陳 峻,龐 瑋,徐小明,周譽(yù)昌

(廣東工業(yè)大學(xué),廣東廣州 510006)

MOOC和PI相結(jié)合教學(xué)法在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用研究

陳 峻,龐 瑋,徐小明,周譽(yù)昌

(廣東工業(yè)大學(xué),廣東廣州 510006)

利用MOOC與PI相結(jié)合的教學(xué)方法對(duì)現(xiàn)有的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改進(jìn),通過(guò)對(duì)大學(xué)二年級(jí)四個(gè)同專業(yè)班級(jí)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)證明,新的教學(xué)方法和傳統(tǒng)教學(xué)相比學(xué)生的整體學(xué)習(xí)熱情獲得了較大提高,學(xué)生普遍感覺(jué)能夠更深入徹底的理解實(shí)驗(yàn)并且提高了動(dòng)手能力。量化考核也顯示出采用新教學(xué)法的班級(jí)學(xué)生考核成績(jī)較傳統(tǒng)教學(xué)班級(jí)相比獲得了很大提高,高分段學(xué)生人數(shù)顯著增加,說(shuō)明MOOC和PI相結(jié)合教學(xué)法對(duì)于教學(xué)改革是有顯著效果的。

MOOC;PI;教學(xué)改革;大學(xué)物理

1.MOOC和PI簡(jiǎn)介

MOOC(Massive Open Online Course),即大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放課程。2011年,美國(guó)斯坦福大學(xué)教授Sebastian Thrun把他研究生水平的人工智能課程放在了互聯(lián)網(wǎng)上,從而吸引了來(lái)自190多個(gè)不同國(guó)家的 160,000名學(xué)生,這成為了第一個(gè)MOOC平臺(tái)。MOOC成功實(shí)現(xiàn)了一種知識(shí)交換模式,使得任何學(xué)習(xí)類型的信息都可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳播。2012年,美國(guó)的頂尖大學(xué)陸續(xù)設(shè)立網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái),在網(wǎng)上提供免費(fèi)課程。MOOC在全球發(fā)展的速度很快,并對(duì)高等教育產(chǎn)生了比較大的影響,引起了高等教育界的關(guān)注[1-4]。MOOC教學(xué)法針對(duì)中國(guó)大學(xué)的較為封閉的教學(xué)模式和學(xué)籍管理模式,對(duì)于中國(guó)大學(xué)教育現(xiàn)狀的改革,以及升學(xué)選拔制度的優(yōu)化,全面貫徹素質(zhì)教育方針,逐步實(shí)行大學(xué)教育的普及,都有著一定的現(xiàn)實(shí)意義。

PI(Peer-Instruction)教學(xué)法是由美國(guó)哈佛大學(xué)Eric Mazur教授創(chuàng)立并實(shí)踐了同學(xué)間互動(dòng)的一種新的教學(xué)模式,該方法鼓勵(lì)學(xué)生基于一系列問(wèn)題進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和協(xié)作探究,從而使得學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體。教學(xué)中可以使用專門設(shè)計(jì)的用于揭示學(xué)生錯(cuò)誤概念和引導(dǎo)學(xué)生深人探究的概念測(cè)試題,借助計(jì)算機(jī)投票系統(tǒng),組織大班課堂教學(xué),變傳統(tǒng)單一的講授為基于問(wèn)題的自主學(xué)習(xí)和協(xié)作探究的教學(xué)方法。哈佛大學(xué)PI教學(xué)法的提出、實(shí)踐、改進(jìn)和得出初步研究結(jié)論歷經(jīng)了十年之久,期間三次獲得美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金的支持,相關(guān)研究的文章發(fā)表在 Science雜志的教育論壇欄目上[5,6],引起了全世界教育領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[7-12]。

2 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能的課程,是高等院校理工科教學(xué)體系的重要組成部分。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)屬于基礎(chǔ)性課程教學(xué),主要的教學(xué)對(duì)象是剛進(jìn)入大學(xué)的大一新生,它對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、動(dòng)手能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力發(fā)揮著不可替代的作用。因此,這門課程與其他的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程有非常大的區(qū)別,可以說(shuō)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的很多教學(xué)內(nèi)容與我們的其他課程內(nèi)容有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系,但也存在與當(dāng)前企業(yè)、科研中能夠直接應(yīng)用的知識(shí)脫節(jié)的問(wèn)題。所以如何搞好大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)工作是目前擺在我們廣大物理學(xué)教學(xué)工作者面前的普遍難題。

