寇桁菘 唐 淦 韓 笑 朱亞彬

(北京交通大學(xué)理學(xué)院,北京 100044)

大學(xué)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(xué)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(xué)現(xiàn)有的大學(xué)物理實驗課程為例,其教學(xué)方案上仍然存在一些問題。首先,大學(xué)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(nèi)容脫節(jié),導(dǎo)致學(xué)生無法掌握基本知識;其次,學(xué)生對課程的態(tài)度不端正,課前預(yù)習(xí)不充分;最后,教改項目考查學(xué)生實驗?zāi)芰Φ牧勘硇Ф炔桓?問卷題目設(shè)置涉及所有實驗,而學(xué)生實行選做實驗,學(xué)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(xué)模式下如何進一步提高學(xué)生成績,引入了合作學(xué)習(xí)或自主學(xué)習(xí)相關(guān)的教學(xué)理論,力圖在現(xiàn)有條件下找到適合學(xué)生的教學(xué)模式。

在現(xiàn)有的研究中,對合作學(xué)習(xí)模式或自主學(xué)習(xí)模式已有較為深入的探討。W.Sumanasekera等人通過改變教學(xué)策略并對比學(xué)生前后的成績變化,發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)淖灾鲗W(xué)習(xí)(如視頻、游戲互動)可以有效地提高學(xué)生的成績,并且針對不同的學(xué)習(xí)目標(biāo)可以改變自主學(xué)習(xí)的方式[1]。C.U.Bilgin等人在研究調(diào)查中發(fā)現(xiàn)游戲式的學(xué)習(xí)方式盡管在學(xué)習(xí)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(xué)生在探究的過程中帶著問題去解決實際問題,其學(xué)習(xí)效果更優(yōu)于普通教學(xué)模式[3]。合作學(xué)習(xí)營造了和諧積極的教學(xué)環(huán)境,學(xué)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(xué)生的能力在和諧的學(xué)習(xí)氛圍中獲得提升[4]。

但是值得注意的是,對于不同學(xué)習(xí)能力、不同成績的學(xué)生,采用相同的教學(xué)方式,其效果可能有所不同,這是由于不同個體間差異導(dǎo)致的結(jié)果[5,6]。所以合作學(xué)習(xí)模式以及自主學(xué)習(xí)模式對不同分數(shù)段學(xué)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(diào)查在原有的考查學(xué)生實驗?zāi)芰α勘淼幕A(chǔ)上,進一步細化量表,讓學(xué)生在課程結(jié)束時只需回答他們所學(xué)過實驗的相關(guān)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(xué)習(xí)模式或者自主學(xué)習(xí)模式的學(xué)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(xué)習(xí)或自主學(xué)習(xí)對他們的成績的提升是否顯著。

1 實驗課程介紹

大學(xué)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(nèi)容涵蓋力熱聲光振動電學(xué)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?，F(xiàn)階段我們采用的教學(xué)模式為:學(xué)生預(yù)習(xí)課本填寫實驗報告,上課觀看教學(xué)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(yù)習(xí)、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(xué)生以自己看MOOC視頻的方式進行學(xué)習(xí),完成實驗報告。

2 測試方案

2.1 問卷設(shè)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(nèi)容設(shè)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(nèi)容所設(shè)計的15 道單選題目和12 道主觀題目組成,因為本校學(xué)生在此階段只需完成四個實驗,所以學(xué)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(xué)生的成績更加準(zhǔn)確,防止學(xué)生因為對其他實驗不熟悉,而導(dǎo)致最后測試的數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確。同時我們也在問卷的后半部分結(jié)合合作學(xué)習(xí)與自主學(xué)習(xí)增加了一些主觀調(diào)查,并附上層次分析法量表。特別說明,本次項目設(shè)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(dāng)合作學(xué)習(xí)或自主學(xué)習(xí)模式的學(xué)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(shè)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(xué)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(diào)查不同層次學(xué)生對于合作學(xué)習(xí)模式或自主學(xué)習(xí)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(xué)生開始實驗課程之前,用一套測試題對學(xué)生進行測試,作為空白對照組,得到學(xué)生的前測成績;待學(xué)生做完必做的三個實驗后,對學(xué)生進行中測(新版測試題),針對學(xué)生在實驗中可能采取的一些學(xué)習(xí)方式進行問卷調(diào)查,并測試學(xué)生在此課程階段的成績,得出中測數(shù)據(jù);最后在學(xué)生結(jié)束所有實驗時,用與前測相同的測試題對學(xué)生進行測試,得到學(xué)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(xué)習(xí)或自主學(xué)習(xí)的學(xué)生,然后根據(jù)學(xué)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(xué)生”,最后追蹤這些“種子學(xué)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(diào)查在中測試題框架不同層次學(xué)生對自主學(xué)習(xí)或合作學(xué)習(xí)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(diào)查以雨課堂與問卷星為測試工具,以北京交通大學(xué)2018級理工科學(xué)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(diào)查

