“電磁學”課程小班互動教學模式的探索與實踐

“電磁學”是物理學相關專業(yè)學生最重要的基礎必修課程之一。課程主要研究電、磁和電磁的相互作用現(xiàn)象及其規(guī)律，是電動力學、電路分析、固體物理等后續(xù)課程的基礎。相關知識廣泛應用于工、農、醫(yī)等領域，也是“四新”課程建設中新工科與新醫(yī)科的重要知識組成部分［1］。因此，該課程的基礎理論對于學生今后從事教學、科研以及工程技術等領域的工作十分重要。一、“電磁學”課程傳統(tǒng)教學存在的問題以及小班教學的必要性與其他基礎課程一樣，“電磁學”課程教學中面臨理論枯燥與知識抽象的問題?！半姶艑W”課程涉及很多物理概念和公式推導，若只采用傳統(tǒng)的講授模式，學生在課堂上容易無法集中精力，在學習過程中也容易出現(xiàn)學習興趣不夠的情況。尤其是對于理論基礎相對薄弱的學生而言，這些枯燥的概念和公式會讓他們覺得該課程的學習門檻很高，出現(xiàn)畏難情緒或自卑心理，最終導致學習效果不好。此外，傳統(tǒng)教學中沒有很好地將課程知識與實際應用相聯(lián)系，時代前沿性的涉及略顯不足，難以啟發(fā)學生解決什么問題和怎樣解決問題的科學思維?，F(xiàn)有課程資源的匱乏和教學內容的單一，極易給學生造成理解困難和創(chuàng)新實踐能力不足的問題。這些都在無形中給學生提升了學習難度，降低了學習興趣。隨著高校擴招，班級人數(shù)逐年增長，教育資源日漸緊張。一些高校采用大班制教學來緩解師資壓力，降低教育成本，但授課過程缺乏師生互動，很容易出現(xiàn)“教師主動輸出，學生被動輸入”的課堂氛圍?；趥鹘y(tǒng)大班制教學存在的一些問題，近年很多研究都在積極探索新的教學改革措施。張帆等［2］對比研究了傳統(tǒng)大班制和探究式小班教學模式對大學生整體學習效果的影響，結果表明探究式小班教學模式的教學效果更加明顯，也更利于提升學生的學習效果。涂軍波等［3］基于小班教學的優(yōu)勢，結合基礎課程的特點，實施小班互動教學，豐富原有的教學資源及教學設計模式，實踐結果表明小班互動模式有利于提升學生的自主學習能力和科學思維方式。畢嵐等［4］將小班制模式融入大學物理課堂，教學過程突出師生、生生之間的互動交流，很好地體現(xiàn)了以人為本的教學理念。張麗等［5］對電子材料課程進行探究式小班教學，分別從教學理念、教學方法、教學內容及考核機制等方面進行改革和實踐，發(fā)現(xiàn)小班模式可以充分調動學生的學習積極性，更有利于學生創(chuàng)新思維及主觀能動性的培養(yǎng)。目前，小班化互動式教學也是世界一流大學普遍采用的一種教學模式［6］，可以突出以學生為中心的教學理念，進一步加深師生之間的交流，便于師生進行及時的反饋互動?！半姶艑W”是西華大學理學院應用物理學專業(yè)的專業(yè)基礎課程，面向大一下學期的本科生，學生的專業(yè)基礎分布方差較大，同時知識遷移能力有所欠缺。如果教學內容過于簡單，進度較慢，會讓有基礎的學生感到無聊；如果講解內容過于抽象，進度快，則會讓部分學生感到吃力。采用傳統(tǒng)的大班教學模式，教學方法較為單一，教學過程缺少師生互動，難以實現(xiàn)學生的個性化發(fā)展。在深化“四新”建設的教育背景下，考慮本校應用物理學專業(yè)學生的基本情況，“電磁學”課程從2021年開始采用小班互動教學模式，探究適應新學情的“四素”+“三維”教學目標［7］，以學生為主體，進一步提升學生的動手能力、創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作能力。