信息技术融入电动力学课程建设的思考与实践

谢双媛，王祖源，倪忠强

(同济大学 物理科学与工程学院，上海 200092)

进入21世纪，以信息技术发展为牵引的新科技革命加速演进，新科技革命引发高等教育深刻变革的趋势不断显现．随着国家经济的高速发展，面对人才培养发展的新要求，以课程建设应用为重要手段推动信息技术与教育教学的深度融合[1,2]，建设具有高阶性、创新性、挑战度(以下简称“两性一度”)的一流“金课”，已成为当前高等教育教学改革工作中的重要任务[3]．教育部 2019 年发布《关于一流本科课程建设的实施意见》(教高〔2019〕8号)[4](以下简称《实施意见》)为高等学校的一流本科课程建设提供了基本遵循．

电动力学是物理学专业的专业核心课，课程的内容体系包括电磁场的基本属性、运动规律以及电磁场和带电物质之间的相互作用规律等基础知识，也包括电磁现象相关的普遍规律分析、解决各类电磁问题的方法．电动力学属于四大力学之一，是物理学理论的重要组成部分，对学生的学习要求比较高，掌握这门课程不仅需要基础扎实，更需要学生在学习上付出努力．电磁现象比较抽象，数学公式多，学生容易感觉枯燥并产生惧怕心理. 一直以来，课程的优良率不高，不及格率也不低．

近年来随着一流专业建设、拔尖人才培养的工作开展，导致人才培养需求发生变化．此外，笔者认为“两性一度”也对电动力学课程提出了高质量要求，“高阶性”就是电动力学课程应坚持知识、能力、素养、价值的有机融合，要培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维；“创新性”就是课程内容要联系国家发展和科研前沿动态，注重信息技术与课程教学的深度融合，强化教学互动，激发学生的探究动力；“挑战度”就是适当增加课程的难度，促进学生的深度学习，落实知识的内化、延伸和提高，从激发学生的探究动力到提高解决问题的能力，再升华到价值内化，课程教学过程也是教师教学能力提升与学生学习能力培养相融合的过程．这些都对电动力学课程的教学提出了新的要求．

现代信息技术日新月异，为电动力学课程建设提供了良好机遇和途径．近年来，笔者依托中国大学MOOC平台开设电动力学MOOC课程，积极开展融合信息技术的电动力学课程教学改革的探索与实践，有效促进了学生个性化、自主深度学习，有助于提升学生的学术志趣、创新意识和探究能力．2020年该课程获得首批国家级一流本科在线课程称号(教高函〔2020〕8号)，为进一步建设“电动力学”优质课程打下了良好基础．本文围绕课程教学目标、教学内容、教学方法、教学评价等方面，阐述融入信息技术、采用线上线下混合式教学模式，建设电动力学课程的思考和实践研究．

1 坚持立德树人的教学目标

电动力学是物理学专业的专业核心课，是培养新时代物理学人才重要的支撑课程，在实现专业培养目标的同时，更要完成立德树人的根本任务．笔者坚持立德树人的培养要求与学科专业的培养目标相融合，立足学生德智体美劳全面发展，把思政教育贯穿到教育教学全过程，努力实现课程思政元素与课程建设目标、课程知识点的紧密相连，在知识传授的同时通过把育人理念贯穿于教学的全过程，实现价值观引导．通过架构“知识传授、思维启迪、价值引导”有机融合的高质量课程，实现以学生为中心的教与学．

笔者按照一流课程建设的“两性一度”质量要求，根据学校的办学定位、学生情况、专业人才培养要求确定课程教学目标，坚持知识传授、能力提升、人格养成与价值引导有机结合，使学生能够系统深入地掌握电磁场理论的基本概念和基本方法，正确理解电磁现象的本质规律；强化科学方法的训练和科学伦理的教育，提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力，使学生学以致用，具备解决实际科学问题的能力；注重培养学生的爱国情怀、科学精神、科学思维、科学伦理和创新意识，帮助学生树立科学的世界观、掌握科学的方法论，提高学生的科学素养，立德树人，努力实现学生知识、能力、素养、价值的协调发展．

