大学物理“三阶式”混合教学模式的探索与实践

    张   静，杨艳芳^*，江海燕，刘彩霞，徐元英  

（合肥工业大学物理学院；安徽，合肥；230009）

[摘  要]：合肥工业大学以积极构建能力导向的“培养目标—教学过程—质量提升”三位一体教学体系为指导思想，将混合式教学理论应用于大学物理课程改革，在多年来大学物理课程建设和改革经验的基础上，创新性地提出了构建“探究式预习—同伴式学习—进阶式复习”的三阶式混合教学模式的理念和方法，在基于智慧教学平台的混合教学模式方面进行了积极探索和实践，以期进一步提高教学质量，为“双一流”背景下高素质理工人才的培养提供支持和借鉴.

[关键词]：大学物理；智慧教学平台；“三阶式” 混合教学模式

[基金项目]：2020年度安徽省教育厅高等教育质量工程项目《大学物理“三阶式”混合教学模式的研究与实践》项目编号 ：2020jyxm1500，实施年份：（2021年01月01日至2022年12月31日）；

2020年度安徽省教育厅课程思政示范课程《大学物理》项目编号 ：2020szsfkc0721，实施年份：2021年01月01日至2022年12月31日。

[作者简介]：张静，（1978-），女，安徽太和人，汉，博士，合肥工业大学物理学院大学物理教学部，讲师 研究方向：大学物理教育；材料物理与化学；杨艳芳，（1970-），女，安徽贵池人，汉，硕士，合肥工业大学物理学院大学物理教学部，副教授（通讯作者），研究方向：大学物理教育；物理学；江海燕，（1975-），女，安徽怀宁人，汉，硕士，合肥工业大学物理学院大学物理教学部，副教授 研究方向：大学物理教育；材料腐蚀。

[中图分类号]G642.41，   [文献标识码]A.  

世界互联网大会·互联网发展论坛开幕之际，习近平总书记在贺信中指出：当今世界，新一轮科技革命和产业变革方兴未艾，带动数字技术快速发展^[1].新冠肺炎疫情发生以来，在线教育技术发展迅速.在教学过程中，以“雨课堂”、 “腾讯课堂”、“钉钉”等网络智慧教学平台为辅助，将传统教学模式与丰富的网络资源和信息交互手段有机结合，充分激发教师和学生的主观能动性，优化教学过程，提高教学质量.这种混合式教学模式不仅突破了时间和空间的限制，最大限度地实现资源共享，而且推动了学习方式和学习意识的变革，使自主学习和个性化教学成为可能，充分满足现代教育和终身教育的需求^[2].

1.基于智慧教学平台的大学物理“三阶式”混合教学模式

为实现“立德树人”的根本教育目标，培养“全面发展的人”，必须在“核心素养”的育人框架内进行教学理念、教学环境、教学方法和模式的重构.高等院校理工科专业的大学物理系列课程是培养学生科学核心素养和探索创新精神的重要载体，直接影响“物理观念”、“科学思维”、“实验探究”、“科学态度与责任”等物理核心素养的形成以及科学核心素养的整体提升.基于智慧教学平台，构建“探究式预习—同伴式学习—进阶式复习”的三阶式混合教学模式，就是一种有效落实科学精神和实践能力素养，并贯穿和融通其他素养的教学方式^[3].

1.1 探究式预习

受传统教学模式和思维定势影响，大部分教师习惯于把主要精力放在教学内容的教授以及课后练习的完成等环节，忽视了预习的重要性.传统教学模式在很大程度上是对教材内容的简单复制，学生过度依赖教师讲授，缺乏主动学习的内驱力.在大学物理教学过程中经常会面临这样的问题: 学生在听课过程中由于对新知识不熟悉、不了解而无所适从，跟不上课堂进度，长此以往则会因为落下的课程太多，逐渐丧失学习动力和欲望，进而自暴自弃.其实，学生在学习过程中面临庞大的知识网络，很难做到有的放矢；如果在课前针对新知识进行初步了解和把握，不仅能够锻炼学生的自主学习能力和探索精神，也有助于提高后续课堂教学的效率.预习是学习新知识的前导，“探究”则是预习过程中牵一发而动全身的缰绳，引导学生进行探究式预习，在预习过程中培养自主精神和创新意识，教学效果将事半功倍.