我們針對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中,學(xué)生比較關(guān)心的四大主要問(wèn)題(課程設(shè)置的重要性、對(duì)課程的感興趣程度、實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力的鍛煉、對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和內(nèi)容的完全理解)進(jìn)行了廣泛的問(wèn)卷調(diào)查,并統(tǒng)計(jì)這些結(jié)果,用以反應(yīng)當(dāng)下大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際情況。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示,四大主要問(wèn)題分別用1、2、3、4來(lái)分別代表,統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示絕大部分學(xué)生(90.5%)對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)這門課程的重要性及地位還是給予了肯定的,而對(duì)于是否感興趣這一問(wèn)題上,僅僅有35.8%的學(xué)生感興趣,而65.2%的大部分人則不太感興趣,動(dòng)手能力獲得有效提高的比例則更低僅占20.5%,同樣的,通過(guò)學(xué)習(xí)完全理解實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的人數(shù)也僅為20.6%。為何如此多的學(xué)生會(huì)覺(jué)得通過(guò)一年的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)沒(méi)有獲得能力的提升,對(duì)課程學(xué)習(xí)也不感興趣呢?我們認(rèn)為其主要的問(wèn)題在于傳統(tǒng)的教學(xué)方式過(guò)于單一和陳舊。這種灌輸式的教學(xué)方法使得學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣陡然下降甚至是產(chǎn)生了對(duì)學(xué)習(xí)的厭倦情緒,大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程是有別于理論課程的學(xué)習(xí)的,統(tǒng)一的教授知識(shí)的方法更加不適合這門課程,因此,筆者注重從改革傳統(tǒng)的教學(xué)模式入手,結(jié)合目前較為流行的mooc教學(xué)法和PI教學(xué)法運(yùn)用到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中來(lái),期望能夠?qū)Υ髮W(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果起到積極的改善作用。

圖1為針對(duì)當(dāng)前大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀的調(diào)查統(tǒng)計(jì)圖,其中1-認(rèn)為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)在素質(zhì)技能培養(yǎng)中的地位及作用2-對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)感興趣程度3-大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力的提高4-通過(guò)學(xué)習(xí)完全理解實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

圖1 針對(duì)當(dāng)前大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀的調(diào)查統(tǒng)計(jì)圖

3 采用MOOC和PI相結(jié)合的教學(xué)方案

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程總的來(lái)說(shuō)分為三大塊,即實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)課上的動(dòng)手操作、課后實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完成。我們將從實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)及實(shí)驗(yàn)課教學(xué)這兩塊對(duì)課程的教學(xué)方法進(jìn)行改革。實(shí)驗(yàn)課的預(yù)習(xí)是非常重要的,因?yàn)槿魏我粋€(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,其物理背景和實(shí)驗(yàn)原理往往是相當(dāng)復(fù)雜的,僅僅通過(guò)實(shí)驗(yàn)課上有限的時(shí)間完全不足以理解實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容,若是不進(jìn)行有效的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí),就會(huì)嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果,學(xué)生往往只是按照操作步驟去完成實(shí)驗(yàn),卻完全沒(méi)有理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,這從我們的調(diào)查情況也非常明顯的反映出來(lái)。因此,我們針對(duì)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的改革主要分兩塊來(lái)進(jìn)行:一是拍攝了大量詳盡的針對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的有關(guān)背景、原理、應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)操作的演示視頻,把索然無(wú)味的文字轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢耘c我們實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)相結(jié)合的動(dòng)態(tài)視頻能夠大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。二是引進(jìn)了科大奧銳公司的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)系統(tǒng)[2],學(xué)生可以在線對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作,從而更加深入理解實(shí)驗(yàn)的操作。如圖2所示為采用在線實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)系統(tǒng)的相關(guān)登錄、列表、視頻、預(yù)習(xí)組卷等截圖。

圖2 學(xué)生采用Mooc教學(xué)法進(jìn)行大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)截圖

