混合模式与全网络模式在“计算物理基础”中的运用

［摘 要］ 伴随着现代计算机技术的快速发展，我国物理学在开展研究工作的过程中，需要借助大量的数值计算工作，才有利于解决实际物理问题。为了进一步提高该领域以及相关行业应用人才的综合素养，在“计算物理基础”课程教学过程当中，应当结合课程的基本特征和要求，积极采用线上线下相结合的混合式课程，同时也可以采用全网络模式，为学生打造良好的学习环境和平台，营造浓厚的学习氛围。主要围绕这两种模式，针对“计算物理基础”课程当中的具体应用策略进行深入的分析和研究。

［关键词］ 混合教学模式；全网络模式；计算物理基础

［基金项目］ 2017年1月—2020年12月国家自然科学基金委员会“层状高效热电材料的能带与热导率双调控研究”（51661030）；2023年1月—2026年12月国家自然科学基金委员会“碲烯电催化还原二氧化碳的理论研究”（12264042）

［作者简介］ 杨觉明（1973—），男，河南沈丘人，博士，石河子大学理学院副教授，主要从事凝聚态物理研究；张岩文（1979—），男，甘肃永昌人，石河子大学理学院副教授（通信作者），新疆大学物理与科学技术学院2006级光学专业博士研究生，研究方向为计算材料；张建军（1970—），男，陕西靖边人，硕士，石河子大学理学院教授，主要从事理论物理研究。

［中图分类号］ G434；O4-4 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）29-0129-04 ［收稿日期］ 2023-01-18

进入信息时代，计算机技术获得了突飞猛进的发展，同时也推动我国所采用的计算方式和方法得到了进一步的完善，在这样的情况下，计算物理学在物理学科当中所扮演的角色更加重要。在开展“计算物理基础”课程教学工作的过程当中，首先要让学生了解当前计算物理在该领域当中所取得的研究成果，进一步明确计算物理在学习物理知识过程当中的重要性，充分掌握计算物理的相关内容分析和物理问题处理。为了进一步提高课堂教学质量，教师可以灵活采用混合模式和全网络模式，为学生提供丰富的课程资源和内容的同时。也有利于减轻教师本身的教学工作量，进一步激发学生的思维潜能。

一、“计算物理基础”课程概述

（一）主要概念

近几十年来，我国计算机技术以及相关理论获得了突飞猛进的发展，在此情况下物理学的教学工作和科研领域也在大力应用计算技术推进相关工作。通过引入计算机技术，有利于提高工作效率和质量，同时也能够丰富人们的研究方法和手段。“计算物理基础”作为应用物理学专业的基础理论课程之一，对于解决实际的物理问题具有十分重要的作用，通常可以利用计算机的数值演算功能，进行一些复杂计算任务，预测相关变化趋势和现象。同时也可以借助计算机的实验模拟功能，帮助相关研究人员对实验的结果进行预测和判断［1］。通过这种方式和手段能够更好地指导实验的进行和开展，相比较于传统的人工操作的模式，更有利于节省人力和物力资源。借助第一性原理的数值模拟功能，有利于相关研究人员广泛获取复杂系统在内的许多信息资源，对此在开展这门课程之前，要带领学生充分了解计算物理在该领域当中的重要性。“计算物理基础”目前在许多高校都被作为物理学和应用物理专业的基础理论课程和必修课程，但根据现阶段教学开展情况来看，综合应用程度不高。关键在于部分高校并没有对这门课程予以高度的重视，甚至一些学校还没有开设这门课程，由此可能导致所采用的教材内容难以统一，教学资源没有得到及时更新。

（二）教学资料

“计算物理基础”课程目前在国内还没有形成统一的讲授方式，国家出台的《高等学校应用物理学本科指导性专业规范》对于这门课程也仅仅列出了一些基本的知识和内容，不同高校所采取的教材和资料之间存在一定的差异，为了突出课程的重点和难点知识，难以将所有授课内容集聚到教学工作当中。对此，许多高校的任课教师都会对教材内容做部分取舍处理，从计算物理应用性的角度来看，如果仅仅将其作为一门理论课程开展教学，难以帮助学生了解这门课程的本质内涵和现实意义，也会影响学生学习的目的性。对此应当避免采取纯理论的讲授方式。一些教师开始尝试借助某种编程语言或者具体的案例开展教学，常见的编程语言教材包括C语言、Maple等，但同时要注重引导学生将重心放在解决实际物理问题方面，而不是过度投入程序设计工作当中。从降低学习难度的角度出发，并不推荐采用C语言和Fortran。由于这门课程可能会涉及大量的数值计算任务，从实际应用的角度来看，也会选择擅长数值计算，并且能够进行符号运算的Matlab作为主要的编程语言。在开展实际教学工作的过程当中，所涉及的基本教学内容包含计算机资源与计算程序基础、基本数值计算方法、物理问题的数值计算与模拟以及数值计算概念性方案，所采用的教材内容当中也会提供一定数量的物理案例，但是由于部分学校对于教材资源更新不够重视，也会影响学生在今后应用过程当中出现理论和实践相脱节的问题。

