教學模式實踐。利用“學習通”教學平臺和現代化的信息技術,整合網絡資源,豐富課程內容,改革傳統教學模式,實現具有專業特色的個性化、數據驅動的智慧化和學生學習的主動化。

山東中醫藥大學生物醫學工程本科專業的學生在未來的科研工作中會涉足醫療領域,包括影像分析和醫療儀器的研發、制造與維護等,因此需要學習流體力學理論作為支撐。本節課是在上節課的知識基礎上,進一步解析伯努利方程基礎理論及其涉及的工程技術應用,為學生學習后續章節(實際流體、泊肅葉流量)和后續課程(影像分析、醫療儀器的設計)奠定基礎。

(一)教學目標

本文結合本專業學生的培養方案和本課程的教學大綱,設置了三級教學目標。

一是知識目標:能夠熟練掌握伯努利方程及其應用,理解人體循環中的流體力學知識,了解生活中的流體力學知識。

二是能力目標:能夠正確運用本節所學理論分析和解釋生活和工程中的實際問題;通過課堂小測驗和課堂討論提高數理推導能力、表達溝通能力;在分析探究工程案例和習題的過程中掌握歸納演繹、類比分析等研究方法,克服思維定式的不良影響,打開思路,培養創新思維,熟悉正確嚴謹的邏輯推理、科學探究的學習方法。

三是學習態度與價值觀:敢于批判質疑,發現問題,探索新知;通過推理培養科學的研究方法和嚴謹認真的學習態度;結合身邊科技和工程實例的教學,培養工程意識和科學素養;了解當代中國航空航天科技的相關發展,培養掌握真知、科技報國的家國情懷和使命擔當。

(二)學情分析和預期教學效果

根據“學習通”平臺的數據記錄,如學生上課的簽到記錄,課堂學習活動的參與情況,課后作業的完成情況,觀看課前預習視頻的時長、次數,以及預習題目的準確率等,分析本專業學生的知識儲備情況和學習特點。數據表明,學生的物理基礎較好;學生具有良好的學風和認真的學習態度,求知欲較強,合作交流的能力較強。同時發現,部分學生未能按時完成作業和線上預習,說明部分學生進入大學后,自主學習能力較差,自控力不強。為解決以上問題,教師需要結合平臺教學數據為學生提供個性化的學習指導和監督,提高學生線上學習的積極性和主動性。根據學生參與課堂活動的情況可知,學生對日常應用和工程實例比較感興趣。對此,教師應將課堂知識有機融入日常生活和工程實例,注重理論與實踐的結合。

(三)教學策略和方法

教學以學生發展為中心,以智慧教育理念為指導,參考“學習通”教學平臺中教與學的數據,教師能夠更加客觀、全面地分析學生課前、課中和課后的學習情況,由經驗驅動選擇教學策略轉為由數據驅動選擇教學策略和方法。教師有效開展線上線下、課內課外的智慧教學,有機融入課程思政元素,讓學生認真討論、積極參與,重視學生的思考與探究,突出“從生活走向物理,從物理走向社會”的理念,培養學生對大學物理的學習興趣,使學生感受身邊的科技,以期達成知識探究、能力培養、價值塑造“三位一體”的智慧教學目標。

采用線上線下相結合的教學方法,教師以問題驅動學生思考。在講授過程中,教師通過啟發教學引導學生進行探究,開展合作學習,同時鼓勵學生針對重難點問題展開討論,促進講練結合。

(四)智慧教學流程設計

在教與學的流程設計上,本節課采用“課前自主學習—復習與新課導入—學習新課—課堂小結—課后拓展延伸與形成性評價”的教學流程。

1.課前自主學習

師生活動:教師發布學生課前自主學習的課程資源,包括視頻、文本資料和相關預習題目。學生通過觀看視頻和資料,預習本節課的基礎知識,并完成對應的測試題。

設計意圖:學生為學習本節知識夯實必備的知識基礎;教師通過分析學生的任務完成情況和答題準確率等方面了解學生的學習情況,及時調整課堂內容和教學策略,為后續課程教學奠定基礎。

2.復習與新課導入

師生活動:

第一,教師對學生上節課的課后練習和本節課的預習題目進行答疑解惑。從預習題目可以看出,學生在中學所學磁力線的知識基礎較好,教師可將類比教學作為本節課學習流線概念的基礎。通過分析學生本節課的預習情況和答題準確率,及時對學生的預習情況作出評價。

