周小燕 黃樺

物理教學創(chuàng)新模式：TEAL

周小燕 黃樺

湛江師范學院物理科學與技術學院 廣東湛江 524048

TEAL教學模式強調(diào)應用新興科技和設備，構建新一代教室和物理教學模式，在大班課堂教學中實現(xiàn)學生自主學習、協(xié)作學習、師生互動、生生互動。在分析國際TEAL教學模式的基礎上，構建適合我國實施的TEAL課程模式和教學環(huán)境，旨在大班課堂教學中通過以學生為中心、高度互動協(xié)作的教學策略，轉(zhuǎn)變學習模式，提高學生的學習興趣和學習成效。

TEAL；互動教學；協(xié)作學習

10.3969/j.issn.1671-489X.2013.12.061

作者：周小燕，助教，科學課程與教學論碩士，主要從事科學教學研究；黃樺，講師，科學課程與教學論碩士，主要從事物理教學研究。

1 引言

目前，物理課程不管是教材的編排還是教師的授課，都過于注重訓練學生演繹推理、分析計算能力，極少關注學生個性思考、團隊合作和動手解決問題等能力的培養(yǎng)。而且，大班教學的傳統(tǒng)教學方法是講授法，以教師為中心，教師滿堂灌，師生間缺少互動，導致教師無法因材施教，間接導致學生在學習過程中遇到困難時也無法獲得即時的幫助，知識體系構建中出現(xiàn)大量的認知斷層。此外，學生普遍感覺教學過程被動沉悶，缺乏參與感，被迫強記概念和原理，卻不知其發(fā)展歷程和相互間的聯(lián)系；理論和實驗分開授課，授課教師往往也不同，彼此內(nèi)容無直接的銜接；尤其是對于一些抽象的物理概念，若不借助實驗和新科技，學生更是難以理解。這些問題直接導致學生的學習成績越來越差，學習興趣日趨低落，成為現(xiàn)如今物理教學急需解決的問題。

可喜的是，面對上述困境，以美國為首的西方國家高校正悄悄掀起一股物理教學革新的熱潮。該股物理教學改革浪潮主要圍繞在信息技術的支持下如何構建互動教學的新環(huán)境和新方法展開。最有成效的是麻省理工學院（MIT）John Belcher教授的基于技術的主動學習（Technology-Enabled Active Learning，簡稱TEAL）項目[1]，該項目是在美國北卡羅萊納州立大學Robert Beichner教授主持的以學生為中心的大班主動學習環(huán)境計劃（Student-Centered Active Learning Environment for Undergraduate Programs，簡稱SCALE-UP）[2]和多媒體物理（Studio Physics）[3]的基礎上發(fā)展起來的。在亞洲，日本東京大學、臺灣中正大學與虎尾高中等高校和中學也先后引進并實踐TEAL教學，取得多項教學突破[4]。

筆者一直在關注國內(nèi)外物理課程教學的改革動態(tài)，并致力于探尋信息技術與當下主流教育理念的有機結(jié)合，以此為突破口探索物理創(chuàng)新教學策略。在國外物理教學改革的啟發(fā)下，筆者分析TEAL的理論基礎和教學模式，并立足我國教學硬件狀況和大班教學的實際情況，充分運用MIT的TEAL教學改革研究成果和資源，根據(jù)國情，構建適合大班教學、以學生為中心、高度互動協(xié)作的TEAL課程模式和教學環(huán)境，從技術層面支撐我國學習者的學習，轉(zhuǎn)變學習模式，提高學生的學習興趣和學習成效。

2 TEAL教學模式的理論基礎

Hunley和Schaller認為，對教學模式進行評估時，要從課程、教學環(huán)境、學習方法三個方面綜合評估[5]。

學習方法方面，美國學者埃德加·戴爾（Edgar Dale）1946年提出“學習金字塔”（Cone of Learning）理論，如圖1a所示。戴爾指出：學生的經(jīng)驗從抽象的經(jīng)驗、觀察的經(jīng)驗到做的經(jīng)驗，這三種經(jīng)驗的學習效果存在極大的差異。以兩周為單位測試學習者對知識的平均保持率，不同的學習方法所達到的學習效果從5%～90%不等。美國緬因州的一個機構（National Training Laboratories）作過類似的實驗研究，結(jié)論跟戴爾的差不多，如圖1b所示[6]。

