羅 瑩　李列明（北京師范大學物理學系，北京 00875；清華大學物理系，北京 00084）

教學研究

基于互聯(lián)網(wǎng)的大學物理教學的量化研究
——DGWI教學模式研究

羅 瑩1李列明2（1北京師范大學物理學系，北京 100875；2清華大學物理系，北京 100084）

本文首先簡述了雙重警戒、網(wǎng)絡(luò)交互（Dual safe-Guard Web-based Interactive，簡寫為DGWI）教學模式；在這個教學模式中，教學過程被分為課前預習、課堂教學、網(wǎng)上作業(yè)和討論課教學等4個環(huán)節(jié).教師和學生的教學活動從線下的課堂拓展到線上的網(wǎng)絡(luò)交互（助教網(wǎng)www.zjiao.com），教學警戒網(wǎng)能夠有效地幫助學生學習物理.然后，從教育學和認知心理學的角度分析了DGWI教學模式；其次，通過控制對比教學實驗證實了DGWI教學模式的有效性.結(jié)果顯示借助于線上師生間的交互通道和覆蓋全部內(nèi)容的教學警戒網(wǎng)，DGWI能夠有效地幫助學生理解物理概念、培養(yǎng)學生分析問題與解決問題的能力，有效地提高了教學質(zhì)量.最后，論述了DGWI教學模式在大學物理教學中應有的意義.

大學物理教學；DGWI教學模式；物理教學研究

1　拓展我國大學物理教學的研究領(lǐng)域勢在必行

改革開放以來，高等學校招生人數(shù)從1980年的28萬人（錄取率8%），快速提高到2014年招生698萬（錄取率74%）.隨著學生人數(shù)的增加，高等教育也從“精英教育”走向了“大眾教育”.學生需求的多樣化、差異化日益增大，為此大學也作出了全方位的變革.伴隨著本科教育應是通識教育的觀點逐漸普及，理工科大學的課程體系中人文社科類的通識課程不斷增多，而原來學時較多的理工類基礎(chǔ)課的學時則逐漸減少，如大學物理課程.但科技的進步與發(fā)展使得后續(xù)課程對物理學的基礎(chǔ)要求卻變多、變深，這無疑需要增加基礎(chǔ)物理課程的教學內(nèi)容.大學物理課程的學時少、內(nèi)容多是大學物理教學當前面臨的主要矛盾.

目前，大學物理課程基本上延續(xù)著以傳授知識為目的、講授為主的傳統(tǒng)教學模式.與高中物理教學相比，大學物理每節(jié)課的課堂容量遠遠高于中學，因此很多大一、大二的學生常感到很不適應，導致了課堂教學吸引力和教學質(zhì)量雙雙下降.

這些問題是現(xiàn)今大學物理教學面臨的新挑戰(zhàn)，要求大學物理教學研究必須尋找一種能夠適合目前教學現(xiàn)狀的、高效率的教學模式.

回顧近30年來大學物理教學研究的發(fā)展，可以看到大學物理教學研究、教學改革的側(cè)重點在物理內(nèi)容的研究.諸如：從教師的角度看某個物理問題或概念怎么理解、怎么介紹、怎么解決？某道習題的正確答案是什么？這類“大學物理教學研究”的重點是物理，而不是教學.實際上是教師們在切磋物理內(nèi)容、完善自身的物理修養(yǎng).對于學生如何學習物理學，或被忽略，或者隱含地假設(shè)學生具有與教師一樣的理解力，也就是，只要教師能夠理解的，學生也能理解.而實際上與教師的理解力相同的大學生是少數(shù)，大多數(shù)乃至絕大多數(shù)學習大學物理的學生的思維方式正處在成長階段，與教師有很大的不同.

對教學內(nèi)容的研究當然是大學物理教學研究的基礎(chǔ)，教師的物理專業(yè)素養(yǎng)是高質(zhì)量教學的重要基礎(chǔ)，但僅有這些研究是遠遠不夠的.不是所有的物理學家都能成為一個優(yōu)秀的物理教師，愛因斯坦就是一個最好的例證.他不是一個成功教師的原因之一是在教學過程中不能夠了解學生，不能夠給學生需要的、準確的幫助.從學生的角度研究學習物理過程是非常重要.目前這類“有物理無教學”的研究中還存在一個問題.改革開放之初，高等教育重新起步時，這類研究無疑是迫切的，因為物理內(nèi)容是物理教學的基礎(chǔ).但35年后的今天，大學物理課程的內(nèi)容已經(jīng)很成熟了.經(jīng)過多年的研究后，真正新的、沒有研究過的內(nèi)容越來越少.其表現(xiàn)是：國內(nèi)發(fā)表的大學物理教學文章所討論的內(nèi)容，有不少是多少年前就充分討論過的.