预习就是让学生依据已有的知识和经验，通过感知、理解、分析、判断、想象等心智活动，经历发现问题、分析原因、尝试探究、归纳创新等步骤学习新知的过程^[4].通过预习，学生对知识点进行梳理和思考，充分联系以往的知识体系，将学习材料和内容加工成“半成品”.认知心理学家皮亚杰提出，应以教会学生怎样学习和持续发展为教育宗旨.学生通过尝试、思考和探索，整理出对新知识的疑问和困惑，在随后的课堂学习中就会自然而然地集中注意力，聚焦疑难之处，形成积极主动的内驱力和持续学习的行动力.为此，预习阶段应提倡学生自主发现问题，带着问题进行求知，强调探究性和思考性，克服随意性和跟从性.

另一方面，盲目让学生自己进行预习可能会抓不住重点，教师应当充分利用智慧教学平台进行引导和辅助.根据预习提示和要求，确定预习步骤，制定和推送预习问题和资料，最大限度地发挥预习的作用.预习问题应有区分度，难度适中，循序渐进，并能精准体现核心内容和核心概念，关联教学目标，让学生能够精准预习，提高效率.预习过程中师生随时互动沟通，教师根据学生反馈，及时总结归纳，提炼重难点，做好教学预案.

高质量的预习，需要长期坚持并形成有效模式，一是要充分调动学生的预习兴趣，使其明确有效预习对后续学习效果的促进作用，增强学生对物理学习的快乐体验，形成主动预习的意识.二是要提高学生预习能力，包括明确所要预习的内容及其重难点，并围绕重难点发挥资料查阅、分析思考、联想运用、总结判断以及互助学习等综合能力，提高学生的参与积极性，并在高效的合作预习、探究过程中体验自主预习的成就感.三是注意消除预习的随意性.良好预习习惯的养成，取决于长期的坚持，学生按照教师的要求结合自身经验进行认真预习，探求知识体系的内在联系；教师要对学生预习情况进行预判和评价，帮助学生在探索和求知过程中形成良好的物理思维和习惯.

1.2 同伴式学习

大量教育实践证实，团队式的互助学习是提升学生综合能力的有效方式.为了在大学物理教学过程中实现合作学习和有效互动，哈佛大学埃里克·马祖尔基于合作学习理论创设了同伴式学习法，其实质就是在课堂上以适当的方式建立学习共同体，以获得高效率的教学效果和学生群体素质的整体提升.

课堂是一切学习型组织的源头，在课堂中构建学习共同体，通过学生之间的对话与合作，不仅可以学习同伴的优点，也能认识自身欠缺，扩展自己的知识面，提升学习能力.日本教育学家佐藤学认为教学过程是一个“建设相互影响的社会关系的过程”，课堂共同体“意味着由叙事、言词与祈愿的情结构成的富于想象力的共同体”.这一学习共同体中充满无限的可塑性，每个学生的成长环境、情感性格、思维方式、兴趣爱好等千差万别.他们聚集在一起的时候，群体之间的差异性和多样性充分展现，构成一个交响乐团般的集体，所有参与的学生沟通能力与合作能力都能在潜移默化中得到提升^[5].

同伴式教学不同于传统教学对教材内容的依次讲授，而是基于教师在预习环节中系统设计的概念测试或基本理论测试问题，实现在课堂上师生互动、生生互动的教学方法，由许多针对本质概念和关键知识点的简短讲授课题构成.与同伴交流和辩论的过程打破了传统的被动式教学的千篇一律，学生不仅接受新知识，还必须独立思考问题，把自己的想法和观点用适当的方式表达出来，这是一种综合性的考验，更是促进能力进阶的有效方法^[6].