圖1a “學習金字塔”一

圖1b “學習金字塔”二

創(chuàng)新的教學模式，必須做到以學生為中心，營造積極互動的教學環(huán)境，避免學生的個人學習或被動學習，通過學生的主動學習、團隊學習和參與式學習，提高課堂教學效率。然而，這在大班教學以及傳統(tǒng)的教學環(huán)境、教學方法中是很難實現(xiàn)的，而物理學科特有的大量抽象概念和原理更是使改進增加了難度。

得益于信息技術的迅猛發(fā)展，可以突破上述困境，從而營造出多元學習法下的教學環(huán)境。以學習者為中心的互動教學模式的主要精髓，是希望通過信息技術的支持，使學習者能夠主動探索知識，改變以往被動的學習方式，而這正是建構主義理論的核心。建構主義理論認為教師所扮演的角色應該是促進、幫助學生學習的引導者、輔助者、咨詢者，而學生則從自己原有經(jīng)驗出發(fā)，主動去探索、建構知識，并透過本身賦予意義后，把原有的學習經(jīng)驗和新概念學習相結(jié)合。因此，教師在進行教學設計時，要通過多樣化的學習內(nèi)涵與信息科技的使用，構建建構主義學習理論下的學科學習環(huán)境。

而該教學環(huán)境設計的教育原理，正是“情境化學習”和“統(tǒng)整式學習”的核心內(nèi)容。建構主義理論學者認為，學習者會根據(jù)已有的概念和經(jīng)驗，去詮釋新概念的意義，情境化教學就是要為學習者提供與科學理論相對應的真實情境，以幫助學習者能夠根據(jù)具體的現(xiàn)象來詮釋新概念的意義。統(tǒng)整式教學則要求教學重視知識之間的統(tǒng)整，新知識的學習不單要通過具體的情境來賦予概念意義，也要通過相關知識的統(tǒng)整，并組織成更堅固的概念框架。因此，在整個學習過程中，學習者不只是針對單一概念作累積，同時也必須學習統(tǒng)整、協(xié)調(diào)相關的知識和概念，以促進解決繁雜問題能力的發(fā)展。如此，學習者的學習所得不再顯得單一、支離破碎，而是整體解決問題的能力。

更重要的是，利用新興信息技術等科技可提供文字、圖形、影像、動畫、聲音等多媒體素材，通過接口多元的管道來仿真真實情境；可將情境事件情節(jié)濃縮表現(xiàn)，或刻意安排較不易的情境；學習者通過人機接口與仿真情境互動，以達到情境學習的效果，更好地建構科學知識。建構理論與情境式教學在信息技術的支持下，使整個教學有了更多的發(fā)揮空間，特別是協(xié)助學生理解抽象概念方面具有極大的成效，而這也成為物理教學革新的途徑之一。

綜合上述教育理論，可以得出TEAL教學模式立意所在，即利用新興技術，更好地實踐“學習金字塔”理論、“情境化學習”和“統(tǒng)整式學習”理論，重構物理教學新模式。

3 TEAL教學模式概述

物理是一門實驗學科，但在所開設的課程中，理論授課和實驗是分開的，且實驗往往無法與理論課相契合，學生經(jīng)常抱怨實驗室里進行的實驗過于形式化和照本宣科。因此，國外物理教學改革的首要目標是創(chuàng)設一套可以在課堂上操作實驗的新穎課程，只有重構嶄新的物理教學環(huán)境，有效結(jié)合理論知識與實驗，并允許學生在課堂中互動討論，以及采取新穎而多元的教學法，才能真正改善物理教學的種種問題。麻省理工學院大力推行的TEAL多媒體物理教學改進計劃，多年來注重利用現(xiàn)代科技來促進物理教學的變革，其目標是[1]：轉(zhuǎn)變大班物理教學模式；提高學生的學習成效；創(chuàng)造一個迷人的、基于技術的主動學習環(huán)境；改變學生被動、教師滿堂灌的教學模式；促進學生對抽象物理概念的理解；培養(yǎng)學生的可視化技能。TEAL教學模式如圖2所示。下面介紹TEAL的特色[7]。

