基于“雨課堂”的混合式教學(xué)探討與學(xué)習(xí)行為可視化分析研究*
——以《光學(xué)》課程為例

黎遠(yuǎn)鵬，牛娟娟，田雪冬，唐 劍，劉 軍

（廣西師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣西 桂林 541004）

1 引言

光學(xué)是一門基礎(chǔ)課程，是物理學(xué)本科階段的必修課程之一。對于光的認(rèn)識和研究歷史悠久，它是一門即古老又年輕的基礎(chǔ)學(xué)科。隨著梅曼發(fā)明激光，很多光的現(xiàn)象又被重新深入的研究，這使得光學(xué)領(lǐng)域又重新煥發(fā)出青春的光芒，特別是光在軍事、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用，展現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力[1]。光學(xué)是一門研究光的傳播規(guī)律及光與其他物質(zhì)相互作用的學(xué)科，具體又可以分為四個分支：幾何光學(xué)、波動光學(xué)、量子光學(xué)和現(xiàn)代光學(xué)[2]。光學(xué)與其他物理課程聯(lián)系非常緊密，掌握好光學(xué)的基本理論知識為學(xué)習(xí)其他物理課程(如：原子物理、量子力學(xué)、相對論)打下良好的基礎(chǔ)。

該課程的授課對象和學(xué)習(xí)主體為大一新生，學(xué)生在初中和高中物理學(xué)習(xí)階段對幾何光學(xué)的內(nèi)容已有初步的學(xué)習(xí)背景。開課時間為大一下學(xué)期，學(xué)生在大一上學(xué)期已修完高等數(shù)學(xué)、電磁學(xué)等兩門相關(guān)基礎(chǔ)課程，為《光學(xué)》的有效學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，在光學(xué)課程中會對光的波動理論和光與物質(zhì)之間的相互作用繼續(xù)深入學(xué)習(xí)和探討，這也是本課程的學(xué)習(xí)難點(diǎn)所在。本課程主要系統(tǒng)學(xué)習(xí)光學(xué)基本原理和基本知識，并對學(xué)生的邏輯思維、分析和解決問題的能力進(jìn)行有意識的培養(yǎng)和訓(xùn)練，使得學(xué)生建立起辯證唯物主義世界觀，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，為學(xué)生的繼續(xù)教育提供扎實(shí)的基礎(chǔ)。

《光學(xué)》課程理論性強(qiáng)、系統(tǒng)性強(qiáng)、對學(xué)生基礎(chǔ)要求高，教師難教、學(xué)生難學(xué)的現(xiàn)象日益嚴(yán)重，傳統(tǒng)《光學(xué)》課程線下教學(xué)的難點(diǎn)和不足如下：

(1) 課程教學(xué)內(nèi)容多，學(xué)時少；光學(xué)教材一般選用由姚啟鈞原著，高等教育出版社出版的《光學(xué)教程》第四版。本文選用的是《光學(xué)教程》第五版，該版本教材是紙質(zhì)與數(shù)字化資源相結(jié)合的新形態(tài)教材，提供了立體化的教學(xué)資源平臺，通過書中的二維碼可獲取慕課教學(xué)視頻、演示動畫、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、電子教案等多種數(shù)字化學(xué)習(xí)資源。核心內(nèi)容包括：幾何光學(xué)、波動光學(xué)（光的干涉、光的衍射、光的偏振）、現(xiàn)代光學(xué)等章節(jié)內(nèi)容，共計68個學(xué)時。光學(xué)內(nèi)容繁多，但是學(xué)時有限，在有限的學(xué)時里面如何提高教學(xué)和學(xué)習(xí)的效率是提高本課程教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵所在。

(2) 教師主要以“PPT+板書”講授為主；教學(xué)手段單一，考核單一，且與學(xué)生缺少有效的溝通和交流，無法提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和主動思考的能力。

