錢小青
(寧波大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,浙江寧波 315211)
2020年疫情期間,在教育部“停課不停學(xué)、停課不停教”的要求下,全國高校組織了有史以來規(guī)模最大、課程最多、涉及人數(shù)最廣的線上教學(xué)[1-2]。如何有效推進“互聯(lián)網(wǎng)+”教學(xué),利用各種線上資源,優(yōu)化教學(xué)模式,提升教學(xué)效果,成了教育工作者思考的問題,關(guān)于混合式教學(xué)的探索與研究也日益增多[2-7]。但是,目前在線上線下混合式教學(xué)研究中,理論教學(xué)相關(guān)研究占絕大多數(shù),而在為數(shù)不多的混合式實驗課程的研究中[3-5],定性研究居多,定量研究較少。
寧波大學(xué)物理實驗中心是浙江省重點實驗室,中心面向全校一年級理工科學(xué)生開設(shè)了大學(xué)物理實驗A課程。在2020年之前一直沿用傳統(tǒng)的線下課堂教學(xué),2020年實施了 “居家+虛擬仿真+線下”組合套餐式教學(xué),2021年在2020年的基礎(chǔ)上嘗試了線上線下混合式教學(xué)。本文嘗試以教學(xué)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用SPSS 軟件進行研究與分析。歸納大學(xué)物理實驗線上線下混合式教學(xué)的優(yōu)勢,梳理存在的問題,進一步探討優(yōu)化方案。
(1)實驗設(shè)計。
研究采用非對等組的準(zhǔn)實驗研究模式。從2019、2020、2021 三年的大學(xué)物理實驗成績中,抽樣同一大類的5 個班級由同一組教師教授的5 個實驗項目,成績來源于各個實驗的三個部分:實驗預(yù)習(xí)、實驗操作、實驗報告,并對綜合成績進行分析與研究。
(2)實驗組學(xué)生描述。
選取的實驗對象是修讀大學(xué)物理實驗A 的入學(xué)年份為2018年、2019年、2020年的電子信息類的學(xué)生,這些學(xué)生都來自同一個大類。2018 級5 個班級均屬于電子信息類,稱為A 組,共225 位注冊學(xué)生;男生176 人,女生49 人。2019 級5 個班級均屬于電子信息類,稱為B 組,共212 位注冊學(xué)生;男生168 人,女生44 人。2020 級5 個班級均屬于電子信息類,稱為C 組,共221 位注冊學(xué)生;男生176 人,女生45 人(見表1)。在數(shù)據(jù)選取時,將高年級重修學(xué)生的數(shù)據(jù)進行了剔除。
表1 樣本分布情況
寧波大學(xué)是省部共建的地方綜合性大學(xué),自2008年開始根據(jù)大類進行招生,每年的招生人數(shù)和招生區(qū)域穩(wěn)定,生源的高考名次也基本穩(wěn)定。三個實驗組的學(xué)生均來自電子信息類,電子信息類的學(xué)生大一時分布在不同的5 個自然班,待大二專業(yè)分流至電器工程及其自動化、電子信息科學(xué)與技術(shù)、光電信息科學(xué)與工程、通信工程四個專業(yè)。大學(xué)物理實驗A 是工科院系的必修基礎(chǔ)課,面向大學(xué)一年級學(xué)生在第二學(xué)期開設(shè)。
(3)授課教師與教學(xué)內(nèi)容。
大學(xué)物理實驗A 由緒論+12 個實驗組成,共6 位教師教授12 個實驗,一位教師負(fù)責(zé)兩個實驗項目。我們選取了同時給3 個實驗組授課的6 位資深教師,均教學(xué)經(jīng)驗豐富,其中一位教師還編寫了《大學(xué)物理實驗》的教材,對實驗原理、步驟與內(nèi)容掌握透徹。
我們統(tǒng)一選取了在9-13 周開展的5 個相同的實驗內(nèi)容。
