基于雨课堂和微课的翻转教学初探

［摘 要］ “地震波动力学”是地球物理学专业的学科基础必修课程，主要讲述张量分析、应力应变、地震波方程的求解、平面简谐波在分界面处反射和折射、瑞雷面波及勒夫波等内容。在信息化背景下，“地震波动力学”课程面临若干问题，针对如何提高学生的学习兴趣、激发学生的学习主观能动性、提升教学效果等问题，选择雨课堂作为媒介，对“地震波动力学”课程的翻转教学进行了初步的探索，取得了较好的效果，希望能为基于雨课堂的翻转教学提供一些借鉴。

［关键词］ 地球物理勘探；雨课堂；混合翻转教学

［基金项目］ 2018年度中国矿业大学教学研究项目“雨课堂模式下‘地震波动力学’互动启发式教学改革研究”（2018QN08）；2020年度教育部第二批新工科研究与实践项目“行业特色高校新工科人才培养实践创新平台建设探索与实践”（E-XTYR20200624）；2021年度中国矿业大学教学改革研究项目“‘地震波动力学’教学方法改革研究与应用”（2021YB27）

［作者简介］ 杨 磊（1983—），男，江苏徐州人，博士，中国矿业大学资源与地球科学学院讲师（通信作者），主要从事地球物理学教学研究。

［中图分类号］ G642.4 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）20-0030-04 ［收稿日期］ 2022-06-01

高等教育的培养对象是即将步入社会参与竞争的大学生，因而不仅要向学生传授专业知识，而且要教会学生获取知识的途径与方法。随着通识教育的推广和普及，专业课程的课时量逐渐减少，而专业课程内容不变，造成了教师“以教为主”的教学方法，难以完成教学任务和教学目标，进而促使教学方法和手段发生根本性的变化，因此，教师要提纲挈领地教、学生要深入系统地学，将教师详细的推导转变为学生的自主学习，以培养出适应知识爆炸时代的高素质人才。尤其在“互联网+”背景下［1］，各种网络资源日益丰富、层出不穷、推陈出新，比如百度知道、百度文库，以及近年来出现的知乎、github等，所以高等教育工作者除了要授人以鱼以外，更重要的是要授之以渔，教会学生获取并学习相关知识的方法。同时在“互联网+”教育背景下，各种教学手段和教育理念层出不穷，比如慕课、微课、翻转课堂等，引领了教育新形态，也为高等教育工作者提供了多样化的教学模式选择。“地震波动力学”课程公式复杂，概念烦琐，原理晦涩，潜力巨大，实践性很强，且难以直观理解，因此，如何合理选择和利用现代化教学手段，提高教学效果，是课程授课者面临的重要挑战。

一、“地震波动力学”教学现状分析

“地震波动力学”课程是地球物理学专业的学科基础，是必修课程，主要讲述张量分析初步，包含指标记号、坐标变换和张量分析；应力应变，包含弹性体变形、应变张量、转动张量、应力分析和应力应变之间的关系等；地震波方程的求解，包含地震波动力学基本方程、无旋波和无散波、波动方程退化处理及波动方程一般解等；平面简谐波在分界面处反射和折射（自由边界条件反射透射，以及弹性分界面处的反射、折射和面波）规律等。通过对该课程的学习，学生能够了解和基本掌握地震波激发、传播和接收的基本原理；掌握基本类型地震波在多种不同介质中传播的基本规律和方程式、张量、应力、应变的概念、运算及其相互间的关系，以及地震波传播时不同介质对地震波的影响；了解点源、线源及面源的基本概念；初步掌握各种震源条件下地震波在各种地壳介质中传播的基本规律；了解地震波的数值计算方法，培养学生分析地震波问题的能力，为后续学习相关课程打下坚实的基础。

但是，“地震波动力学”教学工作的开展面临着一定程度的挑战。受我国传统教育的影响，大部分学生在课堂上与教师交流互动的意愿较低，智能手机的普及及便捷的互联网的接入，更是将生动丰富的网络资源带入课堂，也使教师进入与手机争夺学生注意力的时代，学生在课堂上的专注度受到了极大的干扰。对于“地震波动力学”课程而言，当讲解内容难度较大时，部分缺乏自制力的学生容易自我放弃，成为课堂上的“低头族”。在夺走学生注意力的同时，信息技术使知识获取变得非常便捷，传统课堂已不再是学生获取知识的唯一途径，教师在课堂上的主导性、权威性也受到前所未有的挑战。