2 融合思政元素的教学内容

高质量课程的建设，教学内容要在传统教学内容的基础上做融合创新，坚持知识传授与价值引导并重，重构课程教学内容，合理补充学科发展的前沿知识，深入挖掘课程知识中所蕴含的科学方法、科学精神、科学素养及其启示，与学科专业的知识内容融为一体、无缝衔接，传递学科专业蕴含的科学思想和人文精神，体现思政元素和社会主义核心价值观，帮助学生在建立课程知识体系的同时树立正确的科学观[3]．

同济大学电动力学课程目前是4学分、68学时，笔者依据学时情况精心制定了教学大纲，教学内容涵盖电磁现象的普遍规律、静电场、静磁场、电磁波的传播、电磁波的辐射、狭义相对论等内容，符合物理学类教学质量国家标准要求．

自2018年以来，依托中国大学MOOC平台，结合电动力学的课程特点，对电动力学教学内容进行了整合和设计，在线上建立完备的课程教学资源库(如图1所示)，包括授课视频、授课讲义、讨论题、作业题、章节配套测试题、期末测试题、拓展媒体资源等教学资源，将可能枯燥的学习内容直观化、形象化、具体化，有助于加深学生对教学内容的理解，提升学生的学习兴趣，调动学生的学习积极性．

图1 电动力学MOOC课程界面

教学内容涵盖基础知识点、核心知识点和拓展知识点，围绕知识点制作授课视频，每个知识点视频时长5 ～ 10分钟，视频中设置相关提问，引导学生深入思考，促进对基本内容的理解，视频结尾还有简要小结，以概括要点，强调重点和难点，帮助学生梳理思路，建立清晰的知识体系．注重思政元素的有机融入，深入挖掘了物理学发展史、科学家的故事、前辈物理学家的科研成就、物理定理定律研究发现的过程、物理学的最新发展、学科前沿以及交叉应用等所蕴含的育人元素，比如将我国大科学装置FAST的建设情况和工作原理、上海光源软X激光最新研究进展等与电磁波传播基本规律相联系，涉及狭义相对论内容时推荐学生阅读“两弹一星”元勋邓稼先先生的《电动力学讲义》中的相关内容. 这些素材以拓展资源的方式呈现，延伸课程的深度与广度，培养学生的科学精神、批判性思维、爱国主义情怀以及勇攀科学高峰的责任感和使命感．

已建成的在线课程教学资源，共有授课视频132个、补充视频55个、配套讲义36个、在线测试题237道、在线讨论题75个(如表1所示)，满足知识点的覆盖，达到了建设在线课程的需求，给学生提供了一个立体化多维度的学习环境，为物理学类专业学生的课外自主学习，以及教师开展翻转课堂教学改革等提供了优质在线教学资源．

3 融合信息技术的教学方法

围绕“两性一度”的质量要求建设课程，要确立学生中心、产出导向、持续改进的理念，提升课程的高阶性，突出课程的创新性，增加课程的挑战度[4]，需要克服传统课堂教学模式重知识传授、轻思维启迪和价值引导的培养弊端，落实知识的内化、延伸和提高，解决学生自主深度学习能力欠缺、创新性和批判性思维培养不足等关键问题．近年来，借助信息技术进行教育教学改革成为国内外教育教学改革发展的新趋势[5,6]，国内多所高校例如清华大学王青教授[7]、安宇教授[8]等均已在物理类课程线上线下混合教学模式领域进行了有益探索，为笔者开展电动力学线上线下混合式教学改革提供了很好的示范和借鉴．

