基于課堂應答系統(CRS)的診斷性教學*①

雷 丹 黃致新 陳麗莎 孫楚鈺 劉賀平

(華中師范大學物理科學與技術學院 湖北 武漢 430079)

1 診斷性教學及其意義

診斷性評價也稱“教學性評價”，一般是指在某項教學活動開始之前對學生的知識、技能以及情感等狀況進行的預測．通過這種預測可以了解學生的知識基礎和準備狀況，以判斷他們是否具備實現當前教學目標所要求的條件，為實現因材施教提供依據．而根據教育過程的需要，診斷性評價也慢慢滲透到教學的各個階段．根據診斷的目的、過程和標準，可將教學診斷性測驗分為以下5種類型：預測性診斷測驗、形成性診斷測驗、適應性診斷測驗、質量性診斷測驗以及障礙性診斷測驗．

本文主要研究形成性診斷測驗.這類測驗是在教學過程中進行的．形成性診斷測驗有助于教師了解哪些教學目標已經達到，哪些目標尚未達到，還存在哪些方面的差距等，以便適時調整教學策略．對學生來說，可以利用形成性診斷測驗進行自我反饋和自我調整，逐步接近或達到教學目標．

2 CRS在形成性診斷測驗中力學部分的應用

大學物理的力學部分由質點運動學、牛頓運動定律(動力學)、動量與角動量、功和能、剛體的定軸轉動、狹義相對論基礎這6章組成．而這6章可以劃分為4個部分：質點運動學，質點動力學，剛體動力學以及狹義相對論．與高中不同的是大學物理質點運動學部分，需要用到微積分知識來嚴格定義質點的速度和加速度，同時還提到曲線運動以及相對運動的問題．而質點動力學主要介紹的是牛頓第二定律、動能、動量定理、能量守恒、動量守恒、角動量守恒定律，在介紹機械能守恒定理的同時引進保守力的概念．剛體這一部分則引進轉動慣量的概念，同時將動力學內容用于剛體部分．狹義相對論則引進全新的時空轉換概念，主要基于兩個原理——相對性原理和光速不變原理，其中提到洛倫茲變換以及相對論質量、動量、能量關系式．而整個力學部分的核心主要體現在機械能守恒、動量守恒和角動量守恒這三個守恒定律上．因此本文基于力學部分的這三大守恒定律，對CRS在形成性診斷測驗中的應用開展研究．

CRS教學系統在形成性診斷測驗的應用,是指在新課結束后準備幾道能體現重點概念和規律的、容易出錯的選擇題,利用CRS 進行學習效果檢測,可同時起到復習鞏固和深化理解的作用．通過CRS教學系統在課堂中的有效應用,教師能夠及時得到學生知識掌握情況的反饋信息,從而適時調整自己的教學進度．當然,由于應用CRS時應答題目只能以選擇題的形式出現,學生的選擇結果只能給出其思維結果,而不能展示其思維過程．若教師在對學生群體答案分析的同時進行個別提問,則可以通過對話洞察其思維過程,以做出進一步講解[1]．

CRS題目的設計是形成性診斷測驗成功的關鍵所在，在本次研究中，CRS題目主要根據認知沖突型來設計：每三道題目圍繞一個概念展開，但是各自有各自的特征．第一道題目主要為建立學生信心設計，題目簡單．大部分學生可以正確回答出該問題，因此第一道題之后的討論相當簡單．第二道題目難度增加，不同的題目往往會選擇不同的答案，學生將意識到自己沒有很好的掌握概念，教師可以查看不同學生的選項并對學生為什么要選擇該答案進行提問討論．教師可以根據反饋回來的信息，及時解決同學的疑難問題，調整教學．第三題題目難度較大，是為了檢測教學成果，判斷學生是否掌握基本概念．因此三個題目難度分別為：易-難-難．

3 題目應用舉例

接下來的三組題目出自華中師范大學物理力學課堂的PowerPoint演示文稿，用于在新課結束后對學生的所學知識的檢驗和鞏固學生所學內容．學生在課堂上用了5 min來完成每組題．

第一組問題是關于功和機械能守恒的題目.

【例1】一個質點同時在幾個力作用下的位移為Δr=4i-5j+6k, 其中的一個力為恒力F=-3i-5j+9k, 則此力在該位移過程中所做的功為

A.-67 J B.17 J

C.67 J D.91 J

【例2】下列說法正確的是

A.不受外力作用的系統，它的動量和機械能必然同時守恒

B.內力都是保守力的系統，當它所受的合外力為零時，其機械能必然守恒

C.只有保守內力作用而不受外力作用的系統，它的動量和機械能必然都守恒

【例3】對功的概念有以下幾種說法：

(1)保守力做正功時, 系統內相應的勢能增加.

(2)質點運動經一閉合路徑，保守力對質點做的功為零.

(3)作用力和反作用力大小相等、方向相反,兩者所做功的代數和必為零.

A.(1)、(2)是正確的

B.(2)、(3)是正確的

C.只有(2)是正確的

D.只有(3)是正確的

第二組問題是關于沖量和動量守恒的題目.

【例4】砂子從h=0.8 m高處下落到以3 m/s的速率水平向右運動的傳送帶上，如取重力加速度為10 m/s,傳送帶給予剛落到傳送帶上的砂子的作用力的方向

A. 與水平夾角53°向下

B. 與水平夾角53°向上

C. 與水平夾角37°向上

D. 與水平夾角37°向下

【例5】一個α粒子飛過一金原子核而被散射，金核基本上未動，在這一過程中

A.對金核中心來說，α粒子的角動量守恒

B.對金核中心來說，α粒子的角動量不守恒

C.α粒子的動量守恒

D.α粒子的動量不守恒

【例6】在核反應堆中利用中子和“減速劑”的原子核發生完全彈性碰撞而使中子減速，則

A.減速劑應使用原子質量比較大的元素

B.減速劑應使用原子質量比較小的元素

C.無法判斷

第三組題目是關于剛體和角動量守恒的題目.

