線上線下混合式教學(xué)方法研究
——以“量子力學(xué)”課程為例

黃曉亞

(河南城建學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，河南 平頂山467036)

0 引言

“量子力學(xué)”是現(xiàn)在高新科學(xué)研究的理論基礎(chǔ)之一,是物理專業(yè)本科生和研究生的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程,在課程體系中占有重要的地位,也是研究生入學(xué)考試課程之一。 學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí),不僅加深了對經(jīng)典物理知識的理解,還為后續(xù)專業(yè)課程奠定了必要的基礎(chǔ),同時也提高了學(xué)生分析和解決物理問題的能力,增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識,為以后進(jìn)行科學(xué)研究打下了良好的基礎(chǔ)。

“量子力學(xué)”課程的重要性是不言而喻的,同時該課程也是一門抽象枯燥的、深奧的、計算復(fù)雜的難學(xué)課程,在學(xué)生中流傳著所謂的量子力學(xué)“量力學(xué)”的概念。 學(xué)生學(xué)習(xí)“量子力學(xué)”出現(xiàn)畏難情緒,未戰(zhàn)先怯,興趣不高,缺少主動學(xué)習(xí)的意愿。 因此,面對學(xué)生學(xué)習(xí)“量子力學(xué)”的狀態(tài),非常有必要對現(xiàn)有的教學(xué)模式進(jìn)行改革。 筆者近幾年一直從事這門課程的教學(xué),對此也進(jìn)行了深入思考,結(jié)合該課程的特點(diǎn)及學(xué)生的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀,嘗試進(jìn)行了“混合式教學(xué)法”[1],即線上線下相結(jié)合、以學(xué)生為主體的“量子力學(xué)”課程教學(xué)活動,學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性有所提高,教學(xué)效果也有進(jìn)步。

1 “量子力學(xué)”教學(xué)中混合式教學(xué)法的教學(xué)過程

傳統(tǒng)的“量子力學(xué)”課程教學(xué)過程以教師的講授為主,學(xué)生被動參與,學(xué)習(xí)積極性不高,再加上教學(xué)內(nèi)容抽象枯燥,計算煩冗,教學(xué)效果不好[2]。 筆者在“量子力學(xué)”課程中嘗試了多元化混合式教學(xué),改變了“填鴨式”的教學(xué)模式,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了知識課堂向能力課堂的轉(zhuǎn)變。 學(xué)生在教學(xué)過程中參與度提高,處于主動地位,學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和創(chuàng)新能力也得以提高,其具體過程由以下環(huán)節(jié)組成。

1.1 課前線上預(yù)習(xí)——理論學(xué)習(xí)階段

以學(xué)生為主的課前線上預(yù)習(xí)。 教師通過線上教學(xué)平臺（比如超星學(xué)習(xí)通）發(fā)布本次教學(xué)內(nèi)容的小視頻,視頻時長在10 min 左右為宜,小視頻包含本次教學(xué)活動的教學(xué)目標(biāo)和核心的教學(xué)內(nèi)容。 學(xué)生學(xué)習(xí)教學(xué)視頻后,完成線上發(fā)布的相應(yīng)練習(xí)題。 例如,對于微觀粒子波粒二象性的同時測量,是“量子力學(xué)”中的一個難點(diǎn),教師在線上發(fā)布該問題后,促使學(xué)生搜集查閱相關(guān)文獻(xiàn)或成果,并對此進(jìn)行廣泛的討論,不僅加深了學(xué)生對該問題的認(rèn)識和理解,還培養(yǎng)了學(xué)生主動學(xué)習(xí)和創(chuàng)造性學(xué)習(xí)的好習(xí)慣。 學(xué)生完成這兩項線上教學(xué)活動后,可以爭取課堂積分,從而使學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容有了基本的了解,能夠帶著問題走進(jìn)線下課堂,學(xué)習(xí)的主動性和自學(xué)能力得以提高。 學(xué)生在線上完成練習(xí)題后,教師也了解了學(xué)生對這部分教學(xué)內(nèi)容掌握的程度,就可以目標(biāo)更加明確地準(zhǔn)備線下的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式,進(jìn)行精準(zhǔn)施教。

針對目前教學(xué)學(xué)時減少的狀況,課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)不得不延伸到課堂教學(xué)之外,所以,豐富多彩、形式多樣的課前線上預(yù)習(xí)活動就顯得格外重要,爭取每個學(xué)生都能參與課程教學(xué)活動并找到自己的興趣點(diǎn)。 組織這樣的教學(xué)活動對任課教師而言也是復(fù)雜且有難度的,但在信息時代,唯有如此,才能讓學(xué)生打下堅實(shí)的理論基礎(chǔ)知識,激起學(xué)生對知識的欲望,培養(yǎng)出團(tuán)隊合作精神強(qiáng)、全面發(fā)展的創(chuàng)新型人才。

