合作或自主學習模式對不同學生成績影響的差異分析

寇桁菘 唐 淦 韓 笑 朱亞彬

(北京交通大學理學院,北京 100044)

大學物理實驗是理工類專業(yè)必修的一門實踐類課程,是培養(yǎng)大學生實踐能力、創(chuàng)新能力、動手能力、思辨能力的一門基本課程。以北京交通大學現(xiàn)有的大學物理實驗課程為例,其教學方案上仍然存在一些問題。首先,大學物理理論課和實驗課進度不一致,物理理論知識和實驗課內容脫節(jié),導致學生無法掌握基本知識;其次,學生對課程的態(tài)度不端正,課前預習不充分;最后,教改項目考查學生實驗能力的量表效度不高,問卷題目設置涉及所有實驗,而學生實行選做實驗,學生對于沒有做過的實驗,只能靠猜測回答,造成了“壞值”的出現(xiàn)。本文針對在現(xiàn)有教學模式下如何進一步提高學生成績,引入了合作學習或自主學習相關的教學理論,力圖在現(xiàn)有條件下找到適合學生的教學模式。

在現(xiàn)有的研究中,對合作學習模式或自主學習模式已有較為深入的探討。W.Sumanasekera等人通過改變教學策略并對比學生前后的成績變化,發(fā)現(xiàn)適當?shù)淖灾鲗W習(如視頻、游戲互動)可以有效地提高學生的成績,并且針對不同的學習目標可以改變自主學習的方式[1]。C.U.Bilgin等人在研究調查中發(fā)現(xiàn)游戲式的學習方式盡管在學習環(huán)境與課程態(tài)度上,游戲組與傳統(tǒng)組之間沒有顯著差異,但在團體凝聚力、得分和團隊評價上,游戲組要優(yōu)于傳統(tǒng)組[2]。另外,讓學生在探究的過程中帶著問題去解決實際問題,其學習效果更優(yōu)于普通教學模式[3]。合作學習營造了和諧積極的教學環(huán)境,學生可以自由地表達自己的意見和想法,而不必害怕批評或失敗,讓學生的能力在和諧的學習氛圍中獲得提升[4]。

但是值得注意的是,對于不同學習能力、不同成績的學生,采用相同的教學方式,其效果可能有所不同,這是由于不同個體間差異導致的結果[5,6]。所以合作學習模式以及自主學習模式對不同分數(shù)段學生成績的影響可能也不盡相同。

為了具體探究這種影響的差異,本次調查在原有的考查學生實驗能力量表的基礎上,進一步細化量表,讓學生在課程結束時只需回答他們所學過實驗的相關題目,提升問卷的有效性。同時,分別挑選在實驗過程中選擇過合作學習模式或者自主學習模式的學生,并依據(jù)本次測試成績的高低將他們分為不同的層次水平,進而分別研究合作學習或自主學習對他們的成績的提升是否顯著。

1 實驗課程介紹

大學物理實驗春季課程總體上分為兩個階段,必做實驗階段與選做實驗階段,內容涵蓋力熱聲光振動電學等知識,其中必做階段有3個實驗項目必做,另外1個實驗從3個開放的實驗項目中選1個,選做階段是在開放的12個實驗中選4個。現(xiàn)階段我們采用的教學模式為:學生預習課本填寫實驗報告,上課觀看教學視頻,老師講解實驗步驟,課下實驗數(shù)據(jù)處理,完成實驗報告。老師根據(jù)實驗操作、預習、實驗報告等方面進行打分,同時也開放了一部分實驗項目,學生以自己看MOOC視頻的方式進行學習,完成實驗報告。