針對(duì)實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué),我們采用PI式教學(xué)法,改革現(xiàn)有的以教師為主體的單向知識(shí)傳授模式,將基于問(wèn)題的主動(dòng)學(xué)習(xí)方式引入物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)課堂。在采用PI教學(xué)模式時(shí)要嚴(yán)格按照PI的教學(xué)步驟進(jìn)行,主要分為講義準(zhǔn)備、PI課堂問(wèn)題設(shè)計(jì)和使用、量化考核等幾個(gè)模塊來(lái)進(jìn)行。其中,講義的準(zhǔn)備主要針對(duì)學(xué)生課前預(yù)習(xí),編排時(shí)要充分突出實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡拿枋?物理概念、物理圖像、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想和實(shí)驗(yàn)方法的闡述,避免枯燥的文字?jǐn)⑹?較多的引用圖例方式提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。PI課堂問(wèn)題的設(shè)計(jì)是PI的核心,必須精細(xì)設(shè)計(jì)每一個(gè)問(wèn)題,緊密聯(lián)系課程主要內(nèi)容,充分引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的核心內(nèi)容、概念、實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行深入思考。量化考核是衡量PI教學(xué)法教學(xué)質(zhì)量好壞的重要手段,PI量化考核主要采用考試的方式進(jìn)行,考試內(nèi)容將主要來(lái)自于課堂教學(xué)內(nèi)容,通過(guò)短期和長(zhǎng)期考核相結(jié)合的方式來(lái)對(duì)比參與教學(xué)改革和傳統(tǒng)教學(xué)的學(xué)生成績(jī),較為準(zhǔn)確的對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行量化分析。如圖3所示為采用PI教學(xué)的課堂現(xiàn)場(chǎng)、PI問(wèn)題展示、學(xué)生感想等。

圖3 采用PI教學(xué)法的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)圖

4 考核結(jié)果分析

我們對(duì)本校同年級(jí)同專業(yè)(自動(dòng)化專業(yè)大學(xué)2年級(jí))的四個(gè)班級(jí)針對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目熱敏電阻進(jìn)行教學(xué)改革實(shí)驗(yàn),這四個(gè)班的學(xué)生層次和學(xué)習(xí)能力基本相似,其中自動(dòng)化1班和2班采用傳統(tǒng)教學(xué)模式,稱之為教學(xué)組;而自動(dòng)化3班和4班則采用mooc和PI結(jié)合的教學(xué)模式,稱之為實(shí)驗(yàn)組。教學(xué)組和實(shí)驗(yàn)組的教學(xué)內(nèi)容完全一致,僅僅區(qū)別于教學(xué)方法的不同,在完成了一個(gè)學(xué)期的教學(xué)任務(wù)后,我們對(duì)四個(gè)班進(jìn)行了一次期終檢測(cè),并利用統(tǒng)計(jì)圖對(duì)成績(jī)進(jìn)行數(shù)值分析。如圖4所示為實(shí)驗(yàn)組和教學(xué)組的學(xué)生成績(jī)直方圖和正態(tài)分布圖,其中(a)、(b)、(c)、(d)分別對(duì)應(yīng)于自動(dòng)化1、2、3、4班。從圖中可以看出,和教學(xué)組相比,實(shí)驗(yàn)組的直方圖分布班更加密集,且趨近均值,反映出全班的整體水平比較接近,學(xué)習(xí)成績(jī)掉隊(duì)的人數(shù)非常少。而相對(duì)而言,教學(xué)組的直方圖分布則顯得較為彌散,成績(jī)好壞的同學(xué)參差不齊,且分?jǐn)?shù)的整體分布有向低分靠近的趨勢(shì),高分同學(xué)的比重偏少。進(jìn)一步研究四個(gè)班的正態(tài)分布圖觀察發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)班的正態(tài)分布曲線峰值向高分段偏移,而教學(xué)組的正態(tài)分布曲線峰值則向低分段偏離,實(shí)驗(yàn)組的3班較教學(xué)組的1班平均成績(jī)較教學(xué)組提高了近12分,而標(biāo)準(zhǔn)差較教學(xué)組提高了1.0,因此,從以上的分析可以看出,本次教學(xué)實(shí)驗(yàn)中所采用的實(shí)驗(yàn)組的兩個(gè)班的教學(xué)效果和學(xué)習(xí)成績(jī)都要顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的教學(xué)組。

圖4 實(shí)驗(yàn)組和教學(xué)組的學(xué)生成績(jī)直方及正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)圖其中(a)、(b)為教學(xué)組,(c)、(d)為實(shí)驗(yàn)組

針對(duì)進(jìn)行過(guò)教學(xué)改革的兩個(gè)班級(jí)學(xué)生再次進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。

圖5 經(jīng)過(guò)mooc和PI相結(jié)合教學(xué)法后大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況的調(diào)查統(tǒng)計(jì)圖其中1、2、3、4同圖1

針對(duì)學(xué)生比較關(guān)心的四大問(wèn)題(同圖1)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果出現(xiàn)了很大的不同。而對(duì)于是否感興趣這一問(wèn)題上,對(duì)實(shí)驗(yàn)感興趣的比例已經(jīng)增加到73. 2%,感覺(jué)自己的動(dòng)手能力獲得有效提高的比例則提高到62.4%,同時(shí),完全理解實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的人數(shù)大大增大到92.5%。這說(shuō)明采用mooc和PI相結(jié)合的教學(xué)方式確實(shí)能夠增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性,讓學(xué)生有效的掌握和鍛煉實(shí)驗(yàn)知識(shí)和技能。