(3) 理論公式推導(dǎo)較多；如：波的疊加原理、菲涅爾公式、半波損失、惠更斯-菲涅爾原理、夫瑯禾費(fèi)衍射等現(xiàn)象原理公式復(fù)雜，這都需要學(xué)生有深厚的高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。教師在傳統(tǒng)課堂上主要以講授為主，面對琳瑯滿目的推導(dǎo)公式學(xué)生學(xué)習(xí)動力不足，導(dǎo)致學(xué)習(xí)主動性差。

因此，如何根據(jù)現(xiàn)在學(xué)生的特點(diǎn)，改善現(xiàn)有的教學(xué)方法和教學(xué)手段，使得教與學(xué)融會貫通，教師教有所長，學(xué)生學(xué)有所長，如何引導(dǎo)學(xué)生鼓勵創(chuàng)新思維方式，使得課堂氛圍百花齊放，如何將新的教育理念與現(xiàn)代化的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)技術(shù)相結(jié)合，這些都是目前急需解決的問題。

2 傳統(tǒng)線下教學(xué)與雨課堂在線課堂融合的必要性

為了克服傳統(tǒng)課堂中過多使用講授法，引發(fā)的學(xué)生學(xué)習(xí)主動性差、參與度低、學(xué)習(xí)效果參差不齊等問題。為改善這一現(xiàn)象，迫切需要“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念對本科教育模式進(jìn)行改革，并在高等教育中推廣應(yīng)用?；旌鲜浇虒W(xué)方式打破了時間和空間的界限，通過在教學(xué)設(shè)計上進(jìn)行合理的設(shè)計，發(fā)揮“線上”和“線下”兩種教學(xué)的優(yōu)勢，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和熱情[3,4]。特別是新冠疫情發(fā)生以來，為降低疫情對學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué)的影響，各大高校師生齊聚虛擬課堂，積極開展“線上”和“線下”相結(jié)合的混合教學(xué)模式的探索[5-7]。為適應(yīng)高校教育新常態(tài)，急需探索一種既能適應(yīng)疫情的教學(xué)環(huán)境又不影響教學(xué)和學(xué)習(xí)效果的教育新模式。

在線與離線混合教學(xué)是當(dāng)前高等教育研究的熱點(diǎn)[8]。高等教育的主要參與者“95后”和“00后”大學(xué)生在獲取信息和知識的方式上已發(fā)生了深刻的變化，主要表現(xiàn)在：移動互聯(lián)網(wǎng)時代，手機(jī)是生活中一個必不可少的工具；學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律主要以建構(gòu)主義為特征，習(xí)慣了從多種不同來源獲取信息，且對碎片化的信息非常感興趣。這一現(xiàn)象可以從網(wǎng)上訂餐App和嗶哩嗶哩網(wǎng)站在學(xué)生社區(qū)的火爆程度體現(xiàn)出來，表明學(xué)生對學(xué)習(xí)和課程的期望呈現(xiàn)出多元化的趨勢[9]。

雨課堂是一款兼具教與學(xué)的智能化教學(xué)和學(xué)習(xí)工具，是教育適應(yīng)移動互聯(lián)網(wǎng)時代的產(chǎn)物。不僅可以全面改善課堂教學(xué)效果，而且使得師生互動更多，教學(xué)更方便[10]。依靠PPT課件和移動終端（微信），雨課堂在整個教學(xué)過程中（上課前，上課中和下課后）實(shí)現(xiàn)了教師教學(xué)與學(xué)生自學(xué)的全天候互動。課堂上，采用混合教學(xué)模式進(jìn)行“光學(xué)”課程的教學(xué)改革，從根本上調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，以學(xué)生為主體，以老師為主導(dǎo)，加強(qiáng)對學(xué)生綜合運(yùn)用能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 課堂混合式教學(xué)在《光學(xué)》課程中的應(yīng)用

3.1.1 《光學(xué)》課程班級的創(chuàng)建

微信關(guān)注“雨課堂”公眾號，綁定手機(jī)和微信號。創(chuàng)建《光學(xué)》課程班級如圖1所示。

圖1 《光學(xué)》課程班級創(chuàng)建過程示意圖:(a) 點(diǎn)擊創(chuàng)建課程;(b) 填寫課程信息;(c) 生成邀請學(xué)生二維碼