概括起來，目前大學物理教學研究存在兩大問題.一是忽略了對學生學習物理過程本身規(guī)律的深入研究，延續(xù)著“名師出高徒”的信念.二是研究方法上多是采用“就理論理”或“就事論理”的分析論辯、定性的研究方法.相比較國際上的大學物理教育研究，特別是美國的大學物理教育研究，與我國的大學物理教學研究有明顯不同.國際上的大學物理教育研究對如何幫助學生學習物理給予了重點關(guān)注，特別是如何為學生建造腳手架、供學生自己向上攀登的研究；是以學生為中心、從學生如何“學”的角度進行研究；研究目的定位于了解造成學生學習物理困難的原因、怎樣促進學生物理學習；研究內(nèi)容既包括課程、教材的開發(fā)，更包括識別學生學習具體物理內(nèi)容時的概念困難與推理困難；設(shè)計并評估物理教學策略［1］.

美國的物理教育研究在研究方法上是采用物理學的研究方法來研究物理教育.把學生“學”物理和教師“教”物理的過程作為物理教育研究的對象，進行量化、實證的研究.這種研究方法使得美國的物理教育研究具有切入點小，研究過程扎實，研究方法細致入微，邏輯縝密，研究結(jié)果具有較高的信度和效度的特點.因此美國的大學物理教育研究成果因采用的方法科學規(guī)范而具有說服力，因數(shù)據(jù)的支撐而具有很高可信性、可移植性和可推廣性.例如：合作教學法（peer instruction）的廣泛傳播［2］.

因此，轉(zhuǎn)移我國大學物理教學研究的重心到以學生為中心、從學生的角度進行研究，采用科學的研究方法來研究物理教育，注重量化和實證研究，是大學物理教學研究的必由之路.學習物理的過程給大學物理教學研究提供了更廣闊的研究領(lǐng)域；量化研究可以使大學物理教學研究更為準確、科學，結(jié)果更加說服力；實證研究可以使大學物理教學研究結(jié)果具有可重復性，便于被接受.

本文結(jié)構(gòu)如下：第一部分從我國大學物理教學發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)論述了尋求適合大學物理教學現(xiàn)狀的教學模式和采用物理學的研究方法研究物理教育的必要性；第二部分簡述了雙重警戒、網(wǎng)絡(luò)交互（Dual safe-Guard Web-based Interactive，簡寫為DGWI）教學模式；第三部分分析了DGWI教學模式的理論基礎(chǔ)；第四部分通過量化的、實證研究證實了DGWI教學模式的有效性；第五部分論述了DGWI教學模式在大學物理教學中應用意義.

2　DGWI教學模式簡介

依據(jù)的教學理論、學習內(nèi)容和目標不同，教學實踐活動的形式和過程也必然不同，從而形成不同的教學模式.DGWI教學模式是區(qū)別于以講授為主的傳統(tǒng)教學的新教學模式.它將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入日常教學，建立了由互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供的除課堂教學之外的另一條師生有效交互的線上通道；引入了覆蓋全部教學內(nèi)容的雙重教學警戒網(wǎng)，借助于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教師能夠及時了解每個學生在教學警戒網(wǎng)上呈現(xiàn)的學習狀態(tài)，及時掌握每個學生學習知識的狀況，增加了教學的針對性、有效性.

在DGWI教學模式中，“教”與“學”的雙方——教師和學生的活動均與傳統(tǒng)教學模式有所不同.具體教學程序如圖1所示，包括預習、課堂教學、在線作業(yè)和討論課等4個教學環(huán)節(jié).

在每學期上課前，教師需要依據(jù)教學要求、教學內(nèi)容和學生情況來確定本學期的教學警戒網(wǎng)（學生作業(yè)題庫），將其上傳助教網(wǎng)（當前網(wǎng)址：ww w.zjiao.com）.教學警戒網(wǎng)由選擇題和數(shù)字填充題組成，覆蓋全部的教學內(nèi)容.教學警戒網(wǎng)中的試題與傳統(tǒng)課程的作業(yè)題目的難度基本相同，區(qū)別在于題型，教學警戒網(wǎng)中的題目都是計算機可以批改的客觀試題，其中大學物理課程的作業(yè)集已結(jié)集出版［3］.

預習和教師備課環(huán)節(jié)：首先要求學生課前預習將要上課的教學內(nèi)容，然后完成一套與上課內(nèi)容相關(guān)的題目.這套試題由教師預先依據(jù)教學內(nèi)容和學生情況挑選教學警戒網(wǎng)中的題目，在助教網(wǎng)中生成.學生做完試題后，將答案輸入助教網(wǎng)，記錄每一學生的答案.值得注意的是學生在這環(huán)節(jié)里不知道試題的正確答案.教師參考助教網(wǎng)中反映的學生預習情況來組織課堂教學.表1是從助教網(wǎng)提取的幾類典型情況的代表數(shù)據(jù)，其中A、B、C、D為選擇題的4個選項，E表示這個題太容易了，F(xiàn)表示這個題太難了.表1中a000105題的數(shù)據(jù)顯示，學生預習的正確率已達82%，說明學生通過自學教科書對相關(guān)內(nèi)容已經(jīng)基本掌握.a000214題顯示了另一種情況.預習正確率（53%）很低，且錯誤集中在B選項.a000217題顯示的是一種特殊情況.雖然其正確率69%并不算低，但有30個學生（學生總數(shù)為88）在網(wǎng)頁中投票要求講解.在課堂教學前，教師通過助教網(wǎng)查閱學生在教學警戒網(wǎng)上的反應（預習數(shù)據(jù)和投票要求講解的結(jié)果），針對獲得的教學信息來組織課堂教學.