第二,教師復習并講解本節課包含的基本概念和理論公式,如流體、流線、伯努利方程等,并在“學習通”教學平臺發布線上測試。

設計意圖:教師針對上節課學生存在的疑問進行答疑解惑,為學習本節課的相關知識奠定知識基礎;教師可借助平臺數據分析學生上節課的線上作業準確率,了解學生對上節課課程內容的掌握情況并給予相應評價。

3.學習新課

(1)理想流體高度與流速之間的關系

師生活動1:展示銅壺滴漏的圖片,引導學生思考銅壺滴漏的計時原理和關鍵設計。

結合伯努利方程,教師講解分析小孔流速,進而分析理想流體高度與流速之間的關系。理解小孔流速不是勻速,是分析銅壺滴漏的計時原理和設計的關鍵,以往在物理和數學課程中關于流體流速多是以恒定流速的條件出現,導致學生具有“流速總是恒定的”這一思維定式。本節課旨在引導學生克服思維定式的不良影響,引導學生積極質疑與思考。質疑是探索知識、啟迪智慧的開始。教師應鼓勵學生打開思路,合作討論,培養學生的創新思維。利用“學習通”平臺課堂表現中的討論和搶答功能,教師可在課上引導學生分析和回答銅壺滴漏的相關問題。學生積累課堂表現分數,教師進行評價。

設計意圖:理論聯系實際,激發學生的學習興趣,感悟古人智慧,深入了解科學知識的實際運用價值;鼓勵學生敢于批判質疑,發現問題,探索新知,強調秉承正確嚴謹的邏輯推理、科學探究的學習方法;通過“兩性一度”的高階性和挑戰度,幫助學生掌握類比分析和理論推理的研究方法,提高邏輯推理和數理推導能力;引導學生思考、討論和表達。

師生活動2:線上隨堂測驗

隨堂練習題為關于輸液用的吊瓶針孔滴速的求解問題,教師需引導學生用本節課所學的小孔流速知識解決問題。利用“學習通”平臺的作業功能引導學生分析和回答這一問題,積累作業分數。教師結合“學習通”平臺數據對學生提交的答案進行分析、點評和總結。

設計意圖:通過設計線上隨堂測驗,講練結合,突破學習重難點;幫助學生掌握類比分析的研究方法,提高學生的邏輯推理和數理推導能力;能夠實時獲得學生對知識的掌握情況,及時調整教學節奏,并對學生開展形成性評價。

(2)理想流體壓強與流速之間的關系

師生活動1:通過醫生及時給患者供氧的視頻,幫助學生認識文丘利氧氣面罩,教師提出問題:“文丘利氧氣閥如何調節氧濃度?”

教師反復播放動畫,引導學生仔細觀察,結合伯努利方程分析引導學生回答相關問題。這一教學環節建立在前兩個教學例題及應用的基礎上,提出了相似但難度較大的拓展應用。教師需結合學生的專業特點和知識基礎,鼓勵學生自主探索、自主領悟。

設計意圖:加強學生的理論學習,結合專業特點設計,為后續醫療儀器的設計和研發打下理論基礎;這部分的內容比較抽象,借助動畫演示能夠幫助學生在建立形象思維的基礎上發展邏輯思維,提高邏輯推理能力。

師生活動2:課堂互動

教師提出“向兩張自然下垂的紙中間吹氣,這兩張紙會分開嗎”的問題,引導學生動手操作。教師鼓勵學生參與活動,動手嘗試,引導學生分析與思考,并通過“學習通”教學平臺的選人功能引導學生回答問題。學生積累課堂表現分數,教師對學生的回答進行點評。

設計意圖:通過實際操作,讓學生意識到“想當然”的直覺思維或以往的思維定式往往會得出錯誤的結論,從而學會自覺學習并形成邏輯分析思維;加深學生對伯努利方程的認知,感受氣流、壓強和力的關系,為下一實例分析奠定基礎。

師生活動3:教師提出問題:“飛機升力主要來自哪個部件?”