二、基于超星学习通平台的混合教学模式

（一）超星学习通平台的主要特征

在推进高校教育工作改革的过程当中，国家和社会都十分重视借助互联网开展教学改革，并进行了一系列实践活动，在线上教学方面也取得了一定的成果，充分体现了现代教育技术所具有的优势。近些年来许多高校都在着重建设体现学校特色的教学平台，为学生提供大量的教学资源，借助微课和在线课堂以及其他平台，着重打造线上线下混合式教学模式，任课教师也在注重提高自身的业务素养和能力，能够灵活运用这种教学模式，进一步培养学生的逻辑思维能力以及自主学习的能力。在传统大学物理课堂当中普遍存在课时安排少的问题，在有限的课时内难以引导学生全面掌握计算物理的相关基础知识，并且部分教师将重心放在培养学生抽象思维能力方面，可能面临一定的困难和挑战。传统“灌输式”课堂所采取的教学形式单一，影响学生对学习的积极性和兴趣，所采取的教材内容和资源没有及时更新，影响学生对课程内容和应用的了解［2］。超星学习通本身具有强大的数据存储以及分析功能，基于超星学习通平台，采用这种混合式教学模式，可以充分利用互联网信息技术的优势，将课程内容以视频资源或课件的形式发布在平台当中，以便于学生自主下载和学习，同时也可以根据教师在平台当中发布的任务，自主查阅相关资料，并在讨论区发表想法和意见。

（二）加强对教学资源库的开发，引导学生课前自主预习

采用混合教学模式代替传统课堂具有诸多优势，一方面可以让学生根据自己现阶段的理解能力以及学习情况，自主控制学习进度，将自身的疑问在平台当中进行解决，在观看学习视频的过程当中也可以进行反复总结和思考。另一方面可以为学生提供充分的时间进行互动和交流。在课前自主学习阶段，教师可以通过超星学习通平台，将“计算物理基础”的主要教学内容，其中包含电子版的教材、本节课堂所要用的PPT课件，以及教师为学生所准备的一些视频资源和案例演示，都集中上传到学习资源库当中。教师在录制视频的过程当中也可以借鉴其他优秀课堂的经验，尽可能在视频当中将知识点进行细分，为学生讲述的更加详细，同时也要注重控制授课视频的时长。通过这种方式引导学生自主收看这些视频和教材内容，并在后台设置相应的节点任务，检查学生的参与情况和学习进度。为了避免学生出现拖延任务的问题和状况，教师也可以设置明确的截止时间，或者在学习群内进行提醒。学生可以将自身在课堂中所遇到的疑问在后台中进行提问，或者将自身所研究的案例和思考，以图片的形式传给教师。通过这种方式能够促进师生之间的交流，也可以汇总频率较高的问题进行统一的讲解。

（三）课堂讨论三个环节

在开展课前预习工作的过程当中，教师会鼓励学生将自己对课程内容的疑问，以图片的形式发给教师，以便于对课程内容进行有效的调整，但在这个环节当中，收集疑问的效果并不理想。学生在对计算物理基本知识和内容达到初步消化之后，能够跟上教师的教学节奏，并开展下一步讨论和思考工作。首先，教师可以针对学生所提出的一些问题，以小组为单位询问每名学生的看法和意见，并由教师做出统一的指导和解答。在这个环节当中，主要是为了回答学生在平台观看视频中所出现的疑问，但能够发现学生表达疑问的积极性并不高，一方面在于缺乏深入的思考，另一方面在于学生发现问题的能力和素质不强，而且并不习惯在课堂上公开提出疑问。在第二个问题讨论环节当中，教师为了充分考核学生对这些基本内容的掌握情况，可以将重点和难点知识，以更加形象的方式呈现出来引导学生进行深入的思考，以便于提高学生对这些知识的理解和掌握程度。对于一些复杂的问题，教师可以采取点名或者学生自愿回答的方式。在当堂测验的环节当中，教师可以向学生提供若干练习题目考查学生对于知识的运用状况，也能够锻炼学生运用计算物理的相关内容解决问题的能力。教师可以将这个环节当中学生的表现情况作为平时分数的组成部分，以此来提高学生对回答和完成任务的积极性。

