邢磊，董占海

大學物理翻轉課堂教學效果的準實驗研究

邢磊1，董占海2

（1.上海交通大學教學發(fā)展中心，上海200240；2.上海交通大學物理與天文系，上海200240）

上海交通大學于2013-2014年開展了“翻轉課堂教學試點研究”。本報告為其中一個子課題的研究成果。本研究采用準實驗研究設計和問卷調(diào)查法相結合的方法，探討了“翻轉課堂策略的教學效果”、“學生對翻轉課堂策略的適應性和傾向性”等問題。本研究對大學物理課的兩個平行班分別施以翻轉課堂教學和傳統(tǒng)講授教學，進而對比兩個班物理測試的分數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，采用翻轉課堂教學的班級分數(shù)提高的幅度顯著高于采用傳統(tǒng)教學的班級，效應量為0.68。問卷調(diào)查顯示，58%的學生表示“喜歡翻轉課堂互動形式的教學”。

翻轉課堂；準實驗；大學物理

一、背景

（一）翻轉課堂教學的興起

100多年前杜威提出的“兒童（學生）中心”、“活動中心”和“經(jīng)驗中心”新“三中心”理念一直在持續(xù)發(fā)揮影響力。越來越多的教師接觸、嘗試、接受甚至信奉這種理念。過去幾十年里，很多教育實踐者也在此思潮中設計和開發(fā)出了種類繁多的新教學方法——小到課堂上花幾分鐘就很容易實施的“思考-結對-分享”（think-pair-share），大到跨度達好多次課的“項目式教學”（project-based learning）。很多實證研究將傳統(tǒng)講授方法與新教學法進行了對比，這些研究在不同程度上支撐了這些新教學法對學生學習的積極作用[1]。然而，講授作為歷經(jīng)考驗、廣受推崇的傳統(tǒng)教學方法，依然是全球高等教育界最普遍采用的教學方式[2-3]。究其原因，可能是因為沒有任何一種新教學法能夠充分、完全地替代講授。因此，教師教學實踐的改革方向往往也是講授與新教學法的混合。

翻轉課堂作為一種新興的教學模式，為新老教學法的混合提供了新的路徑。在這種模式中，學生在課外提前觀看由教師提供的教學視頻或其他形式的課程材料，而課堂時間用于活躍學生學習過程并提供個性化指導[4]。學生在課堂外進行課程內(nèi)容的學習，而在課堂上通過做練習、討論等學習活動鞏固所學內(nèi)容、進行深入學習。這與傳統(tǒng)教學的課上講授、課后作業(yè)正好相反，所以得名“翻轉”。傳統(tǒng)的講授可以以視頻形式完整保留下來，供學生觀看；而原來用于講授的課堂時間又可以被新教學法填充。這就使得翻轉學習模式邏輯上可以同時有力地支撐新老教學方法的實施，而原先兩者競爭有限的課堂時間的矛盾則因教育技術的介入不再成為障礙。

（二）問題的提出

目前在高等教育領域，關于翻轉課堂對學習成績的影響的實證研究還很少。其中最具有影響力的研究可能來自于2011年《科學》雜志上的一篇研究報告，加拿大英屬哥倫比亞大學的三位教師嘗試了翻轉教學。他們沿用嚴格的統(tǒng)計學理論和方法，對大班教學的大一物理課電磁學部分進行分組比對。評教極好的資深教授進行常規(guī)教學，作為控制組。在另一個實驗組里，讓一個博士后進行翻轉教學，要求學生開展課前閱讀、課前測驗、課堂討論、小組主動學習、課堂反饋等活動。結果表明，在同樣的授課內(nèi)容和目標下，經(jīng)過一周的翻轉教學后，實驗組學生在隨后的測驗中獲得的成績顯著高于控制組[5]。

上海交通大學教學發(fā)展中心采用邀請和自愿報名的形式，于2013年秋季學期組織了5位一線教師開展翻轉課堂試點教學研究，以探索翻轉課堂是否適應學校的實際情況。本文對其中1位項目教師所開展的大學物理課程翻轉課堂教學實驗的研究結果進行報告。研究關注的問題是：（1）翻轉課堂對大學教學是否有效？（2）學生是否接受翻轉課堂教學模式？

