基于Clicker大學物理研討課的師生教學行為研究

李成豐 黃致新 趙曉魚 何苗嫚

(1華中師范大學物理科學與技術學院，湖北 武漢 430079; 2重慶南開中學，重慶 400030)

隨著信息技術的發(fā)展，越來越多的學校開始摒棄工廠式的集中教育，采用混合式學習進行個性化教學。尤其是在物理等學科領域，教育并非只是知識的單向傳遞，而是需要在學科新知識和學生原有知識之間搭建支架，給學生提供時間去思考討論，吸收內化，進一步促進學生對新知識的建構。2009年，美國哈佛大學教授Eric Mazur提出了一種基于Clicker的講授法——同伴教學法(Peer Instruction)[1]。這種基于概念問題的學生自主學習和合作探究學習方式，有效地改變了傳統(tǒng)課堂的教學手段、教學模式和教學方法。研究表明，同伴討論的確增強了學生對概念問題的理解[2]。我們在國內外課堂教學行為研究的基礎上，通過設計的師生教學行為分析系統(tǒng)(Analysis System of Teachers and Students’ Interactive Behavior, 簡稱ASTSIB)對華中師范大學基于Clicker的大學物理研討課堂進行了實錄分析。相應地，本文也進行了實時課堂觀察和個案研究。一方面，為了初步探索同伴教學法內部的知識建構過程；另一方面，力圖為教師客觀分析教學過程，促進學生認知轉變,從而進一步提高教學質量提供一些參考。

1 師生教學行為研究

課堂教學活動是由一系列教學行為組成的，按照教與學的主體，教學行為可以分為教師行為和學生行為。本文主要研究的是教師的課堂教學行為和學生的課堂學習行為。

1.1 研究工具

在國外，分析課堂教學過程和了解師生教學行為的量化分析方法主要有S-T分析法(Student-Teacher分析法)、20世紀60年代，美國密歇根大學教育學教授弗蘭德斯(Ned A.Flanders)提出的弗蘭德斯互動分析系統(tǒng)FIAS (Flanders Interaction Analysis System)[3]、1971 年，布羅菲和古德研制出基于課堂觀察的布羅菲-古德雙向互動系統(tǒng)BGDIS(Brophy-Good Dyadic Interaction System)、1995年和1999年，國際上進行的TIMSS(The Trends In International Mathematics and Science Study)錄像研究[4]以及20世紀90年代，皮安塔(Pianta)和哈默(Hamre)開發(fā)的課堂互動評估系統(tǒng)CLASS(Classroom Assessment Scoring System)[5]。本研究經過對我國大量網絡教學視頻以及實時課堂教學的反復觀察記錄和編碼分析，在前人研究的基礎上，對FIAS進行了優(yōu)化設計，形成了如表1所示的“師生教學行為分析系統(tǒng)”。

1.2 實證研究

根據(jù)ASTSIB提供的方法，本研究對華中師范大學基于Clicker的大學物理研討課堂進行了實錄分析。我們一共選取了23節(jié)課堂教學實錄為試驗對象，其中有14節(jié)講授課和9節(jié)研討課。

表1 師生教學行為分析系統(tǒng)

(1) 講授式課堂教學

課堂觀察中，每3秒鐘取樣一次。通過Excel軟件對記錄的編碼進行分析，我們分別得到了講授式課堂教學師生行為比率動態(tài)折線圖和講授式課堂教學師生行為分析矩陣。現(xiàn)以畢奧-薩伐爾定律為例，詳細地展現(xiàn)傳統(tǒng)的講授式教學中師生行為的規(guī)律和特征，如圖1和圖2所示。