（四）引导学生完成线上作业和上机练习

为了保持学生在课堂中的注意力，避免在采取线上教学模式的过程当中出现学生玩手机的现象，教师要根据实际情况，布置适当的课程作业，考查学生运用计算物理相关知识处理和解决实际问题的能力。教师要将具体的作业和任务发布在超星学习通平台上，并设置截止期限，根据学生之间存在的差异，灵活调整发布的时间。学生不仅可以在自己的电脑上完成作业并进行提交，也可以在统一的机房教室内进行提交。教师根据学生作业提交的情况推送相应的讲解视频，以便于学生进行参考。

（五）对学生的成绩和表现进行统一的评价

由于“计算物理基础”整体操作性较强，需要保证学生上机练习的时间，同时也要根据学生的表现情况进行统一的评价，尽可能避免采用书面考试的方式，而是应结合学生整个学习过程，并结合终结性评价的方式进行考核。通过采取这种考核模式，能够在学习通平台中自动获取相应的数据信息，减少教师的工作量，也能够真实地反映出学生的学习成果。通常需要考查学生课前自学收看视频所取得的分数、课堂测验环节当中规定时间内完成答题的情况、对教师所发布作业和任务的完成情况及最终所提交的课程论文和案例解析的情况。

三、基于全网络教学模式在课程中的应用

（一）全网络教学模式的主要特征

受到环境因素的影响，线上线下相结合的混合教学模式，需改为全网络教学模式，打破了传统的教学秩序，其中的一些教学环节也会发生一定的转变。在全网络教学模式当中，课前自学阶段依旧可以在线上平台当中进行，课堂讨论环节难以在线下开展，教师也可以在平台当中发布作业和任务，要求学生按时完成。在有条件的情况下，学生也可以上机练习，教师对学生成绩的评价和考核模式主要采取线上的形式。在采用全网络模式开展具体教学工作的过程当中，师生之间的讨论和互动需要借助网络直播的形式，网络直播的流畅度，对于网速及其他因素都提出了较高的要求，除了要具备语音通话和视频通话的功能，在确保流畅度的情况下，屏幕共享功能也要正常运行。

（二）全网络教学模式的具体实践

现阶段许多高校都会采用腾讯会议的方式进行网络直播教学，并根据学生在平台当中所提出的疑问，及时进行统一的答疑。在答疑过程当中，教师也可以引导学生借助语音通话和屏幕共享的方式，分享自己在练习和总结的过程当中所出现的问题，平台也会为学生开放自由聊天的功能。通过这种方式，学生可以自主在聊天室内借助文字输入的方式进行回答和提问，教师也可以根据平台当中所显示的信息进行点评和分析。在采用全网络模式教学的过程当中，教师无法做到面对面的指导教学，通常会采用共享屏幕的形式考查每名学生的练习成效及操作步骤，并借助语音指导的形式，展示具体的操作细节。

（三）现阶段应用过程中遇到的困难和挑战

前期混合式教学模式的广泛应用，促使大量的任课教师在不断地丰富教学资源库，引入一些先进的教学视频及授课PPT内容，以便于学生能够随时进行下载和观看。这些前期的积累都为全网络模式开展具体的教学工作提供了充分的支持，但在具体的实践过程当中依然面临一定的困难和问题。课堂讨论环节主要是在线上进行，教师难以保障每名学生的注意力都集中在课堂之中，因此在这个阶段当中学习氛围整体不足［3］。营造活跃的课堂学习氛围，有利于督促每名学生都能够跟随教师的教学节奏，对问题进行深入的探讨和思考，加深对相关内容的记忆和印象，也能够保持学生思维的活跃性。但在全网络模式教学的情境下，部分学生缺乏自律性，脱离了教师的督促和引导，在课堂讨论环节当中可能会存在心不在焉和跑题的现象，或者受到自身网速和流畅度的影响，也会难以保持高度的注意力，从而造成整体教学效果不理想等问题。