二、“電磁學”課程小班互動教學的探索與實踐（一）落實以學生為中心的教學理念在“四新”課程與“強基計劃”聯(lián)合背景條件下，實施諸多創(chuàng)新舉措的前提是始終堅持“以學生為中心”［8］。在教學中需要轉變“教師主動輸出，學生被動輸入”的教學模式，讓教師從主導者變?yōu)橐龑д?，學生從被動接受轉為自主探究，提升學生的學習興趣?！半姶艑W”課程在教學過程中，采用小班互動教學模式，其中包括學生主講、小組互動討論、翻轉式教學、專題研討、學生自主課外實驗等方式，落實以學生為主體的教學理念。通過分析和解決電磁學的基本問題，培養(yǎng)學生嚴密的邏輯思維。通過翻轉教學和學生主講模式，進一步加深學生對所學知識的理解，培養(yǎng)學生自主學習能力以及多媒體制作能力，提升學生的個人表達能力。通過專題研討，鼓勵學生根據(jù)個人興趣選擇課題，查閱電磁相關的前沿文獻，拓展學生跨學科的科研探究能力，展開對復雜問題的深入探索，初步具備學術創(chuàng)新意識。通過小組課外趣味實驗，理論聯(lián)系實際，激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生小組分工合作意識，提升團隊協(xié)作能力。（二）重構“電磁學”課程的教學內容為了解決傳統(tǒng)“電磁學”課程教學過程中存在的難點和不足，將教材中所有的知識點進行解構，然后針對實際學情進行重新組合。根據(jù)我校應用物理學專業(yè)的學情設計基本任務和高階要求，目的是階段性提高學生的學習能力和效果。基本任務以推導和理解知識點為主，而高階要求以知識點的應用為目的。如圖1所示，“電磁學”課程的內容主要包括高斯定理、安培環(huán)路定理、麥克斯韋方程組等內容，以“電”“磁”與“電磁感應”三部分為“枝”進行梳理整合，在教學過程中引導學生歸納總結課程的思維導圖，讓學生對課程內容有更加清晰的了解，達到學生的低階知識要求。同時考慮到高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，力圖培養(yǎng)學生具備解決復雜問題能力、科研探究能力、實驗探究能力和團隊協(xié)作能力等。例如，在講解霍爾效應部分內容時，為了培養(yǎng)學生的高階能力目標，從經(jīng)典霍爾效應的物理機理出發(fā)，擴充到科學前沿的量子反?；魻栃?；講述我國科學家薛其坤團隊發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃倪^程，激發(fā)學生的創(chuàng)新精神和民族自豪感。同時，將學生自主課外實驗和最新的學術研究引入課堂，培養(yǎng)學生的科學思維能力、應用轉化能力和高階思維能力，進一步激發(fā)學生的學習興趣。圖1電磁學教材解構重組示意（三）優(yōu)化“電磁學”課程的教學設計針對不同基礎的學生和學習特點，運用多種教學方法，尤其是信息化的教學模式與策略，如引導學生學會用軟件繪制思維導圖，不僅可以更好地突出教學重點，還能幫助學生厘清整體思路。同時設計出基于理論知識的虛實結合的實驗任務，將抽象的問題具體化，便于學生對抽象概念的理解，進一步提高學生的理論學習效果和實踐創(chuàng)新能力。在小班互動模式下，學生是課堂的主體，教師則主要是作為引導者參與其中。以渦電流為例，課程開始設計了虛擬仿真實驗——電磁感應，引導學生通過掃碼進入虛擬仿真實驗平臺，教師簡單介紹虛擬實驗如何操作，提醒學生注意觀察小燈泡發(fā)亮情況。學生則在實驗過程中操作，觀察并分析實驗過程，分組協(xié)作討論。教師采用問答方式引導學生分析燈泡發(fā)亮的原因，引出感應電場與感應電流。同時聯(lián)系生活實際，設計問題，如電磁爐加熱問題。