播放“盛世強軍”視頻,教師通過“學習通”平臺的選人功能,結合公式和圖片,引導學生分析和回答這一問題。學生積累課堂表現分數,教師對學生的回答進行點評。

設計意圖:加深學生對伯努利方程的認知,并思考伯努利方程在科技前沿中的應用;有機融入課程思政元素,增強學生的民族自豪感,實現知識傳授與價值引領的有機統一。

4.課堂小結

教師對本節課的學習內容進行簡單小結,分發課后拓展資料并在“學習通”教學平臺布置學習和討論作業,具體包括以下幾個方面。第一,在“學習通”上完成本節課程相關作業并提交。第二,在“學習通”預習下一小節的課前學習資料及相關習題,并提交。第三,提供“肺動脈壓與三尖瓣返流之間的關系”的高階學習和課后思考視頻。第四,引入“八月秋高風怒號,卷我屋上三重茅”這一詩句,讓學生思考為什么杜甫屋頂的茅草容易被卷走。

設計意圖:學生對所掌握知識和能力進行鞏固和升華。課后題目的設計體現了分層教學的教育思想,第三個作業主要考慮“兩性一度”,適合學有余力的學生進行課后知識拓展,第四個作業結合了本節課的知識,對學生進行價值引領。

5.課后拓展延伸與形成性評價

教師為學生搭建課后學習平臺,引導學生進行自主學習和自主評價。學生可以根據自身能力和學習興趣圍繞本節課所學知識進行更廣泛、更深入的研究。學生的終結性考核與過程性評價(平時成績)并重,終結性考核成績(占綜合成績60%)來自期末考試,學生的平時成績(占綜合成績40%)來自過程性評價。過程性評價是對學習過程進行連續評價,能夠系統地考核和評價學生學習過程的各個方面,為學生創造更多自我展示的機會,激發學生的學習興趣,培養學生的自主學習能力。但過程性評價需要教師合理劃分各種學習行為的權重,遵循“規則先行,重在引導”的原則。在多元化評價的實施過程中,教師需保證對學生的評價和學生對平時成績的積累有章可循。[9]

平時成績主要來自課堂表現(20%)、音視頻的學習(20%)、平時作業(20%)、章節測試(15%)、分組任務(15%)和線上簽到(10%)。其中,課堂表現主要借助“學習通”教學平臺的線上投票、問卷、搶答、選人、討論、隨堂練習等功能發起課堂活動。鑒于大學生在所有教學的有效性評價中最看重師生之間的有效互動,教師應及時評價學生的學習活動,鼓勵學生積極參與課堂活動,獲取新知識,提高教學效果。[10]在“音視頻的學習”板塊,教師可利用“學習通”教學平臺整合各方資源,加強線上學習資料的建設和資源共享,讓學生利用其開放的教育資源自主學習。在“作業”和“章節測試”板塊,教師需要根據學生的學習情況發布作業和章節測試任務,學生答對即可獲得分數。教師可以借此了解學生對知識的掌握程度及教學目標的達成情況。“分組任務”板塊的設計可鼓勵學生學以致用,解決實際問題。對于分組任務,教師需注重方法指導,引導學生優化自主探究過程,讓自主探究落到實處。教師可引導學生根據自己所學自主選擇內容并制作視頻和活動文案。教師可圍繞學生選題的難易程度、是否有充分的獨立思考能力和實踐能力、小組分工是否明確、學生的參與度與貢獻情況、知識與技術的應用是否合理、組織是否有序、步驟設計是否科學、問題解決情況、目標達成度等標準,對學生作品進行打分和評價。

四、結語

隨著我國高校教育改革的不斷推進,基于現代信息技術的智慧教育是高等教育的發展趨勢。將智慧教育理念應用于教學活動,能夠提高教學效率,改善教學效果,有助于培養現代化的創新型人才。本文以山東中醫藥大學生物醫學工程本科專業大學物理課程中的伯努利方程教學為例,基于“學習通”教學平臺構建大學物理智慧教學模式,開展了有效的智育和德育教學。在教學設計上,以智慧教育理念為指導,借助“學習通”教學平臺的數據,了解學生課前、課中和課后的學習情況,并借此實現數據驅動的教學。貫徹“從生活走向物理,從物理走向社會”的理念,充分結合學生的學習特點和專業特點設計課程應用實例,既能有效地開展思政育人,又能培養學生的學習興趣,提高學生的課堂參與度。在教學策略上,為解決學生課堂討論時間有限的問題,教師需要精心設計線上導航任務學習單,開展科學、公正、公開的過程性評價,引導學生有針對性地學習,培養學生主動學習的思維,有效提高課程教學效果。