具体来说，“地震波动力学”课程数学公式复杂、物理概念繁多且与实践性强的地质学相结合，既容易造成学生的厌学情绪，也能激发学生的挑战性，所以学生主要分为两大类：一是厌学的，主要是因为前期数学底子差、物理基础薄，这类学生课上不专心听讲，无所事事，课下也从不与同学、老师沟通；二是想挑战的，渴望通过学习这门课程取得优异成绩获得同学认同，课上听讲比较认真。中华传统文化教育我们要谦虚谨慎，这点固然好，但是也容易让学生难以主动公开表达自己的观点，一是因为怕出错而受到同学的嘲讽，二是怕出风头而影响同学之间的人际关系。第一种情况的主体为基础较差而想提出自己的疑惑、不解和质疑的学生，这类学生害怕受到同学的嘲讽；第二种情况的主体为基础较好且愿意分享自己的学习心得、体会和见解的学生，这类学生害怕被同学打上“张扬、好为人师”的标签。但是这并不代表学生不想表达自己的观点，比如在课堂教学过程中，有的学生也会在小范围讨论所讲授的内容，课间和课后也能主动和老师交流、讨论所学内容，提出自己的质疑并和老师展开讨论；所以学生缺乏的是课堂上公开的互动，或者说公开互动的意愿较低。

芯片技术的高速发展，促使了网络技术、智能手机等进入课堂，分散了学生的注意力。科技是一把双刃剑，移动设备和无线网络使当代课堂充满了各种可能性。在技术引领下，学习正在发生变革，随时、随地、随意可进行的线上自主学习有望激活学生的学习热情，使学习更具有自主性和选择权。各种即时互动软件可以让教、学互动更便捷、更有效。

二、微课的使用和雨课堂的选择

“互联网+”技术的发展，为教育工作者提供了丰富多样的教学手段，比如CAI网络教室、雨课堂、线上慕课、翻转课堂、微课等［1-4］。针对“地震波动力学”课程复杂性、烦琐性的特点，笔者选择雨课堂与微课相结合的混合式翻转模式开展教学探索。一方面，大部分学生课堂专注度有限，知识吸收率低，而微课模式则可以按照知识点将课堂时间进行切割［4］，这种碎片化的学习模式更符合大脑的工作原理和认知方式；另一方面，雨课堂可以实现手机实时答题、弹幕互动等功能，易获得更轻松的交流氛围。

在网络资源呈爆炸式增长的背景下，如果学生难以从课堂上获得娱乐体验，便很容易低头在网络中寻找。原有的“地震波动力学”课程教学以PPT贯穿整个教学过程，课件的目的性不明确，在关键知识点上难以吸引学生的注意和共鸣。而将微课引入课堂，对课堂知识进行解构重组，则可以将传统课堂进行有效分解，在关键环节以视频的形式，将知识以更新颖、更有趣的方式呈现给教学对象，以弥补传统课堂的不足，使课堂环节更精彩，为课堂教学锦上添花。

当然微课并不是简单地将课堂讲授变为在线授课视频的播放，微课的内容要精准直击学生的需要和兴趣，呈现形式要生动，充分发挥视频、音频及动画效果，将语言描述抽象、实验又难以演示的内容具体化、形象化。如各种勘探方法所利用的物理原理及其对应的场源扩散过程等传统的“地震波动力学”课堂所无法呈现的内容，可以采用数值模拟计算结合录屏剪辑等技术，制作图片、在线视频、动画等形式的课前资料，使学生做到听课有备而来。同时，微课的教案要恰当地设置悬念，要善于利用生活实例做类比；语言表达要诙谐幽默，要善于利用网络流行语言，营造情境化的交互式学习环境。科学制作的微课可以在课前预习、课堂导入、重点及难点解析等环节发挥重要的作用，能够将课堂讲解与课下学习的过程翻转，使学生掌握学习自主权，提升学习效率，延长有效学习时间。

通过雨课堂教学，学生可以利用手机实时答题情况及弹幕互动，而教师也能通过学生的答题情况及弹幕了解学生的掌握情况，从而教学双方实现良性的交流互动，促使以教师为中心向以学生为中心的教学模式翻转；通过师生交流、讨论等互动活动，有助于使教师及时发现问题并予以纠正，缩小学生与学生之间以及学生与教师之间的认知差异，激发学生的内在潜力，调动学生的主观能动性，活跃课堂气氛，引导学生开展创造性学习。

同时，雨课堂将复杂的信息技术手段直接融入PPT和微信，使学生可以直接通过手机使用，而麦可思调查显示，65%的大学生希望将手机应用于课堂教学，因此，选择雨课堂可以使教师和学生不需要专门学习即可快速上手使用。