課堂教學環(huán)節(jié)：教師在課堂教學中依據(jù)以下3部分內(nèi)容來進行教學.

（1）學生構(gòu)建自己的知識體系必須的教學內(nèi)容；

（2）預習正確率低于閾值的教學內(nèi)容；

（3）助教網(wǎng)顯示多數(shù)學生要求講解的內(nèi)容.

圖1　一種基于互聯(lián)網(wǎng)的教學模式過程的示意圖

表1　數(shù)據(jù)示例（學生總數(shù)88人）

網(wǎng)上作業(yè)和教師準備討論課的環(huán)節(jié)：在這個環(huán)節(jié)中，要求學生在課堂教學后，將預習做過的試題再重新作答，然后在助教網(wǎng)中再次輸入答案.助教網(wǎng)同樣記錄學生的回答情況，如表1所示數(shù)據(jù).在學生完成作業(yè)后，教師依據(jù)助教網(wǎng)顯示的學生預習和作業(yè)情況組織討論課教學.討論課采用小班（30人左右）教學，內(nèi)容是學生學習過程中的問題和錯誤較多的地方，以交互討論的形式進行.以表1的數(shù)據(jù)為例，a000105題后測正確率83%，與預習相比沒有改進，這類問題大多數(shù)學生比較容易理解，不需要花費過多的課堂教學時間.除掉這類內(nèi)容，就可以將有限的課堂教學時間，聚焦在學生知識結(jié)構(gòu)中存在的問題.例如：課堂教學中對a000214題和a000217題相關(guān)的內(nèi)容給予了較多的關(guān)注，從而使作業(yè)的正確率明顯提高.但對于a000217題，課堂教學前，預習的正確率為69%、有34%的學生（30人）要求課堂講解；學生課后作業(yè)的正確率為78%，仍有27%的學生（24人）要求在討論課講解.這就說明與a000217題相關(guān)的教學內(nèi)容對于學生來說，比較難以掌握，存在著學習問題.課堂教學中雖然重點講授了這部分內(nèi)容，但學生并沒有掌握.此外，與a000306題相關(guān)內(nèi)容雖然在課堂教學中已予較多關(guān)注，但學生作業(yè)的正確率僅為65%.因此，選擇與a000217和a000306題相關(guān)的內(nèi)容作為討論課教學的重點.

在這個環(huán)節(jié)中，教師依據(jù)學生作業(yè)情況和學生的要求來組織討論課，重點關(guān)注學生作業(yè)中存在的問題和學生要求.經(jīng)過課堂教學和討論教學兩輪重點“攻擊”（幫助學生建構(gòu)自己的知識結(jié)構(gòu)）后，學生知識體系的漏洞會明顯減少.

討論課后，教師公布作業(yè)的正確答案，學生對照正確答案可以進一步發(fā)現(xiàn)自己存在的錯誤，此外每周還有一、兩道計算題作為書面作業(yè)以訓練書面表達能力.

討論課教學與課堂教學的頻率是不同的.通常來說，兩到三次課堂教學后，有一次討論課教學.

在一學期課程結(jié)束后，有關(guān)數(shù)據(jù)被全部封存起來供進一步的分析、研究.

概括起來，DGWI教學模式具有下列的特點：

第一，借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立了除課堂教學之外，教師和學生間進行有效交互的在線通道.這是傳統(tǒng)的教學模式所沒有的.助教網(wǎng)能夠及時、全面、有效地反映學生對教學內(nèi)容的理解和掌握情況，使得教師能夠及時根據(jù)學生動態(tài)的學習狀態(tài)組織教學，增強教學效果.

第二，覆蓋全部教學內(nèi)容的教學警戒網(wǎng)在教學過程中起到了偵測學生的迷失概念、學習問題和困難的作用.如果將教師的教學比喻為射擊，教學警戒網(wǎng)的引入使得教學目標（射擊靶）更為清晰、具體，轉(zhuǎn)變?yōu)槊恳还?jié)課需要幫助學生消除具體的迷失概念，解決特定的學習困難和問題，學生建構(gòu)自己的知識體系需要的具體內(nèi)容.

第三，內(nèi)容相同的課前預習和課后作業(yè)組成的雙重警戒網(wǎng)，是DGWI教學模式的重要特征.在DGWI教學過程中，有兩個循環(huán).第一個循環(huán)是課前預習與課堂教學，這一循環(huán)中，教學警戒網(wǎng)過濾掉了學生已經(jīng)具備的知識，提高了課堂教學的針對性，減少了無效講授，增加了教學效率.第二個循環(huán)是課后作業(yè)與討論課教學，眾所周知，課堂教學不能解決所有問題，這一循環(huán)的作用是幫助解決課堂教學沒有解決的問題和存在的漏洞.警戒教學網(wǎng)再次使用（練習）的目的是診斷頑固的迷失概念和學習困難，以便在討論課中進一步解決這些問題.討論課教學是課堂教學的補充，是教師幫助學生建構(gòu)自己知識體系的第二個重要的步驟.因此，在DGWI中，建立了雙重警戒教學網(wǎng)來偵測學習狀態(tài)，特別是迷失概念和學習困難、提高教學針對性，達到幫助學生建構(gòu)知識體系、解決學習困難的目的.