1）教師可以在交互式多媒體物理教室內(nèi)來回走動，并和學生討論實驗結(jié)果。通過影像、視覺動畫、仿真實驗等新科技，使抽象的物理概念和原理具體化，并積極營造學生主動參與學習的氣氛和環(huán)境，提升學生對抽象物理概念的掌握，培養(yǎng)學生實驗動手能力和積極主動探索的精神。

圖2 TEAL教學模式

2）協(xié)作學習：9名學生圍坐于一個圓桌，討論物理現(xiàn)象；3名學生組成一個合作學習小組，操作桌上型實驗和分析實驗數(shù)據(jù)。通過交互式的共同學習和問題解決，強化學生的認知參與，避免因?qū)W生學習程度不齊而造成學習落差和教學困難，并培養(yǎng)學生的溝通能力與合作精神。

3）結(jié)合授課、實驗和練習為一體的新式教材教法，可以實現(xiàn)整合資源、提升效率的目的，有助于開展理論知識與科學實踐相結(jié)合的主動式學習活動。

4）研發(fā)集趣味性和探究性于一體的桌上型實驗，與現(xiàn)代影音視覺動畫仿真科技及數(shù)位數(shù)據(jù)分析硬件、軟件相結(jié)合，做中學，增強實驗效果，加深理論理解。

5）3名學生共用一臺筆記本電腦，且電腦通過數(shù)據(jù)采集器和桌上型實驗相連接；教學中運用信息技術等新科技優(yōu)勢（如多媒體影音、互聯(lián)網(wǎng)、2D及3D視覺動畫仿真等）于現(xiàn)代教學；豐富的課程說明和可視化多媒體資源相聯(lián)系，通過電腦和網(wǎng)絡呈現(xiàn)給學生，彌補傳統(tǒng)教學的缺陷。

6）個人反饋系統(tǒng)（Personal Response System，PRS）幫助學生回答教師提供的實時問題，通過網(wǎng)絡進行課前預習、作業(yè)指定與繳交，并配合章節(jié)小考，從而快捷有效地評估教與學的成效。

7）嵌入式評價包括個人和團隊的通過網(wǎng)絡作答的課前作業(yè)的成績、實驗報告、回答每周課程結(jié)束后的問題、PRS概念問題的課堂參與情況，并采用數(shù)份國際知名的診斷測試題診斷實施效果，在課程開始前進行學前測驗，評量學前的物理掌握程度。學期結(jié)束時，進行相同的學成測驗，來評量學習成效。如力學采用FCI（Force Concept Inventory）或MBT（Mechanics Baseline Test），電磁學采用CSEM（Conceptual Survey of Electricity and Magnetism）。

