基于“雨课堂”的混合式教学探讨与学习行为可视化分析研究*——以《光学》课程为例

黎远鹏，牛娟娟，田雪冬，唐 剑，刘 军

（广西师范大学物理科学与技术学院，广西 桂林 541004）

1 引言

光学是一门基础课程，是物理学本科阶段的必修课程之一。对于光的认识和研究历史悠久，它是一门即古老又年轻的基础学科。随着梅曼发明激光，很多光的现象又被重新深入的研究，这使得光学领域又重新焕发出青春的光芒，特别是光在军事、生物医学等领域的应用，展现出强大的生命力[1]。光学是一门研究光的传播规律及光与其他物质相互作用的学科，具体又可以分为四个分支：几何光学、波动光学、量子光学和现代光学[2]。光学与其他物理课程联系非常紧密，掌握好光学的基本理论知识为学习其他物理课程(如：原子物理、量子力学、相对论)打下良好的基础。

该课程的授课对象和学习主体为大一新生，学生在初中和高中物理学习阶段对几何光学的内容已有初步的学习背景。开课时间为大一下学期，学生在大一上学期已修完高等数学、电磁学等两门相关基础课程，为《光学》的有效学习打下良好的基础。在此基础上，在光学课程中会对光的波动理论和光与物质之间的相互作用继续深入学习和探讨，这也是本课程的学习难点所在。本课程主要系统学习光学基本原理和基本知识，并对学生的逻辑思维、分析和解决问题的能力进行有意识的培养和训练，使得学生建立起辩证唯物主义世界观，提高学生的科学素养，为学生的继续教育提供扎实的基础。

《光学》课程理论性强、系统性强、对学生基础要求高，教师难教、学生难学的现象日益严重，传统《光学》课程线下教学的难点和不足如下：

(1) 课程教学内容多，学时少；光学教材一般选用由姚启钧原著，高等教育出版社出版的《光学教程》第四版。本文选用的是《光学教程》第五版，该版本教材是纸质与数字化资源相结合的新形态教材，提供了立体化的教学资源平台，通过书中的二维码可获取慕课教学视频、演示动画、创新实验、电子教案等多种数字化学习资源。核心内容包括：几何光学、波动光学（光的干涉、光的衍射、光的偏振）、现代光学等章节内容，共计68个学时。光学内容繁多，但是学时有限，在有限的学时里面如何提高教学和学习的效率是提高本课程教学质量的关键所在。

(2) 教师主要以“PPT+板书”讲授为主；教学手段单一，考核单一，且与学生缺少有效的沟通和交流，无法提高学生自主学习和主动思考的能力。

(3) 理论公式推导较多；如：波的叠加原理、菲涅尔公式、半波损失、惠更斯-菲涅尔原理、夫琅禾费衍射等现象原理公式复杂，这都需要学生有深厚的高等数学基础。教师在传统课堂上主要以讲授为主，面对琳琅满目的推导公式学生学习动力不足，导致学习主动性差。

因此，如何根据现在学生的特点，改善现有的教学方法和教学手段，使得教与学融会贯通，教师教有所长，学生学有所长，如何引导学生鼓励创新思维方式，使得课堂氛围百花齐放，如何将新的教育理念与现代化的网络教学技术相结合，这些都是目前急需解决的问题。

2 传统线下教学与雨课堂在线课堂融合的必要性

为了克服传统课堂中过多使用讲授法，引发的学生学习主动性差、参与度低、学习效果参差不齐等问题。为改善这一现象，迫切需要“以学生为中心”的教学理念对本科教育模式进行改革，并在高等教育中推广应用。混合式教学方式打破了时间和空间的界限，通过在教学设计上进行合理的设计，发挥“线上”和“线下”两种教学的优势，激发学生学习兴趣和热情[3,4]。特别是新冠疫情发生以来，为降低疫情对学生学习和教师教学的影响，各大高校师生齐聚虚拟课堂，积极开展“线上”和“线下”相结合的混合教学模式的探索[5-7]。为适应高校教育新常态，急需探索一种既能适应疫情的教学环境又不影响教学和学习效果的教育新模式。

在线与离线混合教学是当前高等教育研究的热点[8]。高等教育的主要参与者“95后”和“00后”大学生在获取信息和知识的方式上已发生了深刻的变化，主要表现在：移动互联网时代，手机是生活中一个必不可少的工具；学生的认知规律主要以建构主义为特征，习惯了从多种不同来源获取信息，且对碎片化的信息非常感兴趣。这一现象可以从网上订餐App和哔哩哔哩网站在学生社区的火爆程度体现出来，表明学生对学习和课程的期望呈现出多元化的趋势[9]。

