從分析學(xué)生學(xué)習(xí)行為初探大學(xué)物理教育改革*

吳海娜 陳肖慧 易光宇

(東北大學(xué)理學(xué)院 遼寧 沈陽 110819)

1 前言

大學(xué)物理課程是高校理工科專業(yè)學(xué)生的一門重要的公共基礎(chǔ)課，課程中的基本物理概念、物理理論和科學(xué)方法不僅是學(xué)生學(xué)習(xí)其他專業(yè)課程的基礎(chǔ)，也在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)地分析問題和解決問題能力，在培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新人才目標方面發(fā)揮著重要的作用[1]．近年來大學(xué)物理課程持續(xù)進行了一系列的改革，取得了階段性的成果[2]．互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，各大名校名師名課的慕課資源唾手可得，到教室聽教師講課不再是學(xué)生獲得知識的唯一途徑[3]．為優(yōu)化課程設(shè)置，減輕學(xué)生課業(yè)負擔，不少高校的大學(xué)物理課程也在精簡學(xué)時．基于慕課的混合式教學(xué)是當前教育改革的熱點．教學(xué)模式嘗試從傳統(tǒng)的單一授課方式向翻轉(zhuǎn)課堂、混合式學(xué)習(xí)及混合式教學(xué)轉(zhuǎn)變，強調(diào)開展以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心的教與學(xué)，從結(jié)果導(dǎo)向出發(fā)倒推教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)設(shè)計．那么如何評價上述一系列教育改革的成效呢？通過學(xué)生學(xué)習(xí)行為的數(shù)據(jù)分析研究，可以一窺教學(xué)模式改革實踐的有效性，反思具體教學(xué)過程的優(yōu)劣，進而為優(yōu)化教學(xué)設(shè)計提供有益思考．

本文將從一個學(xué)期的大學(xué)物理課程具體實踐出發(fā)，總結(jié)分析學(xué)生的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，探索有效的教育改革模式，為其他高校相關(guān)課程提供借鑒[4]．

2 學(xué)生學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)背景

2.1 大學(xué)物理課程實施情況

2.1.1 課程總體情況

東北大學(xué)的大學(xué)物理課程是針對非物理專業(yè)理工科學(xué)生的公共基礎(chǔ)課，自建校以來一直持續(xù)開課，不斷進行改革和創(chuàng)新．該課程2006年被評為國家精品課程，2012年被評為國家精品資源共享課程，2018年被評為國家在線精品課程．課程實施周期為一學(xué)年，上課時間為大一下學(xué)期和大二上學(xué)期．2018年至今，全年的學(xué)時數(shù)為128學(xué)時．

2.1.2 課程具體實施情況

筆者于2018年-2019學(xué)年春季學(xué)期同時教授通信和電子專業(yè)18級的5個班(152人)和生物及機器人專業(yè)18級的5個班(143人；附，機器人專業(yè)是新建設(shè)的專業(yè)，每班學(xué)生人數(shù)不足30人)．從第1周至第16周，每周2次課，每次2學(xué)時．上述兩個教學(xué)大班教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)進度完全相同，采用線下教室課堂授課方式．教學(xué)內(nèi)容為力學(xué)和電磁學(xué)(剩下的振動和波、光學(xué)、熱學(xué)、狹義相對論和量子物理學(xué)內(nèi)容將在秋季學(xué)期教授)．

2.2 學(xué)生基于雨課堂的學(xué)習(xí)模式情況

為了提高學(xué)習(xí)效率，方便學(xué)生課上學(xué)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，課堂上采用雨課堂模式．上課前學(xué)生使用智能手機掃碼進入雨課堂小程序，手機頁面與教室的大屏幕內(nèi)容同步顯示．如果學(xué)生看不清楚大屏幕或者想回看，只需在自己的手機上操作即可，還可以備注“不懂”及發(fā)送彈幕到教室大屏幕上，跟同學(xué)、老師及時互動交流．

3 學(xué)生學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)分析

3.1 不同內(nèi)容模塊學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)分析

本學(xué)期學(xué)習(xí)內(nèi)容分為力學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)3個模塊，學(xué)時安排分別為22，16和24學(xué)時．課上學(xué)生主動參與學(xué)習(xí)對學(xué)習(xí)效果起著重要的作用．圖1至圖3分別為上述3個模塊課堂教學(xué)過程中通信與電子專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)參與情況．