二、研究方法

（一）實驗設計與抽樣

1.準實驗模式

研究采用非對等組前后測的準實驗研究設計和問卷調(diào)查相結合的方法。實驗組和控制組是兩個平行教學班，由同一位老師教授同一門課程。在總共16個教學周的32次課（每次2課時）中，前5-6周（11次課）兩個班都采用傳統(tǒng)的課堂講授方式，第6-7周的連續(xù)兩次課（第12-13次課程，共4課時）實驗班采用翻轉課堂教學方法，控制組仍采用傳統(tǒng)講授方法。在第11次課和第14次課上，兩個班都當堂進行20分鐘的紙筆測試，兩個班的測試試卷相同。實驗班還在第14次課上匿名填寫了一份調(diào)查問卷。

2.實驗組與控制組的描述

選取的實驗對象是（PH002）大學物理A類（2）課程的兩個平行自然班。此類課程是工科院系的必修專業(yè)基礎課，面向大學二年級學生開設。

A班為實驗組，共101位注冊學生；B班為控制組，共107位注冊學生。兩個班的學生大部分都來自本科二年級：A班的二年級學生占98.9%，B班的二年級學生占94.7%，其他學生皆為高年級重修。A班學生中，來自電子信息與電氣工程學院的學生占83.9%，其余學生來自數(shù)學系、生命科學技術學院、致遠學院、機械與動力工程學院等；B班學生中，來自機械與動力工程學院的學生占70.5%，其余學生來自電子信息與電氣工程學院、數(shù)學系、物理系、生命科學技術學院、化學化工學院等。A班的授課時間是每周一第1-2節(jié)課和每周三第3-4節(jié)課；B班的授課時間是每周一第3-4節(jié)課和每周三第1-2節(jié)課。

兩個班的學生都是在授課前一個學期末通過教務處的選課平臺進行選課，學生選課時看到的兩個班的信息除了授課時間不同外，包括課程名稱、類別、授課教師、教室等在內(nèi)的其他信息完全相同。據(jù)推測，影響學生選擇A班或B班的主要因素可能是與其他選修課程在排課時間上的權衡。

3.教學內(nèi)容的選擇、教師

兩個班的授課教師是由同一位資深教師擔任。他也是本文的第二作者，擁有32年的大學物理課程授課經(jīng)驗，曾多次獲得“最受學生歡迎的教師”、“優(yōu)秀教師獎”等榮譽，也是國家級精品課程——“大學物理”的主講教師之一。在實施本次翻轉課堂教學研究之前，該教師從未在教學中實際應用過翻轉學習的方法。

兩個班教學進度完全相同。采用翻轉課堂教學的第12-13次課覆蓋的教學內(nèi)容為“磁場的高斯定理和安培環(huán)路定理”。

4.倫理

教師在第11次課的結尾部分分別向實驗組（A班）和控制組（B班）介紹此研究，強調(diào)研究涉及的前測和后測與學生課程成績無關，并征求學生同意。作為對控制組的補償，教師承諾：如果教師和實驗組的學生都對新教學方法（翻轉課堂教學法）感受良好，將在余下的課程教學中對控制組也采用翻轉課堂教學。

（二）實驗處理：翻轉課堂實施模式

1.課前微課的制作與推送

在學期初制定完研究計劃后，教師就著手錄制用于課前學習的教學微課視頻，錄制工作由教師在辦公室獨立完成。微課類型為PPT錄屏和手寫板書，配以教師音視頻講授的形式。錄制設備包括筆記本、麥克風、手寫板、錄屏，后期制作軟件采用Camtasia stvdio 8.0。兩次課總共錄制的微課數(shù)量為6節(jié)，累計70分鐘，視頻長度從6.5分鐘到15分鐘不等。

微課視頻被提前上傳到校內(nèi)的文件管理系統(tǒng)，并在翻轉課堂開始之前以回家作業(yè)的形式向實驗組的學生布置。教師還在網(wǎng)上提供PPT課件和往年錄制的課堂實錄視頻作為供學生預習的材料。另外，教師還預留了若干思考題，要求學生帶著問題預習視頻內(nèi)容。

