近5年物理學(xué)科計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)研究的文獻(xiàn)綜述

洪穎 崔非凡

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

1 引言

計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(CAI，Computer-Assisted Instruction的簡(jiǎn)稱)，是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行教學(xué)的過程．隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)逐漸出現(xiàn)在了物理教育的研究視野中．受到2019年的新冠疫情沖擊，國(guó)內(nèi)和國(guó)外的物理教育網(wǎng)絡(luò)課程和虛擬實(shí)驗(yàn)成了遠(yuǎn)程教學(xué)中最核心的部分．因此，國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者都對(duì)物理學(xué)科計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)展開了不同角度、深度和層次的研究．

本文通過檢索期刊《物理評(píng)論-物理教育研究》

(PhysicalReview-PhysicsEducationResearch,PRPER)、《物理教師》、《物理教學(xué)》、《大學(xué)物理》、《物理實(shí)驗(yàn)》，對(duì)其中物理學(xué)科計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)相關(guān)論文進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，撰寫文獻(xiàn)綜述，以期了解近5年來國(guó)內(nèi)外物理學(xué)科計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)研究的整體情況．

2 研究設(shè)計(jì)

在此研究中，筆者先在《物理評(píng)論-物理教育研究》期刊官網(wǎng)檢索框輸入“online teaching”“remote teaching”“computer-based teaching”進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，檢索得到24篇2016年到2021年的論文．其次，筆者在CNKI檢索框輸入主題為“在線教學(xué)”“虛擬實(shí)驗(yàn)”“仿真”“計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)”，并分別以“物理教師”“物理教學(xué)”“大學(xué)物理”“物理實(shí)驗(yàn)”為關(guān)鍵詞進(jìn)行高級(jí)檢索，得到2016年到2021年的論文總計(jì)53篇．

3 研究結(jié)果

3.1 研究對(duì)象

首先，筆者對(duì)國(guó)內(nèi)外77篇文獻(xiàn)的研究對(duì)象進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析．具體情況如表1所示．

表1 2016-2021年物理學(xué)科計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)研究對(duì)象

由表1可知，國(guó)內(nèi)關(guān)于物理學(xué)科計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)研究以本科生課程為主要研究對(duì)象，其次為高中課程，初中生課程的教育研究相對(duì)較少，針對(duì)教師群體的研究結(jié)果為零．可見針對(duì)教師群體、初中課程方面的研究需要更多的投入，以補(bǔ)充其不足．

國(guó)外研究以本科生課程為主要研究對(duì)象，更傾向于選擇本科生課程，高中生和初中生課程研究較少．此外，國(guó)外還有針對(duì)教師群體的相關(guān)研究．

由此可見，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究的研究對(duì)象覆蓋面比較廣，數(shù)量相對(duì)均勻，側(cè)重點(diǎn)更偏向于高中生和本科生的物理課程，這是我國(guó)物理教育研究的一大優(yōu)點(diǎn)．但是目前尚缺乏針對(duì)教師群體的相關(guān)研究．

部分論文同時(shí)涉及教師群體和本科課程，因此表中數(shù)據(jù)有重復(fù)．

3.2 研究發(fā)展

2016年到2021年國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究數(shù)量變化如表2、圖1所示．中文論文數(shù)量從2019年到2020年有顯著的提升，英文論文數(shù)量從2019年到2021年穩(wěn)步增長(zhǎng)．總體上，2016年到2021年國(guó)內(nèi)外研究數(shù)量都呈上升趨勢(shì)，在2020年和2021年分別達(dá)到最多．論文數(shù)量在2019年開始穩(wěn)步上升和新冠疫情的刺激有一定的關(guān)系．

表2 2016-2021年物理學(xué)科計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)研究發(fā)展

圖1 2016-2021年物理學(xué)科計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)研究發(fā)展

3.3 研究方法

筆者對(duì)國(guó)內(nèi)外的77篇論文的研究方法進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，具體情況如表3所示．

表3 2016-2021年物理學(xué)科計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)研究方法

由表3可知，國(guó)內(nèi)關(guān)于物理學(xué)科計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的研究方法以非實(shí)證研究為主，所占的比例為54.72%，而53篇論文中，仍有17篇量化研究，但采用混合研究的論文只有一篇．國(guó)外關(guān)于物理學(xué)科計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的研究方法以實(shí)證研究為主，非實(shí)證研究論文占比為零．

