“量子力学”课程线上线下混合式“金课”建设探索与实践

周如龙，李冬冬，屈冰雁

（合肥工业大学材料科学与工程学院，安徽 合肥 230009）

0 引言

2018年召开的新时代全国高等学校本科教育工作会议提出要坚持“以本为本”，推进“四个回归”，加快建设高水平本科教育，建设中国特色、世界水平的一流本科教育，为高校本科教育建设和发展指明了方向。一流的本科教育需要由一流的本科专业建设做支撑，而一流本科专业建设则需要由一流的本科课程体系作为支撑，因此2019年教育部正式启动一流课程建设“双万计划”，即“金课”建设计划。吴岩司长在2018年《建设中国“金课”》的报告中明确了“金课”建设“两性一度”的标准，并且对五大类“金课”的建设内涵进行了阐释，明确提出要大力推广线上线下混合式的“金课”建设[1]。

线上线下混合式教学顾名思义是要将线上教学和线下教学有机结合，其核心是“混合”二字，它不是两种教学方式的简单相加，而是要通过精心的教学设计，充分调动学生学习的自主性，强化教学过程中师生的互动性，改变传统的学生被动式学习的状态，充分体现“以学生为中心”的教学理念。为了达到好的教学效果，需要对线上和线下的教学内容、教学模式和教学方法等进行系统性的建设和优化，因而线上线下混合式金课建设是一项系统性的工程，需要进行不断的探索和实践。

合肥工业大学材料物理专业“量子力学”课程是该专业一门非常重要的专业基础课程，它是本专业后续的核心课程“固体物理学”和“半导体物理学”，以及专业特色课程（如“光电材料与器件”“半导体材料与器件”“太阳能电池材料与技术”等）的基础。因而，该课程的教学质量对本专业整体的人才培养质量有重要的影响。

“量子力学”课程教学和学习难度很大，概念和原理难以理解和掌握，对数学和大学物理基础要求高。我校材料物理专业为工科专业，学生“高等数学”和“大学物理”基础弱于理科专业，在学习“量子力学”课程时困难较大。这就要求课程教学团队必须对该课程进行不断的教学改革，探索适应于本专业学生的教学模式。近年来，关于“量子力学”课程教学改革与实践的研究常见有报道[2-5]。为了提升“量子力学”课程的教学效果，本课程教学团队借鉴其他高校该课程的教学改革经验，积极探索线上线下混合式教学模式改革，以“两性一度”为标准，秉承“以学生为中心”的理念，对“量子力学”课程进行了全面的建设和改革，经过四个轮次的教学改革实践，取得了良好的建设成效。

1 “量子力学”线上线下混合式金课建设举措

“量子力学”课程于2020年开始进行线上线下混合式教学改革，2020秋季学期首次开展了线上线下混合式小班教学实践，教学效果良好。从2019版培养计划开始，该课程分拆为“量子力学I”和“量子力学II”两门课程，各2学分、32学时，其中“量子力学I”为必修、“量子力学II”为选修。“量子力学I”于2021年春季学期和2022年春季学期开展了两轮线上线下混合式小班教学；“量子力学II”于2021年秋季学期开展了一轮线上线下混合式小班教学。在每一轮教学过程中，都针对上一轮教学过程中出现的问题进行了有针对性的改进，教学内容、教学考核方式、教学方法、线上和线下课程资源等均得到持续优化和改进，教学效果不断提升。

1.1 教学内容的优化调整

线上线下混合式教学的核心是如何将线上自主学习和线下课堂教学有机融合，有效促进学生知识、素质和能力的提升。线上线下混合式课程设计是实现这一目标的基础。本课程组首先通过优化和调整线上和线下学习的教学内容以及教学方式，来提升线上线下混合式教学的效果。

1.1.1 线上教学内容的优化调整

本课程选用了清华大学徐湛老师的国家精品线上课程“量子力学（上）（下）”作为线上自主学习课程，课程教学视频数量巨大，知识点多，知识深度和难度较高，部分内容不适合我校材料物理专业本科生学习。首先，对线上视频资源进行了精简，删除了难度过大的内容，或将其作为扩展学习内容，不计入线上学习成绩。其次，在重要章节后添加难度适宜的习题，并进行持续升级改进，检测和巩固线上学习效果。在关键知识点后添加线上讨论题，线上讨论计入线上学习成绩，学生通过独立思考分享对该问题的理解，教师线上点评，通过线上讨论强化学生对该关键知识点的理解。

