寇桁菘 唐 淦 韩 笑 朱亚彬

(北京交通大学理学院,北京 100044)

大学物理实验是理工类专业必修的一门实践类课程,是培养大学生实践能力、创新能力、动手能力、思辨能力的一门基本课程。以北京交通大学现有的大学物理实验课程为例,其教学方案上仍然存在一些问题。首先,大学物理理论课和实验课进度不一致,物理理论知识和实验课内容脱节,导致学生无法掌握基本知识;其次,学生对课程的态度不端正,课前预习不充分;最后,教改项目考查学生实验能力的量表效度不高,问卷题目设置涉及所有实验,而学生实行选做实验,学生对于没有做过的实验,只能靠猜测回答,造成了“坏值”的出现。本文针对在现有教学模式下如何进一步提高学生成绩,引入了合作学习或自主学习相关的教学理论,力图在现有条件下找到适合学生的教学模式。

在现有的研究中,对合作学习模式或自主学习模式已有较为深入的探讨。W.Sumanasekera等人通过改变教学策略并对比学生前后的成绩变化,发现适当的自主学习(如视频、游戏互动)可以有效地提高学生的成绩,并且针对不同的学习目标可以改变自主学习的方式[1]。C.U.Bilgin等人在研究调查中发现游戏式的学习方式尽管在学习环境与课程态度上,游戏组与传统组之间没有显著差异,但在团体凝聚力、得分和团队评价上,游戏组要优于传统组[2]。另外,让学生在探究的过程中带着问题去解决实际问题,其学习效果更优于普通教学模式[3]。合作学习营造了和谐积极的教学环境,学生可以自由地表达自己的意见和想法,而不必害怕批评或失败,让学生的能力在和谐的学习氛围中获得提升[4]。

但是值得注意的是,对于不同学习能力、不同成绩的学生,采用相同的教学方式,其效果可能有所不同,这是由于不同个体间差异导致的结果[5,6]。所以合作学习模式以及自主学习模式对不同分数段学生成绩的影响可能也不尽相同。

为了具体探究这种影响的差异,本次调查在原有的考查学生实验能力量表的基础上,进一步细化量表,让学生在课程结束时只需回答他们所学过实验的相关题目,提升问卷的有效性。同时,分别挑选在实验过程中选择过合作学习模式或者自主学习模式的学生,并依据本次测试成绩的高低将他们分为不同的层次水平,进而分别研究合作学习或自主学习对他们的成绩的提升是否显著。

1 实验课程介绍

大学物理实验春季课程总体上分为两个阶段,必做实验阶段与选做实验阶段,内容涵盖力热声光振动电学等知识,其中必做阶段有3个实验项目必做,另外1个实验从3个开放的实验项目中选1个,选做阶段是在开放的12个实验中选4个。现阶段我们采用的教学模式为:学生预习课本填写实验报告,上课观看教学视频,老师讲解实验步骤,课下实验数据处理,完成实验报告。老师根据实验操作、预习、实验报告等方面进行打分,同时也开放了一部分实验项目,学生以自己看MOOC视频的方式进行学习,完成实验报告。

2 测试方案

2.1 问卷设计

本次测试共使用两套不同的量表,前测后测共用一套,中测用一套。前测和后测题目根据选做阶段的实验内容设计了15 道单选题,每道1分,共计15分。中测题目是由必做阶段的实验内容所设计的15 道单选题目和12 道主观题目组成,因为本校学生在此阶段只需完成四个实验,所以学生只需选择其中4题作答,每题1分,满分为4分。这样所测量出来学生的成绩更加准确,防止学生因为对其他实验不熟悉,而导致最后测试的数据不够准确。同时我们也在问卷的后半部分结合合作学习与自主学习增加了一些主观调查,并附上层次分析法量表。特别说明,本次项目设置中期测试题的主要目的是利用主观测试题目,筛选出已在实验过程中自主加入适当合作学习或自主学习模式的学生,从而在后期数据处理时提供一定的划分范围。而本次设置中期客观测试题的目的是:其一,中期测试题目的选做类型是为以后大学物理实验测试量表的形式提供一个新的思路;其二,在新版测试题目的框架下调查不同层次学生对于合作学习模式或自主学习模式的认知程度。其中影响本次数据分析的4道主观题目见附录A,层次分析法量表见附录B。

