基于SPOC的大学物理混合式教学设计

关于教学模式的探讨很多，实在的内容少，本书是弥补这方面的不足，是SPOC教学模式使用的*手教学材料。 

本书是大学物理SPOC混合式学习模式在清华大学探索和实践的经验呈现，尽可能详尽展现其中的各个细节，以帮助愿意尝试混合式学习模式的教师和学生尽快适应这种新的学习方式。特别是提供了翻转课堂讨论题目，可为翻转课堂学习模式提供借鉴。作为高等院校非物理类专业本科大学物理翻转课堂教材使用，还可以供其他有关专业选用和社会读者学习使用。
本书是大学物理SPOC混合式学习模式在清华大学探索和实践的经验呈现，尽可能详尽展现其中的各个细节，以帮助愿意尝试混合式学习模式的教师和学生尽快适应这种新的学习方式。特别是提供了翻转课堂讨论题目，可为翻转课堂学习模式提供借鉴。除此还提供了与传统教学方式的比对数据，希望能帮助人们消除对混合式学习模式的疑虑。
本书可配合网络上的大学物理MOOC视频，作为高等院校非物理类专业本科大学物理翻转课堂教材使用，还可以供其他有关专业选用和社会读者学习使用。
本书是大学物理SPOC混合式学习模式在清华大学探索和实践的经验呈现，尽可能详尽展现其中的各个细节，以帮助愿意尝试混合式学习模式的教师和学生尽快适应这种新的学习方式。特别是提供了翻转课堂讨论题目，可为翻转课堂学习模式提供借鉴。除此还提供了与传统教学方式的比对数据，希望能帮助人们消除对混合式学习模式的疑虑。
本书可配合网络上的大学物理MOOC视频，作为高等院校非物理类专业本科大学物理翻转课堂教材使用，还可以供其他有关专业选用和社会读者学习使用。
本书是大学物理SPOC混合式学习模式在清华大学探索和实践的经验呈现，尽可能详尽展现其中的各个细节，以帮助愿意尝试混合式学习模式的教师和学生尽快适应这种新的学习方式。特别是提供了翻转课堂讨论题目，可为翻转课堂学习模式提供借鉴。除此还提供了与传统教学方式的比对数据，希望能帮助人们消除对混合式学习模式的疑虑。
本书可配合网络上的大学物理MOOC视频，作为高等院校非物理类专业本科大学物理翻转课堂教材使用，还可以供其他有关专业选用和社会读者学习使用。

王祖源，同济大学教授，2013-2017教育部高等学校大学物理课程教学指导委员会秘书长，长期从事大学物理教学与混合式教学实践，主编多套大学物理教程与教学指导书，完成教学研究论文数十篇。

