作者:陈彬 来源:中国科学报 发布时间:2024/4/2 23:12:32
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一门基础课十年求解:学生为何还要来教室上课

 

过去十几年,清华大学电机工程与应用电子技术系教授于歆杰一直想找到一条加强课上师生互动、提升学生课堂参与感的途径。

现在,从表面上看,他教授的“电路原理”课与一般课堂并无两样—— 一位老师、一份PPT、满教室的学生。两节课下来,于歆杰没有点过任何学生的名字,没有单独提问过哪怕一名学生,更不要说组织学生小组讨论了。上课期间,他甚至从没有离开过讲台,到学生中间走一圈。

但仔细观察,于歆杰的课还是有些不同。比如,每隔几分钟就会在PPT上出现一道思考题;PPT上还时不时飘过一条或几条弹幕留言;课程结束时,学生们会自发鼓掌。甚至《中国科学报》记者在教室后门站了两节课,竟无一名学生回头,他们可能完全没发觉教室后门一直有个人……

“他们的注意力全在课堂上。”谈及此事,于歆杰语气平静,就像这是一件再平常不过的事。

然而,在大学生上课走神儿、开小差、东张西望早已稀松平常的当下,做到这点真的容易吗?

一门课,三种学法

事实上,清华大学的“电路原理”课是一个很独特的存在,即便在清华现有的几千门课程中,它也是独树一帜的。

比如,作为一门面向电类各专业大一学生的基础课,“电路原理”给学生提供了三种不同的学习模式——

A模式:小班教学,每堂课20人左右。学生课前通过慕课自学,课上由老师组织讨论、做题和实验,课下学生可以带走实验器材自己做实验。

B模式:大班教学,每堂课200人以内。传统教学方式融合线上课堂互动,课上完整讲授知识点,课下配套单独的实验课,供大部分同学选修。

C模式:小班教学,每堂课20人左右。主要由学生通过慕课自学完成,每两周由教师组织一次集中讨论课,为学生答疑解惑。

也就是说,在学习“电路原理”课时,学生可以“加码学”,也可以“正常学”,甚至可以“不上学”。至于选择哪种模式,全凭学生意愿,但他们在期中和期末要考相同的试卷。

于歆杰一直带B模式的大班教学课程。该模式最接近于传统的课堂授课,但也有很多不同。比如,通过清华大学研发的“雨课堂”慕课平台,学生们可以随时将自己的想法以弹幕形式发送到教室的大屏幕上——可以是对课程内容的思考,可以是对提问的回答,也可以单纯表达对老师授课的“膜拜”之情,甚至可以在老师拖堂时,提醒老师“该下课了”……

“通过这种方式,我可以同时和班上几乎所有的同学交流,并提升他们的课堂参与感。”于歆杰说。

说到“参与感”,清华大学电机工程与应用电子技术系教授朱桂萍带的A模式和C模式更有“发言权”。

把知识点放到课前自学环节,课上反而“不讲课”,是此类模式的一大特色。

既然“不讲课”,课上要干吗呢?

“讨论重点和难点问题。对需要学的知识点,学生课前看视频就能基本掌握,课堂的作用是解决大家的困惑,加深理解、巩固运用。”朱桂萍说。

清华大三学生应嘉华大一时选择的便是A模式。受访时,他回忆了A模式是怎么上课的——

开始上课时,老师会询问大家在慕课学习中有无问题,并针对问题予以解答。如果没有疑问,老师便快速将慕课内容“过”一遍,之后便组织大家针对慕课中涉及较少或较深层次的内容进行讨论,最后以几道习题结束整节课。

值得一提的是,除了统考试卷外,A模式小班课的期末考核还包括一个大实验,学生要依托课程知识自己设计一个电路,题材不限。从电蚊拍、温控电风扇、家用煮蛋器,到迷你电磁炮、声控音乐彩灯、带火花的电子仿真鞭炮……学生的作品只有想不到,没有做不到。

应嘉华那年的作品完全来自生活——男厕所的小便器一般带冲水功能,但无论小便时间长短,其冲水时长是一样的,这无形中会带来浪费。于是,他和同伴琢磨——是否可以改进小便器的冲水系统,使其根据小便时长调节冲水时长?

实现该目标的技术难度并不大,但凭借独特的视角,他们的作品获得了班级第一。更重要的是,“觉得自己对科研更感兴趣了”。应嘉华说。

除了以上几点,“电路原理”课的独特之处还包括教师对学生创造力的极度重视、课下与学生的频繁互动……在于歆杰看来,这一切的改变,只是为了回答一个问题—— 一堂真正以学生为中心的课,究竟应该怎么上?

我们一起当“上帝”

于歆杰的思考始于2010年。

这一年已是于歆杰教授“电路原理”课的第9年。其间,他取得了很多成绩,甚至还获得了清华青年教师在教学领域的校内最高奖——青年教师教学优秀奖。此时,“电路原理”课的课程负责人、清华大学教授陆文娟临近退休。作为她的学生,于歆杰成为了新的课程负责人。

交出“接力棒”的同时,陆文娟问了于歆杰一个问题:“对于这门课的未来,你想怎么办?”

