基于Clicker的交互式教學(xué)對(duì)科學(xué)推理能力的培養(yǎng)研究

謝 麗，楊長(zhǎng)銘 （長(zhǎng)江大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州434023）

包 雷 （俄亥俄州立大學(xué)物理系，美國(guó)俄亥俄州 哥倫布43210）

科學(xué)推理能力是能力的核心，是創(chuàng)造力的基礎(chǔ)［1］。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們將會(huì)在今后的工作中不斷面對(duì)新的問題和挑戰(zhàn)，這就要求學(xué)生擁有較強(qiáng)的科學(xué)推理能力來解決今后工作和生活中面對(duì)的新問題。對(duì)于今后致力于從事科學(xué)、技術(shù)和工程行業(yè)的理工科學(xué)生來講，具備較高的科學(xué)推理能力就顯得更加重要。傳統(tǒng)的講授式教學(xué)已不能有效的幫助學(xué)生提高他們的科學(xué)推理能力［2－4］。基于此，筆者對(duì)課堂應(yīng)答系統(tǒng) （Clicker）運(yùn)用于大學(xué)物理課堂進(jìn)行了研究??長(zhǎng)江大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目 （JY2012005）。。

1 Clicker簡(jiǎn)介

課堂應(yīng)答系統(tǒng) （Clicker）最早于1992年應(yīng)用于哈佛大學(xué)等少數(shù)美國(guó)高校。經(jīng)過近20年的發(fā)展和完善，在美國(guó)已經(jīng)有700所大學(xué)和眾多的中小學(xué)在使用這種課堂應(yīng)答系統(tǒng)。而隨著教育技術(shù)手段的發(fā)展，我國(guó)也于2008年起逐步將這種應(yīng)答系統(tǒng)應(yīng)用到教學(xué)中來。研究結(jié)果表明，很多學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣大大提高，學(xué)習(xí)相關(guān)課程的熱情也更加濃厚，學(xué)習(xí)成績(jī)也有了大幅度的提高［5－6］。課堂應(yīng)答系統(tǒng)主要由教師遙控器、學(xué)生投票器 （每人1個(gè)）、接收器以及配套的軟件組成。學(xué)生可以將自己的答案利用手中的投票器發(fā)送至與計(jì)算機(jī)相連的接收器中，計(jì)算機(jī)中安裝的Clicker數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)會(huì)在接收到信號(hào)后立即對(duì)收集到的信息進(jìn)行處理，最后將學(xué)生的投票結(jié)果以柱狀圖或百分比的形式反饋在屏幕上。因此它可以將課堂教學(xué)、課堂測(cè)試、投票表決、游戲活動(dòng)、竟猜學(xué)習(xí)、教學(xué)評(píng)估等有機(jī)地結(jié)合起來，在現(xiàn)有大部分教室“一臺(tái)電腦一部投影儀”的基礎(chǔ)上，既可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)課堂所不能實(shí)現(xiàn)的及時(shí)互動(dòng)教學(xué)，又能統(tǒng)計(jì)并生成各種報(bào)表幫助教師和學(xué)生了解學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，還能夠自動(dòng)點(diǎn)名，協(xié)助課堂管理。

2 研究過程

2．1 被試的選取

從長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)習(xí) 《大學(xué)物理》課程的二年級(jí)理工科學(xué)生中抽取了8個(gè)平行班，分為4個(gè)控制班和4個(gè)實(shí)驗(yàn)班，分別由2名教學(xué)素質(zhì)相當(dāng)?shù)闹星嗄杲處熯M(jìn)行授課，教學(xué)過程中使用同樣的教材、課件和習(xí)題資料并完成相同的教學(xué)內(nèi)容。對(duì)于4個(gè)控制班，采用傳統(tǒng)的講授式教學(xué)方法，4個(gè)實(shí)驗(yàn)班則使用基于Clicker的交互式教學(xué)方法，探究新的教學(xué)方法對(duì)學(xué)生科學(xué)推理能力的培養(yǎng)效果。

2．2 測(cè)量工具的設(shè)計(jì)

在研究中，以 Lawson測(cè)試卷［7－8］為基礎(chǔ)，擴(kuò)展了測(cè)評(píng)的子類，將原有的題目數(shù)由24增加到30，如在傳統(tǒng)的概率題中增加了條件概率和貝葉斯概率、在相關(guān)性題中增加邏輯推理和因果推理。此外，在該測(cè)試卷中，有的題目還采用題目組的形式，每組題中包括2道或者多道試題，這樣的設(shè)計(jì)使研究者不但可以測(cè)試學(xué)生推理水平，同時(shí)還可以了解被試的思維推理過程。表1列出了測(cè)試卷中的題目所對(duì)應(yīng)的科學(xué)推理能力的相關(guān)維度。