第一步點(diǎn)擊創(chuàng)建課程，課程名稱：光學(xué)，班級：19物理學(xué)。然后點(diǎn)擊邀請學(xué)生，生成邀請碼，邀請碼可以發(fā)送到相應(yīng)的微信班級群或QQ班級群，提醒學(xué)生加入學(xué)習(xí)班級。

3.1.2 課前推送

《光學(xué)》課程分為三部分：幾何光學(xué)、波動光學(xué)、現(xiàn)代光學(xué)，共八章內(nèi)容：(1)光的干涉；(2)光的衍射；(3)幾何光學(xué)基本原理；(4) 光學(xué)儀器的基本原理；(5) 光的偏振；(6) 光的吸收、散射和色散；(7) 光的量子性；(8) 現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)。每部分都有自己的特點(diǎn)，也有相應(yīng)的學(xué)習(xí)方法。在開始每一章教學(xué)前，提前一周通過雨課堂發(fā)布該部分的學(xué)習(xí)方法和下次課預(yù)習(xí)課件及補(bǔ)充閱讀材料如圖2 所示。學(xué)習(xí)方法推送，以“光的干涉”為例，如何理解并推導(dǎo)波動的獨(dú)立性、疊加性和相干性，分析得出光干涉的充要條件是本節(jié)的重難點(diǎn)。解決措施：采用邊觀察、邊比較、課堂討論等的方式，借助多媒體資料化解難點(diǎn)。

圖2 預(yù)習(xí)課件及推送推送的微信截圖:(a) 光學(xué)課程預(yù)習(xí)公告;(b) 預(yù)習(xí)課件及測驗(yàn)推送

光學(xué)課預(yù)告中推送學(xué)習(xí)課件和習(xí)題，通過習(xí)題檢測預(yù)習(xí)效果。并且可以通過雨課堂后臺可以了解學(xué)生在預(yù)習(xí)過程中哪些內(nèi)容不懂，哪些知識點(diǎn)還沒有掌握好，據(jù)此調(diào)整課堂重點(diǎn)講解教學(xué)內(nèi)容。此外，還可以提供與該章節(jié)相關(guān)的文獻(xiàn)引導(dǎo)學(xué)生思考，該物理現(xiàn)象是怎么發(fā)現(xiàn)的，怎么利用該理論解釋日常生活中的現(xiàn)象？更深入一步，這種情況發(fā)生的可能機(jī)制是什么？讓學(xué)生帶著問題去讀文獻(xiàn)。

3.1.3 課中實(shí)施

學(xué)生掃描進(jìn)入課堂，兼有簽到作用，課件同步到手機(jī)微信端，學(xué)生可以隨時查看，教師課上間斷推送知識點(diǎn)的隨堂練習(xí)，學(xué)生在手機(jī)上作答，老師可以實(shí)時查看學(xué)生的學(xué)習(xí)情況如圖3 所示。隨堂練習(xí)即前測的目的是為了考查上次課重要知識點(diǎn)掌握情況，督促學(xué)生課下復(fù)習(xí)以前所學(xué)內(nèi)容，并且根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)的情況，針對學(xué)生的薄弱環(huán)節(jié)和知識點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)講解。在講解過程中注重啟發(fā)式教學(xué)，學(xué)生可以根據(jù)老師的啟發(fā)通過發(fā)彈幕方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時互動，教師可利用生成詞云功能投屏，總結(jié)知識點(diǎn)內(nèi)容。此外，雨課堂還具有分組功能，根據(jù)課程內(nèi)容，設(shè)計課題化學(xué)習(xí)內(nèi)容。此類學(xué)習(xí)任務(wù)分小組完成，在課堂匯報成果，并回答同學(xué)和老師提問，由老師和各小組分別打分，記為平時成績。課堂后測是為檢查學(xué)生聽課效果，同時避免學(xué)生上課玩手機(jī)，要把手機(jī)作為學(xué)習(xí)工具來使用。對于表現(xiàn)優(yōu)秀的學(xué)生可以有適當(dāng)獎勵，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