清华“电路原理”课最早设立于1932年。近百年来,其作为工科学生基础课程的地位始终没变,数代清华教师经过接力钻研,“已经把这门课上到了登峰造极的程度”。

对于老师的问题,于歆杰不知道该怎么回答——努力讲得更好吗?前辈们的讲课水平已难以超越!科研成果反哺教学吗?对于一门基础课来说,能有几个科研项目可以融进教学?

这样的思考一直持续了3年。直到2013年,一个偶然的机会让于歆杰有了新感悟。

彼时,慕课在世界范围内兴起,并迅速引起国内高校的重视。这一年,于歆杰首次“触网”,牵头开设了清华大学首门慕课“电路原理”,并很快“出圈”,目前已吸引来自158个国家和地区的超过37万名学生观看。

这一成绩足以令于歆杰欣喜——以往一堂课只能讲给几十名学生听,但通过慕课,其学生数量可以达到几万名甚至几十万名。不过同时,他也不得不面对一个问题——既然这些慕课清华学生也可以学,他们为什么还要来教室上课?

“这是慕课带给我们的一个反向挑战。”应对这一挑战,于歆杰和同事花费了几年时间——2013年推广慕课;2014年探索线上线下的教学协同;直到2016年,他们才大体想明白。

“在移动互联网时代,获取各类优质资源已轻而易举,这给教学领域带来了一个后果——在优质资源缺乏的时代,‘把课讲明白’是教师最重要的任务,但如今这已经不重要了,至少不像之前那样重要了。”于歆杰说。

那么,什么变得更重要了?

“新场景下,以学生为中心的课堂互动才是最重要的。”他告诉《中国科学报》,一名学生在课堂上认真听讲、认真做笔记当然是件好事,但如果我们可以让他在课堂上的思维更加活跃,让他觉得整堂课不是知识讲授,而是既有很强的知识逻辑,又能参与其中,尤其是这种参与对整堂课的进行能产生重要影响,这才是最重要的。

此外,在传统课程模式下,教师会扮演“上帝代言人”的角色,他要传播知识,学生只能被动接受。然而,当获取知识不一定要通过“上帝”时——

“那我们就一起当‘上帝’吧。”

于歆杰解释说,教师课上提出一个问题,且该问题用以前的方法难以解决,于是师生开始共同探索。“用教育学术语来说,我们帮学生一点点搭建‘教学脚手架’,当‘脚手架’搭到一定程度,我们再提出一个关键问题,等待学生的思考和回答。”

这种问题具有阶跃性,并非所有学生都能轻易答出,但当有学生成功解答后,教师会说一句很关键的话:“恭喜A同学,你说对了。但很遗憾,你晚生了100多年,如果你早生100多年,我们下边讲授的便不是某某定理了,而是以你的名字命名的定理。”

“这个问题很重要——我们的课堂究竟是干什么的?”于歆杰说,我们要在课堂上营造一种研究氛围,让学生沿着老师的“脚手架”,重新发现先哲们已发现的知识。发现知识并不重要,因为它们早在几十年、上百年前就已经被发现,但重新发现的过程非常重要——顶尖人才不仅要善于使用规律和定理,更要善于发现规律和定理。只有他们在课堂上清楚定理是怎么被发现的,面临困难时自己该如何思考、思维如何打开,这样的课堂才具有价值和魅力。

弹幕要不要关

要打造一个有魅力的课堂,技术上的门槛并不高,但对老师的要求却很高。

“电路原理”课开始A模式的探索是在2013年。那时,朱桂萍已经教授这门课程15年了。原本,她以为自己对这门课的理解已足够深入,但没想到在第一堂“绪论”课上就“栽了跟头”。

朱桂萍原本以为“绪论”只介绍一些基本知识和概念,不会有什么难度。然而,当她介绍完课程基本内容,准备组织大家讨论时,一名学生忽然提问:“老师,电压乘以电流为什么等于功率?”

“我当时头脑一片空白。”朱桂萍回忆说,在电学领域,“电压乘以电流等于功率”是一个最基础的定理。它是颠扑不破的真理,但要解释其背后的原理,却又如同向普通人解释“一加一为什么等于二”一样,毫无头绪。

“从教多年,我从来没想过这个问题,甚至在学生时代都没想过如何证明这个定理。”无奈之下,朱桂萍只能向学生承认:“对不起,我从来没考虑过这个问题,课后我们一起做做工作吧。”

课后,朱桂萍广泛查阅有关电磁场的书籍,甚至查阅了大学物理教科书,直到产生心得,并就定理的证明与学生进行了交流。

“大班模式下,即便与学生互动,大部分问题和答案也都是预设好的,教师对课堂是可控的;但小班教学以讨论为主,学生的问题完全无法设定,更无从准备,这对老师是很大的考验。”朱桂萍说。

这并不意味着于歆杰的B模式便教得轻松。

虽然是大班授课,但由于同样强调学生的课前预习,于歆杰在课上不会仅专注于知识讲授。每堂课,他都会准备多道有代表性的题目供学生现场作答,以此检验学生的知识掌握程度。而无论在授课还是答题的过程中,弹幕都是他和学生交流的重要渠道。

