劉兆龍，胡海云，閔 婕

（1.北京理工大學(xué)物理學(xué)院，北京 100081；2.北京交通大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100044）

近20年來(lái)，教育技術(shù)與高等教育同步迅速發(fā)展，為高校教學(xué)手段、教學(xué)理念和教學(xué)模式的更新帶來(lái)了生機(jī)，促進(jìn)了全球化的教育進(jìn)步和教學(xué)改革。多媒體教育技術(shù)的問(wèn)世，沖擊了粉筆加黑板的課堂授課方法；計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，擴(kuò)展了學(xué)習(xí)資源和學(xué)校教育的范疇。近幾年來(lái)，課堂交互反饋系統(tǒng)（classroom response systems，CRS）的使用，又為教學(xué)模式的改革和教育研究提供了新的思路、方法和工具。隨著在哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院等美國(guó)著名高校的成功應(yīng)用，CRS得到了教育界的肯定，已經(jīng)在國(guó)外高校中被廣泛推廣。CRS的應(yīng)用才剛剛在我國(guó)高等教育中起步，隨著它的普及，也會(huì)促進(jìn)我國(guó)高等教育的改革與發(fā)展。

1 CRS系統(tǒng)

課堂教學(xué)中，特別是在大班課堂上，及時(shí)了解學(xué)生對(duì)于知識(shí)的理解和掌握情況是教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，也是教學(xué)難題之一。為解決此難題，國(guó)外一些大學(xué)自上世紀(jì)60年代起，開(kāi)始研究課堂上教師和學(xué)生間的互動(dòng)方法。20世紀(jì)末，美國(guó)伊利諾斯大學(xué)（University of Illinois）物理系開(kāi)始進(jìn)行基礎(chǔ)物理課程改革，試行新的教學(xué)方式。Tim Stelzer教授領(lǐng)導(dǎo)的物理教學(xué)研究小組努力將教學(xué)重點(diǎn)從講授知識(shí)轉(zhuǎn)向幫助學(xué)生自己“合成”知識(shí)。為了在課堂上及時(shí)了解每位學(xué)生對(duì)授課內(nèi)容的掌握情況，實(shí)現(xiàn)大班課堂上師生間的互動(dòng)，他們于2003年發(fā)明了一種電子化課堂用教學(xué)技術(shù)—— 課堂交互反饋教學(xué)系統(tǒng)CRS，也被稱(chēng)為Clickers。商家看到了CRS 中蘊(yùn)藏的商機(jī)，于2005 年開(kāi)始投資生產(chǎn)CRS，將其商業(yè)化。目前，北美有大約800所大學(xué)使用CRS，百余萬(wàn)學(xué)生曾使用CRS在課堂上學(xué)習(xí)。

CRS利用無(wú)線電發(fā)射、接收系統(tǒng)以及配套軟件，實(shí)現(xiàn)多個(gè)學(xué)生和教師的集體反饋和互動(dòng)，其工作流程如圖1所示。CRS的硬件由2部分組成，接收機(jī)和手持鍵盤(pán)。接收機(jī)如圖2（a）所示，用于接收學(xué)生發(fā)射的信號(hào)，并通過(guò)USB口與教師的計(jì)算機(jī)連接。手持鍵盤(pán)為學(xué)生使用，大小如手機(jī)，其上有液晶顯示屏、數(shù)字按鍵和若干功能鍵，如圖2（b）所示。手持鍵盤(pán)實(shí)際上是無(wú)線發(fā)射器。每個(gè)發(fā)射器都有編碼，發(fā)射出的信息互不干擾。學(xué)生通過(guò)手持鍵盤(pán)輸入個(gè)人信息（如學(xué)號(hào)、密碼等），并發(fā)射數(shù)字、字母等信息。

圖1 CRS系統(tǒng)工作流程框圖

圖2 CRS實(shí)物圖

CRS系統(tǒng)配備的軟件用于處理接收機(jī)接收到的多路信號(hào)、教學(xué)及學(xué)生資料，對(duì)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的要求為Windows 2000／xp 及以上系統(tǒng)，支持Office PPT 2003／2007、Excel 2003／2007軟件，其基本功能為：

（1）建立學(xué)生檔案。將學(xué)生的信息（包括學(xué)號(hào)、姓名、密碼等）輸入，或?qū)xcel文件導(dǎo)入，系統(tǒng)即可生成學(xué)生檔案。學(xué)生的學(xué)習(xí)情況會(huì)自動(dòng)記錄在其中。