圖3 隨堂練習(xí)學(xué)習(xí)情況的微信截圖:(a) 班級總?cè)藬?shù)、查看課件人數(shù)及完成練習(xí)的人數(shù);(b) 客觀題答題率和正確率

3.1.4 課后檢測

課后推送作業(yè)，作業(yè)形式多樣，可以是單選、多選、填空、主觀題等，規(guī)定在一定時間內(nèi)完成（便于學(xué)生復(fù)習(xí)和答題），作為平時成績的一部分。參考答案公布時間設(shè)置在完成測試題的規(guī)定時間之后。以“現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)”為例，課后推送作業(yè)及完成情況如圖4所示。學(xué)生提交作業(yè)后，教師可查閱作業(yè)反饋數(shù)據(jù)，知道哪些是普遍存在的問題，哪些僅是個別同學(xué)出現(xiàn)的問題，在下次課上有針對性講解，或調(diào)整課程進(jìn)度。此外，雨課堂有討論區(qū)，可以在任何時候回答學(xué)生提問或者參與學(xué)生討論，互動一直在線。

圖4 現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)課后學(xué)習(xí)情況的微信截圖:(a) 班級總?cè)藬?shù)、查看課件人數(shù)及完成練習(xí)的人數(shù);(b) 習(xí)題答題率和準(zhǔn)確率;(c) 學(xué)生反饋

3.2 基于雨課堂的學(xué)生課后復(fù)習(xí)情況可視化分析

光學(xué)課程姚啟鈞著(第六版)共8章書，其中幾何光學(xué)5個學(xué)時，波動光學(xué)45個學(xué)時，量子光學(xué)15個學(xué)時，現(xiàn)代光學(xué)5個學(xué)時，共計70個學(xué)時。光學(xué)課件及習(xí)題會通過雨課堂小程序推送到學(xué)生的手機(jī)微信端，學(xué)生可以自行下載復(fù)習(xí)及完成老師布置的作業(yè)。通過復(fù)習(xí)不僅可以診斷和彌補(bǔ)學(xué)生課上學(xué)習(xí)的缺陷，還可以使學(xué)生把最基本、最重要的知識系統(tǒng)地保持在記憶中。學(xué)生通過將所學(xué)的知識融會貫通，使得開展具有創(chuàng)造性的學(xué)習(xí)活動成為可能。本研究分別統(tǒng)計了幾何光學(xué)、波動光學(xué)、量子光學(xué)和現(xiàn)代光學(xué)四個學(xué)習(xí)模塊課后復(fù)習(xí)情況并進(jìn)行了對比，如圖5和圖6所示。

圖5 學(xué)生復(fù)習(xí)完成情況對比圖

圖6 學(xué)生習(xí)題完成情況對比圖:(a) 答題率;(b) 準(zhǔn)確率

如圖5 完成量子光學(xué)和現(xiàn)代光學(xué)內(nèi)容復(fù)習(xí)的學(xué)生人數(shù)比幾何光學(xué)、波動光學(xué)的多，大概相差20個人；僅查看課件的人數(shù)中波動光學(xué)的人數(shù)較多，其次是幾何光學(xué)，量子光學(xué)和現(xiàn)代光學(xué)的人數(shù)較少；未查看課件的人數(shù)最少，說明整體上大部分學(xué)生都按時完成了課后復(fù)習(xí)。