我們對學(xué)生在實驗中的合作情況進行調(diào)查,將每個分數(shù)段合作或不合作的人數(shù)轉(zhuǎn)化為占該分數(shù)段總?cè)藬?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(xué)習(xí)方式的學(xué)生占比隨分數(shù)段變化的趨勢線。

表1 學(xué)生是否采用合作完成實驗的人數(shù)占比表

圖2 學(xué)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(xué)生采用合作學(xué)習(xí)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(xué)生,高分段學(xué)生使用合作學(xué)習(xí)的比例更高。反過來,對于低分段學(xué)生來說,使用合作學(xué)習(xí)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(diào)查說明了合作學(xué)習(xí)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(xué)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(xué)生一方面覺得自己的知識水平不足,不愿與別人交流,怕產(chǎn)生心理落差,另一方面是對于大學(xué)物理實驗興趣不高,只是單純地獲取學(xué)分。一分段合作學(xué)習(xí)比例最高,是由于在隨機抽取樣本時造成的誤差導(dǎo)致,忽略誤差影響可以說明上述結(jié)論,正如圖2中趨勢線所示。

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

表2 主觀因素影響大學(xué)物理實驗課程成績的占比表

在學(xué)生的主觀因素中影響大學(xué)物理實驗課程成績的程度由重到輕依次為:自主學(xué)習(xí)、興趣程度、學(xué)習(xí)態(tài)度、難易程度和學(xué)分占比。從總體上看,現(xiàn)有教學(xué)模式下,更多的學(xué)生希望在實驗進行中增加必要的自主學(xué)習(xí)環(huán)節(jié),其比例達到了32.65%。通過學(xué)習(xí)過程的調(diào)研,我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生在大學(xué)物理實驗教學(xué)的過程中課前預(yù)習(xí)本身也是一種自主學(xué)習(xí)的過程,但是學(xué)生更多的是將其視為一種“謄抄”作業(yè),并不能充分調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。另外在實驗階段,學(xué)生完成實驗時間的長短被作為一項評分標(biāo)準(zhǔn),這樣雖然能夠在一定程度上督促提升預(yù)習(xí)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(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。總而言之,在保證教學(xué)質(zhì)量的前提下,避免“謄抄式”預(yù)習(xí),適當(dāng)調(diào)整實驗的評分標(biāo)準(zhǔn),并增強小組之間的互動性是學(xué)生目前想要增加的自主學(xué)習(xí)的環(huán)節(jié)。

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

表3 學(xué)生有過自主學(xué)習(xí)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(xué)生層次中,零分段和一分段的學(xué)生中有較多的人在實驗過程中自行加入了自主學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)任務(wù),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(xué)生選擇自主學(xué)習(xí)的人數(shù)較少。我們對零分段和一分段的部分同學(xué)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(xué)生更愿意在實驗過程中嘗試自主學(xué)習(xí),一方面是因為他們在初高中的教學(xué)環(huán)境下并沒有體驗過自主學(xué)習(xí)的教學(xué)方式,老師只是將物理實驗道具拿到講臺上給同學(xué)們進行演示,甚至是單純地將知識板書給學(xué)生,并沒有一個可以讓學(xué)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(xué)生的基礎(chǔ)知識不夠牢固,從而導(dǎo)致他們在課堂上不能充分消化吸收課堂所學(xué)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(xué)的差距。最后,對于一些其他分數(shù)段的學(xué)生進行訪談后,我們發(fā)現(xiàn)他們嘗試自主學(xué)習(xí)的比例較低的原因。他們認為自己本身的知識儲備已經(jīng)比較充實,盡管大學(xué)物理理論課的內(nèi)容很多,但是通過上課老師對于重點內(nèi)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(yù)習(xí)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(xué)習(xí)的手段去再獲取知識。另一主要方面是他們在高中的學(xué)習(xí)過程中,教學(xué)老師有充分的教學(xué)資源讓他們熟悉大學(xué)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(xué)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(guān)于實驗本身的內(nèi)容,只需要完成老師布置的預(yù)習(xí)任務(wù)以及課堂任務(wù)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(xué)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(shè)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(xué)生參與,所以有很少的學(xué)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(diào)查中選擇合作學(xué)習(xí)的學(xué)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(shè)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(xué)生的成績變化量。