3.4 研究?jī)?nèi)容

3.4.1 國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)研究?jī)?nèi)容

筆者先對(duì)國(guó)內(nèi)53篇文獻(xiàn)的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析．具體情況如表4所示．

表4 2016年—2021年國(guó)內(nèi)物理學(xué)科計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)研究?jī)?nèi)容

由表4可知，國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)研究主要集中在關(guān)于虛擬技術(shù)輔助教學(xué)、在線教學(xué)研究；大部分文獻(xiàn)集中在2019年以后，針對(duì)新冠疫情背景下的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)、普通物理教學(xué)和高中課程教學(xué)進(jìn)行探討和實(shí)踐．虛擬技術(shù)輔助教學(xué)主要討論了可能幫助學(xué)生學(xué)習(xí)物理的仿真技術(shù)、智慧平臺(tái)等；在線教學(xué)主要研究疫情背景下網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)實(shí)施方法和效果．少量有關(guān)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的研究文獻(xiàn)系統(tǒng)討論了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課的遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)．

下面本文將舉例分析各類型研究?jī)?nèi)容的梗概、方法、結(jié)果和評(píng)價(jià)．

(1)虛擬技術(shù)輔助教學(xué)

文獻(xiàn)[1]通過NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)設(shè)計(jì)了高中“帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”仿真實(shí)驗(yàn)課程．他們分別對(duì)課堂教學(xué)流程和例題仿真繪制進(jìn)行了細(xì)致的設(shè)計(jì)．但是仍然缺少相應(yīng)的教學(xué)反饋數(shù)據(jù)說明此種技術(shù)的可行性和教學(xué)效果．

文獻(xiàn)[2]研究了虛擬技術(shù)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，并將信息化教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)作了比較，提出“不能丟掉黑板”“慎用仿真動(dòng)畫實(shí)驗(yàn)”等觀點(diǎn)，為教師在面對(duì)信息化教學(xué)浪潮下的辯證思考和抉擇提供了借鑒．但是他們的研究是非實(shí)證研究，說服力仍然不足夠．

在這方面的研究中，能反饋教學(xué)效果的文獻(xiàn)較少，例如文獻(xiàn)[3]，報(bào)告了使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的本科生的學(xué)習(xí)效果，使用問卷調(diào)查的方法對(duì)其進(jìn)行使用頻率、學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)，量化分析了學(xué)生使用虛擬仿真技術(shù)的學(xué)習(xí)反饋，能較好地說明其虛擬技術(shù)的可行性和不足之處．

總體來說，國(guó)內(nèi)研究者側(cè)重于虛擬教學(xué)技術(shù)的開發(fā)、應(yīng)用，而不重視調(diào)查和分析驗(yàn)證工作，大部分文獻(xiàn)缺少有說服力的數(shù)據(jù)證明其虛擬技術(shù)在輔助物理教學(xué)過程中的可行性，研究有待改進(jìn)．

(2)在線教學(xué)

在線教學(xué)主要包括網(wǎng)絡(luò)課程效果的研究和在線教學(xué)設(shè)計(jì)兩類研究．

文獻(xiàn)[4]進(jìn)行了基于PDCA循環(huán)的物理在線教學(xué)設(shè)計(jì)和質(zhì)量管控,不僅能提出和設(shè)計(jì)在線教學(xué)在PDCA循環(huán)中每一個(gè)詳細(xì)步驟，還設(shè)計(jì)了教學(xué)反饋調(diào)查量表，在為教學(xué)設(shè)計(jì)產(chǎn)品提供可靠數(shù)據(jù)支撐的同時(shí)給予使用此類教學(xué)設(shè)計(jì)的教師以反饋方式的借鑒．從開發(fā)到量化觀察分析研究成果，PDCA循環(huán)的在線教學(xué)設(shè)計(jì)較為成功．類似地，文獻(xiàn)[5]提出了以概念圖為支架的云端一體化物理課堂的建構(gòu)與思考,也在開發(fā)了云端物理課堂的同時(shí)提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐，主要以學(xué)生的學(xué)習(xí)效果為衡量目標(biāo)量化分析學(xué)生的成績(jī)，也為疫情背景下的教學(xué)提供借鑒．