1.1.2 线下教学内容的优化调整

针对本校学生特点，对课堂教学内容进行持续优化调整，弱化公式推导，强化概念原理的分析理解。在课堂教学过程中省去了大部分基本公式推导，教学重点放在重要的概念和原理的分析和理解上，通过大量的案例训练加深学生对这些重要概念和原理的理解和掌握。将课程重要的知识点，设计成随堂测验题、例题和课后思考题，通过例题、思考题以及作业题的反复训练，强化对重要知识点的理解和应用。学生普遍反馈以案例的方式边讲解边训练的教学模式效果很好。表1为近几轮教学中例题、思考题和随堂测验题数量。增加科学前沿知识，特别是量子力学在材料科学研究中的应用相关前沿知识，例如隧道效应与STM扫描隧道显微镜的工作原理、共价键与原子轨道波函数的关系、量子力学矩阵表示与量子化学计算、Hartreefock方法和密度泛函理论及其应用等。增加课程思政元素，培养学生正确的科学思维，引导学生树立科学报国的理想信念，例如中国的量子通讯和量子计算研究进展、确定与不确定的辩证关系、国产材料计算模拟软件发展等。

表1 近几轮教学例题、思考题、随堂测验题调整情况

1.2 考核方式优化

为了适应线上线下混合式教学，我们对课程的考核方式进行了不断的优化调整。2020秋季学期“量子力学”授课中采取了6种考核方式，各种考核方式所占成绩比重为：期末考试40%，期中考试10%，课堂测试15%，笔记与报告10%，作业撰写5%，线上学习20%。其中线上学习成绩又分为三个部分：视频单元考核60%，讨论单元考核20%，作业单元考核20%。

2021春季学期“量子力学I”由于课程学时减少为32学时，不适合再进行期中考试，因此删除“期中考试”考核项；为了激发学生参与课堂互动的积极性，增加“课堂表现”考核环节，考查内容为出勤情况、随堂测试（课件插入测试题）情况、课堂参与互动情况（包括课堂提问、上台解题、弹幕和投稿答题等）；为了进一步督促学生课后及时认真复习，课堂测试所占成绩比重提升了5个百分点。2021秋季学期“量子力学II”根据学生的反馈意见进一步对考核方式和成绩比重进行优化，“线上学习”成绩比重降低至15%，“作业撰写”比重提升至10%。

1.3 教学模式和教学方法的改进

1.3.1 教学模式改进

针对线上线下混合式教学的新要求，我们对线上和线下教学模式进行了持续的改进。线上教学以学生自学为主，主要是观看慕课视频，部分章节任课教师发布自制课堂教学视频供学生学习；视频学习完后，自主完成习题；线下课堂教学结束后，学生参与线上讨论，可以参与老师设定的讨论主题，也可以自己发起讨论主题，教师对学生的讨论帖进行点评回复。每一轮授课时针对前一轮授课过程中出现的问题，对各个线上教学环节进行微调改进，线上讨论互动数据如表2所示。

表2 线上讨论互动数据

线下教学分为课堂教学和课后学习。课堂教学模式持续改进，由原先90%以上教师讲授为主，逐步转变为讲授、案例、讨论、课堂训练等多种方式混合的新的教学模式，课堂互动次数和参与课堂互动人数显著提升（如表3，P165所示）。课后学习模式持续改进，主要包括观看课堂视频回放、做课后作业、观看习题解答视频、整理笔记（线上和课堂）等。有三项考核方式（课堂测试、作业撰写、笔记与报告）与课后学习有关，三项成绩合计占总成绩比重达30%～40%，可以有效激励学生课后认真复习。

表3 雨课堂线下课堂师生互动数据

1.3.2 教学方法改进

持续改进课堂教学方法，全面采用雨课堂进行课前、课中和课后的教学组织。课前，通过雨课堂发布线上学习任务和预习课件；课中全程采用雨课堂辅助授课；课后通过雨课堂布置习题作业并进行线上批改，通过雨课堂发布习题讲解视频。课堂教学过程中，采用雨课堂随时测验功能，在授课PPT中各重要知识点后插入测试题，让学生及时通过测试题巩固该知识点；采用雨课堂点名、弹幕和投稿等功能，以多种方式强化课堂互动，全员参与，通过课堂训练强化学生对所学重要知识点的理解；采用雨课堂试卷功能进行课堂测试和单元测试，平均每章进行1-2次课堂测试和1次单元测试。以上这些措施显著地提升了课堂互动效果，使学生课堂上保持认真听课状态，跟随老师的思路不停思考，学习内容得到有效巩固，教学效果显著提升。