目录
第1篇基于SPOC的混合式教学设计

第1章翻转课堂简介

1.1“慕课”“微课程”“翻转课堂”的特征

1.2翻转课堂用于课程教学的争议

第2章混合式教学的基本特征

2.1什么是混合式教学

2.2混合式教学的基本特征

第3章混合式教学设计的基本要求

3.1三种教学类型的教学定位

3.1.1以知识传授为主的教学

3.1.2以能力培养为主的教学

3.1.3以素养提高为主的教学

3.2三个教学环节的教学要素

3.2.1在线教学环节

3.2.2课堂讨论环节

3.2.3线下实践环节

第4章大学物理混合式教学示例

4.1大学物理混合式教学课堂讨论

4.1.1给学生从应试教育到素质教育过渡的适应时间

4.1.2讨论题目应注意激发学生的学习兴趣

4.1.3通过讨论题目逐渐引导学生重视实践学习

4.1.4讨论题目要关注学生对模型抽象的能力和学习方法的训练

4.1.5讨论题目应结合授课内容的重点与难点,循序渐进,从易到难

4.1.6从正问题到逆问题，引导学生进行研究性学习

4.1.7根据学生反馈情况调整教学策略，注重对学生的正确引导

4.2大学物理混合式教学在线教学

4.2.1在线课程教学资源制作

4.2.2在线课程日常管理

4.3混合式教学效果分析

4.3.1混合式教学对学生学习态度的影响

4.3.2混合式教学对学生交流沟通能力的影响

4.3.3影响混合式教学效果的因素

第5章教育技术在混合式教学中的应用

5.1试题分析系统在混合式教学中的应用

5.2教学应答系统在混合式教学中的应用

5.3互动电子书在混合式教学中的应用

第2篇大学物理混合式教学实践

第1章质点运动学

第2章质点动力学

2.1牛顿运动定律

2.2动量守恒定律

2.3机械能守恒定律

第3章刚体弹性体流体

3.1刚体的定轴转动

3.2与刚体有关的守恒定律

3.3纯滚动与进动

3.4弹性体与流体

第4章狭义相对论

4.1狭义相对论运动学

4.2狭义相对论动力学

第5章机械振动与机械波

5.1简谐振动

5.2受迫振动

5.3简谐波

5.4机械波的干涉衍射

5.5声波多普勒效应

第6章热学

6.1气体的压强温度内能

6.2速率分布输运过程

6.3热力学第一定律

6.4循环过程热力学第二定律

第7章电磁学

7.1真空中的静电场

7.2静电场中的导体与电介质

7.3恒定磁场

7.4磁力作用

7.5磁介质

7.6电磁感应： 磁生电规律

7.7电磁感应： 电生磁规律电磁波

第8章光学

8.1几何光学简介

8.2光波干涉

8.3光波衍射： 单缝到多缝

8.4光的量子性

第9章量子物理

9.1粒子的波粒二象性

9.2氢原子

9.3自旋费米子与玻色子

第10章固体物理简介

附录

附录一物理学习态度调查

附录二内外向性格类型测定

附录三第2篇课前测试题答案

参考文献

致谢

前言

学习是一个逐步前进的过程。学习革命也是这样。只有经过一步一步的摸索，我们才能懂得应该做什么，应该怎样去做。
——宋庆龄
我们之所以要写本书，主要基于以下三个方面的原因：
其一，同济大学教育技术学专业硕士点师生在不断跟踪、调研现代教育技术应用前沿的过程中深切地感受到，教育信息化是促进高等教育改革创新和提高教学质量的一条有效途径，正如《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》所指出的： “信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视。”［1］为深入贯彻落实党的十九大精神，积极推进“互联网 教育”发展，加快教育现代化和教育强国建设， 2018年4月13日教育部又颁布了《教育信息化2.0行动计划》［2］,指出“教育信息化2.0行动计划是在历史成就基础上实现新跨越的内在需求”，“是顺应智能环境下教育发展的必然选择”，“是充分激发信息技术革命性影响的关键举措”。教育信息化的发展要以教育理念创新为先导，以优质教育资源和信息化学习环境建设为基础，以学习方式和教学模式创新为核心。2013年初夏，我们在学校本科生院（原教务处）设立的学校层面教学改革研究项目“教育技术前沿中MOOC（Massive Open Online Course）模式研究与实践”课题支持下，正式拉开了基于SPOC（Small Private Online Course）的混合式教学模式设计与大学物理MOOC课程建设的序幕； 同年9月，在我校大学物理(下)课程的一个班级中开始了第一批教学试点。那时，我们还没来得及拍摄课程教学微视频，在线视频部分使用的是我校在爱课程网（http://www.icourses.cn）上运行的“大学物理精品资源共享课”视频。“爱课程”推出的“精品资源共享课”视频是真实课堂教学的随堂录制，这种视频模式对于非在校的社会学习者是比较合适的。但我们这次试点并没有对社会开放，只面向在校学生； 在线课堂按课堂教学进度配置与大学物理教学内容对应的随堂测试、周作业和周测试，很受那些进入大学后就想“放松一下”进而经常不愿意进课堂听课的学生的欢迎。另一方面，采用了线上线下结合的教学方式也让我们思考： 学生已经可以在线学习传统课堂上的教学内容，那当他们走进教室后，教师再给他们讲什么呢？“翻转课堂”由此应运而生。更深入一点，需要重新规划教学方案，重新录制线上教学视频。与此同时，我们针对MOOC、SPOC、微课程等特征，不断与试点班级的学生交流教与学的体会，并开始基于SPOC的混合式教学设计与实践，至2019年6月，我们已开展了6年（12个学期）的基于SPOC的混合式教学模式教学试点。在这几年的教学改革中，我们努力将教育技术基本原理应用于教学实践，希望从教学理念、方法、手段等方面真正理解教育教学改革的本质，并让实证化研究融入教育教学改革，使教学质量上一个台阶。回顾“基于SPOC的大学物理混合式教学设计”研究与实践历程，虽然还谈不上这项教学模式的改革已经足够成熟，但经过不断修改、完善线上线下教学资源，改进师生互动的方式方法，现已形成了比较稳定的“基于SPOC的混合式大学物理教学模式”。如同宋庆龄先生所言： “我们每迈进一步，是为了我们自己，也是为了他人。因此我们有力量，因此我们一定获得胜利。”真心希望本书所列举的教学案例或开放性的讨论题目，能有点滴片段可以对我国开展MOOC本土化的教师有参考和借鉴作用。
其二，我们从在高等教育课程中实施大规模在线开放课程(MOOC)的可行性研究开始，结合同济大学大学物理课程每个学期教学实践的数据分析，先后又在学校的教改课题中立项开展了“大学物理‘微课程’建设的研究与实践”、“《大学物理》SPOC实践与资源建设”、上海高校本科重点教学改革项目“‘互联网 ’背景下的大学物理课程建设与实践”课题以及上海市哲学社会科学规划教育学重点项目“技术支持学习环境下对学习者学习成效影响研究”等课题研究，实施教学实践的教师逐渐增加。参与这些课题研究工作的教师和研究生先后在《中国大学教学》《物理与工程》《现代教育技术》《大学物理》等期刊上发表了十多篇相关的研究论文，我们希望对这些工作进行必要的归纳总结，提炼出我们开展大学物理混合式教学实践中的体会，以及继续开展基于SPOC的大学物理混合式教学的建议，期待与已经开展相关研究工作的同行交流切磋，互勉进步； 向有志于开展MOOC本土化的教师抛砖引玉，携手前行。