2.課堂教學活動設計

實驗組實施翻轉的課堂教學活動以習題練習為主。教師事先準備了一組題目（包括選擇題、填空題、計算題和討論題），按照難易和復雜程度由淺入深排列，以PPT投影的形式當堂逐一呈現(xiàn)。學生需要針對每道題先獨立進行求解，然后教師再根據(jù)學生解答的情況適當進行解釋和總結。

控制組采用的是傳統(tǒng)講授的教學方法。教師先講解新的教學內(nèi)容（控制組并沒有在課前獲得網(wǎng)上微課視頻等教學資料的預習要求和訪問方式），再配以適量習題進行講解。講授過程中，教師會穿插一些提問，引導學生思考。

實施翻轉教學的實驗組和沿用傳統(tǒng)教學的控制組的教學活動過程都被安裝在教室里的兩臺無人值守的自動攝像機全程記錄下來。教師也在上課伊始的導入部分分別向兩組學生說明了攝像的研究目的，對保護學生的隱私做出了承諾。事后由研究者進行視頻分析，還原實際教學活動的過程，如表1所示。

表1　實驗組和控制組的教學活動過程

（三）教學效果的測量

1.前后測試卷的編寫

前測和后測的試卷是由教師編制的。兩份試卷均為包含10道單項選擇題的標準化試卷，每道題答對計1分，答錯計0分，滿分10分。題目為教師憑借個人經(jīng)驗，在原授課講義基礎上編寫而來。為了檢驗兩組學生實驗開始前在物理基礎知識和基本技能上的差異，前測選題覆蓋的知識點范圍適當放大，包括大學電學（學生在先修課程和課程前半階段中已學過）和較簡單的磁學（磁學為開展翻轉實驗的課時新教授的知識，前測時學生尚未學習，所以題目難度與高中物理相當，起摸底作用）。為了確保測試能準確地測量兩個組學生在實施對比的兩次課上的學習效果，后測試題覆蓋的知識點僅限于這兩次課的教學內(nèi)容，沒有覆蓋課程前半階段已講授的知識內(nèi)容。

2.試卷的發(fā)放、批閱、分數(shù)登錄

研究者提前印好了紙質試卷，在課上當堂發(fā)放并按時回收。給兩組學生用來完成前后測試卷的時間均為20分鐘?；厥盏脑嚲碛?位研究助理（研究生）進行試卷編碼、批閱和錄入（采用Epidata3.1軟件），并在錄入完成后由另1位研究助理按5%隨機抽樣進行二次閱卷和數(shù)據(jù)校驗。

3.有效樣本的界定和初步數(shù)據(jù)概況

按照同時具備前測成績和后測成績的樣本作為有效樣本的原則，對兩組學生進行了篩選。最后篩選出A班有效樣本87人，B班有效樣本95人。

（四）學生態(tài)度的測量

1.問卷的改編

為測量實驗組學生對翻轉教學的態(tài)度，我們采用了問卷調(diào)查的方法。問卷的題項是在Deslavriers等人編制的問卷[5]基礎上翻譯和修改而來，量表為李克特5分量表。

2.問卷的發(fā)放、錄入

問卷隨后測試卷之后當堂發(fā)放，只有實驗組學生填寫了此問卷。回收的問卷同樣由1位研究助理（研究生）進行試卷編碼和錄入（采用Epidata3.1軟件），并在錄入完成后由另一位研究助理按5%隨機抽樣進行數(shù)據(jù)校驗。

三、研究結果

（一）翻轉課堂教學的效果

實驗組和對照組前后測成績的分布如表2所示。

表2　實驗組和對照組前后測成績分布

進一步對前后測差值進行獨立樣本T檢驗，t（180）＝4.044（P＜0.01），差異顯著（見表3）。由此推斷，實驗組在后測中的“進步”大于控制組。這可以歸因為實施翻轉課堂教學，其效應量（Effect Size）為0.68①。

