基于課堂應(yīng)答系統(tǒng)(CRS)的診斷性教學(xué)*①

雷 丹 黃致新 陳麗莎 孫楚鈺 劉賀平

(華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢 430079)

1 診斷性教學(xué)及其意義

診斷性評價也稱“教學(xué)性評價”，一般是指在某項(xiàng)教學(xué)活動開始之前對學(xué)生的知識、技能以及情感等狀況進(jìn)行的預(yù)測．通過這種預(yù)測可以了解學(xué)生的知識基礎(chǔ)和準(zhǔn)備狀況，以判斷他們是否具備實(shí)現(xiàn)當(dāng)前教學(xué)目標(biāo)所要求的條件，為實(shí)現(xiàn)因材施教提供依據(jù)．而根據(jù)教育過程的需要，診斷性評價也慢慢滲透到教學(xué)的各個階段．根據(jù)診斷的目的、過程和標(biāo)準(zhǔn)，可將教學(xué)診斷性測驗(yàn)分為以下5種類型：預(yù)測性診斷測驗(yàn)、形成性診斷測驗(yàn)、適應(yīng)性診斷測驗(yàn)、質(zhì)量性診斷測驗(yàn)以及障礙性診斷測驗(yàn)．

本文主要研究形成性診斷測驗(yàn).這類測驗(yàn)是在教學(xué)過程中進(jìn)行的．形成性診斷測驗(yàn)有助于教師了解哪些教學(xué)目標(biāo)已經(jīng)達(dá)到，哪些目標(biāo)尚未達(dá)到，還存在哪些方面的差距等，以便適時調(diào)整教學(xué)策略．對學(xué)生來說，可以利用形成性診斷測驗(yàn)進(jìn)行自我反饋和自我調(diào)整，逐步接近或達(dá)到教學(xué)目標(biāo)．

2 CRS在形成性診斷測驗(yàn)中力學(xué)部分的應(yīng)用

大學(xué)物理的力學(xué)部分由質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動學(xué)、牛頓運(yùn)動定律(動力學(xué))、動量與角動量、功和能、剛體的定軸轉(zhuǎn)動、狹義相對論基礎(chǔ)這6章組成．而這6章可以劃分為4個部分：質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動學(xué)，質(zhì)點(diǎn)動力學(xué)，剛體動力學(xué)以及狹義相對論．與高中不同的是大學(xué)物理質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動學(xué)部分，需要用到微積分知識來嚴(yán)格定義質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度，同時還提到曲線運(yùn)動以及相對運(yùn)動的問題．而質(zhì)點(diǎn)動力學(xué)主要介紹的是牛頓第二定律、動能、動量定理、能量守恒、動量守恒、角動量守恒定律，在介紹機(jī)械能守恒定理的同時引進(jìn)保守力的概念．剛體這一部分則引進(jìn)轉(zhuǎn)動慣量的概念，同時將動力學(xué)內(nèi)容用于剛體部分．狹義相對論則引進(jìn)全新的時空轉(zhuǎn)換概念，主要基于兩個原理——相對性原理和光速不變原理，其中提到洛倫茲變換以及相對論質(zhì)量、動量、能量關(guān)系式．而整個力學(xué)部分的核心主要體現(xiàn)在機(jī)械能守恒、動量守恒和角動量守恒這三個守恒定律上．因此本文基于力學(xué)部分的這三大守恒定律，對CRS在形成性診斷測驗(yàn)中的應(yīng)用開展研究．

CRS教學(xué)系統(tǒng)在形成性診斷測驗(yàn)的應(yīng)用,是指在新課結(jié)束后準(zhǔn)備幾道能體現(xiàn)重點(diǎn)概念和規(guī)律的、容易出錯的選擇題,利用CRS 進(jìn)行學(xué)習(xí)效果檢測,可同時起到復(fù)習(xí)鞏固和深化理解的作用．通過CRS教學(xué)系統(tǒng)在課堂中的有效應(yīng)用,教師能夠及時得到學(xué)生知識掌握情況的反饋信息,從而適時調(diào)整自己的教學(xué)進(jìn)度．當(dāng)然,由于應(yīng)用CRS時應(yīng)答題目只能以選擇題的形式出現(xiàn),學(xué)生的選擇結(jié)果只能給出其思維結(jié)果,而不能展示其思維過程．若教師在對學(xué)生群體答案分析的同時進(jìn)行個別提問,則可以通過對話洞察其思維過程,以做出進(jìn)一步講解[1]．

CRS題目的設(shè)計是形成性診斷測驗(yàn)成功的關(guān)鍵所在，在本次研究中，CRS題目主要根據(jù)認(rèn)知沖突型來設(shè)計：每三道題目圍繞一個概念展開，但是各自有各自的特征．第一道題目主要為建立學(xué)生信心設(shè)計，題目簡單．大部分學(xué)生可以正確回答出該問題，因此第一道題之后的討論相當(dāng)簡單．第二道題目難度增加，不同的題目往往會選擇不同的答案，學(xué)生將意識到自己沒有很好的掌握概念，教師可以查看不同學(xué)生的選項(xiàng)并對學(xué)生為什么要選擇該答案進(jìn)行提問討論．教師可以根據(jù)反饋回來的信息，及時解決同學(xué)的疑難問題，調(diào)整教學(xué)．第三題題目難度較大，是為了檢測教學(xué)成果，判斷學(xué)生是否掌握基本概念．因此三個題目難度分別為：易-難-難．