其三，笔者曾在几个全国性教育教学相关会议和国际物理教育研讨会上介绍开设基于SPOC的大学物理混合式教学的实践和体会。其间，有老师问及能否分享我们的讨论题目。坦诚地说，不是我们不愿意分享，而是没有足够的把握认为这些是合适的讨论题目。例如，在一次研讨会上介绍“基于WiFi的课堂互动系统”中用过的一道关于狭义相对论视觉效应的讨论题目，如下页图所示。或许由于不是在课堂教学过程中的场景，会下就有老师提出“这个题目不属于狭义相对论的题目”。实际上，我们是在讲授了狭义相对论时空观后随堂使用的题目，意图是要强调“长度收缩是发生在有相对运动的方向上的测量效果”，以及其“不是‘看’到的图像”等问题； 实践效果表明学生对这个知识点的掌握优于传统的教学方式，同时还提高了讲授“视觉效应”的效率。我们认为，给学生讨论什么样的题目见仁见智，重要的是对不同的授课对象因材施教，依据他们对已有知识的理解程度，讨论的题目应该有所不同。即使是同一所学校，不同专业的学生对知识学习的重点也有所差异，教师教学中对学生的要求也会不同。因此，我们想通过多轮教学实践，并借助于对学生学习数据的处理分析结果和对相关教育理论的学习理解，优化讨论题目，以利于与正在开展相关教学模式的老师交流分享。

基于WiFi的课堂互动系统应用实例

历经三年构思与探讨，终于完成了本书的编写。本书的定位是将基于SPOC的大学物理混合式教学模式在同济大学实践的过程呈现,书中关于教学内容的每一节，一般都设置了教学目标、重点难点、知识框架、线上教学资源、课前测试题、课堂讨论题、课后实践等七个栏目。本书使用的讨论题目，按照难易程度的差别，用“*”~“*****”由易至难进行标注，部分题目还给出了使用说明，供读者选用。所有讨论题目尽可能是开放性的，不设置标准答案,让使用者根据讨论情况适时调节。希望尽可能详尽地展现教学中的各个细节,对基于SPOC的混合式教学方式的改进和发展有所贡献。

编著者
2019年初春于上海同济大学

第1章翻转课堂简介
随着信息技术的飞速发展，传统高校课堂教学模式面临着“大规模开放式在线课程”“移动学习”“翻转课堂”等的挑战。于是，“现在有些人认为，由于电子学习、移动学习和其他数字技术提供了大量的学习机会，学校教育模式在数字时代是没有前途的”［3］。实际上这种观点对“慕课”和“翻转课堂”教育教学改革的认识存在误区，我们认为有必要从近几年混合式教学践行者的角度，剖析“慕课”“微课程”“翻转课堂”等当今教育界广泛关注的热点词语的特征，探讨“互联网 教育”时代信息技术与教育教学深度融合的可能方式，使在校学生尽快适应新的教与学模式。
1.1“慕课”“微课程”“翻转课堂”的特征
慕课，即大规模开放式在线课程(Massive Open Online Course，MOOC)，是20世纪末西方开创孕育、2012年开始在全世界教育界涌现出的一个浪潮，其实质是一种教学模式，是以支持大规模和开放性为特征的网络课程，今天大多习惯地称之为大规模开放的在线课程，简称“慕课”。但这种大规模开放的在线课程与传统的远程教育(注： 指我国20世纪50年代通过广播大学开展非课堂形式的教育)有着明显的区别，尽管过去的远程教育可以提供高质量的教育，但难以做到“大规模”； 过去远程教育的高收费，无“开放”可言。从远程教育的发展来看，“远程教育价值日益凸显，实践发展方兴未艾。远程教育同传统面授教育相比，具有相同甚至更好的成效预期。成人教育中的学习者青睐远程教育，传统学校教育中的本科生和研究生偏向面授教学。［6］”如今，教育界普遍认为慕课属于在线学习，MOOC的兴起源于远程教育界早期对开放式教育的研究(Open Education Research,OER)［7］。早期的开放式教育主要指开放学习资源、开放课程软件、开放大学的开放学习等。然而，在线学习基于建构主义的学习理论，注重学习的多重交互特性； 同以往注重内容传递和独立学习的传统远程教育相比，已经形成了一个不同的理论和实践领域。现在所说的慕课是任课教师全程参与课程教学，包含课程的设置、实施、课程进行中的师生互动等，被看作是教育传播服务的变革。李晓明教授将慕课定义为一个教学过程，即“主讲教师负责的，通过互联网开放支持大规模人群参与的，以讲课短视频、作业练习、论坛活动、通告邮件、测验考试等要素交织，有一定时长的教学过程”。［8］与传统课堂相比，在线学习的优势明显，有发展潜力，如增加教学灵活性、缓解教室拥挤、提高入学率、降低教学成本以及增长办学利润等。