3.1 混合式教学方案的设计

秉持“以学生为中心”的教学理念，融入信息化技术，立足课程教学目标，建构了“在线学习+课堂讨论+实践探索”的线上线下混合式教学模式(见图2)．教学流程由在线学习、课堂讨论、实践探索3个环节组成，课前学生自主学习线上课程内容，完成基础概念的学习和理解，课堂讨论重在知识的内化、延伸和提高，实践探索强化学生对知识的应用和能力的提升．通过将在线学习、课堂讨论、实践探索3个环节有机融合，以循序渐进的方式促进学生自主深度学习和协作学习，实现提升学生分析解决问题能力、批判性思维能力、科学素养等．

图2 电动力学线上线下混合式教学方案

通过教学实践，笔者逐步完善了教学方案的设计．下面是采用基于SPOC的线上线下混合教学方案.

1) 在线学习环节

依托中国大学MOOC平台上的在线课程资源，建立SPOC课程，包括授课视频、授课讲义、讨论题、作业题、章节配套测试题、期末测试题、拓展媒体资源等教学资源，具体情况如表1所示．平台由公告、评分标准、课件(包括课程视频、演示文稿、测试、作业、讨论等)、测验与作业、考试、讨论区等板块构成，借助教育技术和互联网的优势，给学生提供一个立体化多维度的学习环境．

表1 各类配套资源

在线学习环节，学生可以根据自身的情况确定个性化的在线学习路径．线上SPOC课程不仅包括视频部分的教学目标、教学内容以及相关的小测试，也包括预备知识的介绍、重点内容讲解和习题选讲，内容相对机动，这样安排有利于不同层次的学习者通过线上学习，解决学习过程中可能出现的疑惑．在教学设计时，可以首先建立教授内容的知识图谱，如图3所示的关于“电磁波的传播”一章的知识图谱，根据知识图谱对授课内容进行分解，设计有关问题，使学生在学习过程中实时清楚所学内容在整个知识结构中所处的知识结构层面，以及与其他各知识点的关联性，有助于增强学生对所学知识内容的系统性认识．与此同时，还可以通过在线平台记录学生的学习轨迹对学生生成形成性诊断，了解学习困难的症结所在．

图3 “电磁波的传播”知识图谱图

在线学习环节可以充分发挥适应泛在学习的特长，着力满足学生自主个性化学习需求．在线课程采用进阶式学习方式，单元学习后进行单元作业和测试，方便不同层次的学生系统掌握知识要点．课程资源全方位供学生自主选用，为学生创造个性化、互动性的学习环境，有效引导学生进行自主学习．

2) 课堂讨论环节

教师可根据线上学生的学习情况及时调整教学策略，结合反馈数据有针对性地设计讨论题，以问题为导向实施深层次课堂互动．课堂教学实施过程，可以从现实问题或引导性问题出发，讨论授课环节中的重点和难点相关内容．内容设计应重视问题的由浅入深、层层递进，首先引导学生关注并解决基础性问题，在此基础上尝试分析、解决有挑战度的问题，从激发学生的探究动力到提高解决问题的能力，再升华到价值内化，促进学生掌握更具挑战性的概念．通过师生互动、生生互动开展问题讨论，不仅可以增加学生对课程学习的积极性，促进学生深入思考，提高其对所学知识的掌握程度，还有助于引导学生探索解决有挑战性的问题，提高学生学习的主动性．

例如，关于“求解静电场的方法”内容的学习，国内广泛使用的教材中介绍不尽相同，对于物理基础比较扎实的学生而言，能够理解和掌握．但是对于功底不是很厚实的学生却容易引起困惑，比如镜像法、格林函数法、多极矩展开法等方法模型的物理内涵是什么？各方法之间的关联是什么？分别适合解决哪类静电场问题？若没有清晰的对比分析(如图4所示)，学生容易产生混淆，不仅不能完全掌握，更不会选择恰当的方法去解决问题．因此，在设计引导性问题时，应区分对概念的记忆性的题目与对概念理解、应用、分析的题目，考查学生对教学目标实现的情况．在讨论题的设计中，应考虑基础性与挑战性相结合，考虑识记、理解、应用、分析、评价、创新的逐步递进性，提高学生运用基本概念分析问题与解决问题的能力．