除了中學(xué)物理教學(xué)，文獻(xiàn)[6]針對(duì)本科物理在疫情背景下的在線教學(xué)進(jìn)行了系統(tǒng)、詳盡的課堂設(shè)計(jì)，包括如何利用雨課堂和釘釘進(jìn)行“課前預(yù)習(xí)、課中學(xué)習(xí)、課后復(fù)習(xí)”的全課堂過程，并使網(wǎng)絡(luò)直播教學(xué)和學(xué)生自主學(xué)習(xí)結(jié)合起來，創(chuàng)新地為線上教學(xué)提供了藍(lán)本．而與之相對(duì)應(yīng)地，文獻(xiàn)[7]采用訪談和調(diào)查兩種方法，量化地研究了學(xué)生的線上學(xué)習(xí)體驗(yàn)，對(duì)本科生的師生互動(dòng)頻率、學(xué)習(xí)壓力等因素做了統(tǒng)計(jì)和分析，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)線上學(xué)習(xí)總體上充滿認(rèn)可，并對(duì)未來線上線下混合教學(xué)有一定的期待．

總體來說，國(guó)內(nèi)研究者在在線教學(xué)設(shè)計(jì)方面的研究都十分詳盡，其中大部分文獻(xiàn)都能對(duì)線上教學(xué)課堂內(nèi)容和環(huán)節(jié)做出創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)．然而不足的是，只有少量文獻(xiàn)能夠提供具有說服力的教學(xué)實(shí)踐反饋數(shù)據(jù)．

(3)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)

隨著新冠疫情的到來，普通物理實(shí)驗(yàn)課也面臨著巨大的挑戰(zhàn)，遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)往往成為“停課不停學(xué)”時(shí)期的教學(xué)選擇．文獻(xiàn)[8]研究了本科生使用虛擬實(shí)驗(yàn)軟件完成近代物理實(shí)驗(yàn)的效果，并提供了關(guān)于本科生實(shí)驗(yàn)認(rèn)知和學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)生對(duì)比實(shí)操實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)的感受等方面的調(diào)查數(shù)據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)?zāi)芴峁┙o本科生更少的時(shí)空限制，提高他們的自主解決問題的能力．

3.4.2 國(guó)外文獻(xiàn)研究?jī)?nèi)容

筆者再對(duì)國(guó)外24篇文獻(xiàn)的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析．具體情況如表5所示．

表5 2016年—2021年國(guó)外物理學(xué)科計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)研究?jī)?nèi)容

由表5可知，國(guó)外針對(duì)物理學(xué)科計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的研究主要集中在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)、在線教學(xué)、虛擬技術(shù)輔助教學(xué)三大方面．另外有少量的論文涉及教師在線教學(xué)反饋．由于部分論文同時(shí)涉及遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)和教師反饋，所以其數(shù)據(jù)在表中重復(fù)記錄．

下面本文將舉例分析各類型研究?jī)?nèi)容的梗概、方法、結(jié)果和評(píng)價(jià)．

(1)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)

文獻(xiàn)[9]研究了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)中本科學(xué)生的自我效能評(píng)價(jià)和其他行為測(cè)量結(jié)果(如自我調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)技能)．研究本質(zhì)上是描述性的，并采用調(diào)查研究設(shè)計(jì)來檢驗(yàn)變量之間的關(guān)系，得出結(jié)論為遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)是有益于學(xué)生的．但是從方法論的角度來看，依賴于對(duì)學(xué)習(xí)和態(tài)度的自我評(píng)估和主觀評(píng)估，缺少客觀的數(shù)據(jù)．

文獻(xiàn)[10]使用了iOLab設(shè)備進(jìn)行本科生物理遠(yuǎn)程居家實(shí)驗(yàn)教學(xué)，設(shè)計(jì)了開放式項(xiàng)目讓學(xué)生參與．研究者運(yùn)用了E-CLASS量表進(jìn)行調(diào)查，并用三角分析法處理調(diào)查結(jié)果，得到了學(xué)生對(duì)開放式遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)課程大多持有積極態(tài)度的結(jié)論，而另一方面，遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)也造成了學(xué)生有更大的課業(yè)負(fù)擔(dān)、學(xué)生感到迷茫、學(xué)生之間合作困難等問題．

(2)在線教學(xué)