為進(jìn)一步具體評價學(xué)生復(fù)習(xí)的效果，對學(xué)生課后習(xí)題完成情況進(jìn)行了對比分析。從答題率來看，四部分內(nèi)容整體的答題率都較高，基本都超過70%。僅波動光學(xué)中習(xí)題1答題率為40%左右，答題人數(shù)較少；從準(zhǔn)確率上看幾何光學(xué)和波動光學(xué)大部分在60%以上，而量子光學(xué)習(xí)題3和習(xí)題4明顯低于40%，現(xiàn)代光學(xué)中習(xí)題3-5的準(zhǔn)確率也明顯低于40%。波動光學(xué)中習(xí)題1準(zhǔn)確率為0%。通過習(xí)題測驗(yàn)結(jié)果可知：量子光學(xué)和現(xiàn)代光學(xué)參與度較高，學(xué)生對這兩部分內(nèi)容產(chǎn)生較濃厚的興趣；而幾何光學(xué)和波動光學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)效果較好，學(xué)生對這兩部分的知識點(diǎn)掌握的較牢固。這為后續(xù)的光學(xué)教學(xué)和教學(xué)評價提供良好的指導(dǎo)作用。

3.3 基于雨課堂平臺輔助教學(xué)效果評價與討論

基于雨課堂平臺的《光學(xué)》教程輔助教學(xué)實(shí)踐中，使得教師可以更快、更高效的掌握學(xué)生簽到、答題等情況，教師可以更加科學(xué)和精準(zhǔn)的判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，從而更加精準(zhǔn)地改進(jìn)教學(xué)方法。教師可以根據(jù)學(xué)生微信雨課堂平臺的學(xué)習(xí)情況和平時線下課堂的表現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)更好的過程考核。盡管雨課堂在線上教學(xué)中有較多的優(yōu)點(diǎn)，但也還存在一些不足，針對這些不足，思考解決的對策，才能更好的促進(jìn)教學(xué)的改革。

(1) 課前預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)評價較難規(guī)范，可結(jié)合線下課堂提問來檢查預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)情況，綜合掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和效果；

(2) 雨課堂可以對習(xí)題的答題率和準(zhǔn)確率進(jìn)行直觀的可視化分析，可據(jù)此判斷學(xué)生成績的優(yōu)良。這種評價機(jī)制并不能完全的反應(yīng)學(xué)生優(yōu)秀與否，主觀題沒有統(tǒng)一答案標(biāo)準(zhǔn)，雨課堂無法對主觀題的結(jié)果進(jìn)行精準(zhǔn)評價。因此，可結(jié)合線下考核提高評價機(jī)制；

(3) 學(xué)生反饋中，在手機(jī)端查看的PPT 需要具有更高的質(zhì)量及分辨率，因此對于教師來講，采用“雨課堂”推送的課件需要更加精心的設(shè)計。此外，雨課堂是使用需要學(xué)生帶手機(jī)上課，避免不了手機(jī)上其他信息的影響，很難保證學(xué)生精力一直集中在課堂上而不是手機(jī)社交軟件和游戲上，這些需要長久的學(xué)習(xí)習(xí)慣培養(yǎng)和訓(xùn)練才能更好地有效控制。

4 結(jié)論

創(chuàng)新型人才是國家技術(shù)創(chuàng)新，知識創(chuàng)新和服務(wù)創(chuàng)新的重點(diǎn)領(lǐng)域，而大學(xué)是創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的主要渠道。雨課堂作為一種新興的智能教學(xué)工具，有助于獲得較好的教學(xué)效果。我們將雨課堂應(yīng)用于《光學(xué)》課程教學(xué)中，在課前進(jìn)行課件推送，課上進(jìn)行點(diǎn)名，做習(xí)題以及互動討論，課后通過數(shù)據(jù)分析課堂情況并總結(jié)。同時對雨課堂的課堂體驗(yàn)進(jìn)行了規(guī)劃，在之后的課程建設(shè)和改革中逐漸實(shí)施。在雨課堂的實(shí)踐中遇到了一些問題并思考了相應(yīng)的對策，相信在接下來的教改實(shí)施過程中還會出現(xiàn)各種問題，只有保持思考的習(xí)慣，積極應(yīng)對和解決，才能使教學(xué)更加精彩。通過教育教學(xué)方法改革，大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)光學(xué)課程的興趣，親身體驗(yàn)了在線自主學(xué)習(xí)，離線多面討論和改進(jìn)的樂趣，班級參與和活動得到了顯著改善。