（2）存儲(chǔ)教師上課所需信息。如課上要與學(xué)生討論的問(wèn)題或測(cè)驗(yàn)題、答案、答題時(shí)間等，將之與PPT 文件相鏈接。

（3）處理接收信息。將之轉(zhuǎn)化為Excel文件，以記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)程，包括學(xué)生的反饋結(jié)果、反饋速度，并實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)全體學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果。

CRS利用無(wú)線通信技術(shù)建立教師與學(xué)生間的互動(dòng)，采用軟件處理接收信息，并實(shí)現(xiàn)CRS與授課課件和Excel文件之間的鏈接。目前，CRS的種類(lèi)較多，功能不斷加強(qiáng)，最近哈佛大學(xué)物理系已采用了引入云計(jì)算技術(shù)的最新CRS。

2 CRS給教學(xué)帶來(lái)的生機(jī)

作為一種教學(xué)輔助系統(tǒng)，CRS不僅可以提高教學(xué)效果，更重要的是它從技術(shù)上支持教學(xué)模式和方法的更新，使得同伴教學(xué)、問(wèn)題式教學(xué)等課堂教學(xué)模式得以普及推廣。

2.1 提供課堂交互反饋教學(xué)平臺(tái)

為提高教學(xué)效率，許多高校本科生的公共基礎(chǔ)課程，例如大學(xué)物理、高等數(shù)學(xué)等，采用大班上課形式，班級(jí)人數(shù)可達(dá)150人，有時(shí)甚至更多?；A(chǔ)課的這種規(guī)模不僅在我國(guó)，即使是在高等教育非常發(fā)達(dá)的美國(guó)等國(guó)家也很常見(jiàn)。大班教學(xué)中，教師與學(xué)生間的互動(dòng)是一個(gè)難題。教師高談闊論，學(xué)生昏昏欲睡，課堂氣氛沉悶、單調(diào)的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，即使“察言觀色”，教師也難全面、實(shí)時(shí)地了解學(xué)生掌握新知識(shí)的程度，更沒(méi)有足夠的時(shí)間檢查學(xué)生的出勤率。大班教學(xué)容易造成學(xué)生在課堂上被動(dòng)學(xué)習(xí)的局面。

CRS的問(wèn)世改善了大班課堂的這一局面。教師課前借助CRS提供的軟件，建立好每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)檔案，在備課過(guò)程中，預(yù)置好問(wèn)題、答案、答題時(shí)間、每題的分?jǐn)?shù)等。上課開(kāi)始時(shí)先啟用CRS，每個(gè)學(xué)生利用手中的鍵盤(pán)輸入個(gè)人的用戶(hù)名和密碼，發(fā)送給教師。1分鐘內(nèi)教師就了解了學(xué)生的出勤情況。課程進(jìn)行中，教師采用預(yù)先設(shè)置好的題目，檢測(cè)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。例如，在大屏幕上顯示出一個(gè)選擇題，教師按下開(kāi)始鍵后，學(xué)生利用手中的鍵盤(pán)給出回答。當(dāng)答題時(shí)間到或者教師按下結(jié)束鍵后，CRS 停止接收學(xué)生信號(hào)，記錄下所有學(xué)生給出的答案和答題時(shí)間，并將學(xué)生答題的統(tǒng)計(jì)結(jié)果以柱形圖等形式顯示在大屏幕上。教師和學(xué)生會(huì)同時(shí)看到統(tǒng)計(jì)結(jié)果，了解全班學(xué)生答題的整體狀況。教師根據(jù)學(xué)生的反饋結(jié)果有針對(duì)性地講解題目并公布正確答案。如果課上學(xué)生回答了多個(gè)問(wèn)題，那么CRS軟件會(huì)記錄每個(gè)學(xué)生每個(gè)題目的答題信息并計(jì)算出本節(jié)課每位學(xué)生的總成績(jī)，同時(shí)給出全班學(xué)生答題的統(tǒng)計(jì)情況，如每道題目的正確率等。

CRS提供了課堂交互反饋教學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了全班學(xué)生與教師的同時(shí)互動(dòng)，每一位學(xué)生都獲得了在課堂上主動(dòng)學(xué)習(xí)的條件和與教師交流的機(jī)會(huì)，而教師實(shí)時(shí)地得到了學(xué)習(xí)效果的動(dòng)態(tài)反饋，使每一位學(xué)生都在課上最大限度地受益。