2 測試方案

2.1 問卷設計

本次測試共使用兩套不同的量表,前測后測共用一套,中測用一套。前測和后測題目根據(jù)選做階段的實驗內容設計了15 道單選題,每道1分,共計15分。中測題目是由必做階段的實驗內容所設計的15 道單選題目和12 道主觀題目組成,因為本校學生在此階段只需完成四個實驗,所以學生只需選擇其中4題作答,每題1分,滿分為4分。這樣所測量出來學生的成績更加準確,防止學生因為對其他實驗不熟悉,而導致最后測試的數(shù)據(jù)不夠準確。同時我們也在問卷的后半部分結合合作學習與自主學習增加了一些主觀調查,并附上層次分析法量表。特別說明,本次項目設置中期測試題的主要目的是利用主觀測試題目,篩選出已在實驗過程中自主加入適當合作學習或自主學習模式的學生,從而在后期數(shù)據(jù)處理時提供一定的劃分范圍。而本次設置中期客觀測試題的目的是:其一,中期測試題目的選做類型是為以后大學物理實驗測試量表的形式提供一個新的思路;其二,在新版測試題目的框架下調查不同層次學生對于合作學習模式或自主學習模式的認知程度。其中影響本次數(shù)據(jù)分析的4道主觀題目見附錄A,層次分析法量表見附錄B。

2.2 測試過程

我們將整個測試過程分為前測—中測—后測三個階段,測試流程圖參見圖1。在學生開始實驗課程之前,用一套測試題對學生進行測試,作為空白對照組,得到學生的前測成績;待學生做完必做的三個實驗后,對學生進行中測(新版測試題),針對學生在實驗中可能采取的一些學習方式進行問卷調查,并測試學生在此課程階段的成績,得出中測數(shù)據(jù);最后在學生結束所有實驗時,用與前測相同的測試題對學生進行測試,得到學生的后測成績。

圖1 測試過程流程圖

在整個測試完成后,我們獲得三個測試量表的數(shù)據(jù)。首先從中測的主觀測試題中,我們篩選出在實驗過程中選擇了合作學習或自主學習的學生,然后根據(jù)學生的答卷情況剔除一些“壞”的數(shù)據(jù),并隨機選出適合進行單因子方差分析的“種子學生”,最后追蹤這些“種子學生”的前測和后測成績,進行單因子方差分析。其中前測與后測成績的滿分均為15分,為了方便統(tǒng)計,規(guī)定:0～5分為低分段;6～10分為中分段;11～15分為高分段。由于中期測試題目的客觀成績只是為了調查在中測試題框架不同層次學生對自主學習或合作學習模式的認知程度,所以未將中測成績的0分段到4分段劃分為與前后測成績一致的三個大類分數(shù)段。

本次調查以雨課堂與問卷星為測試工具,以北京交通大學2018級理工科學生為研究對象,共收集前測有效樣本570份,中測有效樣本560份,后測有效測試樣本555份。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 因素調查

我們對學生在實驗中的合作情況進行調查,將每個分數(shù)段合作或不合作的人數(shù)轉化為占該分數(shù)段總人數(shù)的百分比,統(tǒng)計情況見表1,并作散點圖后用平滑的曲線擬合,如圖2所示,虛線為采用合作學習方式的學生占比隨分數(shù)段變化的趨勢線。

表1 學生是否采用合作完成實驗的人數(shù)占比表

圖2 學生是否采用合作完成實驗的人數(shù)占比圖

隨著分數(shù)的上升,學生采用合作學習的比例逐漸增加,尤其在提分初期,此比例的增加最為明顯,這一點從0 分段到1 分段的激增可以看出。相比于低分段學生,高分段學生使用合作學習的比例更高。反過來,對于低分段學生來說,使用合作學習模式是提高實驗成績的手段之一。所以,在一定程度上,此項調查說明了合作學習對成績提升有積極作用。其中值得注意的是,從圖中①曲線可看出,零分數(shù)段的學生的比例是最低的,通過訪談后我們發(fā)現(xiàn),零分數(shù)段的學生一方面覺得自己的知識水平不足,不愿與別人交流,怕產生心理落差,另一方面是對于大學物理實驗興趣不高,只是單純地獲取學分。一分段合作學習比例最高,是由于在隨機抽取樣本時造成的誤差導致,忽略誤差影響可以說明上述結論,正如圖2中趨勢線所示。