1.2 線下完成課堂教學(xué)——知識內(nèi)化階段

“量子力學(xué)”課程的主要內(nèi)容是物理學(xué)家對微觀世界研究成果的凝聚,展示了量子世界的神奇和魅力。 照本宣科的學(xué)習(xí)和機(jī)械式的記憶帶給學(xué)生的感受是枯燥無奈甚至是挫敗感。 只有教師對相應(yīng)的數(shù)學(xué)符號背后的物理情景進(jìn)行剖析、總結(jié)、對比,才能讓學(xué)生體會到量子世界的奧妙,將外在的量子知識升華為內(nèi)在的學(xué)識,才能變理論為理念。 所以,“量子力學(xué)”課堂對講授者的要求更高,需要更加精心巧妙的課堂組織管理,并實(shí)施獨(dú)具特色的多元化教學(xué)模式,如互動式教學(xué)、探究式教學(xué)等。

互動式教學(xué)是教師與學(xué)生間、學(xué)生與學(xué)生間產(chǎn)生互動,變靜態(tài)教學(xué)為動態(tài)教學(xué)。 在整個課堂教學(xué)過程中,教師走下講臺,走到學(xué)生中去,共同營造一個活躍的課堂氣氛,而非教師一個人的獨(dú)角戲。 通過互動,引導(dǎo)學(xué)生主動思考、積極參與,進(jìn)而培養(yǎng)創(chuàng)新思維和自主學(xué)習(xí)能力,提高學(xué)生課堂參與度和學(xué)習(xí)興趣。

教師根據(jù)學(xué)生預(yù)習(xí)后的作業(yè)反饋情況,了解學(xué)生對本次教學(xué)內(nèi)容的掌握情況,課堂上有的放矢,精準(zhǔn)施教,進(jìn)而提高教學(xué)效率。 通常預(yù)習(xí)時學(xué)生學(xué)習(xí)的小視頻是簡潔精煉的,而“量子力學(xué)”大部分教學(xué)內(nèi)容的物理本質(zhì)和物理思想是深邃和晦澀的,所以需要教師在課堂上通過互動式、循序漸進(jìn)的講解,對概念和物理本質(zhì)進(jìn)行討論。 “量子力學(xué)”離不開數(shù)學(xué),每個物理問題都需要用嚴(yán)密繁雜的數(shù)學(xué)推理來表達(dá),如果教師課堂上細(xì)致地講解這些數(shù)學(xué)推導(dǎo),“量子力學(xué)”課堂將會化身為高難度的數(shù)學(xué)課堂,學(xué)生必感困倦乏味,萎靡不振,恐怕在煩冗的推導(dǎo)后已忘了數(shù)學(xué)推導(dǎo)背后的物理思想。 因此,教學(xué)中需要把物理本質(zhì)從煩冗的數(shù)學(xué)中剝離出來[3],強(qiáng)調(diào)物理思想,壓縮細(xì)致的數(shù)學(xué)推導(dǎo),突出數(shù)學(xué)思路,將所需的詳細(xì)數(shù)學(xué)推導(dǎo)步驟上傳到線上平臺（比如超星學(xué)習(xí)通）,供有興趣的同學(xué)參考。 如此,學(xué)生能更好理解“量子力學(xué)”中相應(yīng)的物理本質(zhì),從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和課堂教學(xué)效果。

例如,典型的無限深勢阱,講這部分內(nèi)容時,教師首先引導(dǎo)學(xué)生思考經(jīng)典小球在宏觀阱中運(yùn)動的狀態(tài)并明確其結(jié)論；然后請同學(xué)們想象電子在阱中運(yùn)動的狀態(tài)并分組展開討論；接下來教師通過PPT 客觀形象地展示電子在阱中運(yùn)動的圖像,并請同學(xué)們討論其與宏觀小球運(yùn)動的區(qū)別,教師對同學(xué)們的發(fā)言進(jìn)行總結(jié)并強(qiáng)調(diào)經(jīng)典與量子的本質(zhì)區(qū)別；最后通過解薛定諤方程讓同學(xué)們理解電子在阱中運(yùn)動狀態(tài)的緣故。 這樣的教學(xué)安排讓學(xué)生參與到了課堂上,課堂不再是教師一個人的獨(dú)角戲,實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)教學(xué)到動態(tài)教學(xué)的轉(zhuǎn)變,教學(xué)難點(diǎn)被分解了,學(xué)生學(xué)習(xí)量子的畏難情緒也被克服了,學(xué)習(xí)興趣便也能逐漸地提高。 總而言之,課堂上,教師從學(xué)生預(yù)習(xí)時的作業(yè)情況出發(fā),在精準(zhǔn)施教的過程中,通過巧設(shè)問題,引導(dǎo)學(xué)生思考討論,分散難點(diǎn),搞清問題本質(zhì),讓師生和生生互動起來。