圖1 講授式課堂教學師生行為比率動態(tài)折線圖

圖2 講授式課堂教學師生行為分析矩陣

從圖1中，不難發(fā)現(xiàn)，除了上課的前5分鐘和下課前的1分鐘有師生行為的交替外，整個課堂一直處于教師講授的狀態(tài)。結合實錄視頻和編碼結果，可以觀察到具體細節(jié)。上課時，課堂出現(xiàn)了短時間的混亂，學生到座位上并沒有安靜下來。這時，教師通過點名提問的方式回顧舊知，同學們逐漸開始聚焦到教師所提出的問題。因此，這段時間出現(xiàn)了師生行為的交替，教師和學生開始有了頻繁的互動。而后，教師開始新課講授。在此期間，教師除了有少許的口頭分析和開放性提問等教學行為外，大多都是對照PPT講授新知。因此，學生的參與度逐漸降低，直至為零。到了即將下課的小結部分，教師通過提問，學生開始有所思考和小范圍討論，不過學生的學習行為并不顯著?？傮w而言，講授式課堂教學師生行為編碼相對單一，反映出上課形式也相對單一，教師的教學行為占據(jù)絕對主體。

圖3 研討式課堂教學師生行為比率動態(tài)折線圖

每個編碼與后一編碼可組成一個編碼對，編碼對出現(xiàn)的次數(shù)越多，則分析矩陣中相應格子里的數(shù)字就越大。在講授式課堂中，數(shù)字最大的格子對應的編碼對，也即是出現(xiàn)次數(shù)最多的編碼對是(5 5)。這說明教師的講授行為是課堂中出現(xiàn)最多的行為，反映出課堂最穩(wěn)定的狀態(tài)是教師講授。其次，較多的編碼對是(4 5)和(5 4)，這表明教師在講授過程中，提問也比較多，達到71次。但大多都是開放性問題，占教師提問比例84.51%，絕大部分學生并沒有積極地思考和反應。據(jù)統(tǒng)計，教師行為比例為94.76%，學生行為比例為5.24%。其中，教師下行型互動比例為90.51%，遠超過教師上行型互動比例。值得注意的是，在本次講授式課堂上，學生無意義狀態(tài)(編碼13)的比例達到了35.71%，這反映出傳統(tǒng)的講授式教學中出現(xiàn)了較多混亂或者沉寂的無效課堂時間。另外，學生主動互動的比例為零，學生討論和交流的比例為零。這表明學生在課堂上根本沒有發(fā)揮自身的主動性，教師占用了大部分的課堂時間。

(2) 研討式課堂教學

同理，我們分別得到了研討式課堂教學師生行為比率動態(tài)折線圖和研討式課堂教學師生行為分析矩陣。現(xiàn)以磁場的高斯定理和安培環(huán)路定理為例，詳細地展現(xiàn)基于Clicker的研討式教學中師生行為的規(guī)律和特征，如圖3和圖4所示。

圖4 研討式課堂教學師生行為分析矩陣

從圖3中，不難發(fā)現(xiàn)，本堂課的師生互動頻率較傳統(tǒng)的講授式課堂有所提高。同時，學生之間的同伴討論頻次也增多了。結合實錄視頻和編碼結果，我們發(fā)現(xiàn)：上課時，教師首先給大家提出了本堂課的要求，介紹了研討課的流程。因為是新授課，所以教師在前2/3的課堂時間內主要是講授新知，期間伴隨著提問，學生也有回答和思考。由于后面有問題研討，因此，學生的熱情和專注度明顯高于講授式教學。在講完新課后，來到了研討環(huán)節(jié)，學生首先自主思考進行判斷投票。而后，教師根據(jù)投票結果要求學生參與討論，最后再分析總結。在這一部分，學生行為明顯高于教師行為，也比較符合研討課的特征，即“以學生為主體，以問題為導向”。