A 組的授課模式采用全線下的教學(xué)方法。教師在緒論課上將實驗的基礎(chǔ)理論進行了講解,包括誤差和有效數(shù)字等知識。并對學(xué)生具體實驗時的各項要求進行了說明,如采用的預(yù)習(xí)方式、預(yù)習(xí)報告的格式、實驗操作時的注意事項、實驗報告的格式等。線下實驗采用教師講解實驗內(nèi)容、學(xué)生操作實驗的方式進行,A 組的授課內(nèi)容為第1 周緒論,第2-13 周線下實驗。
B 組的授課模式采用組合套餐式的授課方式,第1 周線上緒論課程,講述的內(nèi)容和A 組相同,同時在超星學(xué)習(xí)通提供了相關(guān)資料和視頻,并要求學(xué)生觀看與提問,教師在線進行解答。第2-4 周線上 “居家實驗”,實驗中心選取了難度適宜的三個實驗,這些實驗就地取材,讓學(xué)生利用已有的物理和數(shù)學(xué)知識解決問題,完成實驗內(nèi)容。第5-7 周要求學(xué)生完成三個“虛擬仿真”實驗,最后的8-13 周線下經(jīng)典實驗,依然采用傳統(tǒng)的授課方式。
C 組的授課內(nèi)容為第1 周緒論,同時提供了視頻和相關(guān)資料,要求學(xué)生學(xué)習(xí)和提問,教師在線解答,第2-13周采用線上預(yù)習(xí)+線下實驗方式(見表2)。具體授課方式為在超星學(xué)習(xí)通上提供視頻學(xué)習(xí),在線解答學(xué)生問題;利用虛擬仿真實驗,精選相近但不相同的實驗,要求學(xué)生提前進入系統(tǒng)操作,進行預(yù)習(xí)。在線下實驗教學(xué)中,教師講解實驗時間減少,并省略部分步驟,采用教師進行提問、引導(dǎo)學(xué)生思考的方式,最后,要求學(xué)生自主完成實驗內(nèi)容。三個組的教學(xué)方式總體上有所差異,但實驗項目相同。
表2 不同實驗組的教學(xué)設(shè)計表
為了檢驗三個實驗組在實驗基本技能和分析理解上的差異,三個實驗組之間教學(xué)效果的評測采用實驗操作與實驗報告的綜合成績,并用SPSS 軟件進行分析。
學(xué)生學(xué)習(xí)完大學(xué)物理實驗A 之后,實驗中心每年都會在學(xué)期末開展浙江省物理創(chuàng)新比賽報名與選拔,采用學(xué)生自愿報名加教師推薦的方式,成員從當(dāng)年修讀大學(xué)物理實驗A 的學(xué)生中選拔。我們搜集了學(xué)生參加競賽的人數(shù)和獲獎的情況,了解不同的教學(xué)模式下學(xué)生的物理學(xué)興趣和能力的提升情況。
采用單因素方差分析方法,比較學(xué)生在全線下授課(實驗組A)、組合套餐式授課(實驗組B)和混合式教學(xué)(實驗組C)不同教學(xué)方式下實驗綜合成績的差異。結(jié)果表明,三個實驗組之間的均值之間出現(xiàn)了差異,實驗組B 的平均成績(82.3744)高于實驗組A(80.5540),但又低于實驗組C(90.0508)。從最高分和最低分的分布也可以看到,實驗組C(99.53,60.60)與A(88.96,61.52 )組合B(96.60,30.00)組相比較具有明顯的優(yōu)勢(見表3)。
表3 不同實驗組成績分布表
為了得到這三個實驗組之間的成績差異是否具有統(tǒng)計學(xué)上的意義,我們進行了F 檢驗。我們可以發(fā)現(xiàn)三個教學(xué)實驗組之間的P值小于0.05,即A、B、C 三個實驗組之間教學(xué)效果出現(xiàn)了顯著差異(見表4)。說明從2019年到2021年三種不同的教學(xué)方式對學(xué)生的成績產(chǎn)生了不同的影響。
表4 F 檢驗數(shù)據(jù)分析表
為了進一步了解這三個實驗組之間的差異,我們進行了多重比較,比較學(xué)生在大學(xué)物理實驗A 中的學(xué)習(xí)成績,可得出如下結(jié)論:
(1)傳統(tǒng)線下授課(實驗組A)與套餐組合式授課(實驗組B)之間存在顯著統(tǒng)計差異(Sig=0.006)。
(2)傳統(tǒng)線下授課(實驗組A)與混合式授課(實驗組C)之間存在顯著統(tǒng)計差異(Sig=0.000)。