探索式教學(xué)是教師結(jié)合授課內(nèi)容,課前精心設(shè)計問題,讓學(xué)生帶著問題去查閱文獻(xiàn)、搜集資料、閱讀教材,探討理解相應(yīng)知識點(diǎn),即以問題為導(dǎo)向引導(dǎo)學(xué)生思考和探究,進(jìn)而掌握物理思想和物理實(shí)質(zhì)的一種教學(xué)方式[4]。 由于目前課內(nèi)教學(xué)學(xué)時普遍減少,這種把教學(xué)活動延伸到課堂外的教學(xué)方式無疑是非常合適的。 課前教師根據(jù)授課內(nèi)容以討論的形式在線上教學(xué)平臺發(fā)布論題,學(xué)生對此展開討論交流及點(diǎn)評。 在如今手機(jī)不離手的信息時代,應(yīng)用探究式教學(xué)把教學(xué)活動延伸至課堂外,不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及學(xué)習(xí)的主動性,還提高了學(xué)生分析和解決問題的能力。例如：在講“勢壘貫穿”時,預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)在線上教學(xué)平臺發(fā)布討論：量子世界中為什么會存在嶗山道士? 在宏觀經(jīng)典世界生活的同學(xué)們知道,如果一個粒子的能量低于勢壘的能量,這個粒子不可能穿越勢壘到達(dá)墻的另一邊。 所以,同學(xué)們會對只有在神話中得道的嶗山道士默念一些神秘口訣才能穿越的這種量子現(xiàn)象產(chǎn)生好奇心,學(xué)生便會搜集查閱各種資料。 有了課堂之外的知識積累,課堂上教師從物理情景出發(fā),給出薛定諤方程,結(jié)合波函數(shù)需要滿足的條件,幫助學(xué)生理清思路,簡化數(shù)學(xué)計算過程,注重結(jié)果分析,自然能化繁為簡,得出清晰的結(jié)論,引起學(xué)生學(xué)習(xí)“量子力學(xué)”課程的興趣。

1.3 線上線下相結(jié)合的知識鞏固——能力提升階段

課堂教學(xué)活動結(jié)束后,學(xué)生對本次課程的教學(xué)內(nèi)容有了更深入系統(tǒng)的理解,教師在線上教學(xué)平臺（比如超星學(xué)習(xí)通）上發(fā)布相應(yīng)作業(yè),學(xué)生完成作業(yè)后,教師可根據(jù)平臺上得出的數(shù)據(jù),準(zhǔn)確地了解學(xué)生對相應(yīng)知識的掌握情況,進(jìn)而在線下課堂上通過輔導(dǎo)答疑、師生討論等進(jìn)行精準(zhǔn)施教,直至把知識點(diǎn)弄懂學(xué)透徹。 每章學(xué)習(xí)內(nèi)容結(jié)束后可進(jìn)入章節(jié)測試環(huán)節(jié),作業(yè)和章節(jié)測試是學(xué)生平時成績的依據(jù),這種方式促進(jìn)了學(xué)生平時學(xué)習(xí)的積極性,提高了學(xué)生的課堂參與度,對營造良好的課堂氣氛也有幫助。

因?yàn)樵撜n程是研究生入學(xué)考試課程,教師可在線上課程平臺上發(fā)布一些典型的題目,供參加考試的學(xué)生練習(xí)選做,以實(shí)現(xiàn)差異化教學(xué),所以線上平臺的建設(shè)及合理利用對混合式教學(xué)法教學(xué)效果的提高很重要。 充足的線上資源、線上線下相結(jié)合的教學(xué)環(huán)節(jié)、巧妙的教學(xué)過程是良好教學(xué)效果的保障。 在“手機(jī)不離手”的當(dāng)下,充分利用終端設(shè)備進(jìn)行線上課程活動,對學(xué)生參與課程的積極性有很大的幫助,課程教學(xué)效果也有明顯的提高。

2 將思政元素融入課程教學(xué)