第四，助教網(wǎng)積累了大量原始的教學數(shù)據(jù)，為物理教育研究和教學研究提供第一手資料，為進行量化、實證的物理教育研究提供了有利的條件.

3　DGWI教學模式的理論分析

任何成功的、有效的教學都應符合學習理論和教育理論，DGWI教學也不例外.DGWI教學以交互教學理論和認知科學關(guān)于學習研究的最新成果為指導.

3.1從交互教學理論看DGW I教學模式

交互式教學是一種以支架式教學思想為基礎(chǔ)，以師生對話為背景來構(gòu)建的互動教學.最早是由Palinscar于1982年在語言教學中提出的［4］，隨后得到了迅速發(fā)展.

交互式教學理論認為［5］，學習是一個認知交互的過程，強調(diào)個體與所知覺環(huán)境之間的交互作用.其目的是構(gòu)建一個互相尊重、信任和平等的學習氛圍，通過對話和傾聽實現(xiàn)師生之間和學生之間的雙向溝通，在合作學習中加深對新概念的理解.在師生交互過程中，教師是主導，通過精心設(shè)計的課堂提問，引導和吸引學生參與對話，傾聽學生對問題的反應，進而引導學生對范例進行分析、歸納，最后形成概念.在學生與學生的交互活動中，加深對新知識的理解.這種將課堂中主動權(quán)由教師向?qū)W生的動態(tài)轉(zhuǎn)移的教學活動，正是支架式教學思想的具體表現(xiàn).

交互教學課堂上的互動效果在很大程度上取決于教師設(shè)計的問題是否適應學生的認知水平，是否能夠吸引全體學生參與，以及是否有利于完成教學目標.因此，教師設(shè)計的課堂提問應包括從對概念進行描述和辨識的低層次問題，到通過比較、應用、綜合、評價等對信息進行加工的高層次問題.既有聚合性問題，也有發(fā)散性問題.這些提問不僅能激發(fā)師生間的互動，滿足不同認知能力層次學生的需求，也能幫助學生從多種角度來思考問題，培養(yǎng)他們的觀察力、洞察力和創(chuàng)造性思維.教師在課堂上通過師生互動的形式提出問題、分析和解決問題的另一個重要作用是在學生交互階段，給學生做示范.在學生交互階段，學習伙伴模仿教師的提問策略，設(shè)計出各種層次、不同水平問題，相互提問和回答.在運用多種思維策略設(shè)計問答中，學生學會了在非常相似的事物中敏銳地發(fā)現(xiàn)其細微的不同，依靠抽象思維來創(chuàng)造新穎、獨特的概念，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力.

由于交互式教學關(guān)注教師和學生的交流以及學生與學生的交流，把學生的學習放在了首位，重視學習過程中人際間的互動與合作，注重培養(yǎng)學生的能力，因此，近年來，在我國的一些小班課教學，如外語教學課堂，或社會學科中的研究生課堂，交互式教學模式逐漸被嘗試引入.這些嘗試多集中在師生互動、生生互動、理論學習與實踐練習互動等角度去思考等方面.但是在理工科基礎(chǔ)課程的課堂，仍是傳統(tǒng)的、以教師為中心，單向的“灌輸—接受”式的教學模式占主導地位.產(chǎn)生這種現(xiàn)象有兩個原因.一是理工科的基礎(chǔ)課程，基本是大班課教學，每個教學班100～200人，不利于教師在課堂上與學生的交互，教師組織課堂討論只能有少數(shù)學生參與課堂討論，不能吸引全部學生.另一個重要的原因是理工科的基礎(chǔ)課的教學基本上均處在教學課時少，但教學內(nèi)容繁重的狀態(tài).教師在傳統(tǒng)的講授式課堂教學模式也勉強能完成教學任務(wù)，幾乎沒有時間在課堂上組織學生討論.這就使得現(xiàn)在理工科基礎(chǔ)課的大班課堂教學中師生面對面的交互非常少，幾乎沒有.

為了增加教學過程中師生間的交互，在DGWI教學模式中，借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立了區(qū)別于課堂面對面交流的、另一條有效的師生交互通道.這個通道能夠時時在師生中傳遞信息.它不僅解決了傳統(tǒng)教學中教師了解每個學生具體學習狀態(tài)的困難，而且還能夠?qū)⒚總€學生對于教學的具體要求傳遞給教師.實現(xiàn)了在大班教學中師生的有效交互，提高教學質(zhì)量.