(3)套餐組合式授課(實驗組B)與混合式授課(實驗組C)之間存在顯著統(tǒng)計差異(Sig=0.000)。
進一步得出結(jié)論,比較學(xué)生在套餐組合式授課(實驗組B)中的成績比傳統(tǒng)線下授課(實驗組A)成績的平均差高1.82045,混合式授課(實驗組C)又比套餐組合式授課(實驗組B)的平均差高7.67636,混合式授課方式優(yōu)勢明顯(見表5)。
表5 不同教學(xué)模式多重比較表
研究表明,混合式教學(xué)提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)成績,激發(fā)了物理學(xué)習(xí)的興趣,提高了分析問題、解決問題的能力。根據(jù)2019-2021年期間修讀完大學(xué)物理實驗A的學(xué)生參加浙江省物理實驗與科技創(chuàng)新競賽的獲獎情況(見表6),可以看出,報名人數(shù)和獲獎質(zhì)量逐年提升。
表6 浙江省大學(xué)生物理實驗與科技創(chuàng)新競賽獲獎情況
通過上述研究與分析,我們可以發(fā)現(xiàn),與傳統(tǒng)線下實驗教學(xué)相比,混合式實驗教學(xué)取得了良好的教學(xué)效果:提升了學(xué)生的綜合實驗成績,激發(fā)了學(xué)生對物理的興趣,學(xué)生的分析能力、動手能力、創(chuàng)新思維能力等得到了全面的培養(yǎng)。大學(xué)物理實驗混合式教學(xué)經(jīng)過兩年多的探索,形成了一套特有的模式。
引用布魯姆目標(biāo)分類法中關(guān)于認(rèn)知領(lǐng)域中的六大方面制定本課程教學(xué)目標(biāo)。根據(jù)“布魯姆教育目標(biāo)分類法”[8],在認(rèn)知領(lǐng)域的教育目標(biāo)可分成:知道、領(lǐng)會、應(yīng)用、分析、綜合、評價這幾個環(huán)節(jié)。大學(xué)物理實驗遵循這個規(guī)律,從2019年開始,經(jīng)過三年的更新迭代,設(shè)計了“在線資料提供+虛擬仿真預(yù)習(xí)+在線討論+線下實驗”的新模式。
首先,學(xué)生通過課前預(yù)習(xí)和同學(xué)之間的討論,掌握了實驗的原理與內(nèi)容;通過虛擬仿真實驗進行線上操作,進一步領(lǐng)會實驗內(nèi)容,并應(yīng)用到虛擬現(xiàn)實的仿真場景當(dāng)中。其次,在線下實驗中,教師通過進一步講解理論要點,現(xiàn)場進行操作示范,使學(xué)生在師生互動中加深對知識的理解。與理論課程不同,實驗課程中實踐與動手才是核心與關(guān)鍵。將某一實驗理論放在實際的環(huán)境中去實踐,從理論到實踐的轉(zhuǎn)化包含了綜合性的各種技能,需要對理論知識有透徹的理解,將理論需要的條件在實驗中實現(xiàn)有諸多辦法,學(xué)生在這個過程中實現(xiàn)了知識的應(yīng)用、分析與綜合。
此教學(xué)模式深度融合了現(xiàn)代信息技術(shù),充分利用了虛擬仿真平臺,破解了傳統(tǒng)實驗課程預(yù)習(xí)中時空受限的難題。結(jié)合當(dāng)代學(xué)生特點,利用碎片化時間,學(xué)習(xí)理論知識;利用虛擬和現(xiàn)實交流平臺,實現(xiàn)生生、師生之間的無障礙交流。
虛-實結(jié)合的環(huán)境可以促進學(xué)習(xí)者對知識的認(rèn)知、理解和應(yīng)用。教育學(xué)家認(rèn)為,從交互的環(huán)境中能夠讓學(xué)生身處其中,沉浸式的學(xué)習(xí)方式與環(huán)境讓學(xué)習(xí)者如臨其境,獲得全身心多感官的體會,對于知識的深度學(xué)習(xí)具有非常重要的意義[9]。利用虛擬仿真實驗,使得學(xué)習(xí)者可以方便快捷地進行實驗預(yù)習(xí),在模擬現(xiàn)實場景中操作,進一步掌握實驗的原理和內(nèi)容。