雨课堂是一款兼具教与学的智能化教学和学习工具，是教育适应移动互联网时代的产物。不仅可以全面改善课堂教学效果，而且使得师生互动更多，教学更方便[10]。依靠PPT课件和移动终端（微信），雨课堂在整个教学过程中（上课前，上课中和下课后）实现了教师教学与学生自学的全天候互动。课堂上，采用混合教学模式进行“光学”课程的教学改革，从根本上调动学生的学习积极性，以学生为主体，以老师为主导，加强对学生综合运用能力和创新能力的培养。

3 实验结果

3.1 课堂混合式教学在《光学》课程中的应用

3.1.1 《光学》课程班级的创建

微信关注“雨课堂”公众号，绑定手机和微信号。创建《光学》课程班级如图1所示。

图1 《光学》课程班级创建过程示意图:(a) 点击创建课程;(b) 填写课程信息;(c) 生成邀请学生二维码

第一步点击创建课程，课程名称：光学，班级：19物理学。然后点击邀请学生，生成邀请码，邀请码可以发送到相应的微信班级群或QQ班级群，提醒学生加入学习班级。

3.1.2 课前推送

《光学》课程分为三部分：几何光学、波动光学、现代光学，共八章内容：(1)光的干涉；(2)光的衍射；(3)几何光学基本原理；(4) 光学仪器的基本原理；(5) 光的偏振；(6) 光的吸收、散射和色散；(7) 光的量子性；(8) 现代光学基础。每部分都有自己的特点，也有相应的学习方法。在开始每一章教学前，提前一周通过雨课堂发布该部分的学习方法和下次课预习课件及补充阅读材料如图2 所示。学习方法推送，以“光的干涉”为例，如何理解并推导波动的独立性、叠加性和相干性，分析得出光干涉的充要条件是本节的重难点。解决措施：采用边观察、边比较、课堂讨论等的方式，借助多媒体资料化解难点。

图2 预习课件及推送推送的微信截图:(a) 光学课程预习公告;(b) 预习课件及测验推送

光学课预告中推送学习课件和习题，通过习题检测预习效果。并且可以通过雨课堂后台可以了解学生在预习过程中哪些内容不懂，哪些知识点还没有掌握好，据此调整课堂重点讲解教学内容。此外，还可以提供与该章节相关的文献引导学生思考，该物理现象是怎么发现的，怎么利用该理论解释日常生活中的现象？更深入一步，这种情况发生的可能机制是什么？让学生带着问题去读文献。

3.1.3 课中实施

学生扫描进入课堂，兼有签到作用，课件同步到手机微信端，学生可以随时查看，教师课上间断推送知识点的随堂练习，学生在手机上作答，老师可以实时查看学生的学习情况如图3 所示。随堂练习即前测的目的是为了考查上次课重要知识点掌握情况，督促学生课下复习以前所学内容，并且根据学生学习的情况，针对学生的薄弱环节和知识点进行重点讲解。在讲解过程中注重启发式教学，学生可以根据老师的启发通过发弹幕方式实现实时互动，教师可利用生成词云功能投屏，总结知识点内容。此外，雨课堂还具有分组功能，根据课程内容，设计课题化学习内容。此类学习任务分小组完成，在课堂汇报成果，并回答同学和老师提问，由老师和各小组分别打分，记为平时成绩。课堂后测是为检查学生听课效果，同时避免学生上课玩手机，要把手机作为学习工具来使用。对于表现优秀的学生可以有适当奖励，激发学生学习兴趣。

图3 随堂练习学习情况的微信截图:(a) 班级总人数、查看课件人数及完成练习的人数;(b) 客观题答题率和正确率

3.1.4 课后检测

课后推送作业，作业形式多样，可以是单选、多选、填空、主观题等，规定在一定时间内完成（便于学生复习和答题），作为平时成绩的一部分。参考答案公布时间设置在完成测试题的规定时间之后。以“现代光学基础”为例，课后推送作业及完成情况如图4所示。学生提交作业后，教师可查阅作业反馈数据，知道哪些是普遍存在的问题，哪些仅是个别同学出现的问题，在下次课上有针对性讲解，或调整课程进度。此外，雨课堂有讨论区，可以在任何时候回答学生提问或者参与学生讨论，互动一直在线。