表1 測(cè)試卷維度信息

學(xué)生選項(xiàng)正確則計(jì)1分，總分為30分，研究采用Cronbachα因子法檢測(cè)量表的信度，且α＝0．768，與Lawson Test的結(jié)果相近，證明了新量表的可靠性和穩(wěn)定性。

3 Clicker在課堂教學(xué)中的應(yīng)用過程

在實(shí)踐過程中，教師先將整個(gè)學(xué)期教學(xué)進(jìn)度表和每堂課的課前閱讀作業(yè)公布在 《大學(xué)物理》課程網(wǎng)站上由學(xué)生先行下載，并遵循教學(xué)進(jìn)度表的安排授課。每次課的開始階段，教師設(shè)置一個(gè)相關(guān)概念的測(cè)試題，檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)狀況，且投票結(jié)果算作期末成績(jī)的額外加分，最高可以加5分，這樣可以激勵(lì)學(xué)生在課前進(jìn)行自我閱讀。在使用Clicker進(jìn)行投票時(shí)，將物理概念以生活、工作、生產(chǎn)、科技等不同的背景材料呈現(xiàn)給學(xué)生，設(shè)定好投票的時(shí)間為2～3min，如果大多數(shù)學(xué)生 （≥70%）在概念測(cè)試中選擇了正確的答案，教師就繼續(xù)下一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的講解；如果選擇正確答案的學(xué)生比例較低 （＜30%），教師則放慢速度，把這個(gè)知識(shí)點(diǎn)講解的更細(xì)致一點(diǎn)。這種按需重復(fù)的方法，能夠防止教師預(yù)期結(jié)果和學(xué)生實(shí)際理解程度之間的鴻溝不斷擴(kuò)大。同時(shí)在教學(xué)過程中，依據(jù)教學(xué)內(nèi)容難易程度，也采用了不同的教學(xué)模式。內(nèi)容簡(jiǎn)單學(xué)生熟悉的課程，采取 “課前預(yù)習(xí)－課堂討論投票－反饋結(jié)果－補(bǔ)充講解－進(jìn)入下一個(gè)知識(shí)點(diǎn)”的模式，如質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)；對(duì)于內(nèi)容較難的部分，則采取了 “課前預(yù)習(xí)－教師講解相關(guān)內(nèi)容－學(xué)生投票考查－反饋結(jié)果－重復(fù)講解或進(jìn)入下一個(gè)知識(shí)點(diǎn)”的模式。針對(duì)學(xué)生的投票和討論會(huì)占用相應(yīng)教學(xué)時(shí)間的問題，則通過減少例題講解的數(shù)目和習(xí)題課的時(shí)間來完成傳統(tǒng)課程相同的教學(xué)內(nèi)容。雖然老師的講解時(shí)間減少了，但是卻可以把大量的學(xué)習(xí)任務(wù)由學(xué)生自己課后來完成，真正做到了學(xué)生 “自主”學(xué)習(xí)。

4 數(shù)據(jù)分析

表2 科學(xué)推理能力測(cè)試的結(jié)果 （30道題）

開學(xué)初的第1節(jié)課，對(duì)2組學(xué)生的科學(xué)推理能力進(jìn)行了第1次測(cè)試，學(xué)期末的最后一節(jié)課進(jìn)行了第2次測(cè)試，測(cè)量的結(jié)果如表2所示。由于各獨(dú)立樣本分布類型檢驗(yàn)中α＜0．05不符合正態(tài)分布，因此對(duì)控制組和實(shí)驗(yàn)組的2次測(cè)試結(jié)果比較，采用非參數(shù)獨(dú)立樣本差異檢驗(yàn)。控制組和實(shí)驗(yàn)組的第1次測(cè)試數(shù)據(jù)表明，2組樣本在開學(xué)初的科學(xué)推理能力沒有顯著性差異 （t＝0．54，p＝0．395）。

通過一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)后，控制組和實(shí)驗(yàn)組的第2次測(cè)試成績(jī)均有提高，依據(jù)公式 （1）可得控制組的絕對(duì)增益為1．33% （相當(dāng)于0．4道題），實(shí)驗(yàn)組的絕對(duì)增益為5．00% （相當(dāng)于1．5道題），絕對(duì)增益的計(jì)算公式如下所示：