表3　前后測差值的T檢驗

實驗組的前測平均分數(shù)比控制組低，說明實驗組和控制組并不完全對等。這是由準實驗研究設計的局限性造成的，即實驗組和控制組不是隨機形成的分組。排除課程定位（皆為工科專業(yè)二年級專業(yè)必修基礎課）、教師執(zhí)教風格（同一教師）、教材（同一教材）、教學方法（實施翻轉教學前兩個班教學方法都一樣）、授課時間（各有一次1-2節(jié)課，也各有一次3-4節(jié)課）和教學進度（一樣）等因素的影響，能夠考察到的兩組學生的主要差別在于所屬專業(yè)的分布不同，這可能是所選課程與其他課程排課時間沖突導致的。我們進而探索不同專業(yè)可能給學生帶來的差別：兩個班中占學生比例最高的專業(yè)（機械與動力工程學院和電子信息與電氣工程學院）都是學校最熱門的專業(yè)，生源質量并沒有很大的差異。由此推測，導致前測分數(shù)差異的原因可能是兩個班學生自身（如知識和能力基礎、過去1年在校學程體驗等）的差異。在本研究范圍內(nèi)，無法進一步收集有效證據(jù)來解釋歸因。

（二）學生對翻轉課堂教學的態(tài)度

如圖1所示，在對實驗組學生進行的問卷調(diào)查中，對“我很喜歡這幾次翻轉課堂互動形式的教學”持同意觀點（“完全同意”或“基本同意”）的學生占58%，認為“不同意”或“不太同意”的學生占19%。

圖1　學生對翻轉課堂教學的態(tài)度（N＝92）

完全或基本同意“如果整門課程從頭到尾都采用這種互動形式，我相信會學得更好”的學生占43%，不到一半；而選擇“說不清”的學生比例達到33%。這與實際后測成績體現(xiàn)出的學習效果并不一致。一種可能的解釋是：實驗組的學生在短短的兩次課（4課時）里嘗試了一種新的學習方式，還不足以幫助他們對學習效果形成準確的預期判斷。更多的學生可能在感知上“喜歡這種教學形式”，但不確定“這樣會學得更好”。

而完全或基本同意“課前的微課視頻對我?guī)椭艽蟆钡膶W生占39%，同時有43%的學生選擇“不清楚”。這個結果可能受到兩個因素的影響。其一，教師提供課前翻轉的預習材料除了微課視頻外，還有PPT課件和往年課堂實錄，這些素材為學生課外的自學提供了多種選擇。特別是像PPT課件這樣的傳統(tǒng)教學資料，可能會削弱微課視頻的利用率。其二，新錄制的微課視頻質量上可能存在一些不足（例如：有學生課間向教師反映，視頻中教師語速過于緩慢），這也可能會在一定程度上降低學生觀看微課視頻的意愿。

四、研究結論

（一）翻轉課堂教學模式對提高學生成績有積極效果

盡管由于準實驗研究的局限性，實驗組和對照組在前測中沒有表現(xiàn)得完全對等，但就選課分班機制、生源質量、課程在培養(yǎng)方案中的定位、教師、教材、教學方法、授課時間等絕大部分因素而言，兩個班的學生并不存在邏輯上明顯的異質性。從前后測的差值上還是能看出實驗組相對控制組分數(shù)提高顯著，效應值達到0.68。由此可以推斷，實驗組相對巨大的“進步”是由于采用了翻轉課堂的教學模式，即采用翻轉課堂教學模式對提高學生的成績有積極的效果。

（二）大部分學生對翻轉課堂教學模式持正面態(tài)度

58%的實驗組學生在體驗了翻轉課堂教學后，表示“喜歡這種教學形式”?？梢哉J為，大部分學生對翻轉課堂教學模式持正面態(tài)度。同時也應該注意到，并不是所有的學生都持肯定態(tài)度。對于不同于以往的教學方式，不同學生的接受程度存在差異。

五、反思與討論

本研究在實施過程中遇到了一些困難和挑戰(zhàn)。例如：微課視頻制作的成本與質量之間存在矛盾；翻轉課堂模式中的面授教學活動需要重新設計，而教師的教法遷移難以速成；翻轉課堂需要學生投入許多課外學習時間，這可能與他們繁重的課業(yè)負擔相矛盾。這些問題能否得到妥善解決，可能對于進一步推廣和實施翻轉課堂教學改革具有決定性意義。