借助線下課堂實驗，演示無電源的閉合回路中，燈泡如何發(fā)亮。學生結合電磁感應的基礎，思考電磁爐加熱的原理。在物理模型上化繁為簡，引導學生分析電磁感應與電磁爐加熱的關系。通過渦電流引出法國物理學家傅科，引導學生主動了解傅科在科學領域所做的貢獻，向學生弘揚科學精神，一方面可以擴展學生的課外知識，另一方面能激發(fā)學生的學習興趣。最后根據(jù)學生的學情設計出基本任務和高階要求，階段性提高學生的學習能力和效果。教學過程中，仿真實驗平臺和線下實驗的結合有助于提高學生理論和實踐相結合的動手能力。首先，利用課后作業(yè)和隨堂測試來加強學生對知識點的查漏補缺和鞏固；其次，結合翻轉課堂和科研引導等多種手段加強學生的學習效果；最后，針對電磁學知識應用廣泛的特點，將虛實結合帶進課堂，可以有效地實現(xiàn)學生的個性化培養(yǎng)。（四）改變“電磁學”課程的評價模式運用現(xiàn)代信息教學平臺，除了采用傳統(tǒng)的“師評生”模式，還增加了“師評師”“生評生”“生評師”的多主體評價模式。教師方面，采用“師評師”和“生評師”多主體評價方式，有利于教師及時掌握教學效果，避免教師視角存在的“單向溝通”或是“無效講授”，可以幫助教師獲得各方面的及時反饋，尤其是和學生之間保持有效互動，在學與教的過程中構建師生共同體，實現(xiàn)“教師”和“學生”的雙向奔赴，促進教學過程順利實施。學生方面，通過“生評生”和“生評師”的評價體系，有助于學生與教師之間、學生與學生之間的溝通聯(lián)系，也能讓學生更加全面深入地了解自己，及時調整學習過程中存在的問題，增加師生及生生之間的友誼。此外，傳統(tǒng)的教學考核方式一般分為兩部分：平時成績和期末考試。其中期末考試占比很大，平時成績則僅由考勤和作業(yè)組成，學生的學習目的和重點容易變成“通過期末考試”。因此，“電磁學”課程在小班授課時對學生的考核方式做了一定的改變，如圖2所示，考核主要分為過程性考核（占50%）和終極考核（占50%），重視學生的學習過程。過程性考核將平時成績分為課堂整體表現(xiàn)、翻轉課堂、課外探索以及小組作業(yè)四個部分。課堂整體表現(xiàn)由學生平時的課堂活躍程度和單元測評兩部分構成，占比10%。其中課外探索部分先由教師給出前沿課題，學生分組查閱相關資料，歸納分析后匯報調查結果，這樣可以進一步提升學生的團隊協(xié)作能力。同時，在教學過程中設置一些趣味實驗，有虛擬仿真實驗也有線下操作實驗，虛實結合便于學生理解和掌握電磁學中涉及的一些抽象概念，提高學生的動手能力。期末考試在題型和內容上做了改變，使得題型更加豐富多樣，除了考查學生對電磁學基礎知識的理解記憶，還涉及生活應用以及考研真題，提升學生應用轉化能力以及高階思維能力。圖2“電磁學”課程考核機制示意通過小班互動授課模式，學生的主觀能動性得到提升。課程后續(xù)跟蹤數(shù)據(jù)顯示，學生能在活躍的課堂氣氛中獲得濃厚的學習興趣。首先，學生對課程的認可度等有所提高，學習態(tài)度更加積極，能促進知識目標的達成。其次，學生通過學習“電磁學”課程，通過專題研究、虛實結合實驗等環(huán)節(jié)啟發(fā)了思維，培養(yǎng)了解決問題的科學方法，激發(fā)了學術創(chuàng)新意識，增強了小組分工合作意識，有助于實現(xiàn)能力目標的要求。此外，學生求真務實的態(tài)度和自豪感受到激發(fā)，勇于承擔當代大學生的責任和使命，強化了情感目標?！半姶艑W”作為理科尤其是物理學專業(yè)的必修課程，也是工科（如電工學、數(shù)字電路）與醫(yī)科（如磁共振）不可缺少的基礎，因此對“電磁學”課程進行教學改革和探索具有重要的意義。本文在傳