“2018年,‘雨课堂’推出了弹幕系统,我们随即将其引入了课堂。”于歆杰说,弹幕的好处显而易见——其匿名性能大大提升学生课堂交流的积极性,同时也打破了师生传统的“点对点”交流模式,使他可以同时了解班内几乎所有学生的学习状态和知识掌握程度。

然而,每堂课少则三五百、多则上千条的弹幕,意味着于歆杰不得不分散部分注意力在学生反馈上。他需要时不时从沉浸式的讲课中抽离出来,回应并解答学生的困惑。这无疑是对正常授课的一种干扰,以至于使用弹幕的最初几年,他一直犹豫是否在部分上课时段关闭弹幕。

2021年,于歆杰申请担任了本科生班的班主任。那个学期,他和班里的每名同学至少进行了一次长谈。其间,他特意问学生在看视频网站时,会打开弹幕还是关闭弹幕。

几乎所有的学生都说会打开弹幕。

于歆杰很好奇,动辄铺满屏幕的弹幕不会影响视频的观看吗?学生的回答让他陷入思考:“对我们来说,视频只是一个载体,很多时候播放什么内容根本不重要,重要的是所有看视频的人在此时此刻想了什么,又说了什么。”

“这就是‘00后’甚至‘05后’学生的认知规律。”于歆杰坦言,我们的课堂需要对此作出回应和改变——相比于在课堂上讲明白一个知识,更重要的是形成一种氛围,让学生觉得我在这堂课上是有参与感的,这才是“符合规律”的。

直到今天,于歆杰课上的弹幕从没有关闭过。经过几年的适应后,他已经做到了边讲课边看弹幕,两者兼顾、平行处理。“这并不容易,我适应了最少两年。”他笑着说。

什么是“以学生为中心”

每当于歆杰他们结束授课,课堂上总会响起学生们的一片掌声。这并非是谁规定的,而是学生们的自发行为。

施博辰2013年考入清华大学电机系。如今已经是博士后的他,对大一时的“电路原理”课仍记忆深刻,“这门课为我后来的学习打下了很好的基础,对我的科研工作产生了深远影响。老师们认真的态度是我学习的榜样,我经常会对照思考自己该怎样做事。”

应嘉华也有类似感受:“朱老师的课给我的最直观感受,就是多了一份‘强迫的参与感’。”他解释说,在一般课堂上,他还有机会“摸鱼”,但在朱老师的课上,他必须全程高度参与,否则会完全跟不上同学们的节奏。正是这种感受让部分学生在学期中的某一阶段“怀疑人生”。不过最终,他们还是会庆幸自己当初的选择。

正如一名学生所说,“开始也会想,为这门课投入如此多的时间、精力究竟值不值得,尤其在其他专业课任务扎堆的时候。但上完课回头看,一切都很值得。如果再给我一次重新选择的机会,我还是会选这门课”。

在于歆杰看来,这也说明高校授课模式从“以教师为中心”转向“以学生为中心”的必要性。

“我们都在说要‘以学生为中心’,但究竟该怎么做?”在于歆杰的理解中,“以教师为中心”即为了让学生学得更好,老师要更有水平,不管是教学基本功还是研究能力,都要精益求精。

相比之下,“以学生为中心”则是教师要能随时了解学生的学习情况,并基于此及时调整教学进度和教学方式。“举个简单的例子,借助‘雨课堂’的随堂练习,如果某个问题全班九成学生都答对了,便不必再纠结相关知识的学习;如果全班只有四成学生答对,那就必须要把课程停一下。”

事实上,不管是3种模式的设立,还是对课堂互动的坚持,乃至于“教学脚手架”的搭建,都是“以学生为中心”理念的一种具体体现——何种教学方式适合当下学生的学习情况是最重要的。而这一切认知和探索的起点,则是十几年前,慕课的兴起对传统课堂模式的冲击。

如今,以ChatGPT为代表的人工智能大模型的出现,又一次冲击了传统授课模式。在于歆杰看来,这次的冲击可能比慕课大得多。

“慕课带来的影响更多体现在资源端,即它可以提供更多可用的优质资源,而人工智能大模型的影响却体现在行为端。”他解释说,伴随大模型的迅速发展,每个人的日常生活行为都会与其相关,教师的课程教育也会自然而然引入人工智能,这将给传统授课形式带来更大冲击。

2023年9月,清华大学启动了一项人工智能赋能教学试点计划。根据计划,该校将在2024年开设100门人工智能赋能教学试点课程,利用人工智能辅助或深度介入课程,打造人工智能助教、人工智能教师。

作为该计划中的试点之一,“电路原理”课已经可以利用人工智能,对某些成绩落后的学生进行全天候辅导,以提高其学业成绩。

不过,这显然不是人工智能在这门课程上能做到的全部。

“人工智能大模型对高等教育的影响刚刚开始显现。这一影响也一定会经历一个从‘术’到‘道’的过程。也许再过10年,我们才更有资格对此进行评价,但至少现阶段我们应该做好探索的准备。”于歆杰说。

 
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