图4 现代光学基础课后学习情况的微信截图:(a) 班级总人数、查看课件人数及完成练习的人数;(b) 习题答题率和准确率;(c) 学生反馈

3.2 基于雨课堂的学生课后复习情况可视化分析

光学课程姚启钧著(第六版)共8章书，其中几何光学5个学时，波动光学45个学时，量子光学15个学时，现代光学5个学时，共计70个学时。光学课件及习题会通过雨课堂小程序推送到学生的手机微信端，学生可以自行下载复习及完成老师布置的作业。通过复习不仅可以诊断和弥补学生课上学习的缺陷，还可以使学生把最基本、最重要的知识系统地保持在记忆中。学生通过将所学的知识融会贯通，使得开展具有创造性的学习活动成为可能。本研究分别统计了几何光学、波动光学、量子光学和现代光学四个学习模块课后复习情况并进行了对比，如图5和图6所示。

图5 学生复习完成情况对比图

图6 学生习题完成情况对比图:(a) 答题率;(b) 准确率

如图5 完成量子光学和现代光学内容复习的学生人数比几何光学、波动光学的多，大概相差20个人；仅查看课件的人数中波动光学的人数较多，其次是几何光学，量子光学和现代光学的人数较少；未查看课件的人数最少，说明整体上大部分学生都按时完成了课后复习。

为进一步具体评价学生复习的效果，对学生课后习题完成情况进行了对比分析。从答题率来看，四部分内容整体的答题率都较高，基本都超过70%。仅波动光学中习题1答题率为40%左右，答题人数较少；从准确率上看几何光学和波动光学大部分在60%以上，而量子光学习题3和习题4明显低于40%，现代光学中习题3-5的准确率也明显低于40%。波动光学中习题1准确率为0%。通过习题测验结果可知：量子光学和现代光学参与度较高，学生对这两部分内容产生较浓厚的兴趣；而几何光学和波动光学内容的学习效果较好，学生对这两部分的知识点掌握的较牢固。这为后续的光学教学和教学评价提供良好的指导作用。

3.3 基于雨课堂平台辅助教学效果评价与讨论

基于雨课堂平台的《光学》教程辅助教学实践中，使得教师可以更快、更高效的掌握学生签到、答题等情况，教师可以更加科学和精准的判断学生的学习效果，从而更加精准地改进教学方法。教师可以根据学生微信雨课堂平台的学习情况和平时线下课堂的表现，可以实现更好的过程考核。尽管雨课堂在线上教学中有较多的优点，但也还存在一些不足，针对这些不足，思考解决的对策，才能更好的促进教学的改革。

(1) 课前预习和复习评价较难规范，可结合线下课堂提问来检查预习和复习情况，综合掌握学生的学习进度和效果；

(2) 雨课堂可以对习题的答题率和准确率进行直观的可视化分析，可据此判断学生成绩的优良。这种评价机制并不能完全的反应学生优秀与否，主观题没有统一答案标准，雨课堂无法对主观题的结果进行精准评价。因此，可结合线下考核提高评价机制；

(3) 学生反馈中，在手机端查看的PPT 需要具有更高的质量及分辨率，因此对于教师来讲，采用“雨课堂”推送的课件需要更加精心的设计。此外，雨课堂是使用需要学生带手机上课，避免不了手机上其他信息的影响，很难保证学生精力一直集中在课堂上而不是手机社交软件和游戏上，这些需要长久的学习习惯培养和训练才能更好地有效控制。

4 结论

创新型人才是国家技术创新，知识创新和服务创新的重点领域，而大学是创新型人才培养的主要渠道。雨课堂作为一种新兴的智能教学工具，有助于获得较好的教学效果。我们将雨课堂应用于《光学》课程教学中，在课前进行课件推送，课上进行点名，做习题以及互动讨论，课后通过数据分析课堂情况并总结。同时对雨课堂的课堂体验进行了规划，在之后的课程建设和改革中逐渐实施。在雨课堂的实践中遇到了一些问题并思考了相应的对策，相信在接下来的教改实施过程中还会出现各种问题，只有保持思考的习惯，积极应对和解决，才能使教学更加精彩。通过教育教学方法改革，大大提高了学生学习光学课程的兴趣，亲身体验了在线自主学习，离线多面讨论和改进的乐趣，班级参与和活动得到了显著改善。