與交互式小班教學模式相比，盡管建立了師生間的網(wǎng)絡(luò)交互通道，DGWI教學的課堂教學環(huán)節(jié)中師生交互還是相對很少.但DGWI教學中的小班討論課環(huán)節(jié)引入了師生面對面的交互，以幫助大多數(shù)學生處理學習物理過程中遇到的問題，消除難以轉(zhuǎn)變的迷失概念，克服物理學習中困難.

3.2從認知科學關(guān)于學習研究的最新成果看DGW I教學模式

測試是教育過程中重要的、常有的手段.從記憶心理學研究者的角度看，測試是個體從長時記憶中提取信息的過程，也稱為記憶提取.長期以來，心理學家研究學習和記憶通常采用的方法是：學習期間向?qū)W生呈現(xiàn)要學的信息，然后測評學生記住了多少信息.顯然這里默認這樣一個基本假設(shè)：學習主要發(fā)生在對知識和經(jīng)驗進行編碼的階段，信息的提取只能測量先前學習經(jīng)驗的產(chǎn)出，但其本身并不能產(chǎn)生學習［6］.就如同對物體進行測量并不會改變物體的大小、形狀和質(zhì)量一樣，對記憶的測量也不會改變記憶.基于這樣的認知，長期以來心理學和教育學家更多的是研究促進有效編碼的學習活動對于學習的重要性.

但最近10年的研究發(fā)現(xiàn)，測試不僅是評價先前學習效果的手段，更是促進學習效果的有效方法［7］.測試過程改變了長時記憶中的信息，每一次提取動作都會改變記憶和重構(gòu)知識；與簡單重復學習和過度學習相比，學習過程中進行一次或幾次測試更能顯著促進學習內(nèi)容的長時保持，即使對測試不給予任何反饋，仍能顯著促進學習效果，研究者將這種現(xiàn)象稱為測試效應（testing effect），也叫提取練習效應（retrieval practice effect）.

美國普渡大學Karpicke博士自2008年以來，在世界頂級雜志《科學》上相繼發(fā)表的有關(guān)記憶提取的數(shù)篇文章揭示，提取并非是學習過程中的一個中性事件，而是會對學習產(chǎn)生重要影響.提取式學習的基本觀點是：提取是理解學習和促進學習的關(guān)鍵過程，提取練習能產(chǎn)生有意義的學習，知識提取是由線索驅(qū)動的目標搜索過程［8］.2011年，Karpicke等人關(guān)于提取練習和基于概念圖的精制化學習對有意義學習影響的對比實驗顯示，與基于概念圖的精加工相比，提取式學習能夠產(chǎn)生更持久的記憶保持和更好的學習遷移［9］.這一研究結(jié)果撼動了數(shù)年來概念圖式的精加工策略在當代教育中的中心地位.

同時研究還發(fā)現(xiàn)，大學生在學習過程中，大多傾向于使用重復學習的策略，而很少進行自我測試［10］.這種現(xiàn)象也存在于我們目前的大學物理課的學習中，如何利用認知科學這一學習的最新成果，幫助學生進行有意義的學習，提高學習效率，是大學物理教師的重要任務(wù).

在DGWI教學模式中引入了雙重教學警戒網(wǎng)，通過覆蓋全部教學內(nèi)容的測試題，在學生進行知識編碼期間，嵌入提取練習.建立了首先進行自主編碼學習，然后進行提取練習；再進行教師引導下的編碼學習，再次進行提取練習的教學模式.以提取式學習方法促使學生在大學物理課程的學習中產(chǎn)生更好的學習遷移，即進行更多有意義的學習.這種雙重警戒網(wǎng)的教學模式自然地構(gòu)成了教育測評中倡導的、用于測評教學效果的前、后測研究方法.在教學實驗前（或教學前）進行測量，在教學實驗（教學）后再進行測量.以前、后測量的差別來評測教學實驗（或教學）效果.為教學研究提供有利的證據(jù)和數(shù)據(jù).

4　DGWI教學模式的有效性實證研究

教學模式的有效性必須在教學實踐中檢驗.這里通過具體的對比教學實驗，將傳統(tǒng)教學模式與DGWI教學模式的教學效果進行比較，以此來證實DGWI教學的有效性.實驗設(shè)計方案如圖2所示.

圖2　對比教學實驗設(shè)計框架

教學對比實驗的對象：

（1）選擇同一所大學的兩個教學班，一個作為實驗班（有效樣本數(shù)為44），另一個作為對照班1（有效樣本數(shù)為21）.對照班1采用傳統(tǒng)的大班教學，上課學生有160多人.盡管參與前測學生有167人，但因參與后測的學生為21人，導致了實驗的對照班的有效樣本數(shù)為21.

（2）選擇另一所大學的學生的基礎(chǔ)比實驗班和對照班1稍差的一個教學班作為對照班2（有效樣本數(shù)為78）.

自變量：教學模式，有兩個取值.一個是傳統(tǒng)的教學模式，另一個是DGWI教學模式.

因變量：教學效果.

無關(guān)變量的控制：實驗中，上課教師、教學內(nèi)容、教學要求和上課學時等4個因素對教學實驗結(jié)果有著重要的影響，采取如下方法進行控制.

實驗教師：3個教學班的教師均不同，但每個教師都熟悉各自使用的教學方法.