2.2 测试过程

我们将整个测试过程分为前测—中测—后测三个阶段,测试流程图参见图1。在学生开始实验课程之前,用一套测试题对学生进行测试,作为空白对照组,得到学生的前测成绩;待学生做完必做的三个实验后,对学生进行中测(新版测试题),针对学生在实验中可能采取的一些学习方式进行问卷调查,并测试学生在此课程阶段的成绩,得出中测数据;最后在学生结束所有实验时,用与前测相同的测试题对学生进行测试,得到学生的后测成绩。

图1 测试过程流程图

在整个测试完成后,我们获得三个测试量表的数据。首先从中测的主观测试题中,我们筛选出在实验过程中选择了合作学习或自主学习的学生,然后根据学生的答卷情况剔除一些“坏”的数据,并随机选出适合进行单因子方差分析的“种子学生”,最后追踪这些“种子学生”的前测和后测成绩,进行单因子方差分析。其中前测与后测成绩的满分均为15分,为了方便统计,规定:0～5分为低分段;6～10分为中分段;11～15分为高分段。由于中期测试题目的客观成绩只是为了调查在中测试题框架不同层次学生对自主学习或合作学习模式的认知程度,所以未将中测成绩的0分段到4分段划分为与前后测成绩一致的三个大类分数段。

本次调查以雨课堂与问卷星为测试工具,以北京交通大学2018级理工科学生为研究对象,共收集前测有效样本570份,中测有效样本560份,后测有效测试样本555份。

3 数据分析

3.1 因素调查

我们对学生在实验中的合作情况进行调查,将每个分数段合作或不合作的人数转化为占该分数段总人数的百分比,统计情况见表1,并作散点图后用平滑的曲线拟合,如图2所示,虚线为采用合作学习方式的学生占比随分数段变化的趋势线。

表1 学生是否采用合作完成实验的人数占比表

图2 学生是否采用合作完成实验的人数占比图

随着分数的上升,学生采用合作学习的比例逐渐增加,尤其在提分初期,此比例的增加最为明显,这一点从0 分段到1 分段的激增可以看出。相比于低分段学生,高分段学生使用合作学习的比例更高。反过来,对于低分段学生来说,使用合作学习模式是提高实验成绩的手段之一。所以,在一定程度上,此项调查说明了合作学习对成绩提升有积极作用。其中值得注意的是,从图中①曲线可看出,零分数段的学生的比例是最低的,通过访谈后我们发现,零分数段的学生一方面觉得自己的知识水平不足,不愿与别人交流,怕产生心理落差,另一方面是对于大学物理实验兴趣不高,只是单纯地获取学分。一分段合作学习比例最高,是由于在随机抽取样本时造成的误差导致,忽略误差影响可以说明上述结论,正如图2中趋势线所示。

另一方面,我们对影响学生大学物理实验成绩的主观因素进行调查,采用层次分析法量表(如附件B所示)进行分析,其调查结果如表2所示[7]。

表2 主观因素影响大学物理实验课程成绩的占比表

在学生的主观因素中影响大学物理实验课程成绩的程度由重到轻依次为:自主学习、兴趣程度、学习态度、难易程度和学分占比。从总体上看,现有教学模式下,更多的学生希望在实验进行中增加必要的自主学习环节,其比例达到了32.65%。通过学习过程的调研,我们发现学生在大学物理实验教学的过程中课前预习本身也是一种自主学习的过程,但是学生更多的是将其视为一种“誊抄”作业,并不能充分调动学生自主学习的积极性。另外在实验阶段,学生完成实验时间的长短被作为一项评分标准,这样虽然能够在一定程度上督促提升预习的效率,但这并不能让实验小组之间通过交流来共同完成实验,从而影响学生自主学习的积极性。总而言之,在保证教学质量的前提下,避免“誊抄式”预习,适当调整实验的评分标准,并增强小组之间的互动性是学生目前想要增加的自主学习的环节。