圖1至圖3中橫坐標是每個模塊課堂教學(xué)次數(shù)，縱坐標為參與人數(shù)與未參與人數(shù)的百分比情況．力學(xué)模塊內(nèi)容主要包括矢量運算初步，質(zhì)點運動的描述，動力學(xué)基本規(guī)律，動量守恒、能量守恒、角動量守恒及定軸轉(zhuǎn)動的剛體，最后一次課為力學(xué)內(nèi)容的總結(jié)．從圖1中可以看出，課堂參與人數(shù)從最開始的83.55%上升至95.4%,之后開始下降，至講授定軸轉(zhuǎn)動的剛體時跌破80%，降到75.6%，直至最后一次課降至最低點65.8%．上述數(shù)據(jù)顯示，隨著教師授課的逐漸引入，學(xué)生逐漸被吸引，但隨著力學(xué)內(nèi)容的深入，尤其是到了學(xué)生所不太熟悉的剛體時，由于這部分內(nèi)容大部分學(xué)生在高中時從未接觸過，所以學(xué)習(xí)興趣降低，直至課堂總結(jié)復(fù)習(xí)階段．分析其原因有以下兩點：一是對學(xué)習(xí)主動的學(xué)生，總結(jié)復(fù)習(xí)過程對他們來說不再新鮮，失去學(xué)習(xí)動力；二是對學(xué)習(xí)被動的學(xué)生，這一模塊內(nèi)容未能及時理解掌握，因此總結(jié)對他們來說也聽不懂，失去學(xué)習(xí)興趣．根據(jù)上述學(xué)生課堂參與曲線，一方面教師可以調(diào)整教學(xué)策略，鼓勵學(xué)生在前期打好基礎(chǔ)并能跟上學(xué)習(xí)進度．另一方面教師可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計新穎實際的問題來吸引學(xué)生利用所學(xué)知識解決實際問題，保持學(xué)生的學(xué)習(xí)注意力和興趣．

圖2和圖3顯示的趨勢跟圖1有些相似，都是在模塊學(xué)習(xí)最后部分學(xué)生課堂完成比例顯著降低．圖3中第5次和第6次課堂參與度明顯下降，上課內(nèi)容為電磁感應(yīng)定律及其應(yīng)用：自感和互感．分析其主要原因是該部分內(nèi)容涉及嚴謹?shù)奈锢磉壿嬐评恚蟛糠謱W(xué)生對此部分內(nèi)容沒有獨立思考，只是膚淺的表面大概了解．如果學(xué)生經(jīng)過自己認真的思考和推演，就會發(fā)現(xiàn)其實不難而且邏輯非常嚴密．

圖1 力學(xué)模塊學(xué)生課堂學(xué)習(xí)情況對比

圖2 電學(xué)模塊學(xué)生課堂學(xué)習(xí)情況對比

圖3 磁學(xué)模塊學(xué)生課堂學(xué)習(xí)情況對比

3.2 不同專業(yè)班級學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)對比

上述3個模塊內(nèi)容的學(xué)生課堂參與趨勢是個例還是普遍的呢？對比不同專業(yè)班級的學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，如圖4～圖6所示，由于每班人數(shù)不同，已將完成人數(shù)換算成占班級總?cè)藬?shù)的百分比后來對比．A班為通信和電子專業(yè)，B班為生物和機器人專業(yè)．比較力學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)模塊中，A班的已完成人數(shù)幾乎總是多于B班的．圖4中只有第11次課中，B班的完成人數(shù)多于A班，這次課的內(nèi)容是轉(zhuǎn)動定律的應(yīng)用練習(xí)，兩個班實施方式不同，A班是將練習(xí)題放在課下，學(xué)生們自行完成．而B班是將練習(xí)題放在課上，學(xué)生們當堂完成．同樣在圖6中第6次課的內(nèi)容是自感和互感，A班是將課上的課件課后上傳至雨課堂，供學(xué)生復(fù)習(xí)用；而B班是課上同步大屏幕和學(xué)生手機．上述數(shù)據(jù)結(jié)果表明，如果在課堂上設(shè)計練習(xí)，讓學(xué)生課上參與的活躍度要比讓學(xué)生課后自行學(xué)習(xí)的活躍度高．

圖4 力學(xué)模塊兩個專業(yè)班級學(xué)生課堂學(xué)習(xí)情況對比

圖5 電學(xué)模塊兩個專業(yè)班級學(xué)生課堂學(xué)習(xí)情況對比

圖6 磁學(xué)模塊兩個專業(yè)班級學(xué)生課堂學(xué)習(xí)情況對比

從圖4～6中還可以看出，整個學(xué)期學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性都是逐漸下降的，未完成課件的學(xué)生人數(shù)在學(xué)期后期增多．分析造成該結(jié)果的原因是多方面的，最重要的原因首先可能還是由于專業(yè)知識的學(xué)習(xí)是層層遞進關(guān)系，如果基礎(chǔ)沒有打好，后續(xù)的學(xué)習(xí)過程會日趨艱難，因為缺少前期的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)．其次是教學(xué)過程沒有讓學(xué)生有一種漸入佳境的感覺，由最初的動力十足逐漸被后面的困難打擊有些泄氣了．理想的教學(xué)應(yīng)該是引導(dǎo)學(xué)生從最初的不懂，直至后來的獨立性提高并開始對學(xué)習(xí)產(chǎn)生真正濃厚的興趣．