3 題目應(yīng)用舉例

接下來的三組題目出自華中師范大學(xué)物理力學(xué)課堂的PowerPoint演示文稿，用于在新課結(jié)束后對學(xué)生的所學(xué)知識的檢驗(yàn)和鞏固學(xué)生所學(xué)內(nèi)容．學(xué)生在課堂上用了5 min來完成每組題．

第一組問題是關(guān)于功和機(jī)械能守恒的題目.

【例1】一個質(zhì)點(diǎn)同時在幾個力作用下的位移為Δr=4i-5j+6k, 其中的一個力為恒力F=-3i-5j+9k, 則此力在該位移過程中所做的功為

A.-67 J B.17 J

C.67 J D.91 J

【例2】下列說法正確的是

A.不受外力作用的系統(tǒng)，它的動量和機(jī)械能必然同時守恒

B.內(nèi)力都是保守力的系統(tǒng)，當(dāng)它所受的合外力為零時，其機(jī)械能必然守恒

C.只有保守內(nèi)力作用而不受外力作用的系統(tǒng)，它的動量和機(jī)械能必然都守恒

【例3】對功的概念有以下幾種說法：

(1)保守力做正功時, 系統(tǒng)內(nèi)相應(yīng)的勢能增加.

(2)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動經(jīng)一閉合路徑，保守力對質(zhì)點(diǎn)做的功為零.

(3)作用力和反作用力大小相等、方向相反,兩者所做功的代數(shù)和必為零.

A.(1)、(2)是正確的

B.(2)、(3)是正確的

C.只有(2)是正確的

D.只有(3)是正確的

第二組問題是關(guān)于沖量和動量守恒的題目.

【例4】砂子從h=0.8 m高處下落到以3 m/s的速率水平向右運(yùn)動的傳送帶上，如取重力加速度為10 m/s,傳送帶給予剛落到傳送帶上的砂子的作用力的方向

A. 與水平夾角53°向下

B. 與水平夾角53°向上

C. 與水平夾角37°向上

D. 與水平夾角37°向下

【例5】一個α粒子飛過一金原子核而被散射，金核基本上未動，在這一過程中

A.對金核中心來說，α粒子的角動量守恒

B.對金核中心來說，α粒子的角動量不守恒

C.α粒子的動量守恒

D.α粒子的動量不守恒

【例6】在核反應(yīng)堆中利用中子和“減速劑”的原子核發(fā)生完全彈性碰撞而使中子減速，則

A.減速劑應(yīng)使用原子質(zhì)量比較大的元素

B.減速劑應(yīng)使用原子質(zhì)量比較小的元素

C.無法判斷

第三組題目是關(guān)于剛體和角動量守恒的題目.

【例7】關(guān)于剛體對轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量，下列說法中正確的是

A.只取決于剛體的質(zhì)量，與質(zhì)量的空間分布和轉(zhuǎn)軸的位置無關(guān)

B.取決于剛體的質(zhì)量和質(zhì)量的空間分布，與轉(zhuǎn)軸的位置無關(guān)

C.取決于剛體的質(zhì)量、質(zhì)量的空間分布和轉(zhuǎn)軸的位置

D.只取決于轉(zhuǎn)軸的位置，與剛體的質(zhì)量和質(zhì)量的空間分布無關(guān)

【例8】一個人站在有光滑固定轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動平臺上, 雙臂伸直水平地舉起二啞鈴, 在該人把此二啞鈴水平收縮到胸前的過程中, 人、啞鈴與轉(zhuǎn)動平臺組成的系統(tǒng)的

A.機(jī)械能守恒, 角動量守恒

B.機(jī)械能守恒, 角動量不守恒

C.機(jī)械能不守恒, 角動量守恒

D.機(jī)械能不守恒, 角動量不守恒

【例9】有兩個力作用在一個有固定轉(zhuǎn)軸的剛體上：

(1)這兩個力都平行于轉(zhuǎn)軸作用時，它們對轉(zhuǎn)軸的合力矩一定是零．

(2)這兩個力都垂直于轉(zhuǎn)軸作用時，它們對轉(zhuǎn)軸的合力矩可能是零．

(3)當(dāng)這兩個力的合力為零時，它們對轉(zhuǎn)軸的合力矩也一定是零．

(4)當(dāng)這兩個力對轉(zhuǎn)軸的合力矩為零時，它們的合力也一定是零．

在上述說法中

A.只有(1)是正確的

B.(1)、(2)正確，(3)、(4)錯誤

C.(1)、(2)、(3)正確，(4)錯誤

D.(1)、(2)、(3)、(4)都正確

4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及效果分析

由于這三組題目是在新課結(jié)束后準(zhǔn)備的，用來復(fù)習(xí)鞏固、深化理解，所以題目的覆蓋面較廣．鑒于易—難—難的題目設(shè)計原則，第一題偏易用于學(xué)生鞏固概念，因此每組題的第一題答對率很高；第二題加深難度后利于學(xué)生深入思考，理解其中物理含義，答對率相對較低；第三題則用于學(xué)生綜合課堂所學(xué)知識，深層次的運(yùn)用課堂知識，答對率有所回升．三組題的學(xué)生答題正確率如表1所示．