同時挑選出在實驗課程中選擇了自主學(xué)習(xí)的學(xué)生,在低、中和高分段學(xué)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(diào)查前測數(shù)據(jù)中所抽取的20個學(xué)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(xué)生采取自主學(xué)習(xí)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(shè)與備擇假設(shè)

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(guān)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(nèi)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(nèi)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(xué)習(xí)因素

令原假設(shè)與備擇假設(shè)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(xué)習(xí)的方差分析表4和均值方差匯總表5。

表4 合作學(xué)習(xí)下的均值方差匯總表

表5 合作學(xué)習(xí)下的單因子方差分析表

(b) 對于自主學(xué)習(xí)因素

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

表6 自主學(xué)習(xí)下的均值方差匯總表

表7 自主學(xué)習(xí)下的單因子方差分析表

⑥結(jié)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(jīng)過合作或自主學(xué)習(xí)后,兩種學(xué)習(xí)模式對不同層次學(xué)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(jié)果與不同層次學(xué)生前后的成績均值進行比較,我們可知低分段學(xué)生的提升程度要高于高分段的學(xué)生。分別在合作學(xué)習(xí)模式與自主學(xué)習(xí)下,低分數(shù)段的學(xué)生平均提高1.6分和2.6分,中高分數(shù)段的學(xué)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(xué)生成績下滑嚴(yán)重。通過對部分高分段學(xué)生的調(diào)查,我們認為高分段學(xué)生成績下滑嚴(yán)重的原因為:首先,高分數(shù)段的學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中存在“瓶頸效應(yīng)”,即高分數(shù)段學(xué)生知識水平到達一定程度后,如果未找到合適自己的學(xué)習(xí)方法,就很難提升成績,甚至?xí)斐沙煽兿禄?其次,高分段的學(xué)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(dǎo)致學(xué)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(dāng)前教學(xué)模式?jīng)]有對合作或自主學(xué)習(xí)制定相應(yīng)的教學(xué)任務(wù),導(dǎo)致學(xué)生在采用上述學(xué)習(xí)模式時,沒有達到提高分數(shù)所需要的學(xué)習(xí)要求,導(dǎo)致成績的下滑。

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

4 結(jié)語

本文通過層次分析法與單因子方差分析法,對比合作學(xué)習(xí)或自主學(xué)習(xí)在不同層次學(xué)習(xí)能力學(xué)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(xué)習(xí)模式或合作學(xué)習(xí)模式分別對不同能力的學(xué)生成績提升存在顯著差異性。在沒有系統(tǒng)的教學(xué)方案下,一些學(xué)習(xí)能力相對薄弱的學(xué)生在通過合作或自主學(xué)習(xí)模式后成績均可以得到提高;相較于自主學(xué)習(xí)來說,合作學(xué)習(xí)模式對于成績的影響相對來說比較穩(wěn)定,且對于基礎(chǔ)薄弱學(xué)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(xué)生在部分物理實驗課程的學(xué)習(xí)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(xué)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(xué)方案并未對合作或自主學(xué)習(xí)有一個系統(tǒng)的方案設(shè)計,僅僅是憑借學(xué)生自覺性來選擇合作學(xué)習(xí)模式或自主學(xué)習(xí)模式,自由度過高,且未能引起學(xué)生足夠的重視,這在一定程度上會影響學(xué)生成績。最后,本次調(diào)查主要測試對象是學(xué)生,未參考學(xué)校本身的教學(xué)設(shè)置、教學(xué)大綱等客觀因素。

5 教學(xué)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(xué)方案中可穿插一些與合作學(xué)習(xí)與自主學(xué)習(xí)有關(guān)聯(lián)的學(xué)習(xí)任務(wù)。一方面合作學(xué)習(xí)與自主學(xué)習(xí)可以有效地提高學(xué)生成績,另一方面也可以提升學(xué)生的參與度,從而提高學(xué)生的興趣程度,有助于加深對物理實驗原理的理解;另外,設(shè)計教學(xué)任務(wù)時需要考慮不同層次學(xué)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(jīng)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(xué)習(xí)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(xué)習(xí)沒有跟上

B.動手能力欠缺,在操作上有困難、

C.在預(yù)習(xí)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(xué)習(xí)物理實驗:(可多選)

A.老師專門開一堂跟大物差不多學(xué)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(nèi)容自 己選擇課題進行實驗

B.自己看書、結(jié)合MOOC自學(xué)物理實驗

C.根據(jù)大學(xué)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(guān)于對影響物理實驗?zāi)芰σ蛩氐恼{(diào)查表