同伴式学习的关键是教师在预习阶段应设计高质量的测试问题，用以激发学生对问题的有效讨论，共同解决学习中的难题，发现错误和偏差并及时纠正，以促进新知识体系的构建.有效的测试题应该围绕课程核心内容和本质概念，让学生在讨论过程中深化理解和扩展预习阶段获取的知识成果.学生给出的测试题答案，往往会有错误和偏差，而同学之间在互相提问和解答彼此问题时，将知识应用到不同的问题情境中，有利于知识迁移从而有效学习新知，带来事半功倍的学习效果，这是同伴学习法的真正价值^[7].全体学生互助合作则是同伴学习法取得成功的基本要素，只有互帮互助、团结协作，才能充分展现课堂运作的科学性和组织性，形成雁阵效应，促进学生群体的整体水平不断提升.

教师为了在课堂上即时掌握学生答题和研讨的进展情况，并以此为依据组织课堂教学，需要借助智慧教学平台作为信息交互的方式，以实现教与学之间的有效互动.应用同伴教学法，教师在上课时可以对讲课内容进行适当取舍，例如，学生通过自学和互学之后已经掌握的内容无需讲授，大部分学生出现疑难的知识点则应重点讲解并通过练习进行强化.同伴式学习并不意味着完全放弃传统的课堂教学，当知识内容过于复杂或难度过大，不能通过学生自学和互学合作解决时，课堂讲解仍是必不可少的，因此，构建灵活机动的混合式教学模式已经成为新时代教育理念下的重要课题.

1.3 进阶式复习

布鲁姆将认知目标分为记忆、理解、应用、分析、综合、创造，体现了学习进阶的理念^[8].根据认知心理学的同化理论，结合物理核心素养的培养要求，可以认为学生在学习过程中形成上位物理认知，通过与新的系列化具体下位物理问题发生相互作用（即解答具体物理问题）的科学推理过程，内化原有的物理理论和方法，将其提炼升华为稳定、清晰、概括化的物理核心素养^[9].复习阶段不仅要强调针对性、系统性和创造性，更应该侧重于引导学生达成高阶认知目标，以利于核心素养的培养和升华.

“进阶”式复习的含义通常涵盖两个方面，首先是复习任务的设置要有层次感和递进关系，主要体现在教师要根据物理核心知识间的联系，依据不同层次的教学目标，设置层层递进的复习问题和作业，以基本概念为核心，以基本规律的应用为主线，强调知识点之间的联系，创设问题情境，使学生对问题的分析和处理有序进行^[10].各级教学目标既相互联系，又呈螺旋式上升，循序渐进，环环相扣，使学生对某一主题的思考和认知逐步丰富和深入，思维持续保持活跃状态，逐步达成高阶认知目标.学生在研究问题的过程中逐渐熟悉物理情境和物理模型，获取知识，掌握方法，建构知识框架，提炼具有总体性、概括性、哲理性特征的物理观念，培养归纳、类比、演绎、推理等核心素养.其次，每个学生的成长背景和学科基础不同，能力水平也有差异，如果采用一锅烩的传统方式，可能会导致基础较弱的学生由于畏难而选择放弃，中等水平的学生可能会在某些难点的攻克上遇到瓶颈而产生挫败感，半途而废，降低学习积极性和自信心.因此，要在面向全体学生的基础上，充分考虑学生的个体差异和能力发展需求，做到因材施教，量身定做.例如设置复习问题时，核心知识点相同，解决问题的思路和方法相同，但内容多少和难易程度可以有所不同，既能让能力出众的学生充分发挥自身水平，也有利于基础薄弱的学生掌握基本概念，学习基础知识，形成良好的区分度.进阶式复习模式不仅给学生提供了承载知识的载体，而且有助于学生建构知识框架，使其分析问题的能力、逻辑推理能力、数学计算能力等方面都能够得到提升.