當(dāng)然,虛擬仿真實驗再完美,作為一門實踐類課程,還是需要實際的線下操作來完成。線下操作是應(yīng)用和分析的重要環(huán)節(jié)。仿真實驗再逼真,也不能替代線下實驗帶來的切身感受與情感體驗,情景式的虛擬體驗再多,代替不了線下實驗的真實體會。即使是驗證型的最基礎(chǔ)的實驗,也具有不可替代的作用。因此,當(dāng)從虛擬的預(yù)習(xí)到了現(xiàn)實的操作時,如何將理論知識予以實際應(yīng)用顯得非常重要。解決實際的問題,也顯得非常重要,很多時候,仿真實驗當(dāng)中的現(xiàn)象在實際操作時無法實現(xiàn),當(dāng)理想與現(xiàn)實虛擬世界與實情實景之間出現(xiàn)了矛盾、沖突、碰撞的時候,學(xué)習(xí)者便“被動”發(fā)現(xiàn)了問題,需要“主動”去解決。而此時,學(xué)習(xí)進入了應(yīng)用階段,分析與綜合的能力便是學(xué)習(xí)者需要通過習(xí)得而獲取的能力。
虛-實結(jié)合不僅體現(xiàn)在課程的學(xué)習(xí)上,還體現(xiàn)在師生和生生之間的相互溝通上。當(dāng)代大學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境十分熟悉。學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)就是人與人之間的對話與交流。在學(xué)習(xí)領(lǐng)域頗有研究的日本教育學(xué)者佐藤學(xué)把學(xué)習(xí)看作“對話性實踐”。他認(rèn)為學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者“跟客觀世界的交往對話,跟他人的交往與對話,跟自身的交往與對話”[10],人在學(xué)習(xí)的過程中,不僅可獲得知識,還可建構(gòu)起與他人之間的關(guān)系,在互動和共處中獲得認(rèn)同感和滿足感。通過QQ 等網(wǎng)絡(luò)溝通手段,可以讓師生、生生之間隨時、便捷地虛擬溝通與交流,通過教師解答、同學(xué)互答的方式,學(xué)習(xí)者可以感受到疑惑被教師解答之后的“豁然開朗”,思路被同學(xué)啟發(fā)之后的“峰回路轉(zhuǎn)”,觀點和體會被人認(rèn)同之后的“興奮愉悅”,在這樣的交流學(xué)習(xí)中,思路逐漸被理清,概念慢慢被構(gòu)建,理解不斷深入,是傳統(tǒng)的實驗授課方式無法實現(xiàn)的。另一方面,線下實驗中的現(xiàn)實交往與對話可以補充虛擬交流中的不足,使得學(xué)習(xí)者面對真實的環(huán)境、同學(xué)和教師,獲得真實的體驗。
通過網(wǎng)上學(xué)習(xí)與線下實驗,建立虛-實結(jié)合的學(xué)習(xí)共同體。實現(xiàn)理論知識、實驗技能、問題反思的傳遞和交流。共同體可以加強師生、生生之間的聯(lián)結(jié),有效消除學(xué)生在學(xué)習(xí)和探究問題中的孤獨感和無助感,能夠更深層次地理解知識。通過提前預(yù)習(xí)、視頻內(nèi)容的觀看、網(wǎng)上討論、學(xué)生反饋、作業(yè)練習(xí)等方式,保障教師與學(xué)生之間進行交流與互動,營造師生同頻互動、異頻思考、多維度虛-實結(jié)合的學(xué)習(xí)環(huán)境[11-12]。
虛-實結(jié)合的教與學(xué)是混合式教學(xué)特有的優(yōu)勢,它充分發(fā)揮了虛擬平臺與線下實驗的優(yōu)勢,又很好地彌補了兩者的短處與不足,促進了深度有效的教與學(xué)。