2018 年,教育部出臺了《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》,這一文件對高校教師提出了明確的要求,專業(yè)人才的培養(yǎng)不僅要重視專業(yè)知識的傳授,更要重視立德樹人。 在教學(xué)過程中,教師應(yīng)該注重課程思政的建設(shè),尋找專業(yè)課程中的知識點(diǎn)與思政教育工作的結(jié)合點(diǎn),以實(shí)現(xiàn)全方位教書育人的高校教育目標(biāo)。

“量子力學(xué)”建立的過程完美地體現(xiàn)了創(chuàng)造性思維。 很多開創(chuàng)性的成果背后,充滿了科學(xué)家艱辛的探索,蘊(yùn)藏著許多精彩動人的故事,也是進(jìn)行思政教育的生動教材。 比如：普朗克提出能量量子化的故事、玻爾提出氫原子理論的故事、荷蘭學(xué)生古德斯密特和烏倫貝克發(fā)現(xiàn)自旋理論的故事。 通過科學(xué)家故事的講述,讓學(xué)生了解量子世界是如何一點(diǎn)一點(diǎn)被發(fā)現(xiàn)的,了解前輩們對待科學(xué)孜孜不倦的探索精神、誠懇的態(tài)度以及師生間的關(guān)懷,以便潤物無聲地使得前輩們的創(chuàng)新精神、探索精神等融入學(xué)生思想之中,達(dá)到育人效果。

教師講授相應(yīng)的知識點(diǎn)時,還應(yīng)該適當(dāng)?shù)匾胂嚓P(guān)的前沿知識。 2009 年,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士帶領(lǐng)團(tuán)隊成功實(shí)現(xiàn)了世界上最遠(yuǎn)距離的隱態(tài)傳輸,其傳輸速度是光速的4 倍。 這一成果立刻引起世界科學(xué)界高度的關(guān)注。 教師把這些激動人心的事例引入教學(xué)中,不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,而且能以潤物細(xì)無聲的方式感染學(xué)生,弘揚(yáng)愛國主義精神,增強(qiáng)使命感和自豪感,在學(xué)生心中種下科學(xué)的種子,積極投身我國的科學(xué)研究事業(yè)。

課程思政之于課程教學(xué)的關(guān)系正如鹽之于湯,“量子力學(xué)”課程這鍋湯也離不開課程思政這勺鹽,不然湯必然索然無味,達(dá)不到育人效果,而恰到好處的鹽,能讓量子課堂回味無窮,意猶未盡。

3 課程考核方式

為了線上線下混合式教學(xué)的順利實(shí)施,充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性,進(jìn)一步提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和分析解決問題的能力,“量子力學(xué)”課程考核采用“平時成績+考試成績”相結(jié)合的模式進(jìn)行。 其中,平時成績由線上教學(xué)平臺（比如超星學(xué)習(xí)通）統(tǒng)計產(chǎn)生,由視頻完成、作業(yè)、課堂互動及章節(jié)測試來決定。這種考核方式,督促了學(xué)生的平時學(xué)習(xí)力度,減輕了期末復(fù)習(xí)的負(fù)擔(dān),鼓勵學(xué)生積極參與課堂,提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力,對提高課堂教學(xué)質(zhì)量有一定的幫助。

“量子力學(xué)”中的量子約束效應(yīng)指當(dāng)空間尺寸和邊界條件變化時,量子系統(tǒng)會顯示出不同的物理規(guī)律。 所以,在教學(xué)過程中讓學(xué)生理解約束對行為的顯著影響,教師合理地利用線上教學(xué)平臺約束學(xué)生平時的學(xué)習(xí)行為,讓學(xué)生養(yǎng)成主動學(xué)習(xí)、遵守規(guī)則的習(xí)慣,直至習(xí)慣成自然,學(xué)生將感受不到約束的限制。 量變產(chǎn)生質(zhì)變,良好的習(xí)慣一定能夠讓學(xué)生通過自律的學(xué)習(xí)生活方式獲取喜人的成績。

總之,“量子力學(xué)”課程的教學(xué)改革是系統(tǒng)復(fù)雜的工程,在教學(xué)改革的過程中,必須以教學(xué)大綱為根本、以學(xué)生為中心,合理安排線上線下混合式教學(xué)活動。 教師要重視教學(xué)方法,精準(zhǔn)安排教學(xué)內(nèi)容,巧妙組織教學(xué)過程,善于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,積極調(diào)動學(xué)生內(nèi)在動力,不斷改革,勇于嘗試,逐漸提高教學(xué)質(zhì)量,培養(yǎng)理論基礎(chǔ)過硬、自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力強(qiáng)、具有愛國情懷的高素質(zhì)人才。