陈 峻,庞 玮,徐小明,周誉昌

(广东工业大学,广东广州 510006)

MOOC和PI相结合教学法在大学物理实验教学中的运用研究

陈 峻,庞 玮,徐小明,周誉昌

(广东工业大学,广东广州 510006)

利用MOOC与PI相结合的教学方法对现有的大学物理实验教学进行改进,通过对大学二年级四个同专业班级的教学实验证明,新的教学方法和传统教学相比学生的整体学习热情获得了较大提高,学生普遍感觉能够更深入彻底的理解实验并且提高了动手能力。量化考核也显示出采用新教学法的班级学生考核成绩较传统教学班级相比获得了很大提高,高分段学生人数显著增加,说明MOOC和PI相结合教学法对于教学改革是有显著效果的。

MOOC;PI;教学改革;大学物理

1.MOOC和PI简介

MOOC(Massive Open Online Course),即大规模的网络开放课程。2011年,美国斯坦福大学教授Sebastian Thrun把他研究生水平的人工智能课程放在了互联网上,从而吸引了来自190多个不同国家的 160,000名学生,这成为了第一个MOOC平台。MOOC成功实现了一种知识交换模式,使得任何学习类型的信息都可以通过网络传播。2012年,美国的顶尖大学陆续设立网络学习平台,在网上提供免费课程。MOOC在全球发展的速度很快,并对高等教育产生了比较大的影响,引起了高等教育界的关注[1-4]。MOOC教学法针对中国大学的较为封闭的教学模式和学籍管理模式,对于中国大学教育现状的改革,以及升学选拔制度的优化,全面贯彻素质教育方针,逐步实行大学教育的普及,都有着一定的现实意义。

PI(Peer-Instruction)教学法是由美国哈佛大学Eric Mazur教授创立并实践了同学间互动的一种新的教学模式,该方法鼓励学生基于一系列问题进行自主学习和协作探究,从而使得学生成为学习的主体。教学中可以使用专门设计的用于揭示学生错误概念和引导学生深人探究的概念测试题,借助计算机投票系统,组织大班课堂教学,变传统单一的讲授为基于问题的自主学习和协作探究的教学方法。哈佛大学PI教学法的提出、实践、改进和得出初步研究结论历经了十年之久,期间三次获得美国国家科学基金的支持,相关研究的文章发表在 Science杂志的教育论坛栏目上[5,6],引起了全世界教育领域的广泛关注[7-12]。

2 大学物理实验教学现状

大学物理实验是培养学生基础实验知识、实验方法和实验技能的课程,是高等院校理工科教学体系的重要组成部分。大学物理实验教学属于基础性课程教学,主要的教学对象是刚进入大学的大一新生,它对培养学生的创新意识、动手能力、分析问题和解决问题的能力发挥着不可替代的作用。因此,这门课程与其他的专业实验课程有非常大的区别,可以说大学物理实验的很多教学内容与我们的其他课程内容有着千丝万缕的联系,但也存在与当前企业、科研中能够直接应用的知识脱节的问题。所以如何搞好大学物理实验的教学工作是目前摆在我们广大物理学教学工作者面前的普遍难题。

我们针对大学物理实验课程中,学生比较关心的四大主要问题(课程设置的重要性、对课程的感兴趣程度、实验动手能力的锻炼、对实验原理和内容的完全理解)进行了广泛的问卷调查,并统计这些结果,用以反应当下大学物理实验教学的实际情况。统计结果如图1所示,四大主要问题分别用1、2、3、4来分别代表,统计结果显示绝大部分学生(90.5%)对大学物理实验这门课程的重要性及地位还是给予了肯定的,而对于是否感兴趣这一问题上,仅仅有35.8%的学生感兴趣,而65.2%的大部分人则不太感兴趣,动手能力获得有效提高的比例则更低仅占20.5%,同样的,通过学习完全理解实验原理和实验内容的人数也仅为20.6%。为何如此多的学生会觉得通过一年的大学物理实验课程的学习没有获得能力的提升,对课程学习也不感兴趣呢?我们认为其主要的问题在于传统的教学方式过于单一和陈旧。这种灌输式的教学方法使得学生的学习兴趣陡然下降甚至是产生了对学习的厌倦情绪,大学物理实验课程是有别于理论课程的学习的,统一的教授知识的方法更加不适合这门课程,因此,笔者注重从改革传统的教学模式入手,结合目前较为流行的mooc教学法和PI教学法运用到大学物理实验的教学中来,期望能够对大学物理实验教学的效果起到积极的改善作用。

图1为针对当前大学物理实验教学现状的调查统计图,其中1-认为大学物理实验在素质技能培养中的地位及作用2-对大学物理实验感兴趣程度3-大学物理实验对实验动手能力的提高4-通过学习完全理解实验原理和实验内容。