2. 合肥工业大学“大学物理”系列课程混合教学模式的探索与实践

合肥工业大学的《大学物理》系列课程一贯秉承学校“构建以能力为导向的‘培养目标—教学过程—质量提升’三位一体教学体系”的指导思想，对混合式学习的需求、内容、可行性、学习者特征等进行充分分析，将混合式教学理论应用于大学物理课程改革，采取信息技术与传统课堂相结合的方法，在基于智慧教学平台的混合式教学模式方面进行了积极探索和实践，以期进一步提高教学质量，为全能型人才的培养奠定基础.

 “三阶式”混合教学模式涵盖教师活动、学生活动、学习资源的支持等几个方面，学习目标层层递进，持续进阶.以智能平台为教学辅助的混合式教学过程如图1所示^[11].以光栅衍射为例，分析“三阶式”混合教学模式的具体设计和应用.

2.1课前导学：探究式预习

教师根据将要教授的知识点准备教学内容，提前设置预习任务和概念测试题，制作PPT、视频、试卷等，推送至教学平台.要求学生预习光栅的基本概念和光栅衍射的相关内容，结合图片或视频资料举出实例，提出问题，例如同学们常用的文具盒或书包等用具的表面经常镶嵌有立体图画，它们是如何表现出立体感的？光盘的表面为什么会有彩色的花纹？它和肥皂膜的彩色条纹是同种光学现象吗？……学生在着手学习之前，可以先通过老师提供的在线课程介绍、教学计划，对即将学习的知识进行系统的把握，包含对课程特色、教学方法、课程的设计思路等进行认识了解，对新课程形成新认知，构建物理概念.通过阅读课本、文献或查找资料，初步认识光栅的概念，对预习问题展开探究，对光栅衍射的相关内容进行初步了解，逐渐提炼出重难点，在此过程中可以随时提出自己的疑问，及时向老师反馈.智慧教学平台能够通过数据分析功能，向教师实时传达预习情况；老师通过与学生的互动，分析出学生的知识盲区，确定授课重点和难点，有针对性地组织课堂教学内容，制定教学目标.

图 1 基于智慧教学平台的“三阶式”混合教学模式

2.2课堂教学：同伴式学习

课堂学习过程以预习阶段提出的问题为切入点，指出立体画的表面镶嵌有光栅，起到限制光线出射方向的作用，使人的双眼形成视差，产生立体感，此处并没有衍射效应；而光盘的表面则是周期性螺旋状凹槽，可视为一种反射光栅，彩色条纹则是衍射的结果，引入光栅的概念和分类.可进一步借助简单的光栅片教具，引导学生观察教室里的灯光透过光栅后发生的现象，并将其与单缝弗朗禾费衍射以及杨氏双缝干涉条纹进行对比，提出问题“平行光穿过多条平行窄缝时会产生什么现象，遵从怎样的规律？”循序渐进地引入新课内容.着重以透射光栅为例研究光栅衍射的基本规律，借鉴双缝干涉的研究思路，分析各条窄缝出射光线的光程差，得出光栅方程，明确明暗条纹形成的条件.对于涉及核心概念的关键内容，可设置讨论题，让学生展开讨论，例如，光栅衍射暗纹的形成条件究竟是各条窄缝的出射光线彼此之间都要干涉相消还是所有出射光线的光振动矢量总和为零从而相消？讨论的形式灵活机动，可以是阐述，也可以是辩论，持不同观点的同学天然地划分为两个或多个讨论组，可以借助理论分析、定律推导、列举实例等方式论证己方观点，并试图说服对方.在此过程中教师应随时关注、正确引导，避免出现群体性理解偏差和谬误.精准掌握知识点的学生在向其他同学进行讲解、纠正错误观点时，甚至比教师更容易基于自身体验而直击要点，达到事半功倍的效果.光栅衍射概念和衍射图样的形成规律都很抽象，在讲述和推导的基础上，可以充分运用智能平台的视频资源，介绍光栅在染料激光器、光谱分析仪等领域的应用，便于学生建立生动直观的物理图像，有助于物理规律的深入理解和掌握.

