基于Clicker的交互式教學對科學推理能力的培養(yǎng)研究

謝 麗，楊長銘 （長江大學物理科學與技術學院，湖北 荊州434023）

包 雷 （俄亥俄州立大學物理系，美國俄亥俄州 哥倫布43210）

科學推理能力是能力的核心，是創(chuàng)造力的基礎［1］。隨著科學技術的飛速發(fā)展，人們將會在今后的工作中不斷面對新的問題和挑戰(zhàn)，這就要求學生擁有較強的科學推理能力來解決今后工作和生活中面對的新問題。對于今后致力于從事科學、技術和工程行業(yè)的理工科學生來講，具備較高的科學推理能力就顯得更加重要。傳統(tǒng)的講授式教學已不能有效的幫助學生提高他們的科學推理能力［2－4］?；诖?，筆者對課堂應答系統(tǒng) （Clicker）運用于大學物理課堂進行了研究??長江大學教學研究項目 （JY2012005）。。

1 Clicker簡介

課堂應答系統(tǒng) （Clicker）最早于1992年應用于哈佛大學等少數(shù)美國高校。經(jīng)過近20年的發(fā)展和完善，在美國已經(jīng)有700所大學和眾多的中小學在使用這種課堂應答系統(tǒng)。而隨著教育技術手段的發(fā)展，我國也于2008年起逐步將這種應答系統(tǒng)應用到教學中來。研究結(jié)果表明，很多學生的學習興趣大大提高，學習相關課程的熱情也更加濃厚，學習成績也有了大幅度的提高［5－6］。課堂應答系統(tǒng)主要由教師遙控器、學生投票器 （每人1個）、接收器以及配套的軟件組成。學生可以將自己的答案利用手中的投票器發(fā)送至與計算機相連的接收器中，計算機中安裝的Clicker數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)會在接收到信號后立即對收集到的信息進行處理，最后將學生的投票結(jié)果以柱狀圖或百分比的形式反饋在屏幕上。因此它可以將課堂教學、課堂測試、投票表決、游戲活動、竟猜學習、教學評估等有機地結(jié)合起來，在現(xiàn)有大部分教室“一臺電腦一部投影儀”的基礎上，既可實現(xiàn)傳統(tǒng)課堂所不能實現(xiàn)的及時互動教學，又能統(tǒng)計并生成各種報表幫助教師和學生了解學習動態(tài)，還能夠自動點名，協(xié)助課堂管理。

2 研究過程

2．1 被試的選取

從長江大學學習 《大學物理》課程的二年級理工科學生中抽取了8個平行班，分為4個控制班和4個實驗班，分別由2名教學素質(zhì)相當?shù)闹星嗄杲處熯M行授課，教學過程中使用同樣的教材、課件和習題資料并完成相同的教學內(nèi)容。對于4個控制班，采用傳統(tǒng)的講授式教學方法，4個實驗班則使用基于Clicker的交互式教學方法，探究新的教學方法對學生科學推理能力的培養(yǎng)效果。

2．2 測量工具的設計

在研究中，以 Lawson測試卷［7－8］為基礎，擴展了測評的子類，將原有的題目數(shù)由24增加到30，如在傳統(tǒng)的概率題中增加了條件概率和貝葉斯概率、在相關性題中增加邏輯推理和因果推理。此外，在該測試卷中，有的題目還采用題目組的形式，每組題中包括2道或者多道試題，這樣的設計使研究者不但可以測試學生推理水平，同時還可以了解被試的思維推理過程。表1列出了測試卷中的題目所對應的科學推理能力的相關維度。

表1 測試卷維度信息

學生選項正確則計1分，總分為30分，研究采用Cronbachα因子法檢測量表的信度，且α＝0．768，與Lawson Test的結(jié)果相近，證明了新量表的可靠性和穩(wěn)定性。

3 Clicker在課堂教學中的應用過程

在實踐過程中，教師先將整個學期教學進度表和每堂課的課前閱讀作業(yè)公布在 《大學物理》課程網(wǎng)站上由學生先行下載，并遵循教學進度表的安排授課。每次課的開始階段，教師設置一個相關概念的測試題，檢查學生的預習狀況，且投票結(jié)果算作期末成績的額外加分，最高可以加5分，這樣可以激勵學生在課前進行自我閱讀。在使用Clicker進行投票時，將物理概念以生活、工作、生產(chǎn)、科技等不同的背景材料呈現(xiàn)給學生，設定好投票的時間為2～3min，如果大多數(shù)學生 （≥70%）在概念測試中選擇了正確的答案，教師就繼續(xù)下一個知識點的講解；如果選擇正確答案的學生比例較低 （＜30%），教師則放慢速度，把這個知識點講解的更細致一點。這種按需重復的方法，能夠防止教師預期結(jié)果和學生實際理解程度之間的鴻溝不斷擴大。同時在教學過程中，依據(jù)教學內(nèi)容難易程度，也采用了不同的教學模式。內(nèi)容簡單學生熟悉的課程，采取 “課前預習－課堂討論投票－反饋結(jié)果－補充講解－進入下一個知識點”的模式，如質(zhì)點運動學；對于內(nèi)容較難的部分，則采取了 “課前預習－教師講解相關內(nèi)容－學生投票考查－反饋結(jié)果－重復講解或進入下一個知識點”的模式。針對學生的投票和討論會占用相應教學時間的問題，則通過減少例題講解的數(shù)目和習題課的時間來完成傳統(tǒng)課程相同的教學內(nèi)容。雖然老師的講解時間減少了，但是卻可以把大量的學習任務由學生自己課后來完成，真正做到了學生 “自主”學習。