4 TEAL下的物理課程模式與教學環(huán)境

在借鑒國外物理教學改革的基礎上，筆者認為，我國的物理教學可作如下改進，以期達到和世界頂尖教育同步。

4.1 TEAL下的課程模式

TEAL教學必須以學生的主動學習作為核心，且在同一教室內(nèi)，整合理論授課、學生練習和桌上型實驗等3種不同形式的教學。正如MIT的課程模式，課程安排可采用2-2-1的方式，也就是每周一至周四安排2天（一、三或二、四）各2節(jié)的正式課程，周五則安排一節(jié)課的練習時間。為達成TEAL教學目標與特色，多元教學策略由小型授課（minilectures）、多媒體軟件應用、問題討論以及課程材料使用等四大部分有機結(jié)合而成。其中，多媒體教學包括學生動手做的桌上型實驗、教師的示范實驗、視頻動畫、模擬仿真、PRS等；問題討論包括課前與課后測試、課程練習、在線討論等；而課程材料則通常由教科書、講義和補充資料組成。典型的TEAL教學過程通常由小型授課分散貫穿于整個課堂構成，在不同的環(huán)節(jié)里面，學生可以積極參與動手做的桌上型實驗、可視化多媒體材料、問題解決和同伴討論。該物理教學模式融理論教學與實驗教學為一體，教師可靈活應用各種教學策略組織多元的教學活動，根據(jù)授課的主題，課前設計每一教學內(nèi)容的教學順序和時間分配，經(jīng)由講授、實施PRS測試、展示模擬動畫、示范實驗、桌上型實驗、練習、總結(jié)等教學活動，讓學生的學習既有被動接收，也有主動建構，教學內(nèi)容也統(tǒng)整了理論教學與實驗教學[8]。

特色之一的多媒體可視化教學，主要是借助2D和3D圖片、視覺動畫、模擬仿真等可視化教學方式來加強學生的理解。除了被動式的影像仿真外，Java Applet動態(tài)模擬仿真互動學習對學生的物理學習是極富成效的。學生可以通過控制互動動畫，設計參數(shù)，觀看輸入數(shù)據(jù)下的物理現(xiàn)象，從而幫助學生理解隨著時間演化的物理行為，形成正確的概念，而不僅僅是依靠數(shù)學方程來想象動態(tài)的物理現(xiàn)象。

而桌上型實驗作為課程的一部分，是為了讓學生更好地探索物理本質(zhì)，因為這些實驗通常和先進的實時數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)加工儀器相連接。實驗與課堂所教內(nèi)容同步，配合動手做實驗，教學還呈現(xiàn)和實驗相同的模擬動畫，學生可以通過動畫觀察到實驗中無法展現(xiàn)的現(xiàn)象，如電場、磁場或力的變化。如圖3a是一個真實的桌上型實驗，磁鐵在線圈中移動使線圈產(chǎn)生感應電動勢，產(chǎn)生的感應電動勢可通過右下角的儀器顯示出來；而圖3b則是該實驗的動畫，學生通過動畫呈現(xiàn)的線圈中磁力線的變化情況，體會到手中操作的磁鐵和線圈所產(chǎn)生的交互作用，并掌握磁通量的變化是引起電動勢產(chǎn)生的原因。

4.2 TEAL下的教學環(huán)境

為了改變傳統(tǒng)教學環(huán)境中學生被動的學習方式，除了課程模式要創(chuàng)新之外，還要改變教室的布局和設施，使用新技術和設備營造一個獨具特色的交互學習空間，重燃學生的學習興趣，讓學生愿意來到課堂。良好交互課室的特點為：1）能激發(fā)學生協(xié)作學習、主動學習的動機；2）無學習死角；3）有助于師生和生生間的互動交流。TEAL下的教學環(huán)境主要是為了構建一個完美的互動討論環(huán)境，授課教師不必固定在同一地點，可以隨時走動授課，不管是講課、實驗還是討論，教師均可如此，大大提升師生、生生間的互動。