我们利用中测测试题统计了在整个学习过程中零至四分段的学生是否采用自主学习方法的占比情况,如表3所示。

表3 学生有过自主学习模式的人数占比表

从表3中,我们可以看出在不同成绩的学生层次中,零分段和一分段的学生中有较多的人在实验过程中自行加入了自主学习的学习任务,其人数占到全体中人数的29.46%和24.75%,而二分段到四分段的学生选择自主学习的人数较少。我们对零分段和一分段的部分同学进行了后续的访谈工作。在访谈过程中,零分数段和一分数段学生更愿意在实验过程中尝试自主学习,一方面是因为他们在初高中的教学环境下并没有体验过自主学习的教学方式,老师只是将物理实验道具拿到讲台上给同学们进行演示,甚至是单纯地将知识板书给学生,并没有一个可以让学生自主探索知识的过程,例如小组合作完成实验,或者小组以探讨的形式去发现问题并解决问题。另一方面是零分段和一分段的学生的基础知识不够牢固,从而导致他们在课堂上不能充分消化吸收课堂所学的知识,故他们需要在课后通过寻找一些知识来弥补自己与其他分数段同学的差距。最后,对于一些其他分数段的学生进行访谈后,我们发现他们尝试自主学习的比例较低的原因。他们认为自己本身的知识储备已经比较充实,尽管大学物理理论课的内容很多,但是通过上课老师对于重点内容的答疑解惑,他们能够快速地掌握了理论知识,并通过实验课的预习能够快速掌握实验的原理,因此不需要通过课堂以外的自主学习的手段去再获取知识。另一主要方面是他们在高中的学习过程中,教学老师有充分的教学资源让他们熟悉大学物理实验的基本流程,并且在此过程中培养他们通过小组的形式去发现并解决问题的思维,所以他们觉得在大学物理实验的课程中,并不需要花费很多的时间去自我搜集一些关于实验本身的内容,只需要完成老师布置的预习任务以及课堂任务就能获得他们要想的实验成果。

3.2 单因子方差分析

3.2.1 原始数据处理

我们将三个不同大类分数段(低分段、中分段和高分段)的学生视作三个水平,用单因子方差分析的手段对数据进行分析,假设在本次实验中的显著性水平为0.05[8]。因为前中后测并不是强制要求全体学生参与,所以有很少的学生能够完成三次测试,其次为了方便后续的控制变量,按照从每大类分数段挑选出的最低合格的人数来规定,这样方便进行单因子方差分析。

筛选出在问卷调查中选择合作学习的学生,我们统计了其前测与后测成绩,并在前测量表的每一个分数段任意抽取8人作为样本。设样本个体的前测分数为x1,后测分数为x2,用两次成绩之差Δx=x2-x1来表示该个体的成绩变化情况,计算所有样本个体的Δx,得出样本中三个分数段所有学生的成绩变化量。

同时挑选出在实验课程中选择了自主学习的学生,在低、中和高分段学生的前测成绩中,随机抽取20个样本。在本次实验后期,跟踪调查前测数据中所抽取的20个学生,对他们的测试数据进行统计,研究针对不同大类分数段学生采取自主学习模式后,他们成绩是否有显著地提升。

3.2.2 单因子方差分析

①建立原假设与备择假设

H0:μ1=μ2=…=μk,自变量对因变量没有显著影响。

其中k为样本个数

②计算有关均值

因素A的k个水平用A1,A2…A k表示,x ij表示第i个水平(总体)第j个观察值。从不同水平中所抽取的样本容量可以相等,也可以不等。

令表示第i个总体的样本均值,则

其中n i为第i个总体的样本观察值个数。

令总均值为,则

式中n=n1+n2+…+n k

③计算误差平方和

总误差平方和SST是全部观察值x ij与 总平均值的误差平方和,可反映全部观察值的离散程度。

水平项误差平方和SSA 是各组平均值(i=1,2,…,k) 与总平均值的误差平方和,反映了各水平总体的样本均值之间的差异程度,因此又称为组间平方和。

误差项平方和SSE是每个水平或各组的各样本数据与其组平均值误差的平方和,反映了每个样本各观察值的离散状况,因此又称为组内平方和或残差平方和。

④计算统计量

组间均方MSA 计算公式为

组内均方MSE的计算公式为

检验统计量F是MSA 与MSE的比值

⑤代入数据计算并得出统计决策

(a) 对于合作学习因素

令原假设与备择假设式(1)中k=8,用Δx m代入x ij,由式(2)～式(9)计算上式各数据可得合作学习的方差分析表4和均值方差汇总表5。

表4 合作学习下的均值方差汇总表

表5 合作学习下的单因子方差分析表

(b) 对于自主学习因素

令原假设与备择假设式(1)中k=20,由式(2)～式(9)计算可得三大类分数段学生成绩统计表6,以及单因子方差分析表7。

表6 自主学习下的均值方差汇总表

表7 自主学习下的单因子方差分析表

⑥结果与讨论

首先,在两个单因子方差分析表中,两个检验统计量F的值均大于其临界值,其中表5的F=10.9381,Fcrit为3.448;表7的F=27.1449,Fcrit为3.15。这说明在显著性水平为0.05下,经过合作或自主学习后,两种学习模式对不同层次学生的成绩的提升有显著性的差异。