该课程为本专业难度最大的一门课程，一些难点问题学生很难通过课堂有限时间的认真听课弄懂学会。在以往的教学中，学生通常在课堂上一直在疲于记笔记而跟不上老师的思路，更缺乏独立思考时间。为了改进这一问题，从2021年春季学期“量子力学I”课程的教学开始采用雨课堂直播功能进行课堂教学，课程结束后生成完整课堂回放视频，供学生课后复习。本课程公式和计算特别多，需要大量利用板书，从2021年秋季学期“量子力学II”课程开始，我们采用雨课堂双视频（共享屏幕+摄像头）直播的方式进行授课，有效解决了板书录像的问题。以上措施有效解决了学生课堂没听懂课后无法有效复习的问题，显著提升了学生的学习效果，得到了学生的普遍好评。雨课堂直播数据如表4所示，每次课堂视频都有1/3以上学生观看了回放，且呈上升趋势。

表4 雨课堂直播数据统计

1.4 课程资源建设

为了保障线上线下混合式教学取得更好的效果，有效促进课程教学效果和人才培养质量的提升，本课程组积极进行课程资源库建设，不断补充完善各类课程资源。目前已有的课程资源，各种教学资源仍在不断补充完善之中。

2 课程特色与建设成效

综上，该课程建设具有鲜明的特色，主要表现在以下方面：

（1）较高的高阶性、创新型、挑战度。本课程是材料物理专业一门重要的专业基础课程，本课程的学习要为后续的专业核心课程和专业特色课程的学习奠定坚实的基础，课程教学内容难度大，考核要求高，具有较高的挑战度。课程引入了清华大学国家精品在线开放课程慕课资源，补充了一些科学前沿问题，教学过程中注重与后续核心专业课程知识的衔接，增加课程知识的广度和深度，使得课程具有较好的高阶性。线上线下自主学习和课堂互动教学相结合，信息化教学手段全程辅助教学，教学模式和教学方法先进。

（2）“以学生为中心”的教学理念。课程教学中一直秉承“以学生为中心”的教学理念，根据学生的学习状况和反馈意见不断调整优化教学内容、考核方式和教学方法。所示为教学过程中学生反馈较多的意见，以及我们针对学生的反馈意见进行的改进情况。这些措施均得到了学生的高度肯定，有效促进了学生学习效果的提升。

（3）“以能力为导向”的课程建设。课程建设坚持“以能力为导向”，不断优化调整教学内容。近三年来，对课程教学内容进行了全面的调整，编写了《量子力学讲义》《量子力学I讲义》《量子力学II讲义》三本电子版教案及配套PPT课件，对各重要知识点设计了大量的难度和灵活性适中的例题、思考题和课堂测试题，通过课上课下大量的训练，培养学生分析和解决复杂问题的能力。

3 存在的主要问题和不足

尽管该课程的建设取得了显著的成效，但仍存在一些明显不足，主要表现在：

（1）清华大学的慕课课程，视频数量过多，视频中讲解公式推导多，概念分析少，很多视频内容超出了我校学生的能力水平，较多学生反映学习压力大。在后续的建设中，我们将调整清华大学慕课视频和自制视频的使用比例，更多的使用自制视频作为课前线上学习内容。

（2）学生线上学习的积极性、参与线上讨论的积极性不高。如何激励学生按时按质的完成线上学习任务是今后需要着力解决的问题。

（3）线上线下混合教学设计还有待进一步改进，课堂互动手段不够丰富，学生课堂参与互动的积极性不够高，需要进一步研究完善线上线下混合式教学设计，探索更适合本课程性质和本专业学生能力的教学方式方法。

4 结语

本课程经过四个教学周期的建设和线上线下混合式教学实践，取得了显著的建设成效，课程教学内容持续优化，教学资源更加丰富，教学方法和教学手段更加成熟，师生互动更加频繁，互动效果持续改善，课程教学质量持续提升。本课程的建设充分体现了“以学生为中心”“以能力为导向”的教学理念，积累了丰富的信息化教学工具辅助教学经验，为如何提升物理基础理论课程的教学效果探索了一种可行的模式。本课程的建设经验可以移植到“大学物理”“热力学与统计物理”“原子物理学”“数学物理方法”“固体物理学”“半导体物理学”等基础物理课程，以及“高等数学”等数学类课程。