图4 求解静电场方法的对比分析

3) 实践探索环节

引导学生关注科研前沿进展，探索研究一些科研问题，鼓励学生自主选题，以团队协作的方式探索研究课题，强化研究型、项目式学习，引导学生正确认识科研工作，注重培养学生开拓创新、刻苦钻研、实事求是、团结合作的科学素养．实践探索环节的评价由教师对学生完成情况进行评价，评价指标包括创新性、工作量、完成度、报告答辩、完整论文5个方面．

例如，2020年春季学期教学班92名同学选题共有38道(详见表2)，其中独立选题13道(表2中序号1—13的选题)，另有25道是组队选题(表2中序号14—38的选题，左边是组队的选题名称，右边是组内每位组员的子选题内容)，由表2可以看出同学们的选题内容很丰富．这部分实践探索的评价方式是要求每位同学均要完成5分钟的课堂展示，即每位同学要讲清楚自己已完成的研究工作和取得的研究成果．如果是独立选题，就在5分钟以内展示选题的全部内容．如果是组队选题，则每位组员分别在5分钟以内展示选题中自己完成的部分内容，组队选题展示时间为所有组员展示时间总和．展示之后各选题组需要提交展示PPT、研究论文，依据选题研究的创新性、与课程内容的结合度、已完成的工作量和研究成果总结、展示的口述情况等方面进行评价．采取这样的评价方式和评价标准可以对每一位学生的实践探索进行公平、客观的评价．

表2 学生选题名称

3.2 学习评价

采取线上线下相结合、形成性和总结性相结合的综合评价方式，总评成绩由平时过程性考核(占总评成绩60%)和期末考核(占总评成绩40%)构成，其中：

1) 平时过程性考核由线上学习成绩(占总评成绩10%)和线下平时成绩(占总评成绩50%)组成．线上学习成绩由SPOC上视频学习、测试、作业、在线讨论、期末考试这5方面成绩构成．线下平时成绩由课堂互动(占总评成绩30%，包含平时出勤、课堂小测、课堂讨论)、线下作业(占总评成绩10%)、课题报告答辩(占总评成绩10%)这3方面构成．

2) 期末考核成绩即期末考试卷面成绩．

放射性同位素示踪剂以氚类化合物为主，主要用做气体示踪剂或水示踪剂。该类示踪剂具有成本低、分辨率高和检测方便等优点。但存在环境污染问题，目前已逐步被淘汰，仅大庆油田仍有少量使用。

依托中国大学MOOC平台，发挥信息技术的优势，得以实施以激发学习动力和专业志趣为着力点的科学、过程评价．教师可以通过平台加强对学生课堂内外、线上线下学习的评价．学生在线上学习情况，如视频学习的时间与时长(如图5所示)、线上作业完成、学生互评情况、单元测试情况等等在平台上均有如实记载和汇总统计，方便教师随时查阅、掌握和分析．

在课堂讨论环节，课堂讨论前，借助中国大学MOOC平台上SPOC课程中的慕课堂，开展课前小测，教师在慕课堂上发布5～10道客观小测题，学生通过手机进入慕课堂进行答题．教师可以在慕课堂上看到学生的签到、答题情况，及时、方便地了解学生对线上学习内容的掌握情况，对于学生掌握不好的知识点，教师可以在课堂上重点讲解．课堂讨论过程中，教师在慕课堂发布讨论问题，除了部分学生有机会在课堂上进行回答、展示之外，所有学生均可在慕课堂上提交自己关于问题的解答(如图6所示)，教师可以全面了解所有学生参与讨论、回答问题的详细情况，对问题讨论的成效做出完整、准确的判断．平台上学生成绩管理的数据(如图7所示)是平时成绩的科学依据，教师据此系统综合评价学生过程学习情况，按一定的权重纳入学生的总评成绩．