另一方面,我們對影響學生大學物理實驗成績的主觀因素進行調查,采用層次分析法量表(如附件B所示)進行分析,其調查結果如表2所示[7]。

表2 主觀因素影響大學物理實驗課程成績的占比表

在學生的主觀因素中影響大學物理實驗課程成績的程度由重到輕依次為:自主學習、興趣程度、學習態(tài)度、難易程度和學分占比。從總體上看,現(xiàn)有教學模式下,更多的學生希望在實驗進行中增加必要的自主學習環(huán)節(jié),其比例達到了32.65%。通過學習過程的調研,我們發(fā)現(xiàn)學生在大學物理實驗教學的過程中課前預習本身也是一種自主學習的過程,但是學生更多的是將其視為一種“謄抄”作業(yè),并不能充分調動學生自主學習的積極性。另外在實驗階段,學生完成實驗時間的長短被作為一項評分標準,這樣雖然能夠在一定程度上督促提升預習的效率,但這并不能讓實驗小組之間通過交流來共同完成實驗,從而影響學生自主學習的積極性?？偠灾?在保證教學質量的前提下,避免“謄抄式”預習,適當調整實驗的評分標準,并增強小組之間的互動性是學生目前想要增加的自主學習的環(huán)節(jié)。

我們利用中測測試題統(tǒng)計了在整個學習過程中零至四分段的學生是否采用自主學習方法的占比情況,如表3所示。

表3 學生有過自主學習模式的人數(shù)占比表

從表3中,我們可以看出在不同成績的學生層次中,零分段和一分段的學生中有較多的人在實驗過程中自行加入了自主學習的學習任務,其人數(shù)占到全體中人數(shù)的29.46%和24.75%,而二分段到四分段的學生選擇自主學習的人數(shù)較少。我們對零分段和一分段的部分同學進行了后續(xù)的訪談工作。在訪談過程中,零分數(shù)段和一分數(shù)段學生更愿意在實驗過程中嘗試自主學習,一方面是因為他們在初高中的教學環(huán)境下并沒有體驗過自主學習的教學方式,老師只是將物理實驗道具拿到講臺上給同學們進行演示,甚至是單純地將知識板書給學生,并沒有一個可以讓學生自主探索知識的過程,例如小組合作完成實驗,或者小組以探討的形式去發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。另一方面是零分段和一分段的學生的基礎知識不夠牢固,從而導致他們在課堂上不能充分消化吸收課堂所學的知識,故他們需要在課后通過尋找一些知識來彌補自己與其他分數(shù)段同學的差距。最后,對于一些其他分數(shù)段的學生進行訪談后,我們發(fā)現(xiàn)他們嘗試自主學習的比例較低的原因。他們認為自己本身的知識儲備已經比較充實,盡管大學物理理論課的內容很多,但是通過上課老師對于重點內容的答疑解惑,他們能夠快速地掌握了理論知識,并通過實驗課的預習能夠快速掌握實驗的原理,因此不需要通過課堂以外的自主學習的手段去再獲取知識。另一主要方面是他們在高中的學習過程中,教學老師有充分的教學資源讓他們熟悉大學物理實驗的基本流程,并且在此過程中培養(yǎng)他們通過小組的形式去發(fā)現(xiàn)并解決問題的思維,所以他們覺得在大學物理實驗的課程中,并不需要花費很多的時間去自我搜集一些關于實驗本身的內容,只需要完成老師布置的預習任務以及課堂任務就能獲得他們要想的實驗成果。

3.2 單因子方差分析

3.2.1 原始數(shù)據(jù)處理

我們將三個不同大類分數(shù)段(低分段、中分段和高分段)的學生視作三個水平,用單因子方差分析的手段對數(shù)據(jù)進行分析,假設在本次實驗中的顯著性水平為0.05[8]。因為前中后測并不是強制要求全體學生參與,所以有很少的學生能夠完成三次測試,其次為了方便后續(xù)的控制變量,按照從每大類分數(shù)段挑選出的最低合格的人數(shù)來規(guī)定,這樣方便進行單因子方差分析。