2.3课后反馈：进阶式复习

教师可针对不同层次学生设计递进式复习任务，推送练习和复习题，学生可以通过附件作答、拍照上传、语音回复等方式，及时反馈自己对知识的掌握情况和疑问之处，通过对知识结构的系统性回顾、梳理和巩固，逐步建立和完善知识体系，达成高阶认知目标.例如，通过多种实例，进一步加深理解光栅的概念和光栅衍射的应用，指出凡是具有空间周期性结构的光学元件都可视为广义的光栅.可以用实验室里观察白光或单色光衍射花样的实例进行基础性练习，也可以设置开放式问题的讨论，小到舞台上应用光栅形成炫丽的灯光效果，大到光栅光谱仪、光纤光栅在传感器、测温系统、建筑工程、地质遥感等领域的广泛应用，以加强对理论知识的理解巩固.复习不仅是对学生学习情况的检测，也会引起教师对教学系统设计、教学内容、教学方法的调节性思考，对教学质量的改进形成正反馈.学生随时可以通过教学平台的回放，进行有针对性的复习巩固；教师可以在线答疑解惑，进行个别化指导，真正实现师生实时互动，因材施教.也可借助智慧教学平台进行在线测试，或者要求学生进行开放式综述或小论文的撰写，让学生深入思考，广泛查阅资料，从书本知识拓展到实际应用，不仅加强学生对定律的理解和掌握程度，提高分析问题、解决问题的能力和独立思考的精神，而且进一步强化核心素养的形成，达到能力进阶的教学目的.

运用“三阶式”混合教学模式，教师要从物理学科规律和学生实际出发，以学生为主体，合理安排层次和难度，创设良好的教学环境，充分调动学生的积极性和主观能动性，完成从被动教学到主动学习的转变，累积知识的同时完成核心素养的提升，最终实现课堂教学的有效性.

合肥工业大学的大学物理系列课程以丰富的教学实践和省级精品课程平台为依托，以“双一流”建设背景下对创新性人才培养的需求为出发点，将信息技术与传统课堂相结合，创新性地构建 “探究式预习—同伴式学习—进阶式复习”三阶式混合教学模式，以期进一步提高教学质量，为进一步深化教学改革提供数据支撑，研究成果具有示范性和辐射性，对安徽省及国内理工科院校的大学物理课程建设和改革，起到一定的参考和借鉴作用.

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[1]《习近平向世界互联网大会·互联网发展论坛致贺信》，人民网，2020年11月24日，http://cpc.people.com.cn/shipin/n1/2020/1124/c243247-31942679.html.

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[10] 蔡蕾. 基于学习进阶的问题驱动式教学——以"机械能守恒定律"教学为例[J]. 湖南中学物理, 2019, (2):33-35.

[11] 赖志欣.基于智慧教学平台雨课堂的混合式教学设计与应用研究[D]. 长沙：湖南大学，2018.

Exploration of the "three-stage" mixed teaching mode of university physics

Zhang Jing, Yang Yanfang, Jiang Haiyan, Liu Caixia, Xu Yuanying

(School of Physics, Hefei University of Technology; Anhui, HeFei; 230009)

Abstract: Hefei University of technology takes active construction of the ability-oriented Trinity Teaching System of "training objective - teaching process - quality improvement" as the guiding ideology and applies the mixed teaching theory to the college physics curriculum reform. Based on the experience of college physics curriculum construction and reform over the years, this paper creatively puts forward the idea and method of constructing the “three-stage ” mixed teaching mode of "inquiry preview, peer learning, advanced review", and actively explores and practices the mixed teaching mode based on the intelligent teaching platform, in order to further improve the teaching quality and provide support and reference for the cultivation of high-quality science and engineering talents under the background of "double first-class"。

Key words: college physics; intelligent teaching platform; "three-stage" mixed teaching mode