微课程(MicroLecture)，常简称为“微课”，指的是以一个内容简短、主题明确的微视频来集中说明一个问题或核心内容的小课程，最终形成在线学习(借助于计算机网络学习)或移动学习(通过移动设备随时随地学习)的实际教学内容，因而被看成是在线课程所需的教学资源，包含课堂教学中的教学设计、教学方法和素材课件等。微课程的主要特点是时间短，内容少，容量小，主题突出，多样传播，针对性强，并且制作简单。目前，微课程不仅是师生学习交流的教育资源，也构成了学校教育教学改革的特色［9］。微课程是信息化时代的产物，是一种革新式的教学理念和教育技术，具有教学目标明确，教学内容简化，资源使用方便和制作成本低廉等特征。微课程的制作环节包括选题、教学设计、录制微视频、视频后期处理和资源发布等5个步骤，其中教学设计环节是微课程建设最重要的环节。

翻转课堂(flipped classroom或inverted classroom)作为一种教学手段，增加了学生与教师之间的互动性和个性化的接触时间，转换了教师与学生在教学活动中的角色，颠覆了传统课堂与课下的教学流程，是促进学生个性化学习的创新教学模式。翻转课堂的教学过程是把传统课堂教学模式颠倒过来，由传统的“课堂老师讲课，课后学生作业”变为“课前课后学生自主学习知识，课堂上与老师或同学互动，学习运用知识”。把知识的学习与信息的获取放在课下，让学生借助在线视频或互联网进行自主学习； 课上的宝贵时间则用于师生交流、答疑解惑、探究学习、学习成果分享等。这种教学模式把学习的主动权交还给学生，学生在课下可以利用多种教学资源、慕课和微课等网络资源进行自主学习、查阅资料而获取知识，教师在课上通过组织探究、研讨和答疑等教学形式，实现交流互动，帮助学生进行知识内化，强化学生对所学知识的深刻理解，从而培养学生自主学习的能力，体现个性化学习特点。这种模式下的学习过程中，需要学生投入更多的注意力和努力，从而对于学习内容会有更加深刻和全面的理解，因此，能产生更好的学习效果。
从上面的介绍可以看到，幕课、微课程、翻转课堂各自的特征显著，因而适应对象会有所不同，现将其差异对比分析于表1.1［10］。

表1.1慕课、微课程、翻转课堂差异对比

比较项目
慕课(MOOC)
微课程
翻 转 课 堂
典型特征
大规模、开放性、互动性
微内容、开放性、针对性
综合性、针对性、互动性
核心内容
完整的课堂教学可视化、网络化、再现化
课程教学的知识点碎片化、网络化、再现化
课程教学内容教材化、信息化、互动化
表现方式
课程内容学习非线性支持，视频采用PPT式、讲课式、情景剧式
课程内容学习线性支持，课程安排循序渐进式讨论

适应对象
网络学习者
校园/网络学习者
校园学习者
教师作用
全程参与线上课程教学，参与线上师生互动
提供线上学习资源
参与课堂师生互动，理解学生的问题，引导学生应用知识
支持理论
联通主义理论

通过某个主题或共同的话题将世界各地的授课者和学习者联系起来
认知主义理论

课程教学内容以知识点为单元构成在线学习者或移动学习者的学习资源
构建主义理论

学习者按自己的节奏学习课程，通过测试、讨论验证自己的学习效果