其次,将单因子方差分析的结果与不同层次学生前后的成绩均值进行比较,我们可知低分段学生的提升程度要高于高分段的学生。分别在合作学习模式与自主学习下,低分数段的学生平均提高1.6分和2.6分,中高分数段的学生在前后测的成绩中出现了不同程度的下滑,其中高分数段的学生成绩下滑严重。通过对部分高分段学生的调查,我们认为高分段学生成绩下滑严重的原因为:首先,高分数段的学生在学习过程中存在“瓶颈效应”,即高分数段学生知识水平到达一定程度后,如果未找到合适自己的学习方法,就很难提升成绩,甚至会造成成绩下滑;其次,高分段的学生在前测得到高分后,并没有对后测测试引起足够的重视,导致学生答题时敷衍了事;再次,在随机抽取样本时会出现一定的误差;最后,当前教学模式没有对合作或自主学习制定相应的教学任务,导致学生在采用上述学习模式时,没有达到提高分数所需要的学习要求,导致成绩的下滑。

最后,通过对比低分数段学生的前后测成绩差异,我们看见虽然通过自主学习的学生的成绩相较于通过合作学习的学生的成绩提升幅度明显,但是学生通过合作学习后,其成绩提升量浮动更小,更稳定。

4 结语

本文通过层次分析法与单因子方差分析法,对比合作学习或自主学习在不同层次学习能力学生的成绩提升情况,发现以显著性水平为0.05的情况下,自主学习模式或合作学习模式分别对不同能力的学生成绩提升存在显著差异性。在没有系统的教学方案下,一些学习能力相对薄弱的学生在通过合作或自主学习模式后成绩均可以得到提高;相较于自主学习来说,合作学习模式对于成绩的影响相对来说比较稳定,且对于基础薄弱学生有较大的积极影响。

最后我们对本次实验做了一些反思。首先,学生在部分物理实验课程的学习过程中,他们的物理理论知识与实验所要求的理论知识不相匹配,这样会使学生对实验原理理解不到位,从而较大程度上影响后测成绩。其次,在整个实验课程中,原本的课程教学方案并未对合作或自主学习有一个系统的方案设计,仅仅是凭借学生自觉性来选择合作学习模式或自主学习模式,自由度过高,且未能引起学生足够的重视,这在一定程度上会影响学生成绩。最后,本次调查主要测试对象是学生,未参考学校本身的教学设置、教学大纲等客观因素。

5 教学建议

根据上述数据及分析,我们提出以下建议:首先,是让物理实验进度与理论课程匹配;其次,在已有的教学方案中可穿插一些与合作学习与自主学习有关联的学习任务。一方面合作学习与自主学习可以有效地提高学生成绩,另一方面也可以提升学生的参与度,从而提高学生的兴趣程度,有助于加深对物理实验原理的理解;另外,设计教学任务时需要考虑不同层次学生之间的弱项和差异,从而达到因材施教的效果。

附录A

测试题中采纳的4道主观测试问题

1.在高中是否接触过物理实验:

A.经常接触过,并且实验次数很多。

B.接触过,实验次数一般。

C.偶尔做过,实验次数很少。

D.只是在课堂上看老师做过,自己并没有亲自动手操作。

2.在学习物理实验的过程中,你觉得困难有哪些(可多选)

A.原理太难,无法理解,理论学习没有跟上

B.动手能力欠缺,在操作上有困难、

C.在预习实验的过程中,没有理解操作的目的,没有熟悉实验仪器

D.实验数据处理上的困难

E.其他

3.你最喜欢怎样学习物理实验:(可多选)

A.老师专门开一堂跟大物差不多学时的课程,讲解各实验的原理、实验的意义、注意事项等,手把手教你做实验,然后实践阶段根据老师讲的内容自 己选择课题进行实验

B.自己看书、结合MOOC自学物理实验

C.根据大学物理课程,上到哪里,实验同步到哪里

D.其他方式:_________(自己填写)

4.你在大物实验中遇到难题时是否尝试过向他人求助或者与他人合作:

A.是 B.否

附录B

关于对影响物理实验能力因素的调查表