篩選出在問卷調查中選擇合作學習的學生,我們統(tǒng)計了其前測與后測成績,并在前測量表的每一個分數(shù)段任意抽取8人作為樣本。設樣本個體的前測分數(shù)為x1,后測分數(shù)為x2,用兩次成績之差Δx=x2-x1來表示該個體的成績變化情況,計算所有樣本個體的Δx,得出樣本中三個分數(shù)段所有學生的成績變化量。

同時挑選出在實驗課程中選擇了自主學習的學生,在低、中和高分段學生的前測成績中,隨機抽取20個樣本。在本次實驗后期,跟蹤調查前測數(shù)據(jù)中所抽取的20個學生,對他們的測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,研究針對不同大類分數(shù)段學生采取自主學習模式后,他們成績是否有顯著地提升。

3.2.2 單因子方差分析

①建立原假設與備擇假設

H0:μ1=μ2=…=μk,自變量對因變量沒有顯著影響。

其中k為樣本個數(shù)

②計算有關均值

因素A的k個水平用A1,A2…A k表示,x ij表示第i個水平(總體)第j個觀察值。從不同水平中所抽取的樣本容量可以相等,也可以不等。

令表示第i個總體的樣本均值,則

其中n i為第i個總體的樣本觀察值個數(shù)。

令總均值為,則

式中n=n1+n2+…+n k

③計算誤差平方和

總誤差平方和SST是全部觀察值x ij與 總平均值的誤差平方和,可反映全部觀察值的離散程度。

水平項誤差平方和SSA 是各組平均值(i=1,2,…,k) 與總平均值的誤差平方和,反映了各水平總體的樣本均值之間的差異程度,因此又稱為組間平方和。

誤差項平方和SSE是每個水平或各組的各樣本數(shù)據(jù)與其組平均值誤差的平方和,反映了每個樣本各觀察值的離散狀況,因此又稱為組內平方和或殘差平方和。

④計算統(tǒng)計量

組間均方MSA 計算公式為

組內均方MSE的計算公式為

檢驗統(tǒng)計量F是MSA 與MSE的比值

⑤代入數(shù)據(jù)計算并得出統(tǒng)計決策

(a) 對于合作學習因素

令原假設與備擇假設式(1)中k=8,用Δx m代入x ij,由式(2)～式(9)計算上式各數(shù)據(jù)可得合作學習的方差分析表4和均值方差匯總表5。

表4 合作學習下的均值方差匯總表

表5 合作學習下的單因子方差分析表

(b) 對于自主學習因素

令原假設與備擇假設式(1)中k=20,由式(2)～式(9)計算可得三大類分數(shù)段學生成績統(tǒng)計表6,以及單因子方差分析表7。

表6 自主學習下的均值方差匯總表

表7 自主學習下的單因子方差分析表

⑥結果與討論

首先,在兩個單因子方差分析表中,兩個檢驗統(tǒng)計量F的值均大于其臨界值,其中表5的F=10.9381,Fcrit為3.448;表7的F=27.1449,Fcrit為3.15。這說明在顯著性水平為0.05下,經過合作或自主學習后,兩種學習模式對不同層次學生的成績的提升有顯著性的差異。