教學內(nèi)容：選取相同的教學內(nèi)容——大學物理課程的電磁學部分.

教學要求和上課時間：在同一個大學的實驗班和對照班1，其教學內(nèi)容、教學要求和上課的學時都是相同；在另一個大學的對照班2，其教學要求、教學內(nèi)容和學時與實驗班基本也相同，因為教育部對于理工科的大學物理課程的要求是相同的.

教學效果的檢測工具：為了使對比教學實驗的結(jié)果更具有說服力，本實驗采用國際通用的測量電磁學概念的BEMA試題.BEMA（The Brief Electricity and Magnetism Assessment）是用于測量學生對電磁學概念的理解，適用于具有微積分基礎(chǔ)的學生［11］.

實驗數(shù)據(jù)的獲得：

在對教學結(jié)果的評定過程中，由于中美兩國學生的中學基礎(chǔ)差別很大，來自美國的BEMA試卷的部分題目對被測量的學生來說太容易.

實驗班BEMA測試的前測平均正確率為76.9%，后測平均正確率為83.9%，歸一化增益為30.5%.Q1，Q2，Q3等問題的前測正確率為100%，存在著明顯的天花板效應.此外，有些BEMA測試內(nèi)容是我國高中物理課程的內(nèi)容，不屬于大學物理課程的教學內(nèi)容，不能夠起到檢測教學實驗效果的作用.為此，將BEMA試卷中實驗班的前測正確率高于90%的問題和不能起到測評實驗效果的問題剔出，即Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q10，Q11，Q14，Q15，Q17等10個題，剩余的21個問題組成測評工具，稱為BEMA21試卷.使用BEMA21試卷進行對照班1和對照班2的測評.

從實驗班的BEMA測試的數(shù)據(jù)中統(tǒng)計出BEMA21試卷的前測平均正確率為69.0%，后測平均正確率為80.0%，歸一化增益為35.4%.分析BEMA21試卷的測量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)仍然存在天花板效應，特別是對于實驗班和對照班1來說，有很多題目前、后測正確率都超過85%.為進一步減少天花板效應的影響，除掉前測正確率高于85%的Q6，Q8，Q16，Q19，Q21，Q22，Q23問題，只統(tǒng)計其余14個問題，稱這14個試題組成的試卷為BEMA14試卷.具體數(shù)據(jù)見表2.

表2　實驗班和對照班BEMA測量數(shù)據(jù)

對比教學實驗數(shù)據(jù)分析：

1998年，Hake發(fā)表對6000個學生、使用力學FCI（Force Concept Inventory）或MD（Halloun-Hestenes Mechanics Diagnostic test）試卷的前、后測量數(shù)據(jù)及其研究結(jié)果［12］.文中他引用了歸一化增益g以描述教學效果：

其中y為后測正確率，x為前測正確率.數(shù)據(jù)顯示g對前測正確率（顯示學生已有的基礎(chǔ)）不敏感，主要反映了教學引起的貢獻，因而可以作為評測教學效果的參考指標.

對于BEMA21測試，實驗班比對照班1的前測正確率要稍低，但兩者不具有顯著性差異（對BEMA21試卷T-Test t=-0.697，p=0.488；對BEMA14試卷T-Test t=-0.293，p=0.771）；

實驗班與對照班2的前測正確率有差異，對BEMA21試卷的T-檢驗t=2.286，p=0.028；對BEMA14試卷T檢驗t=2.185，p=0.038.這意味實驗班和對照班2的學生水平存在統(tǒng)計意義上的顯著差別。對照班2的學生平均正確率比實驗班的低很多（均值見表2），即對照班2的學生水平比實驗班略低，與預期相同.

表2中數(shù)據(jù)顯示：實驗班的歸一化增益：對于BEMA試卷為30.5%，BEMA21試卷為35.4%，BEMA14試卷為37.9%.它們均為30%以上，呈現(xiàn)出遞增的變化，這說明實驗班教學效果測評中存在著天花板效應.對照班的歸一化增益：對于BEMA21試卷為17.1%，BEMA14試卷為20.0%.仍然呈遞增變化，天花板效應仍存在于對照班1的測評中.對照班2的歸一化增益：對于BEMA21試卷為21.8%，BEMA14試卷為21.7%.這兩個值幾乎相當，顯示出對照班2的測評中幾乎沒有天花板效應.表2中的數(shù)據(jù)顯示不論對照班的學生水平高低，采用傳統(tǒng)方法教學的教學班的歸一化增益均在20%左右，這個值與教學前學生的已有水平的高低關(guān)系不大，與教學方法有著重大的關(guān)系，與在1998年Hake［11］給出的結(jié)論是一致的.

Hake的研究結(jié)果顯示對于傳統(tǒng)教學和交互式教學，力學概念（FCI或MD）測試結(jié)果的平均歸一化增益分別為〈g〉=（23±4sd）%和〈g〉= （48±14sd）%.也就是說，傳統(tǒng)的教學模式的歸一化增益都在19%～27%之間，而交互式教學模式在34%～62%之間.