在線教學(xué)的研究文獻(xiàn)較多，是國(guó)外研究者關(guān)注的熱點(diǎn)．在線教學(xué)的相關(guān)研究主要包括兩個(gè)部分——在線教學(xué)學(xué)習(xí)效果、在線評(píng)估學(xué)生學(xué)習(xí)風(fēng)險(xiǎn)．

1)在線教學(xué)學(xué)習(xí)效果方面的研究

文獻(xiàn)[11]以本科生的計(jì)算物理、量子力學(xué)課程為例研究了遠(yuǎn)程訪談在在線教學(xué)中的效果．利用Zoom的功能，設(shè)計(jì)了一個(gè)半結(jié)構(gòu)化的訪談，并總結(jié)了在計(jì)算物理之外的環(huán)境中設(shè)計(jì)和進(jìn)行遠(yuǎn)程訪談的經(jīng)驗(yàn)．研究者以觀察和捕捉參與者行為、表情為主收集數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪談的學(xué)習(xí)也能達(dá)到很好的效果．

而文獻(xiàn)[12]考察了本科生的心理健康、物理動(dòng)機(jī)等，并試圖將這些因素與他們對(duì)在線教學(xué)的整體看法聯(lián)系起來．研究者計(jì)算了所有被測(cè)變量的描述性統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)總體上學(xué)生的態(tài)度是積極的，但是緊急遠(yuǎn)程教學(xué)對(duì)學(xué)生的自我調(diào)節(jié)能力、自我效能感和參與能力也有一定的挑戰(zhàn)．

2)在線評(píng)估學(xué)生學(xué)習(xí)風(fēng)險(xiǎn)的相關(guān)研究

文獻(xiàn)[13]研究了通過社交網(wǎng)絡(luò)的鏡頭檢查學(xué)生物理自我效能下降的方法．該文獻(xiàn)使用了線性回歸模型分析來自社交網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生經(jīng)歷的互動(dòng)類型對(duì)自我效能的形成很重要．

文獻(xiàn)[14]研究了物理入門課程中使用計(jì)算機(jī)自適應(yīng)測(cè)試來評(píng)估物理能力和提高考試成績(jī)．文中報(bào)告了3個(gè)實(shí)驗(yàn)，并發(fā)現(xiàn)雖然CAT在實(shí)際測(cè)試中顯示出了希望，但在實(shí)施CAT進(jìn)行總結(jié)性評(píng)估之前，還需要進(jìn)行更多的研究來改進(jìn)測(cè)試算法以提高可靠性．

類似地，文獻(xiàn)[15]使用機(jī)器學(xué)習(xí)識(shí)別物理課上最危險(xiǎn)的學(xué)生，應(yīng)用了隨機(jī)森林機(jī)器學(xué)習(xí)算法來預(yù)測(cè)入門力學(xué)的學(xué)生是否會(huì)獲得D或F的成績(jī)，并獲得了良好的預(yù)測(cè)效果．

(3)虛擬技術(shù)輔助教學(xué)

文獻(xiàn)[16]展示了虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境Student Researcher，它將模擬、多項(xiàng)選擇測(cè)驗(yàn)、視頻講座和游戲化整合到本科生的量子力學(xué)學(xué)習(xí)路徑中．通過奧爾胡斯大學(xué)的量子力學(xué)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，與以往的表現(xiàn)相比，在平臺(tái)上更加活躍的學(xué)生學(xué)習(xí)能力有所提高．

文獻(xiàn)[17]基于教育重構(gòu)模型設(shè)計(jì)了高中廣義相對(duì)論課程的合作在線學(xué)習(xí)環(huán)境．文獻(xiàn)[18]以矢量數(shù)學(xué)為例研究了如何通過計(jì)算機(jī)實(shí)踐提高物理基本技能．

以上的研究者都使用了測(cè)試或調(diào)查作為數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)．不同的是，文獻(xiàn)[19]使用了眼球追蹤的研究方法研究了計(jì)算機(jī)物理實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫和學(xué)生學(xué)習(xí)本科物理的交互性．

總的來說，對(duì)比國(guó)內(nèi)的虛擬技術(shù)輔助教學(xué)，國(guó)外研究者對(duì)測(cè)驗(yàn)游戲化、合作學(xué)習(xí)與計(jì)算機(jī)實(shí)踐、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫實(shí)驗(yàn)十分重視，并不僅僅局限于網(wǎng)絡(luò)課程和普通仿真．