其次,將單因子方差分析的結果與不同層次學生前后的成績均值進行比較,我們可知低分段學生的提升程度要高于高分段的學生。分別在合作學習模式與自主學習下,低分數(shù)段的學生平均提高1.6分和2.6分,中高分數(shù)段的學生在前后測的成績中出現(xiàn)了不同程度的下滑,其中高分數(shù)段的學生成績下滑嚴重。通過對部分高分段學生的調查,我們認為高分段學生成績下滑嚴重的原因為:首先,高分數(shù)段的學生在學習過程中存在“瓶頸效應”,即高分數(shù)段學生知識水平到達一定程度后,如果未找到合適自己的學習方法,就很難提升成績,甚至會造成成績下滑;其次,高分段的學生在前測得到高分后,并沒有對后測測試引起足夠的重視,導致學生答題時敷衍了事;再次,在隨機抽取樣本時會出現(xiàn)一定的誤差;最后,當前教學模式沒有對合作或自主學習制定相應的教學任務,導致學生在采用上述學習模式時,沒有達到提高分數(shù)所需要的學習要求,導致成績的下滑。

最后,通過對比低分數(shù)段學生的前后測成績差異,我們看見雖然通過自主學習的學生的成績相較于通過合作學習的學生的成績提升幅度明顯,但是學生通過合作學習后,其成績提升量浮動更小,更穩(wěn)定。

4 結語

本文通過層次分析法與單因子方差分析法,對比合作學習或自主學習在不同層次學習能力學生的成績提升情況,發(fā)現(xiàn)以顯著性水平為0.05的情況下,自主學習模式或合作學習模式分別對不同能力的學生成績提升存在顯著差異性。在沒有系統(tǒng)的教學方案下,一些學習能力相對薄弱的學生在通過合作或自主學習模式后成績均可以得到提高;相較于自主學習來說,合作學習模式對于成績的影響相對來說比較穩(wěn)定,且對于基礎薄弱學生有較大的積極影響。

最后我們對本次實驗做了一些反思。首先,學生在部分物理實驗課程的學習過程中,他們的物理理論知識與實驗所要求的理論知識不相匹配,這樣會使學生對實驗原理理解不到位,從而較大程度上影響后測成績。其次,在整個實驗課程中,原本的課程教學方案并未對合作或自主學習有一個系統(tǒng)的方案設計,僅僅是憑借學生自覺性來選擇合作學習模式或自主學習模式,自由度過高,且未能引起學生足夠的重視,這在一定程度上會影響學生成績。最后,本次調查主要測試對象是學生,未參考學校本身的教學設置、教學大綱等客觀因素。

5 教學建議

根據(jù)上述數(shù)據(jù)及分析,我們提出以下建議:首先,是讓物理實驗進度與理論課程匹配;其次,在已有的教學方案中可穿插一些與合作學習與自主學習有關聯(lián)的學習任務。一方面合作學習與自主學習可以有效地提高學生成績,另一方面也可以提升學生的參與度,從而提高學生的興趣程度,有助于加深對物理實驗原理的理解;另外,設計教學任務時需要考慮不同層次學生之間的弱項和差異,從而達到因材施教的效果。

附錄A

測試題中采納的4道主觀測試問題

1.在高中是否接觸過物理實驗:

A.經常接觸過,并且實驗次數(shù)很多。

B.接觸過,實驗次數(shù)一般。

C.偶爾做過,實驗次數(shù)很少。

D.只是在課堂上看老師做過,自己并沒有親自動手操作。

2.在學習物理實驗的過程中,你覺得困難有哪些(可多選)

A.原理太難,無法理解,理論學習沒有跟上

B.動手能力欠缺,在操作上有困難、

C.在預習實驗的過程中,沒有理解操作的目的,沒有熟悉實驗儀器

D.實驗數(shù)據(jù)處理上的困難

E.其他

3.你最喜歡怎樣學習物理實驗:(可多選)

A.老師專門開一堂跟大物差不多學時的課程,講解各實驗的原理、實驗的意義、注意事項等,手把手教你做實驗,然后實踐階段根據(jù)老師講的內容自 己選擇課題進行實驗

B.自己看書、結合MOOC自學物理實驗

C.根據(jù)大學物理課程,上到哪里,實驗同步到哪里

D.其他方式:_________(自己填寫)

4.你在大物實驗中遇到難題時是否嘗試過向他人求助或者與他人合作:

A.是 B.否

附錄B

關于對影響物理實驗能力因素的調查表