這里采用傳統(tǒng)教學方法的對照班1和2歸一化增益均處在Hake給出的范圍內(nèi)，而采用DGWI教學模式實驗班的歸一化增益均處于Hake給出的交互式教學范圍內(nèi).可見DGWI教學模式借助于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立的教師和學生的交互通道，使得大班課的教學效果進入了交互式教學效果的范圍.顯然，DGWI教學模式的效率優(yōu)于傳統(tǒng)的教學方法.

圖3為實驗班和對照班的BEMA21試卷的測量結(jié)果.圖3（a）和3（b）中數(shù)據(jù)說明，對于實驗班和對照班1來說，有很多題目前、后測正確率都超過85%，測量中存在著天花板效應.顯然，就BEMA21整份試卷而言，實驗班的歸一化增益比對照班1，2高很多.進一步分析其原因.特別對比實驗班和對照班1，實驗班和對照班1的學生基礎(chǔ)相當，教學大綱、教材、教學內(nèi)容及其學時幾乎相同，分析圖3中的數(shù)據(jù)可以看到，采用傳統(tǒng)教學方法的對照班1，前測正確率高的題目Q9、Q25、Q26的歸一化增益相當理想而且明顯高于實驗班，但Q20、Q27是例外.我們認為，這個例外可能暗示對照班1教學存在著疏忽，使得學生在建構(gòu)的知識體系不太完善.例如：對照班1的前測正確率較低的題目Q7、Q12、Q13、Q28、Q29、Q30的歸一化增益明顯低于實驗班.從數(shù)據(jù)分析的角度看，這也反映了實驗班的歸一化增益比對照班1高很多的原因.因為一份試卷的歸一化增益由各個問題的歸一化增益組成，前測正確率較低的題目對于試卷歸一化增益的貢獻要高于前測正確率高的題目.數(shù)據(jù)背后的反映得可能是教學模式帶來的不同.實驗班的DGWI教學模式較好地鎖定學生知識結(jié)構(gòu)的弱點（相當于前測正確率低的題目），進而能夠集中教學資源給予其重點克服.此外，又因為教學信息在師生間進行了有效的交互，使得教師能夠很好地監(jiān)控教學中的疏忽.例如：實驗班比對照班1在Q20、Q27題上的失誤相對較少.這些因素都促進了實驗班教學效果的提高.

5　DGWI教學模式對大學物理教學研究的意義

5.1促進大學物理教學的研究范式轉(zhuǎn)變，從定性論辯到量化實證

回顧近30年來大學物理教學研究的發(fā)展歷程，可以看到在以教學為研究對象的大學物理教學研究中多數(shù)是定性的、論辯式研究.總體上講，這些大學物理教學研究是基于長期教學經(jīng)驗的，采用思辨推理的論辯方法來研究物理課程體系，教學體系、內(nèi)容、價值及其實施.由于缺乏定量的、實證研究，也限制了大學物理教學研究論文的引用率.在中國知網(wǎng)上以大學物理教學研究為主題進行檢索，檢索引用率最高的文章是1995年趙凱華先生發(fā)表的、題為“物理教育與科學素質(zhì)培養(yǎng)”一文，至2015年其被引用86次.趙凱華先生在大學物理教學研究領(lǐng)域很有影響力，他主編的物理教材使用范圍很廣，很多高校都是使用這個教科書學習物理課程的.即使這樣非常有影響力的工作，其論文的引用率與自然科學領(lǐng)域中的通常論文的引用情況相比，也相差甚遠.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因與大學物理教學研究的采用定性、論辯的研究范式是分不開得.這種研究范式對于個案研究是非常有效的，但其研究的信度和效度與定量的實證研究相比則較差.這也是大學物理教學研究結(jié)果重復性差、普及性不高的原因之一.

國際上的大學物理教育研究具有實證、定量研究重要的特點，主流范式是采用科學的研究方法來研究物理教育.量化研究是現(xiàn)代科學的重要特征，不論是在自然科學領(lǐng)域，還是在社會科學領(lǐng)域，這個特征都越來越重要.特別是電腦的迅速普及，各種統(tǒng)計程序性的軟件大量涌現(xiàn)，大大地方便了教育研究者在研究過程中所必須進行的技術(shù)性操作.量化的實證研究具有更高的信度和效度，具有更強的說服力，其研究成果具有可推廣性好的特點.

在DGWI教學模式中，因引入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立師生交互的通道，從而自然地記錄教學過程中學生的學習狀態(tài)和反應.大量的日常教學數(shù)據(jù)被助教網(wǎng)記錄，（前、后測）為進行定量的大學物理教學研究提供了有利的基礎(chǔ)條件，為我國大學物理教師采用國際上的主流研究方法進行物理教育研究提供了有力的支持.