图5 学生在线视频学习的情况

笔者确立了信息技术支撑的学生学习成效综合评价新方式，采取线上线下相结合、形成性和总结性相结合的综合评价方式，强调严谨治学，更加注重学习过程和学习效果的评价，建立了基于教学全过程指标数据分析的过程量化评价方法，健全能力与知识考核并重的多元化学业考核评价体系，完善教学内容优化、学生学习过程监测、评估与反馈机制，提升课程学习的广度、深度、挑战度，促进学生知识、能力、素养、价值的协调发展．

图6 学生在慕课堂上提交自己关于问题的解答

图7 SPOC上学生成绩管理的数据

3.3 线上线下混合教学的实施

笔者以2020年春季学期面向92名学生的教学班为例，具体阐述课程线上线下混合式教学的组织和实施情况．课程的教学课时是有限的，在不增加课时的情况下要达到课程教学目标，笔者在课程教学组织实施上做了线上线下混合式安排，遵循线上线下相结合的原则，将课程总时数(68学时)划分为线上学习时数和线下教学时数两部分，其中线上时数依据线上教学视频时长(1080分钟)确定对应的线上学习时数为24学时(占总学时35.3%)，线下教学时数为44学时(占总学时64.7%)，主要用于开展课堂教学、课堂讨论，具体教学安排见图8教学日历截图．线上学习时数不开展课堂教学，任课教师仍在教室为学生提供答疑，或开展学生研究课题答辩汇报．疫情期间教师通过QQ群在线答疑，课堂讨论环节和实践探索环节学生课题汇报均是通过ZOOM直播方式完成．

图8 2020年春季学期电动力学教学日历截图

以“电磁波在介质界面上的反射和折射”部分的教学安排说明每次课堂讨论环节的教学流程．课前，教师通知学生自主完成SPOC上第4章4-1-平面电磁波(4个视频)、4-2-电磁波在介质界面上的反射和折射(3个视频)的学习，并完成线上测试、作业和讨论，掌握电磁场波动方程、亥姆霍兹方程、平面电磁波及其特性、电磁波传播的能量和能流、反射定律、折射定律、菲涅耳公式、布儒斯特定律、半波损失、全反射等基础理论知识、物理概念．

课堂讨论环节，首先开展课前小测，教师借助线上信息平台慕课堂的有利支撑，发布了9道课前小测客观选择题，学生通过手机进入慕课堂，完成课前小测，教师及时、方便地检查学生线上学习效果，了解学生对基础理论知识、物理概念掌握情况，并针对易错题情况进行重点讲解．接着，以问题导向实施深层次课堂互动．课堂讨论问题包含基础性和高阶性两类问题，如表3所示．

表3 课堂讨论问题

疫情期间无法进行正常的课堂教学，线上课程发挥了很大的作用，为学生提供了优质的在线学习资源．以SPOC作为在线学习平台、慕课堂作为随堂测试平台、QQ群作为课程学习交流平台，ZOOM作为线上课堂讨论和答疑平台，利用4平台架起了“在线学习+课堂讨论(直播)+实践探索”线上线下混合式教学的保障机制．发挥线上线下混合式教学的优势，为教学带来了很多便利，如签到情况快速反馈，随堂测试结果及时呈现，线上学习资源满足随时学习需求，疑惑问题及时沟通解决，作业发布及批阅快速高效等，有效保证了疫情期间课程教学的效果和质量．

2020年春季学期各类成绩统计如图9所示，综合反映学生的学习情况和整体学习成效，具体分析如下：

1) 线上学习成绩由SPOC上视频学习、测试、作业、在线讨论、期末考试这5方面成绩构成，且线上测试、作业、考试等多为涉及基本概念的简单问题，难度不大．线上成绩取得优良的学生超过91%，说明疫情期间学生以在线学习为主，且学习自主性强，对课程基本知识内容和基本概念的掌握较好．线上成绩为中或及格的少数同学主要是疫情期间未能及时适应线上教学，学习自主性偏弱．仍有2位同学线上成绩不及格，主要是家在边远地区，网络条件差，无法支持在线学习所致．