采用相關(guān)樣本t檢驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)控制組的科學(xué)推理能力的第2次測(cè)試結(jié)果雖然略高于第1次測(cè)試結(jié)果，但是2次測(cè)試的結(jié)果卻沒有顯著性差異 （t＝1．344，p＝0．185，effect size＝0．5），說明這一階段學(xué)生的科學(xué)推理能力在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上沒有顯著變化。而實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的2次測(cè)試結(jié)果在0．001水平差異顯著 （t＝5．47，p＜0．001，效應(yīng)量effect size＝0．6）。效應(yīng)量effect size＝0．6說明顯著性差異不是由樣本量造成的而是由教學(xué)模式和教學(xué)方法引起的。由此可以得出，基于 “Clicker”的互動(dòng)式、探究式教學(xué)模式有利于學(xué)生科學(xué)推理能力的提高。同時(shí)，將控制組和實(shí)驗(yàn)組的第2次測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，雖然開學(xué)初2組樣本的科學(xué)推理能力差異不顯著，但是經(jīng)過1個(gè)學(xué)期的不同教學(xué)模式的學(xué)習(xí)后，科學(xué)推理能力在0．01水平差異顯著 （t＝2．589，p＜0．01）。

5 結(jié)論與建議

經(jīng)過半年的實(shí)踐研究，運(yùn)用傳統(tǒng)的講授方法進(jìn)行教學(xué)的控制組的學(xué)生，其前后測(cè)的測(cè)量結(jié)果差異不顯著，即他們的科學(xué)推理能力水平?jīng)]有明顯的發(fā)展和變化；而基于Clicker的交互式方法進(jìn)行教學(xué)的實(shí)驗(yàn)組的學(xué)生，其科學(xué)推理能力測(cè)試結(jié)果的絕對(duì)增益為5．00%±0．02% （0．02%為標(biāo)準(zhǔn)誤），且差異顯著。綜上，不難看出學(xué)生科學(xué)推理能力的發(fā)展受到教學(xué)模式的影響，因此教師在教學(xué)的過程中不僅僅要注意教什么，更重要的是怎么教。

上述研究為學(xué)生科學(xué)推理能力的培養(yǎng)提供了新的途徑和方法，但是研究結(jié)果僅僅是基于一個(gè)學(xué)期的實(shí)踐，對(duì)運(yùn)用課堂應(yīng)答系統(tǒng)，創(chuàng)設(shè)交互式課堂提高學(xué)生科學(xué)推理能力的有效性還需要繼續(xù)跟蹤檢驗(yàn)。筆者將在后續(xù)的研究中擴(kuò)大Clicker的使用班級(jí)，延長(zhǎng)研究的時(shí)間，在深度和廣度上加強(qiáng)實(shí)踐，使學(xué)生在學(xué)科知識(shí)和科學(xué)推理能力方面都能夠得到顯著提高。

［1］嚴(yán)文法，胡衛(wèi)平 ．國(guó)外青少年科學(xué)推理能力研究綜述 ［J］．外國(guó)中小學(xué)教育，2009（5）：25－30．

［2］Bao Lei，CaiTianfang．Learning and scientific reasoning ［J］．Science，2009，323 （1）：586－587．

［3］楊燕，郭玉英，魏昕，等 ．高師理科教學(xué)與學(xué)生科學(xué)推理能力的培養(yǎng) ［J］教育學(xué)報(bào)，2010（2）：42－45．

［4］張軼炳，白明俠，黃昭，等 ．中美大學(xué)生科學(xué)推理能力差異的調(diào)查研究 ［J］．咸陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（2）：112－115．

［5］黃致新 ．基于Clicker的交互式、探究型課堂教學(xué)及其研究進(jìn)展 ［J］．物理教學(xué)探討，2010，28（391）：1－3．

［6］蔡天芳．Clicker在創(chuàng)建互動(dòng)課堂和研究性教學(xué)中的應(yīng)用 ［J］．中國(guó)教育信息化，2009（15）：17．

［7］Lawson A E．Development and validation of a classroomtest of formal reasoning ［J］．Journal of Research in Science Teaching，1978，15 （1）：1－24．

［8］Lawson A E．Development and validation of the classroom test of formal reasoning ［J］．Journal of Research in Science Teaching，2000，15 （1）：11－24．