（一）微課視頻制作投入與產(chǎn)出難以匹配

本研究在實施過程中，教師投入了大量的時間和精力來錄制用于課前翻轉的微課視頻。作為使用特定的視頻攝錄設備和音視頻后期制作軟件的非專業(yè)人士，他們需要投入大量時間和精力成本去熟悉和掌握使用方法和技巧。另外，對于習慣了面對學生授課的教師而言，只面對攝像頭、手寫板和電腦“自說自話”式的錄課過程也需要時間適應。凡此種種，都制約著教師錄制微課視頻的效率。

然而，最后的成品微課視頻可能與教師的投入并不匹配，其質量難免有一些不盡如人意的地方。例如：工作化或生活化的錄像環(huán)境造成視頻光線不足或有噪音；教師出鏡表情和肢體語言不自然；呈現(xiàn)形式受限于教師講授、手寫板書或PPT演示等有限的幾種形式，無法充分發(fā)揮視頻媒體在動態(tài)和視覺方面的優(yōu)勢；后期制作和剪輯生硬、粗糙；等等。雖然這里羅列的大部分不足都可以通過不斷實踐和練習得到改進，但對于一線教師來說，花費時間和精力去熟悉專業(yè)錄播設備和視頻制作軟件本身并不是值得提倡的方向，這會進一步增加教師投入的成本。

比較理想的用于課堂翻轉的微課視頻，其實并不一定需要教師自己動手錄制。用于介紹客觀知識的視頻資源，完全可以從充分復用和共享的角度出發(fā)來制作或借用。特別是近年來隨著精品課程、視頻公開課、MOOC等各種開放教育資源平臺的建設與普及，越來越多的學科視頻資源可以被教師方便地獲取與利用。類似的做法能夠大大降低教師實施翻轉課堂教學策略的門檻。

（二）課堂面授教學活動的重新設計面臨教學法的挑戰(zhàn)

對于翻轉課堂已有的實證研究表明，決定學習效果最重要的部分是課堂上的學習活動。只有在課堂上合理使用主動學習策略，才可能增加學生的有意義學習，減少學生的機械學習。因此，翻轉課堂對教師提出了更高的要求：教師在制作微課視頻實施翻轉的同時，要重新設計課堂教學活動，讓學生有更多的機會相互交流、從做中學。

對于熟悉并習慣于傳統(tǒng)講授式教學的教師來說，涉獵、應用和駕馭新課堂教學方法的確也是一個巨大的挑戰(zhàn)。在本研究案例中，教師（第二作者）是各類教學培訓研討活動的積極參與者，在參與翻轉課堂試點研究之前，就已經(jīng)在自己的教學實踐中嘗試過教學發(fā)展中心推送的多種教學理念和方法（如以學習為中心、投票器等）。另外，教學發(fā)展人員（第一作者）對教師的個別化服務與指導起到至關重要的作用。作為教學設計師的教學發(fā)展人員和作為領域專家的一線教師相互積極配合，可以加速教師由傳統(tǒng)講授向主動學習策略等新教學法轉變的進程。但值得注意的是，當教學發(fā)展人員“踏入”學科專家的領域“指手畫腳”時，這種合作并不必然會成功。這需要雙方事先已經(jīng)經(jīng)歷過一段相對長時間的交流，并建立了一定的信任。

（三）學生課時繁重制約用于課前翻轉學習的時間

實施翻轉課堂遇到的第三個阻力來自學生。除了對新教學方法不適應之外，更大的挑戰(zhàn)來自于學生培養(yǎng)方案中對課堂教學時間的安排過于繁密。特別是對于低年級學生而言，往往需要花費大量的時間去課堂上課，而大量的課時和相應的課后作業(yè)也導致學生能用于翻轉的課前學習時間受到限制。一旦學生沒有在課前完成翻轉課堂所布置的課前學習任務，課堂教學活動將難以按原計劃開展，翻轉可能就會以失敗告終。