2.2 支持教學(xué)模式的重構(gòu)和教學(xué)研究的開(kāi)展

十幾年前，美國(guó)哈佛大學(xué)物理系教授Eric Mazur在講授大學(xué)物理課程時(shí)，針對(duì)大班課堂教學(xué)創(chuàng)立了一種新的教學(xué)模式：同伴教學(xué)（peer instruction）［1］。同伴教學(xué)模式的主要步驟見(jiàn)圖3。這種教學(xué)模式在美國(guó)的大班課堂教學(xué)中取得了成功。美國(guó)高校10余年的教學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，同伴教學(xué)模式較傳統(tǒng)的大班課堂更有效［2－3］。這種教學(xué)模式的使用范圍已經(jīng)輻射到美國(guó)的許多高校和其他課程中。同伴教學(xué)模式要求教師必須及時(shí)獲得學(xué)生對(duì)于問(wèn)題的反饋情況，以察覺(jué)學(xué)生在知識(shí)上的缺陷，有針對(duì)性地決定教學(xué)進(jìn)度和方法。而CRS恰恰為這種教學(xué)模式提供了技術(shù)上的支持，成為同伴教學(xué)模式不可缺少的工具。

圖3 同伴教學(xué)模式的步驟

同伴教學(xué)模式在我國(guó)尚屬起步階段，或許在我國(guó)高校實(shí)施同伴教學(xué)的條件還不夠成熟，但是交互式教學(xué)模式在國(guó)內(nèi)是得到普遍認(rèn)可的。這種教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)課堂上師生間的互動(dòng)。教師須掌握全體學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和對(duì)知識(shí)的了解程度，而不是個(gè)別提問(wèn)學(xué)生的反饋信息，及時(shí)調(diào)整講課的難度、進(jìn)度和方式。借助CRS，教師可以輕松使用此教學(xué)模式，實(shí)踐多媒體互動(dòng)教學(xué)法，活躍課堂氣氛，透過(guò)集體反饋的力量在大班課堂上吸引學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，消除學(xué)生在同學(xué)面前回答出錯(cuò)或表達(dá)不受歡迎看法時(shí)的恐懼感。

英籍奧地利科學(xué)哲學(xué)家波普（Karl R.Popper 1902－1993）認(rèn)為科學(xué)研究并非始于觀察，而是始于問(wèn)題，理性的創(chuàng)造力首先表現(xiàn)在科學(xué)家能否提出有價(jià)值的問(wèn)題［4］。問(wèn)題式教學(xué)模式是一種頗受重視的教學(xué)方法，在國(guó)外教科書(shū)中也很常見(jiàn)［5］，它強(qiáng)調(diào)以問(wèn)題為教學(xué)線索，采用導(dǎo)入型、腳手架型、認(rèn)知沖突型、診斷型、拓展型等功能性問(wèn)題實(shí)施教學(xué)。傳統(tǒng)的大班教學(xué)中，由于難以得到學(xué)生對(duì)于教師設(shè)置問(wèn)題的整體應(yīng)答結(jié)果，使該教學(xué)模式的使用受到限制。基于CRS，問(wèn)題式教學(xué)模式開(kāi)始在我國(guó)高等教育中應(yīng)用［6］，取得了一些進(jìn)展。

通過(guò)同伴教學(xué)、互動(dòng)教學(xué)和問(wèn)題式教學(xué)等模式的發(fā)展可以看出，CRS 與計(jì)算機(jī)和投影儀的結(jié)合使用，為課堂教學(xué)模式的重構(gòu)提供了技術(shù)手段，為實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為本的現(xiàn)代化教學(xué)提供了技術(shù)方案和出路。

2.3 教學(xué)研究的工具

近年來(lái)，學(xué)科教育研究發(fā)展迅速，其特點(diǎn)是由教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)走向科學(xué)化、定量化，以大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及對(duì)數(shù)據(jù)的分析，揭示由教師和學(xué)生組成的多體系統(tǒng)在學(xué)科學(xué)習(xí)中的演化規(guī)律。美國(guó)權(quán)威期刊Physics Review 從2005 年開(kāi)始設(shè)置了物理教育專(zhuān)刊Physical Review special topics－physics education research，刊登美國(guó)物理教育研究的進(jìn)展。歐洲著名物理期刊Eu－ropean Journal of Physics 上也經(jīng)?？穷?lèi)似論文。在這新崛起的研究領(lǐng)域內(nèi)，對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程的各種數(shù)據(jù)及其分析非常重視。CRS 記錄了每位學(xué)生每節(jié)課的學(xué)習(xí)情況，提供了采集學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的有效工具和方法。通過(guò)幾年的使用，我們發(fā)現(xiàn)利用此系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)定量研究與教改相當(dāng)有效［7］。