混合式教學(xué)利用現(xiàn)代信息技術(shù),給課堂注入了活力,也給了教師和學(xué)生提出了更大的挑戰(zhàn)。教師如何利用信息技術(shù)篩選有用的知識,通過脈絡(luò)梳理,深度加工,將各個經(jīng)典實驗呈現(xiàn)給學(xué)生,并在課前與課后提供資料,布置開放性的作業(yè)。這一過程需要教師不斷提升自己,學(xué)習(xí)新知識、新方法、新技術(shù)和新理論;另一方面也要掌握技術(shù)及相關(guān)行業(yè)的發(fā)展趨勢、學(xué)科發(fā)展動向等前沿知識。學(xué)生在學(xué)習(xí)當(dāng)中既感受到了社會進步、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新永無止境,也深切體會到學(xué)海無涯,唯有不斷學(xué)習(xí)才能保持自身優(yōu)勢[10]。
課堂之后,開設(shè)了物理實驗的高階選修課程,讓對物理有興趣的學(xué)生可以進一步學(xué)習(xí)深層次的理論和實踐知識,同時開展大學(xué)物理實驗創(chuàng)新競賽,學(xué)生從智能、高科技、方便人們生活等需求出發(fā),通過調(diào)研、學(xué)習(xí)、設(shè)計,最終實現(xiàn)自己的模型。這一過程的訓(xùn)練,使學(xué)生不斷學(xué)習(xí)知識、不斷實踐、不斷探索、不斷提升的學(xué)習(xí)-實踐路徑養(yǎng)成,提高了學(xué)生終身學(xué)習(xí)的能力。
最終,通過將知識從課內(nèi)到課外、從校內(nèi)到校外進行延伸,從理論到實踐進行提升,師生逐步共同形成終生學(xué)習(xí)的理念,并探索出一條行之有效的路徑。
混合式教學(xué)在提升教學(xué)效果的同時,也存在不足,需要從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、考核評價方式上不斷改進。
教育學(xué)家認(rèn)為,學(xué)習(xí)是一種改變、持久的行為或按照某種方式表現(xiàn)出來某種行為能力的持久變化,它來自實踐或其他的經(jīng)歷[13]。仿真實驗再完美,作為一門實踐類課程,需要實際的線下操作來完成。線下的操作則是應(yīng)用和分析的重要環(huán)節(jié)。情景式的虛擬體驗再多,代替不了線下實驗的真實體會,即使是驗證型的最基礎(chǔ)的實驗,也具有不可替代的作用。
與此同時,將課前預(yù)習(xí)、虛擬仿真引入到實驗課程中,并不意味著可以削弱線下實驗的講授,直接讓學(xué)生開展實驗,相反,線下實驗的授課方式更加重要,學(xué)生出現(xiàn)了更多的問題和疑惑,教師如何引導(dǎo)與應(yīng)對變得尤其重要。在實驗組C 的教學(xué)中,我們在線下實驗中采用了講重點、講難點的方式,這種方式在提升學(xué)生實踐能力的同時也存在問題:教學(xué)內(nèi)容的不完整,學(xué)生對原理的認(rèn)識、實驗步驟的深層次理解依然不足,因此,原有的對應(yīng)傳統(tǒng)線下實驗的理論與內(nèi)容不再適用,迫切需要重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容。
將實驗原理與內(nèi)容等打破重組,融入不同的教學(xué)方式中。比如:實驗中注重實踐、輕視理論的現(xiàn)象依然存在。實驗課的教師認(rèn)為,實驗原理的講解是理論課教師的事情,有的教師雖然講解了理論課程,但是主要是照本宣科,學(xué)生雖然做了實驗卻不知道為什么這么做,對實驗中出現(xiàn)的現(xiàn)象無法從本質(zhì)上理解。如何利用混合式教學(xué)的優(yōu)勢,將實驗原理重新構(gòu)建,有效融入實驗前、中、后三個環(huán)節(jié)中,是下階段的重要內(nèi)容。
大學(xué)物理實驗包含12 個實驗項目,每一個實驗都有各自的特點,有的實踐操作性強,如分光計的調(diào)整和三棱鏡頂角的測量;有的現(xiàn)象明顯,原理清晰,如單縫衍射的相對光強分布;有的測量方法巧妙,讓人驚嘆,如密立根油滴法測定電子電荷實驗。這些實驗項目內(nèi)容重組之后,單一的 “線上提供資料+虛擬仿真預(yù)習(xí)+線下操作”的教學(xué)方式難以滿足多樣化的實驗項目需求,驅(qū)動教學(xué)方式相應(yīng)調(diào)整和優(yōu)化。