(4)其他

另外，文獻(xiàn)[20]研究了在疫情下過渡到在線教學(xué)之后教師同行的教學(xué)方法、教學(xué)實(shí)踐情況和心理狀態(tài)，并使用貝葉斯因子進(jìn)行數(shù)據(jù)分析．結(jié)果發(fā)現(xiàn)，教師們沒有因?yàn)樾鹿诜窝自斐傻母蓴_而實(shí)施全新的教學(xué)方法，而是主要集中在通過視頻會(huì)議軟件和學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)提供講座．接受調(diào)查的一部分教師仍傾向于在教學(xué)上積極投入時(shí)間和精力，即使他們面對(duì)陌生的教學(xué)環(huán)境．

而文獻(xiàn)[21]分別從本科生和導(dǎo)師的角度進(jìn)行了在新冠肺炎大流行期間虛擬研究體驗(yàn)對(duì)大學(xué)生社會(huì)心理方面收獲的影響相關(guān)的研究．發(fā)現(xiàn)所有學(xué)生都表示，這種虛擬研究的經(jīng)歷非常有益，提高了他們的自我認(rèn)可、歸屬感．

4 總結(jié)與啟示

通過對(duì)近5年物理學(xué)科計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的研究文獻(xiàn)進(jìn)行分析，筆者發(fā)現(xiàn)，首先從研究對(duì)象來說，國(guó)內(nèi)的研究主要集中在高中生、本科生物理課程上，初中生課程有少量涉及，從針對(duì)學(xué)生群體的研究情況來看，我國(guó)研究覆蓋面相對(duì)廣，但是缺少針對(duì)教師或?qū)煹慕虒W(xué)研究；而國(guó)外的研究主要集中在本科生課程上，覆蓋面較窄．但是，國(guó)外相關(guān)研究能夠從學(xué)生和教師兩個(gè)角度進(jìn)行相關(guān)研究．

其次，從研究方法來說，國(guó)內(nèi)的研究以非實(shí)證研究為主，國(guó)外的研究以實(shí)證研究為主．國(guó)內(nèi)研究者能創(chuàng)新地開發(fā)許多線上教學(xué)資源，涉及面廣，有面向初中生、高中生、本科生的物理教學(xué)仿真平臺(tái)，但是只有少量研究者給出了這些仿真平臺(tái)應(yīng)用到教學(xué)中的效果和反饋數(shù)據(jù)；此外，國(guó)內(nèi)研究者獲取數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析的方式比較單一，而國(guó)外研究者往往在開發(fā)了物理教學(xué)平臺(tái)、設(shè)計(jì)了在線教學(xué)方案之后，對(duì)實(shí)際應(yīng)用中學(xué)生的反饋?zhàn)隽嗽敱M的統(tǒng)計(jì)和分析，獲取數(shù)據(jù)的方式十分豐富，包括眼動(dòng)追蹤、在線捕捉學(xué)生表情等，給予研究更豐富的數(shù)據(jù)支撐．

最后，從研究?jī)?nèi)容來說，國(guó)內(nèi)研究主要集中在關(guān)于虛擬技術(shù)輔助教學(xué)、在線教學(xué)的研究，有少量的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究，并有研究者提出了互聯(lián)網(wǎng)背景下進(jìn)行物理教學(xué)的展望；國(guó)外研究主要集中在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)、在線教學(xué)、虛擬技術(shù)輔助教學(xué)三大方面，有少量的論文涉及教師在線教學(xué)反饋．

因此，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究還有很大的研究空間，研究方法也有待提高，根據(jù)國(guó)內(nèi)相關(guān)論文的研究狀況，筆者建議研究者在未來不僅能提出有幫助的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)環(huán)境搭建技術(shù)和教學(xué)設(shè)計(jì)，還可以采取更加嚴(yán)謹(jǐn)、多元的方法進(jìn)行更深入的研究．我們只有不斷汲取各方研究的長(zhǎng)處，不斷改進(jìn)研究方法，完善研究?jī)?nèi)容，才能為中學(xué)生、本科生更好地學(xué)習(xí)物理、理解物理和應(yīng)用物理開辟一條寬闊明亮的道路，也為教師和導(dǎo)師進(jìn)行物理教學(xué)和項(xiàng)目管理提供更多的幫助．