5 結(jié) 論

綜上所述,本文利用MOOC與PI相結(jié)合的教育方法對(duì)現(xiàn)有的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行深入改革,通過(guò)對(duì)大學(xué)二年級(jí)四個(gè)同專業(yè)班級(jí)進(jìn)行分類的教學(xué)實(shí)驗(yàn)證明,采用新教學(xué)法的實(shí)驗(yàn)組學(xué)生與采用傳統(tǒng)教學(xué)法的教學(xué)組學(xué)生相比較,學(xué)生整體學(xué)習(xí)熱情有較大提高,學(xué)生普遍感覺(jué)通過(guò)在線視頻的預(yù)習(xí)和問(wèn)題引導(dǎo)式課堂學(xué)習(xí)能夠更深入徹底的理解實(shí)驗(yàn)和提高動(dòng)手能力。量化考核也顯示出采用新教學(xué)法的班級(jí)學(xué)生平均成績(jī)較傳統(tǒng)教學(xué)班級(jí)相比獲得了很大提高,高分段學(xué)生人數(shù)顯著增加,這充分說(shuō)明了采用MOOC和PI相結(jié)合教學(xué)法對(duì)于改進(jìn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是有顯著效果的。

[1] R.Morrison,The lecture system in teaching science,in Proceedings of the Chicago Conferences on Liberal Education[J].1986.

[2] A.Vihavainen,M.Luukkainen.Results from a Three-Year Transition to the Extreme Apprenticeship Method.Advanced Learning Technologies(ICALT) [J].2013 IEEE 13th International Conference on, pp336-340,July 2013.

[3] A.Vihavainen,J.Kurhila,and M.Luukkainen,Multifaceted support for MOOC in programming,in Proceedings of the SIGITE′12.ACM[J].2012.

[4] 楊凡.基于Black Board的《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2013,26(6): 64-66.

[5] Eric Mazur.Farewell,Lecture.Science[J].2:50-51,2009.

[6] 張萍,Eric Mazur.Peer-Instruction-哈佛大學(xué)物理課程教學(xué)新方法[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué),8,69-71,2010.

[7] Catherine H.Crouch1,Eric Mazur1.Peer Instruction: Ten years of experience and results[J].Am.J.Phys. 69,970,2001.

[8] Beuckman J,Rebello N S,Zollman D.Impact of a classroom interaction system on student learning.2006 Physics Education Research Conference[J].2007, 883:129-132.

[9] Balch M,Hawes S,Borges N,et al.Use of Peer Instruction in an interactive medical histology laboratory (721.16)[J].The FASEB Journal,2014,28(1 Supplement):721.16.

[10]Zingaro D,Porter L.Peer Instruction in computing:The value of instructor intervention[J].Computers&Education,2014,71:87-96.

[11] Porter L,Bailey Lee C,Simon B.Halving fail rates using peer instruction:a study of four computer science courses[J].Proceeding of the 44th ACM technical symposium on Computer science education.ACM, 2013:177-182.

[12]Simon B,Kohanfars M,Lee J,et al.Experience report: Peer instruction in introductory computing[J].Proceedings of the 41st ACM technical symposium on Computer science education.ACM,2010:341-345.

The Investigation of Teaching Reform w ith Combing the MOOC and PI in College Physics Experiment Teaching

CHEN Jun,PANGWei,XU Xiao-ming,ZHOU Yu-chang
(Guangdong University of Technology,Guangdong Guangzhou 510006)

The MOOC combined with PI teachingmethods are used to improve the physics experiment teaching in university.Under the teaching experimentswith four classes of the second grade students in our university,it shows that the students′learning enthusiasm is improved observably with this new teachingmethods compared with the traditional one.Students generally feel that the experiment principle can be understood deeper and practical ability is improved.The statistical results also indicate that the student score obtain a very big rise when adopting this new teachingmethod compared with the traditional teachingmethod,it proves that the new teachingmethod of combining MOOC and PIhave a significant effect in our educational reform.

MOOC;PI;educational reform;college physics

G 424.1

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.005.038

1007-2934(2015)05-0136-05

2015-05-26

廣東省高等教育教學(xué)研究和改革項(xiàng)目(261541134);廣東省高等教育學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)室管理專業(yè)委員會(huì)研究基金(402150011)