3 應(yīng)用CRS的教學(xué)效果評(píng)價(jià)

基于CRS的新教學(xué)模式在國(guó)外發(fā)展迅速，對(duì)于提高教學(xué)質(zhì)量的效果已經(jīng)得到了國(guó)外高校的普遍肯定［8－13］，但是，它是否適用于我國(guó)的教育體系和我國(guó)學(xué)生的學(xué)習(xí)方式呢？為了回答此問(wèn)題，驗(yàn)證CRS的效果，我們于2010—2011 年間開(kāi)展了對(duì)比教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

大學(xué)物理是理工科學(xué)生的重要基礎(chǔ)課，它面向大學(xué)低年級(jí)學(xué)生，涉及的學(xué)生人數(shù)多、專(zhuān)業(yè)面廣，具有典型性，因此選擇大學(xué)物理課程進(jìn)行對(duì)比教學(xué)實(shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)CRS的教學(xué)效果。我們從大學(xué)二年級(jí)工科學(xué)生中隨機(jī)挑選出甲、乙2 個(gè)教學(xué)大班，人數(shù)分別為188 和195，教學(xué)內(nèi)容為電磁學(xué)和近代物理（包括相對(duì)論和量子物理），總課時(shí)為64學(xué)時(shí)。甲班為實(shí)驗(yàn)班，在授課過(guò)程中使用CRS；乙班為對(duì)比班，采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法授課。選派同一名教師擔(dān)任2個(gè)班的授課任務(wù)，且保證2個(gè)班每節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容、進(jìn)度完全相同。期末，2個(gè)班采用相同試卷進(jìn)行考試。兩班全年大學(xué)物理課程期末考試平均成績(jī)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 學(xué)生期末考試平均分和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

表中的偏度計(jì)算結(jié)果說(shuō)明兩班在上學(xué)期與下學(xué)期樣本數(shù)據(jù)都呈左偏分布，甲班下學(xué)期的偏度比上學(xué)期有顯著增大，而乙班偏度增大的幅度相對(duì)甲班較小。這表明使用CRS的甲班有更多的學(xué)生成績(jī)集中在較高的分?jǐn)?shù)段。比較2個(gè)班的峰度值發(fā)現(xiàn)，甲班在上學(xué)期及下學(xué)期都為平峰分布，乙班在2個(gè)學(xué)期都為尖峰分布，因此乙班學(xué)生成績(jī)的集中度較高。

除了直接觀察平均分?jǐn)?shù)外，還可根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)中的假設(shè)檢驗(yàn)法，對(duì)甲、乙兩班進(jìn)行兩配對(duì)樣本t檢驗(yàn)來(lái)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析［14］。令顯著性水平α＝0.05，利用spss軟件計(jì)算出大學(xué)物理上學(xué)期雙尾P 值為0.004，小于顯著性水平，表明甲、乙班的學(xué)生成績(jī)有顯著差異。大學(xué)物理下課程的雙尾P 值為0.973，大于0.05，表明兩班的學(xué)生成績(jī)已經(jīng)沒(méi)有了顯著差異。所以，從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度分析，仍然可以得到CRS可以提高學(xué)習(xí)效果的結(jié)論。此外，在2010年全國(guó)部分地區(qū)大學(xué)生物理競(jìng)賽中，甲班18人獲獎(jiǎng)，乙班10人獲獎(jiǎng)，支持CRS可促進(jìn)課堂教學(xué)的結(jié)論。這一結(jié)論也與我國(guó)其他高校的相關(guān)研究結(jié)果一致［15］。

4 結(jié)束語(yǔ)

CRS是一種新的教育技術(shù)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效果，從技術(shù)上支持了師生間的課堂互動(dòng)，從而提高了教學(xué)質(zhì)量。該技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)了教學(xué)模式的發(fā)展，體現(xiàn)了以學(xué)生為本的教育思想，為教師提供了教學(xué)研究的工具，為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科學(xué)素質(zhì)提供新的平臺(tái)和契機(jī)。盡管CRS已經(jīng)應(yīng)用于教學(xué)，但是在技術(shù)上還有很大的提高空間。例如，CRS在手持鍵盤(pán)、接收機(jī)的穩(wěn)定性、軟件的功能、手持鍵盤(pán)的顯示功能等方面還有待提高和加強(qiáng)?？梢钥隙?，無(wú)論在技術(shù)上和教學(xué)上，CRS都有著廣泛的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用前景。

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