教師可以設計一些策略來盡可能調(diào)動學生完成課前的翻轉學習任務。例如：利用LMS課程管理系統(tǒng)做網(wǎng)上課前小測；實施當堂計分的用于檢驗課前學習效果的隨堂小測等。但是，當實施翻轉教學的課程越來越多的時候，解決這個問題可能更多地需要從學校和院系教學規(guī)劃和管理的頂層進行改變。減少學生“上課”的時間，增加“課外”自主學習的比重，才能在真正意義上為翻轉課堂的推廣創(chuàng)造條件。

六、研究回顧與展望

如果說本研究一定程度上回答了翻轉課堂教學對學習效果的影響，那么就可以進一步探討“是什么因素決定了翻轉學習有效”這一問題。從理論上說，有多種推理和假設能夠支撐這種教學模式的效果。一方面，可以解釋為主動學習的增加。將課堂時間更多地用于解題、練習、同伴學習等主動學習策略，能夠更好地調(diào)動學生參與的積極性，這是促進深入學習和有意義學習的有效途徑。另一方面，也可以解釋為課外學習時間的增加。將原先課內(nèi)教師講授的內(nèi)容變成了課外的預習，可能會變向增加學生的課外學習時間，這對學習效果的提高也應該有積極的影響。

另外一個角度是：翻轉課堂教學對學生的影響并不一定局限于學業(yè)成績，后續(xù)的研究還可以進一步考察學生在其他一些學習效果（Learning Ovtcome）上的變化，如對學科領域的興趣、問題解決能力以及溝通能力等。

最后，高校的專業(yè)門類和課程覆蓋內(nèi)容差別很大，對各類學習效果的目標要求也各不相同。對翻轉課堂適用性的探討還需要結合學科、專業(yè)和課程來加以具體研究。

注釋

[1]PRINCE M. Does Active Learning Work？ A Review of the Research[J]. Journal of Engineering Education， 2004， 93（3）：229.

[2]SVINICKI M，MCKEACHIE W J. Teaching tips： Strategies，research， and theory for college and university teachers （13th Ed.）[M]. USA（CA）：Wadsworth， 2010.

[3]LAMBERT C. Twilight of the Lecture[J]. Harvard Magazine， 2012 （2）：23-27.

[4]HAMDAN N， MCKNIGHT P， MCKNIGHT K， et al. A Review of Flipped Learning[R/OL]. [2013-06-05]. http：//www.flippedlearning. org/cms/lib07/VA01923112/Centricity/Domain/41/LitReview_Flipped Learning.pdf.

[5]DESLAURIERS L， SCHELEW E， WIEMAN C. Improved Learning in a Large-Enrollment Physics Class[J]. Science， 2011， 332：862-864.

A Quasi-Experimental Study on the Flipped Classroom Strategies：The Case of Shanghai Jiao Tong University

XING Lei1，DONG Zhan-hai2
（1.Center for Teaching and Learning Development，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；2.Department of Physics and Astronomy，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

Center for Teaching and Learning Development，Shanghai Jiao Tong University，lavnched the＂Flipped Classroom Pilot Research＂dvring 2013-2014，with an aim to explore new teaching methods within the E-environment，thereby improving teaching qvality.＂College Physics＂is one of the covrses investigated in this stvdy. Throvgh a combination of qvasi-experimental design and qvestionnaire，this stvdy addresses topics svch as＂the Effectiveness of the Flipped Classroom＂and＂Stvdents'Adaptability and Tendency towards the Flipped Classroom＂.It compares stvdents'post-test scores to their pre-test scores between the experimental class which adopts a flipped instrvction approach and the controlled one which vses traditional lectvre.The resvlt shows that the mean of stvdents'increased scores in the experimental grovp is significantly higher than that in the controlled grovp，with an effect size of 0.68.Based on the qvestionnaire，over 58%of stvdents report that they really enjoy interactive teaching in the flipped classroom.

Flipped Classroom；Qvasi-Experiment；College Physics

2014-07-21

邢磊，男，上海交通大學教學發(fā)展中心助理研究員，研究方向為高校教師教學發(fā)展、教育技術；董占海，男，上海交通大學物理與天文系教授，教學研究方向為物理教學。