同時,虛擬仿真實驗在當(dāng)前取得了較好的實驗預(yù)習(xí)效果,然而,不足也非常明顯:不少虛擬仿真項目的研發(fā)者非實驗工作者,項目的設(shè)置與實際操作有較大的差異,比如分光計的調(diào)整實驗,目測粗調(diào)是非常重要的項目,然而在虛擬實驗中卻直接略過了,很容易誤導(dǎo)學(xué)生線下操作;有的虛擬仿真項目過程性評價缺失,只需要輸入答案即可得分;另外,虛擬仿真平臺的界面不夠友好,人機交互淺層表面等,一系列問題的出現(xiàn)需要對虛擬仿真實驗項目進一步優(yōu)化和調(diào)整。
另一方面,混合式的授課方式也不局限于虛擬仿真預(yù)習(xí)、課程資料的上網(wǎng)等現(xiàn)有的模式,不同的實驗項目可以根據(jù)不同的學(xué)生采用不同的授課方式,翻轉(zhuǎn)式、小組討論式等方式可以引入到線下實驗中,與內(nèi)容的重構(gòu)有效契合。
重組的內(nèi)容和新型的教學(xué)設(shè)計需要教師采用不同的授課方式,而有別于傳統(tǒng)的授課方式,學(xué)生改變傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)模式,需要深入學(xué)習(xí)、透徹理解、動手操作、分析應(yīng)用,進一步促進師生深度有效地教與學(xué)。
當(dāng)前大學(xué)物理實驗課程的評價方式分為預(yù)習(xí)、操作、報告,分別占比20%、40%、40%。盡管從形式上來看對各分項進行了考核,注重了過程,然而每一個分項的具體內(nèi)容還需要進一步的討論和優(yōu)化。
比如實驗操作的給分,不同教師的標(biāo)準(zhǔn)不同,有的教師根據(jù)實驗數(shù)據(jù)的好壞來評議,有的教師根據(jù)實驗快慢評價,有的教師根據(jù)過程的關(guān)鍵點操作評價;缺乏科學(xué)合理的過程性標(biāo)準(zhǔn),無法科學(xué)有效地評判給分。另一方面,一個教師在實驗過程中面對24 名學(xué)生也無法時時刻刻觀察到學(xué)生的實驗操作行為。如何利用混合式教學(xué)的優(yōu)勢,結(jié)合智能化的教學(xué)設(shè)備,探討考核過程的合理監(jiān)控和評判,是大學(xué)物理實驗過程性考核的重要內(nèi)容。
因此,我們需要綜合考量大學(xué)物理實驗在各個專業(yè)人才培養(yǎng)方案當(dāng)中的作用,設(shè)定該課程在培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成度當(dāng)中的分目標(biāo),根據(jù)課程目標(biāo)重新設(shè)置各個考核指標(biāo),與教學(xué)方式相結(jié)合,利用現(xiàn)代信息技術(shù),設(shè)計線上與線下、仿真與現(xiàn)實、理論與實踐的綜合可操作可評價的指標(biāo),注重過程性,體現(xiàn)多元化,精準(zhǔn)、公平、公正地評判[14]。
基于現(xiàn)代信息技術(shù)(尤其是虛擬仿真實驗)的混合式教學(xué)可以提高大學(xué)物理實驗成績,培養(yǎng)學(xué)生綜合能力,同時促使教師轉(zhuǎn)變教學(xué)方式,促使學(xué)生改變學(xué)習(xí)方式,形成有效的教學(xué)與深度的學(xué)習(xí)。接下來,需要教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)、教學(xué)方式優(yōu)化、評價方式改革三管齊下,不斷完善實驗課程的混合式教學(xué)。
創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理論研究與實踐2023年3期