圖3a 感應電動勢的實驗

圖3b 感應電動勢的實驗動畫

圖4a MIT的TEAL教室的3D模擬圖一

圖4b MIT的TEAL教室的3D模擬圖二

在該理念的指導下，MIT的TEAL教室（見圖4a）的課桌采用圓桌式設計，環(huán)繞排列在位于教室中央的教師講臺的周圍，每張圓桌可坐9名學生，9人又分成3個小組，每一小組都配備有一臺筆記本電腦（見圖4b），這樣可以方便學生與教師的課程同步學習、討論上課內(nèi)容、獲取實驗的分析數(shù)據(jù)；電腦還包含上網(wǎng)、觀看多媒體影像動畫、模擬仿真和個人反饋的實時投票系統(tǒng)，從而方便教師判斷課堂中學生的理解程度。教師的講臺位于課室的中央，配備有實物投影儀、各式直流和交流電源以及控制器等設備，這樣設計是為了讓學生能夠清晰且全方位觀看教師的教學操作和示范活動，尤其是一些不適合小組桌上型實驗的大型演示實驗活動和教學示范。此外，教室周圍都環(huán)繞著為每一小組設置的黑板，供師生討論或?qū)W生發(fā)表即席意見，且每一黑板都可以通過不同角度所設置的攝影機投射到大銀幕上，讓課室內(nèi)全體人員都可以看到。同時，在黑板之間還可以放置許多銀幕，將教師的授課內(nèi)容投射到上面，當全班學生小組合作討論時，亦可將正在答問或報告的小組的內(nèi)容通過攝影并投影到銀幕上。

TEAL教室的常用設備有360°攝影機、手寫屏幕、主控桌、投票系統(tǒng)、控制電子白板的電腦、實物投影儀、電器設備開關控制板、攝影機控制臺等?？紤]到成本和我國高校的教學硬件情況，TEAL教室可以通過改進用于教授計算機課程或外語語音課程的課室來實現(xiàn)。課室布置和設備要求可以根據(jù)TEAL教室的設計特色來改造，如條件允許，手寫屏幕和電子白板是教學、公式推導演算的好幫手。為了方便每位學習者及各小組上課過程中電腦的使用，課室四周安裝有VGA插座，學習者可用投影線將電腦連接至VGA插座，便可將電腦畫面投影至任一屏幕或電子白板上；而教師可利用教室專用的計算機廣播控制設備，隨時切換學生前方的電腦屏幕，使之與投影幕播放相同畫面。

5 結(jié)語與展望

TEAL教學模式可以成功地彌補一些傳統(tǒng)物理教學的缺失，成為美國等國家和地區(qū)物理教學改革的典范。研究表明，TEAL教學模式可以大大提升教學的成效與樂趣，減少男女學習差異，在世界范圍內(nèi)得到廣泛的應用，對中學和大學程度的物理教學均有重大的影響[9]。目前，MIT的TEAL團隊已經(jīng)成功研發(fā)了矢量場、靜電學、電磁學、法拉第定律、光學的課程教學模式和素材，作為公開課供世界共享[10]。

各個國家的國情不同，存在文化差異，對教育的要求和評價不同，而且每一個創(chuàng)新教學模式都必須經(jīng)歷無數(shù)次嚴格的實證研究考驗以及調(diào)整修正，才能符合實際需求。但教育學科自身的方法和規(guī)律是客觀的，國外成功案例值得借鑒、交流和合作。筆者希望本文的介紹能起拋磚引玉之效，引起更多有興趣的學校和人員進行類似的物理教學改進研究。

[1]Dori Y J, Belcher J. How does technology-enabled active learning affect undergraduate students’understanding of electromagnetism concepts?[J].The Journal of the Learning Sciences,2005,14(2):243-279.

[2]Beichner R, Saul J, Allain R, et al. Introduction to SCALE UP: Student-centered activities for large enrollment university physics[C]//2000 Annual meeting of the American Society for Engineering Education.2000.

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[6]Dale E. Audio-visual methods in teaching[M].New York: The Dryden Press,1946.

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Physics Teaching Innovation Mode: TEAL

Zhou Xiaoyan, Huang Hua

In order to realize the students’ autonomous learning, collaborative learning, teachers and students interactivity and interactions between, TEAL teaching mode emphasizes application of emerging technology and equipment to build a new generation of the classroom and physics teaching mode. This paper aims to analyse the teaching mode of international TEAL, constructed the suitable for the implementation of the TEAL course mode and teaching environment, and through the student-centered, highly interactive cooperation teaching strategies to transform study mode in executive classroom teaching, from which is hoped that improve the students’learning interest and learning effect in the executive classroo m teaching.

TEAL; interactive teaching; collaborative learning

G652

B

1671-489X(2013)12-0061-04