三、利用雨课堂整合学习资源，激发学生的兴趣，提高学生的学习参与度

雨课堂可以重新构建学习流程，使学生用手机实时答题、弹幕互动，获得更轻松的交流氛围，教师在课堂上随讲、随练、随测，开展及时互动与沟通，促使以教师为中心的传统教学模式向以学生为中心的智慧教学模式翻转。全新的教学模式有利于缩小学生间的认知差异，激发学生学习的内驱力，调动学生学习的主动性，将课堂变为思维碰撞的交流场所，进一步启发、引导学生进行创造性学习。“雨课堂+微课”的教学模式在整个教学过程中会对学生的所有学习行为自动记录，这些数据为翻转课堂的考核提供了量化依据和支撑，将教学过程评价由“以考试为主”变成“基于数据的过程化评价”，使考核趋于科学、合理，可以有效提升学生对翻转课堂的参与度。

雨课堂的使用能够使教师及时发现学生存在的问题，缩小师生间的认知差异。中国矿业大学“地震波动力学”课程所使用的教材是以胡德绥老先生的《弹性波动力学》为基础编写的讲义。在讲授数学背景部分时介绍爱因斯坦求和约定，即同一项中重复出现一次（总共出现两次）的指标称为哑指标，其仅表示求和，与用什么字母表示无关；不重复出现的成为自由指标，其表示方程个数，不同项中的自由指标必须一致。教师本以为对于“项”这个概念不必要过多的阐述，毕竟学生初中就接触过多项式。但是在实际的教学过程中，学生反而因为对“项”的认知模糊而不能准确判断自由指标和哑指标。比如有的学生把整个表达式作为一个项，进而认为整个表达式中都是哑指标，没有自由指标；有的学生认为只要是连在一起的就是一项，造成点乘和叉乘的混乱。通过雨课堂的实时答题功能，教师可以当堂发现问题予以纠正，而在不使用雨课堂的情况下，教师只能通过课后作业的完成情况才能发现这样的问题，教学效果没有当堂发现、当堂解决的效果好。

雨课堂的弹幕功能可以有效组织学生对某个知识点进行讨论［2］，在讨论中加深学生对知识点的认识，激发学生的主观能动性。教师在讲授小变形情况下应变张量对角分量之和（e11+e22+e33）的几何意义时，通常以正方体的径向拉伸变形为蓝本进行讲解，毕竟弹性体的位移分为平移、旋转和变形三个部分，而平移和旋转并不造成体积的变化。使用雨课堂之前，没有学生对此公开提出过质疑；但是使用雨课堂之后，有学生以弹幕的形式提出“这种情形比较特殊，有没有更一般的推导，毕竟特殊情况代表不了一般情况”。针对这一问题，教师提出了求解思路，即变形前后平行四面体的体积可分别由三个共点向量的混合积表示，变形前后各向量分量可以由位移向量的泰勒展开表示，小变形情况下可以略去高阶导数项，从而证明这个结论。课堂上学生各自发挥特长，擅长数学分析的学生提出求解步骤，运算能力强的学生推导公式，思维敏捷的学生负责发现问题，大家共同努力完成整个证明，而教师只负责最后的总结，充分发挥学生的主观能动性。

雨课堂的发布功能可以充分利用教师和学生的碎片化时间，调动学生参与课程学习研讨的积极性，提高学习效率。在传统的教学模式下，教师的讲授和学生的学习均在特定的时间和特定的地点中完成，具有时间空间局限性；课上学生的注意力难以一直集中，课后学生需要复习巩固，学习时间呈现碎片化特点；课上教师常常依据往届学生的接受情况进行授课，针对性不强，课后教师还需要对讲解不足、学生理解不深入的地方和学生及时沟通。互联网技术的发展使学生几乎离不开手机。利用此特点，在学生闲暇时间，通过雨课堂发布讨论话题、推送作业、上传课件及阅读材料，以加深学生对课程的认识。比如，笔者通常在学生的午饭、晚饭及睡觉前发布瑞雷波的发现背景、勒夫波的发现及数学推导所遇到的难题等，使学生了解问题的来龙去脉，发现地震波动力学不再是冰冷的数学公式、烦琐的物理概念和深奥的物理原理等，也是富有故事和传奇色彩的学科，进而激发学生的求知欲。

雨课堂的自动记录功能有助于督促学生学习。优质的微课视频可以激发学生观看的欲望和学习的兴趣，实现学习过程的部分翻转，但是单独使用微课，学生的学习情况无法及时反馈给教师，而与雨课堂相结合，教师则能够将线上资源更好地整合到教学活动中，课前、课后都可以将微课等富媒体教学资源推送给教学对象并进行检测，为课堂的教学组织和内容的讲解提供参考依据，帮助教师及时调整教学策略。如前所述，“地震波动力学”数学推导复杂，物理概念烦琐，原理深奥，所以，中国矿业大学“地震波动力学”课程的考核加大了平时成绩的比重。在整个教学过程中，雨课堂会自动记录学生的学习行为等数据，为翻转课堂的考核提供量化依据，由“以考为主”变成了“基于数据的过程化评价”，使考核趋于科学、合理，有效提升学生对翻转课堂的参与度。