從圖4來看，出現(xiàn)次數(shù)最多的編碼對是(5 5)。與講授式教學相同，教師的講授行為是課堂中出現(xiàn)最多的行為。除此之外，較多的編碼還有(4 5)、(11 11)和(5 4)，即教師的提問行為和學生之間的討論交流行為。據(jù)統(tǒng)計，教師行為比例為84.77%，學生行為比例為15.23%。其中教師下行型互動比例為88.22%，相比于講授式教學有了明顯下降。很顯然，研討課上的學生有了更多的自主時間，參與學習的行為比例也有了大幅度的提高。同時，學生主動互動比例為31.97%，學生討論交流比例達到50.82%，學生在課上能發(fā)揮能動性的機會增多。教師提出開放性問題占教師提問比例46.75%，與封閉性問題比例相近，這更能促進學生的思考和回答。國外有關研究指出，當課堂內容強調的行為復雜性層次較低時，封閉性問題和開放性問題的最佳比例是7∶3；當課堂內容所強調的復雜性層次較高時，兩者最佳比例是 6∶4[6]。值得關注的是，學生無意義狀態(tài)(編碼13)的比例降低至2.46%，這表明基于Clicker的大學物理研討課對于提高學生的專注度，促進學生的學習有著重要的作用。

2 個案研究

以上討論了基于Clicker大學物理研討課的整體效果和師生行為表現(xiàn)。為了進一步探索學生行為是如何促進知識建構的，我們深入到某個研討小組中，不僅對他們的語言表述和手勢動作進行了觀察分析，而且相當程度地參與到他們的研討中。經過對研究對象多次的參與式觀察和調查，我們發(fā)現(xiàn)學生經常會采用如下幾種方法去陳述觀點，說服同伴(參見表2，按最多兩項選擇)。

表2 研討過程中學生陳述觀點的方式

例： 一個平行板電容器，充電后與電源斷開。當用絕緣手柄將電容器兩極板間距離拉大，則兩極板間的電勢差U12、電場強度的大小E、電場能量W將發(fā)生的變化正確的是(C)。

A.U12減小，E減小，W減??；

B.U12增大，E增大，W增大；

C.U12增大，E不變，W增大；

D.U12減小，E不變，W不變；

E. 不確定。

就這一問題，全班83名學生在研討前后的投票結果如圖5所示。其中，某組4名同學圍坐在一起討論該題，S1和S2選C，S3選B，S4選擇A。他們之間的對話如下：(S代表同學，TAs代表助教)

圖5 投票結果

(1) S2：電源斷開，不是Q不變嘛？

(2) S1：對，Q不變。

(4) S1：d變大了。

(6) S3：能量，是能量。

(8) S1：W增大。

(9) S2：Q不變，所以W增大。

(10) S1：對。

(11) S1：然后E不變，是根據(jù)那個，那個……U=Ed。

(13) S1：對，有點強行解釋了。

(14) S2：其實我有點不確定，所以選了C。

(16) S2：就是那個能量，在高中沒有學過。

這一階段的研討，S2發(fā)現(xiàn)電勢差U和能量W都是依靠直接的公式(straightforward plug-and-chug)判斷而來，卻不清楚電場E該如何判斷。由此表明，物理并非只是一系列的事實和一系列的方程式，即使背誦下來，大多數(shù)學生也無法去解決復雜的問題。這些問題便要求學生對物理進行深入思考，并對概念有著深入的理解，同時還要有條理的知識結構[7]。因此，我們應當多關注物理推理問題，并開展有效的同伴討論和教師講解。如此一來，學生不僅可以獲得問題解決方法，而且在做完題后還能夠評估出我們想讓他學習到什么。