4 大學(xué)物理教學(xué)改革思考

學(xué)生的學(xué)習(xí)行為需要教師去引導(dǎo)．學(xué)生的學(xué)習(xí)意愿不高，并不能歸因于大學(xué)物理課程本身難學(xué)、枯燥難懂這些堂而皇之的理由，而是作為教育的主體力量——教師如何履行自己的教育職責問題．在相當長的一段時間里，高校教師尤其是青年教師的主要培訓(xùn)目標是提升教師的教學(xué)技能，即如何具備在課上把深奧難懂的物理知識以邏輯嚴密、思路清晰的方式表達出來，從而易于學(xué)生聽懂．但多年的教學(xué)經(jīng)驗表明，學(xué)生能不能聽懂和學(xué)會，跟教師在課堂上是否完全講明白了，沒有特別必然的聯(lián)系．那些學(xué)習(xí)成績好的學(xué)生，無一例外是在課下自己做了大量的練習(xí)、刻苦自學(xué)的結(jié)果．理工科類的專業(yè)知識，如果學(xué)生自己不動筆去推去演算，光聽老師講，是不會有實質(zhì)性的收獲的．但如果在課堂上能引導(dǎo)學(xué)生自己把某個知識點弄明白了，在做的過程中遇到的彎路和困難，教師來點撥一下，那會極大地提高學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效率并激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣．

混合式教學(xué)是近年來我國高等教育教學(xué)改革的熱點話題[5]．教師可以設(shè)計整個學(xué)期的教學(xué)活動，決定哪些教學(xué)內(nèi)容可以由學(xué)生在課下利用慕課資源自己完成，哪些教學(xué)內(nèi)容需要在課上進行高質(zhì)量的師生及生生之間的深入探討．這樣的目的是為了加強交互，提升學(xué)習(xí)成效，在課上讓學(xué)生的腦子和手動起來，而不是傳統(tǒng)課堂上教師在講臺上滿堂灌，學(xué)生在教室里被動聽．利用雨課堂軟件可以方便學(xué)生自我檢測課上所學(xué)內(nèi)容，也能了解自己的掌握速度和水平在全班同學(xué)中所處的狀態(tài)，使學(xué)生得到正向激勵和負向刺激，進而提高學(xué)習(xí)效率．

通過每學(xué)期開學(xué)第一堂課的調(diào)查問卷結(jié)果顯示，95%的學(xué)生在開學(xué)初抱有很大的信心和決心把大學(xué)物理課程學(xué)好，一是想挑戰(zhàn)自己，因為能學(xué)好大學(xué)物理的學(xué)生，大家公認為是非常優(yōu)秀的學(xué)生；二是想改變自己，因為大一第一學(xué)期沒有掌握學(xué)習(xí)方法和調(diào)整心態(tài)，導(dǎo)致上學(xué)期分數(shù)不理想；三是不想掛科，學(xué)科任務(wù)繁重，一旦掛科會導(dǎo)致后續(xù)課程學(xué)習(xí)精力不夠用，繼而惡性循環(huán)．但上述熱情隨著課程學(xué)習(xí)的逐步推進開始下降，甚至有些學(xué)生放棄了跟著課堂學(xué)習(xí)的機會．如果教師能夠改革教學(xué)方法，重新設(shè)計課堂教學(xué)流程，努力做到在課堂上同時提升不同目標和不同水平學(xué)生的注意力和積極參與度，在大班中做到分層教學(xué)，就可以最大限度地保留學(xué)生美好的初衷和動力，使得課堂學(xué)習(xí)變?yōu)橐环N享受學(xué)習(xí)快樂的過程來代替之前的無奈沉默忍受．

5 總結(jié)

新時代背景下新工科建設(shè)是中國高等工程教育由跟上國際步伐向引領(lǐng)世界轉(zhuǎn)變的重要舉措之一．加強以物理類課程為達標的自然科學(xué)基礎(chǔ)教育在新工科建設(shè)中具有舉足輕重的地位[6]．通過對高校公共基礎(chǔ)課程大學(xué)物理的具體實踐，利用雨課堂智慧教學(xué)工具分析學(xué)生的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，反思教學(xué)并積極嘗試多種教學(xué)改革手段例如混合式教學(xué)等來使課堂教學(xué)“活”起來，鼓勵學(xué)生“動”起來，提高課程教學(xué)質(zhì)量和增加學(xué)生的學(xué)習(xí)成效．