2) 因疫情原因，线下成绩实际由ZOOM会议室和慕课堂结合开展课堂教学中平时出勤、课堂小测、课堂讨论、线下作业、课题报告答辩这5方面构成．依托ZOOM会议室和慕课堂，课堂教学主要以开放性、挑战性的问题讨论为主，引导学生深入思考，培养学生分析、解决问题、口头表述的能力．线下成绩优良率达91.3%，说明大部分同学能主动参与课堂教学互动，学生的能力和思维均得到了提升．少数同学的学习积极性弱，基础薄弱，未能很好参与教学互动．

3) 从期末考试卷面成绩的分布来看，成绩虽呈现正态分布，平均分为73.92，但只有2人获优，优良率明显低于线上学习成绩和线下成绩，51%的同学期末成绩为中，说明期末考试具有一定的难度．未因疫情降低期末考试试卷的难度，加上疫情期间，只能通过ZOOM会议室和慕课堂相结合开展课堂教学，削弱了课堂互动效果，从某种程度上也影响了课堂教学效果，导致期末考试优良率不高．

4) 总评成绩由线上线下、平时和期末成绩组成，与教学过程相关的形成性评价占比(60%)大于总结性评价(40%)，更能综合反映学生的学习情况和整体学习成效．总评成绩趋向正态分布，且优良率达86.96%，说明大部分同学的学习情况和学习成效良好，知识内容掌握牢固，综合能力得到显著提升．少数同学总评成绩为中或及格，说明这部分同学还不太适应线上线下混合式教学模式，且学习主动性、深入性不够，有待加强．本学期虽然线上成绩、线下平时成绩、期末成绩有个别同学不及格，但通过形成性评价能及时提醒学生平时关注自身薄弱方面，不断努力，最终总评成绩均及格．

图9 2020年春季学期各类成绩统计

将2017年传统教学班、2018年结合线上教学班与2019年、2020年线上线下混合式教学班进行纵向比较(如图10所示)，以难易程度基本一致的期末考试卷面成绩比较为例，发现期末考试成绩平均分逐年提高，说明线上线下混合式教学对提高教学质量有促进作用．

图10 2017—2020年各教学班期末考试成绩比较

4 结语

基于“电动力学”一流在线课程的建设基础，采取“在线学习+课堂讨论+实践探索”线上线下混合式教学模式，使得教与学突破了时间和空间的限制．实践表明，这种模式下重构教学内容，形成线上与线下互补融合的完整知识体系，解决知识增加与学时有限的矛盾，课程资源全方位供学生自主选用，学生的学习更加灵活自如，可以深化学生对基本概念的理解，增强学生的学习主动性，促进学生个性化、自主深度学习；结合学生线上学习的重点和难点，教师以问题导向实施递进式课堂互动，从现实问题或引导性问题出发，首先引导学生关注并解决基础性问题，再尝试分析、解决有挑战度的问题，进而拓展到科学前沿问题，强化基本概念的实际应用，提升了学生的学术志趣和创新意识，实现了从激发学生的探究动力到提高解决问题的能力，再升华到价值内化，促进学生掌握更具挑战性的概念．

课程是人才培养的核心要素，面对人才培养的新趋势、新要求，笔者将继续秉承以“学生为中心”的教学理念，坚持专业课程目标与“立德树人”的培养目标紧密相连、有机融合，将科学思想和核心价值观贯穿全课程内容，密切关注和融合信息技术的发展，进一步探索和完善混合式教学模式，增强将现代信息技术与教育教学深度融合的能力，注重教学资源的积累和学生学习数据分析，追求课程教学质量不断提升，落实知识传授、思维启迪、价值引导的有机融合，培养人格健全、热爱祖国、具有批判性思维和创新精神的专业人才．