(17) TAs：能量，那其他物理量都是根據(jù)高中知識判斷的嗎？

(18) S1，S2，S3，S4：恩，對的。

(19) S2：那現(xiàn)在用大學知識該怎么判斷呢？想一想……

(20) ……(積極思考)。

(21) S1：電位移耶。

(22) S2：電位移通量是吧，就是那個積分嘛。

(23) TAs：哪個積分？

(24) S2：就是電介質中的高斯定理。

(25) TAs：怎么判斷的呢？

(26) S2：積分方程右邊等于Q嘛，Q不變，那么等式左邊不變。左邊的話，面積不變，所以電位移不變，所以場強不變。所以選C啊。

(27) TAs：那U怎么判斷呢？

(28) S2：U不等于Q除以C嘛……哦，應該要用大學知識來解釋哈。

(29) TAs：既然E都知道了，那U呢？它們之間什么關系?。?/p>

(30) S2：U等于E乘以d啊，d增大了呀，所以U增大啊。

(31) TAs：U表示電勢差，E是場強，它們之間的普遍關系式是什么啊？

(32) S2：E等于U除以d，U等于E乘以d。

(33) S1：哦，應該是要積分U=∮E·dl。

(34) S2：哦，積分。

(35) TAs：那大學物理和高中物理的主要區(qū)別是什么?。?/p>

(36) S2：大學就是積分。

(37) TAs：與高中相比，大學物理更加注重分析過程。

(38) S2：因為高中物理知識都是基于常量，都是不變的，對吧？

(39) TAs：可以這么說。那U判斷出來了，W呢？

(41) TAs：那W還有很多公式啊。

(43) S1，S3：不能。

(45) S2：對，Q不變，C減小，所以W增大。

(46) TAs：很好。請問平行板電容器的電容等于多少??？

(48) S2：哦，這個也可以判斷C的大小。d增大，S不變，C便減小。

在S2快速轉變后，助教提出問題(第35條)。S2快速回答，“大學就是積分”(第36條)。由此看來，在S1的提示和助教的引導下，S2發(fā)生了最終轉變，逐漸意識到了積分的重要性。隨后，同學們對于有關能量W的公式也能很好的區(qū)分，判斷W的變化也變得游刃有余。

圖6 研討課學生思維過程

通過對大量研討課案例的研究，我們發(fā)現(xiàn)了學生認知的豐富性和復雜性。他們的認知轉變是一個相對靈活的動態(tài)過程，其思維過程如圖6所示。因此，學生的推理應該由更加豐富和復雜的標準去判斷，教師應重視對學生思維過程的評價，而不只是看他們答案正確與否這樣一個簡單標簽[8]。同時，轉換學生在一個問題上的認識以及整合不同種類知識，是幫助學生有效解決物理問題的重要方法。這就要求教師要學會從學生那里獲得反饋，盡量多了解學生的想法，積極引導，提供建構，給學生做出反饋，促進學生在概念框架的情境中理解事實和觀念，用易于提取和應用的方式組織知識[9]。

3 研究結論

從本質上講，物理研討式教學是建構主義學習理論在物理課堂教學中的應用，是研究性學習理念在物理課堂教學中的體現(xiàn)。而信息技術的持續(xù)導入又影響著教育生態(tài)的重構，為創(chuàng)建學習環(huán)境和發(fā)展學生能力提供了機遇。本文研究表明基于Clicker的研討式教學將傳統(tǒng)的講授式教學和信息技術手段進行了有效結合，在大學物理課堂上取得了不錯的教學效果。具體來講，研究結論如下：

1) 從量表統(tǒng)計分析中可以看出，大學物理講授式課堂教學中的師生行為相對單一，上課形式也相對單一，教師的教學行為占據(jù)絕對主體。相比之下，基于Clicker的大學物理研討課則以學生為主體，以問題為導向，能充分給予學生自主討論的時間。這對于提高學生的專注度，促進學生的學習有著重要的作用。

2) 從成績對比以及個案研究中，我們總結得到了學生在研討課中的思維過程。結果表明，基于Clicker的大學物理研討式教學通過加強學生對知識的判斷練習，有效地促進了學生元認知技能的發(fā)展。這樣不僅可以增強學生思考時的自我意識，而且還可以促使學生產生更多的新思想、新方法、更高層次的推理以及更好的知識遷移。

3) 從訪談調查中，我們發(fā)現(xiàn)大部分同學在研討課前，學會了合理分配時間進行預習；研討課中，知道對自己的認知過程進行自我意識、監(jiān)控和調節(jié)；研討課后，懂得進行錯題訂正，自我反省和總結復習。這表明基于Clicker的大學物理研討課給學生帶來了許多學習行為上的積極變化。

總之，基于Clicker的大學物理研討課可以支持以獨立性和自我調控為目標的元認知技能發(fā)展。這種元認知教學模式與物理學科相整合，不僅可以促進學生的思維活動，提高學生對傳統(tǒng)問題的解決能力，而且還能在一定程度上發(fā)展學生獨立學習和語言表達的能力。

■