5.2促進大學物理教學質(zhì)量的提高

長期以來，大學物理課程是公認的比較難學的理工科基礎(chǔ)課之一.因為大學物理課程不僅包含物理內(nèi)容，更包括物理學研究物質(zhì)世界的方法.通過學習，學生不僅要掌握物理知識，更要逐步掌握物理學研究問題的思路和方法，在獲取知識的同時，學生物理模建能力、定性分析與定量計算能力、獨立獲取知識的能力，理論聯(lián)系實際的能力也獲得同步提高與發(fā)展.因此，大學物理課程是自然科學和現(xiàn)代工程技術(shù)的基礎(chǔ)，對于培養(yǎng)大學生的科學素質(zhì)和創(chuàng)新能力起著不可替代的作用.大學物理的教學質(zhì)量將直接影響后續(xù)課程的學習及對人才的培養(yǎng).

隨著高等教育從精英教育走向大眾教育，學生整體素質(zhì)有所下降.社會競爭的日趨激烈，使得學生對大學物理這樣的基礎(chǔ)課程興趣減弱，教學質(zhì)量也隨之下降.要解決這些問題，除了增加投入來逐漸改善教學條件外，還需要改善教學方法和教學模式，更需要拓展現(xiàn)今大學物理教學研究的領(lǐng)域，以教學研究來推動教學質(zhì)量的提高.大學物理教學研究的重點應從研究物理內(nèi)容轉(zhuǎn)移到以學生為中心、研究教師“教”和學生“學”的過程與問題上，以如何幫助學生建造學習物理的腳手架、幫助學習解決學習物理過程中的困難等為目的.真正解決目前大學物理教學所面臨的困難，提高學生的興趣和教學質(zhì)量.

DGWI教學模式能夠提高理工科大學物理課程的教學質(zhì)量.DGWI教學模式借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立的教學通道，增加了教學過程中師生的有效交互；借助于教學警戒網(wǎng)進行了兩次提取練習，促進了學生的遷移學習；進而提高了教師教學的有效性；同時DGWI教學模式將教師的關(guān)注點通過線上交互和教學警戒網(wǎng)聚集在學生學習物理過程中的迷失概念、學習問題等具體的教學問題，使得教師在教學中能夠給學生提供真正需要的幫助，提升了學生學習的質(zhì)量；促進了物理教學質(zhì)量的提高.

5.3促進大學物理課程的教學改革，使其從傳統(tǒng)的教學模式走向信息技術(shù)化、網(wǎng)絡(luò)化

目前高等學校在校學生數(shù)量已經(jīng)接近高校師資所能承受的極限，辦學規(guī)模的擴大決定了高等學校的教學組織形式只能延續(xù)傳統(tǒng)的、大班講授式課堂教學模式.傳統(tǒng)課堂教學模式的優(yōu)缺點是顯而易見的.雖然傳統(tǒng)的教學模式能夠充分發(fā)揮教師在教學中的主導和監(jiān)控作用，但是不能很好地發(fā)揮學生的積極主動性，長期以來不利于對學生創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力的培養(yǎng).

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為師生提供了多種交互渠道，能夠彌補課堂教學時間有限而帶來的面對面教學不能夠進行師生充分交互的不足.DGWI教學模式充分發(fā)揮了互聯(lián)網(wǎng)的作用，將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入了理工科大學物理課程的日常教學中，不僅提供了教學過程中師生交互的渠道，更是促進了教學過程中師生的及時有效的交互.DGWI教學模式推動了大學物理教學從傳統(tǒng)的教學模式向互聯(lián)網(wǎng)時代的教學模式改革.

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QUANTITATIVE RESEARCH OF COLLEGE PHYSICS TEACHING BASED ON INTERNET-DUAL SAFE-GUARD WEB-BASED INTERACTIVE TEACHING MODE IN COLLEGE PHYSICS CLASS

Luo Ying1LiLieming2
（1Department of Physics，Beijing Normal University，Beijing 100875；2Department of Physics，Tsinghua University，Beijing 100084）

First，Dual safe-Guard Web-based Interactive（DGWI）teaching mode is introduced in the paper.There are four instructional components，consisting of warm-up，in class lesson，online homework and discussion session，in DGWI.Student and instructor activities involve activities both in the classroom and on a designated web site（w ww.zjiao.com）.This DGWI teaching mode can improve student learning and instructor teaching.Then，the DGWI teaching mode is analyzed from the angle of pedagogy and cognitive psychology.Third，the effectiveness of the DGWI teaching mode is confirmed by controlling variables experiment.The results indicate that the DGWI is an effective way to improve students，understanding of physics concepts，cultivate students，problem-solving abilities through instructor-student interactions，and identify students，misconceptions through a safeguard framework based on questions that satisfy teaching requirements and cover all of the course material.Finally，the application significance of DGWI teaching mode is discussed in college physics class.

college physics teaching；DGWI teaching mode；physics teachingresearch

2015-12-25；

2016-01-24

本研究獲北京師范大學教學改革項目：“雙重預警、網(wǎng)絡(luò)交互教學模式在大學物理教學中的應用研究”支持.

羅瑩，女，副教授，主要從事物理教育研究，研究方向為物理教育測量與評價.luoying@bnu.edu.cn；李列明，男，副教授，主要從事物理研究，研究方向為與日常教學相關(guān)的量化研究、凝聚態(tài)物理.lmli@mail.tsinghua.edu.cn