4 數(shù)據(jù)分析

表2 科學推理能力測試的結(jié)果 （30道題）

開學初的第1節(jié)課，對2組學生的科學推理能力進行了第1次測試，學期末的最后一節(jié)課進行了第2次測試，測量的結(jié)果如表2所示。由于各獨立樣本分布類型檢驗中α＜0．05不符合正態(tài)分布，因此對控制組和實驗組的2次測試結(jié)果比較，采用非參數(shù)獨立樣本差異檢驗?？刂平M和實驗組的第1次測試數(shù)據(jù)表明，2組樣本在開學初的科學推理能力沒有顯著性差異 （t＝0．54，p＝0．395）。

通過一個學期的學習后，控制組和實驗組的第2次測試成績均有提高，依據(jù)公式 （1）可得控制組的絕對增益為1．33% （相當于0．4道題），實驗組的絕對增益為5．00% （相當于1．5道題），絕對增益的計算公式如下所示：

采用相關樣本t檢驗后，發(fā)現(xiàn)控制組的科學推理能力的第2次測試結(jié)果雖然略高于第1次測試結(jié)果，但是2次測試的結(jié)果卻沒有顯著性差異 （t＝1．344，p＝0．185，effect size＝0．5），說明這一階段學生的科學推理能力在統(tǒng)計學意義上沒有顯著變化。而實驗組學生的2次測試結(jié)果在0．001水平差異顯著 （t＝5．47，p＜0．001，效應量effect size＝0．6）。效應量effect size＝0．6說明顯著性差異不是由樣本量造成的而是由教學模式和教學方法引起的。由此可以得出，基于 “Clicker”的互動式、探究式教學模式有利于學生科學推理能力的提高。同時，將控制組和實驗組的第2次測試結(jié)果進行比較發(fā)現(xiàn)，雖然開學初2組樣本的科學推理能力差異不顯著，但是經(jīng)過1個學期的不同教學模式的學習后，科學推理能力在0．01水平差異顯著 （t＝2．589，p＜0．01）。

5 結(jié)論與建議

經(jīng)過半年的實踐研究，運用傳統(tǒng)的講授方法進行教學的控制組的學生，其前后測的測量結(jié)果差異不顯著，即他們的科學推理能力水平?jīng)]有明顯的發(fā)展和變化；而基于Clicker的交互式方法進行教學的實驗組的學生，其科學推理能力測試結(jié)果的絕對增益為5．00%±0．02% （0．02%為標準誤），且差異顯著。綜上，不難看出學生科學推理能力的發(fā)展受到教學模式的影響，因此教師在教學的過程中不僅僅要注意教什么，更重要的是怎么教。

上述研究為學生科學推理能力的培養(yǎng)提供了新的途徑和方法，但是研究結(jié)果僅僅是基于一個學期的實踐，對運用課堂應答系統(tǒng)，創(chuàng)設交互式課堂提高學生科學推理能力的有效性還需要繼續(xù)跟蹤檢驗。筆者將在后續(xù)的研究中擴大Clicker的使用班級，延長研究的時間，在深度和廣度上加強實踐，使學生在學科知識和科學推理能力方面都能夠得到顯著提高。

［1］嚴文法，胡衛(wèi)平 ．國外青少年科學推理能力研究綜述 ［J］．外國中小學教育，2009（5）：25－30．

［2］Bao Lei，CaiTianfang．Learning and scientific reasoning ［J］．Science，2009，323 （1）：586－587．

［3］楊燕，郭玉英，魏昕，等 ．高師理科教學與學生科學推理能力的培養(yǎng) ［J］教育學報，2010（2）：42－45．

［4］張軼炳，白明俠，黃昭，等 ．中美大學生科學推理能力差異的調(diào)查研究 ［J］．咸陽師范學院學報，2011（2）：112－115．

［5］黃致新 ．基于Clicker的交互式、探究型課堂教學及其研究進展 ［J］．物理教學探討，2010，28（391）：1－3．

［6］蔡天芳．Clicker在創(chuàng)建互動課堂和研究性教學中的應用 ［J］．中國教育信息化，2009（15）：17．

［7］Lawson A E．Development and validation of a classroomtest of formal reasoning ［J］．Journal of Research in Science Teaching，1978，15 （1）：1－24．

［8］Lawson A E．Development and validation of the classroom test of formal reasoning ［J］．Journal of Research in Science Teaching，2000，15 （1）：11－24．