图1 针对当前大学物理实验教学现状的调查统计图

3 采用MOOC和PI相结合的教学方案

大学物理实验学生的学习过程总的来说分为三大块,即实验前的预习、实验课上的动手操作、课后实验报告的完成。我们将从实验预习及实验课教学这两块对课程的教学方法进行改革。实验课的预习是非常重要的,因为任何一个实验项目,其物理背景和实验原理往往是相当复杂的,仅仅通过实验课上有限的时间完全不足以理解实验的内容,若是不进行有效的实验预习,就会严重影响实验课的教学效果,学生往往只是按照操作步骤去完成实验,却完全没有理解实验内容,这从我们的调查情况也非常明显的反映出来。因此,我们针对实验预习的改革主要分两块来进行:一是拍摄了大量详尽的针对实验项目的有关背景、原理、应用、实验操作的演示视频,把索然无味的文字转变为可以与我们实验现场相结合的动态视频能够大大激发学生的学习热情。二是引进了科大奥锐公司的大学物理实验预习系统[2],学生可以在线对虚拟实验进行操作,从而更加深入理解实验的操作。如图2所示为采用在线实验预习系统的相关登录、列表、视频、预习组卷等截图。

图2 学生采用Mooc教学法进行大学物理实验预习截图

针对实验的课堂教学,我们采用PI式教学法,改革现有的以教师为主体的单向知识传授模式,将基于问题的主动学习方式引入物理实验的教学课堂。在采用PI教学模式时要严格按照PI的教学步骤进行,主要分为讲义准备、PI课堂问题设计和使用、量化考核等几个模块来进行。其中,讲义的准备主要针对学生课前预习,编排时要充分突出实验目的的描述,物理概念、物理图像、实验设计思想和实验方法的阐述,避免枯燥的文字叙述,较多的引用图例方式提高学生学习兴趣。PI课堂问题的设计是PI的核心,必须精细设计每一个问题,紧密联系课程主要内容,充分引导学生对实验的核心内容、概念、实验方法进行深入思考。量化考核是衡量PI教学法教学质量好坏的重要手段,PI量化考核主要采用考试的方式进行,考试内容将主要来自于课堂教学内容,通过短期和长期考核相结合的方式来对比参与教学改革和传统教学的学生成绩,较为准确的对教学效果进行量化分析。如图3所示为采用PI教学的课堂现场、PI问题展示、学生感想等。

图3 采用PI教学法的大学物理实验课教学现场图

4 考核结果分析

我们对本校同年级同专业(自动化专业大学2年级)的四个班级针对实验项目热敏电阻进行教学改革实验,这四个班的学生层次和学习能力基本相似,其中自动化1班和2班采用传统教学模式,称之为教学组;而自动化3班和4班则采用mooc和PI结合的教学模式,称之为实验组。教学组和实验组的教学内容完全一致,仅仅区别于教学方法的不同,在完成了一个学期的教学任务后,我们对四个班进行了一次期终检测,并利用统计图对成绩进行数值分析。如图4所示为实验组和教学组的学生成绩直方图和正态分布图,其中(a)、(b)、(c)、(d)分别对应于自动化1、2、3、4班。从图中可以看出,和教学组相比,实验组的直方图分布班更加密集,且趋近均值,反映出全班的整体水平比较接近,学习成绩掉队的人数非常少。而相对而言,教学组的直方图分布则显得较为弥散,成绩好坏的同学参差不齐,且分数的整体分布有向低分靠近的趋势,高分同学的比重偏少。进一步研究四个班的正态分布图观察发现,实验班的正态分布曲线峰值向高分段偏移,而教学组的正态分布曲线峰值则向低分段偏离,实验组的3班较教学组的1班平均成绩较教学组提高了近12分,而标准差较教学组提高了1.0,因此,从以上的分析可以看出,本次教学实验中所采用的实验组的两个班的教学效果和学习成绩都要显著优于传统的教学组。

图4 实验组和教学组的学生成绩直方及正态分布统计图其中(a)、(b)为教学组,(c)、(d)为实验组

针对进行过教学改革的两个班级学生再次进行问卷调查,统计结果如图5所示。

图5 经过mooc和PI相结合教学法后大学物理实验教学情况的调查统计图其中1、2、3、4同图1

针对学生比较关心的四大问题(同图1)的统计结果出现了很大的不同。而对于是否感兴趣这一问题上,对实验感兴趣的比例已经增加到73. 2%,感觉自己的动手能力获得有效提高的比例则提高到62.4%,同时,完全理解实验原理和实验内容的人数大大增大到92.5%。这说明采用mooc和PI相结合的教学方式确实能够增强学生的学习兴趣和学习积极性,让学生有效的掌握和锻炼实验知识和技能。

5 结 论

综上所述,本文利用MOOC与PI相结合的教育方法对现有的大学物理实验教学进行深入改革,通过对大学二年级四个同专业班级进行分类的教学实验证明,采用新教学法的实验组学生与采用传统教学法的教学组学生相比较,学生整体学习热情有较大提高,学生普遍感觉通过在线视频的预习和问题引导式课堂学习能够更深入彻底的理解实验和提高动手能力。量化考核也显示出采用新教学法的班级学生平均成绩较传统教学班级相比获得了很大提高,高分段学生人数显著增加,这充分说明了采用MOOC和PI相结合教学法对于改进大学物理实验教学是有显著效果的。

[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] 杨凡.基于Black Board的《大学物理实验》网络教学平台设计[J].大学物理实验,2013,26(6): 64-66.

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

[6] 张萍,Eric Mazur.Peer-Instruction-哈佛大学物理课程教学新方法[J].中国大学教学,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

广东省高等教育教学研究和改革项目(261541134);广东省高等教育学会实验室管理专业委员会研究基金(402150011)