【例7】關于剛體對轉軸的轉動慣量，下列說法中正確的是

A.只取決于剛體的質量，與質量的空間分布和轉軸的位置無關

B.取決于剛體的質量和質量的空間分布，與轉軸的位置無關

C.取決于剛體的質量、質量的空間分布和轉軸的位置

D.只取決于轉軸的位置，與剛體的質量和質量的空間分布無關

【例8】一個人站在有光滑固定轉軸的轉動平臺上, 雙臂伸直水平地舉起二啞鈴, 在該人把此二啞鈴水平收縮到胸前的過程中, 人、啞鈴與轉動平臺組成的系統的

A.機械能守恒, 角動量守恒

B.機械能守恒, 角動量不守恒

C.機械能不守恒, 角動量守恒

D.機械能不守恒, 角動量不守恒

【例9】有兩個力作用在一個有固定轉軸的剛體上：

(1)這兩個力都平行于轉軸作用時，它們對轉軸的合力矩一定是零．

(2)這兩個力都垂直于轉軸作用時，它們對轉軸的合力矩可能是零．

(3)當這兩個力的合力為零時，它們對轉軸的合力矩也一定是零．

(4)當這兩個力對轉軸的合力矩為零時，它們的合力也一定是零．

在上述說法中

A.只有(1)是正確的

B.(1)、(2)正確，(3)、(4)錯誤

C.(1)、(2)、(3)正確，(4)錯誤

D.(1)、(2)、(3)、(4)都正確

4 數據統計及效果分析

由于這三組題目是在新課結束后準備的，用來復習鞏固、深化理解，所以題目的覆蓋面較廣．鑒于易—難—難的題目設計原則，第一題偏易用于學生鞏固概念，因此每組題的第一題答對率很高；第二題加深難度后利于學生深入思考，理解其中物理含義，答對率相對較低；第三題則用于學生綜合課堂所學知識，深層次的運用課堂知識，答對率有所回升．三組題的學生答題正確率如表1所示．

經過這次力學部分診斷性教學的研究可以發現，學生在課堂上較易吸收力學的一些物理概念，但是學生對守恒定律的理解不夠徹底，尤其在需要學生綜合考慮兩種守恒定律(動量和機械能守恒)的時候．因此教師在學生答完第二題后對動量守恒和機械能守恒的條件加以強調，希望引起學生注意．在第二套題的第二題中，同樣涉及了兩種守恒定律(動量和角動量守恒)，用來檢驗學生對知識的掌握情況．此題的回答正確率較上一組的第二題有所上升，說明上次教師對動量守恒和機械能守恒的條件加以強調對學生的學習有了很大的幫助，達到了一定的教學效果．此時，教師再次重點對機械能守恒，動量守恒和角動量守恒做一次全面的分析和復習．最后，我們在第三組題目的第二題中同樣涉及了兩種守恒定律(機械能和角動量守恒)來檢測我們的教學效果．第三組題中，可以發現學生第二題的答題正確率已升高到了71%(見表1)，與前兩組題的第二題的答題正確率相比有了較大程度的提高．

該試驗在華中師范大學的大學物理課堂上進行，每組問題之間的間隔都為8個課時(一個月)．首先，從學生三組題的答題正確率來看，這三組題的難度系數相差不大(見表1)．其次，三組題答題時間都為5 min，分別是第一題為1 min，第二題為1.5 min，第三題為2.5 min，留給學生的思考時間一樣．

表1 clicker診斷評估性教學中學生答題正確率

分析以上條件，將三組題目進行對比，發現第一題的正確率由第一組題目的89.11%提高到第三組題目的95.19%，第二題的正確率由第一組題目的38.6%提高到第三組題目的71%，第三題的正確率由第一組題目的90%提高到第三組的95.57%．由此可見，CRS診斷性教學在實踐應用中給物理教學帶來比較大的幫助．就這樣，我們通過不同時間的三組類似的題目，達到發現問題、檢驗問題和解決問題的診斷性教學的目的．

另外，由于本文調研的對象是華中師范大學數學統計學院2010級數學系專業的學生，總人數為312人，選課系統按學號隨機將學生平均分配到三個班級，任課教師也由三位教職能力相當的教授擔任．本文選擇其中一個班級作為CRS實驗班，另外兩個班級則為對照班．在本學期期末考試結束后，將三個班的平均成績做了對照(如表2)．經過簡單地計算，發現實驗班的平均分高出年級平均分3個百分點．因此，可初步得出結論，CRS課堂應答系統的使用能提高學生的學習成績，更好得到達教學目標．

表2 期末班級平均成績對照表

5 結論

總之，交互式課堂應答系統可以幫助同學之間還有教師同學之間建立對話，并且是在大學里很受歡迎的一種教學模式．用CRS診斷性教學可以使學生有更多的機會去測試自己對每個概念的掌握程度，從而在短期內幫助學生深入理解物理概念，雖然長時間的幫助效果還需要繼續研究．可以肯定的是，在力學部分，Clicker診斷性教學要比普通習題教學更能提高學生的學習水平．通過Clicker診斷性教學，可以達到教學中發現問題、檢驗問題和解決問題的目的．我們以后還會利用clicker對大學物理的其他章節作更完整的分析，希望我們的研究成果能給物理教學帶來幫助[2]．

參考文獻

1 黃致新.基于clicker的交互式探究型課堂教學及其研究進展.物理教學探討，2010(9)

2 N.W.Reay,P.F.Li,L.Bao.Testing a new voting machine question methodology.American Journal of Physics，2008.171