經(jīng)過這次力學(xué)部分診斷性教學(xué)的研究可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在課堂上較易吸收力學(xué)的一些物理概念，但是學(xué)生對守恒定律的理解不夠徹底，尤其在需要學(xué)生綜合考慮兩種守恒定律(動量和機(jī)械能守恒)的時候．因此教師在學(xué)生答完第二題后對動量守恒和機(jī)械能守恒的條件加以強(qiáng)調(diào)，希望引起學(xué)生注意．在第二套題的第二題中，同樣涉及了兩種守恒定律(動量和角動量守恒)，用來檢驗(yàn)學(xué)生對知識的掌握情況．此題的回答正確率較上一組的第二題有所上升，說明上次教師對動量守恒和機(jī)械能守恒的條件加以強(qiáng)調(diào)對學(xué)生的學(xué)習(xí)有了很大的幫助，達(dá)到了一定的教學(xué)效果．此時，教師再次重點(diǎn)對機(jī)械能守恒，動量守恒和角動量守恒做一次全面的分析和復(fù)習(xí)．最后，我們在第三組題目的第二題中同樣涉及了兩種守恒定律(機(jī)械能和角動量守恒)來檢測我們的教學(xué)效果．第三組題中，可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生第二題的答題正確率已升高到了71%(見表1)，與前兩組題的第二題的答題正確率相比有了較大程度的提高．

該試驗(yàn)在華中師范大學(xué)的大學(xué)物理課堂上進(jìn)行，每組問題之間的間隔都為8個課時(一個月)．首先，從學(xué)生三組題的答題正確率來看，這三組題的難度系數(shù)相差不大(見表1)．其次，三組題答題時間都為5 min，分別是第一題為1 min，第二題為1.5 min，第三題為2.5 min，留給學(xué)生的思考時間一樣．

表1 clicker診斷評估性教學(xué)中學(xué)生答題正確率

分析以上條件，將三組題目進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)第一題的正確率由第一組題目的89.11%提高到第三組題目的95.19%，第二題的正確率由第一組題目的38.6%提高到第三組題目的71%，第三題的正確率由第一組題目的90%提高到第三組的95.57%．由此可見，CRS診斷性教學(xué)在實(shí)踐應(yīng)用中給物理教學(xué)帶來比較大的幫助．就這樣，我們通過不同時間的三組類似的題目，達(dá)到發(fā)現(xiàn)問題、檢驗(yàn)問題和解決問題的診斷性教學(xué)的目的．

另外，由于本文調(diào)研的對象是華中師范大學(xué)數(shù)學(xué)統(tǒng)計學(xué)院2010級數(shù)學(xué)系專業(yè)的學(xué)生，總?cè)藬?shù)為312人，選課系統(tǒng)按學(xué)號隨機(jī)將學(xué)生平均分配到三個班級，任課教師也由三位教職能力相當(dāng)?shù)慕淌趽?dān)任．本文選擇其中一個班級作為CRS實(shí)驗(yàn)班，另外兩個班級則為對照班．在本學(xué)期期末考試結(jié)束后，將三個班的平均成績做了對照(如表2)．經(jīng)過簡單地計算，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)班的平均分高出年級平均分3個百分點(diǎn)．因此，可初步得出結(jié)論，CRS課堂應(yīng)答系統(tǒng)的使用能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績，更好得到達(dá)教學(xué)目標(biāo)．

表2 期末班級平均成績對照表

5 結(jié)論

總之，交互式課堂應(yīng)答系統(tǒng)可以幫助同學(xué)之間還有教師同學(xué)之間建立對話，并且是在大學(xué)里很受歡迎的一種教學(xué)模式．用CRS診斷性教學(xué)可以使學(xué)生有更多的機(jī)會去測試自己對每個概念的掌握程度，從而在短期內(nèi)幫助學(xué)生深入理解物理概念，雖然長時間的幫助效果還需要繼續(xù)研究．可以肯定的是，在力學(xué)部分，Clicker診斷性教學(xué)要比普通習(xí)題教學(xué)更能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)水平．通過Clicker診斷性教學(xué)，可以達(dá)到教學(xué)中發(fā)現(xiàn)問題、檢驗(yàn)問題和解決問題的目的．我們以后還會利用clicker對大學(xué)物理的其他章節(jié)作更完整的分析，希望我們的研究成果能給物理教學(xué)帶來幫助[2]．

參考文獻(xiàn)

1 黃致新.基于clicker的交互式探究型課堂教學(xué)及其研究進(jìn)展.物理教學(xué)探討，2010(9)

2 N.W.Reay,P.F.Li,L.Bao.Testing a new voting machine question methodology.American Journal of Physics，2008.171