基于课堂应答系统(CRS)的诊断性教学*①

雷 丹 黄致新 陈丽莎 孙楚钰 刘贺平

(华中师范大学物理科学与技术学院 湖北 武汉 430079)

1 诊断性教学及其意义

诊断性评价也称“教学性评价”，一般是指在某项教学活动开始之前对学生的知识、技能以及情感等状况进行的预测．通过这种预测可以了解学生的知识基础和准备状况，以判断他们是否具备实现当前教学目标所要求的条件，为实现因材施教提供依据．而根据教育过程的需要，诊断性评价也慢慢渗透到教学的各个阶段．根据诊断的目的、过程和标准，可将教学诊断性测验分为以下5种类型：预测性诊断测验、形成性诊断测验、适应性诊断测验、质量性诊断测验以及障碍性诊断测验．

本文主要研究形成性诊断测验.这类测验是在教学过程中进行的．形成性诊断测验有助于教师了解哪些教学目标已经达到，哪些目标尚未达到，还存在哪些方面的差距等，以便适时调整教学策略．对学生来说，可以利用形成性诊断测验进行自我反馈和自我调整，逐步接近或达到教学目标．

2 CRS在形成性诊断测验中力学部分的应用

大学物理的力学部分由质点运动学、牛顿运动定律(动力学)、动量与角动量、功和能、刚体的定轴转动、狭义相对论基础这6章组成．而这6章可以划分为4个部分：质点运动学，质点动力学，刚体动力学以及狭义相对论．与高中不同的是大学物理质点运动学部分，需要用到微积分知识来严格定义质点的速度和加速度，同时还提到曲线运动以及相对运动的问题．而质点动力学主要介绍的是牛顿第二定律、动能、动量定理、能量守恒、动量守恒、角动量守恒定律，在介绍机械能守恒定理的同时引进保守力的概念．刚体这一部分则引进转动惯量的概念，同时将动力学内容用于刚体部分．狭义相对论则引进全新的时空转换概念，主要基于两个原理——相对性原理和光速不变原理，其中提到洛伦兹变换以及相对论质量、动量、能量关系式．而整个力学部分的核心主要体现在机械能守恒、动量守恒和角动量守恒这三个守恒定律上．因此本文基于力学部分的这三大守恒定律，对CRS在形成性诊断测验中的应用开展研究．

CRS教学系统在形成性诊断测验的应用,是指在新课结束后准备几道能体现重点概念和规律的、容易出错的选择题,利用CRS 进行学习效果检测,可同时起到复习巩固和深化理解的作用．通过CRS教学系统在课堂中的有效应用,教师能够及时得到学生知识掌握情况的反馈信息,从而适时调整自己的教学进度．当然,由于应用CRS时应答题目只能以选择题的形式出现,学生的选择结果只能给出其思维结果,而不能展示其思维过程．若教师在对学生群体答案分析的同时进行个别提问,则可以通过对话洞察其思维过程,以做出进一步讲解[1]．

CRS题目的设计是形成性诊断测验成功的关键所在，在本次研究中，CRS题目主要根据认知冲突型来设计：每三道题目围绕一个概念展开，但是各自有各自的特征．第一道题目主要为建立学生信心设计，题目简单．大部分学生可以正确回答出该问题，因此第一道题之后的讨论相当简单．第二道题目难度增加，不同的题目往往会选择不同的答案，学生将意识到自己没有很好的掌握概念，教师可以查看不同学生的选项并对学生为什么要选择该答案进行提问讨论．教师可以根据反馈回来的信息，及时解决同学的疑难问题，调整教学．第三题题目难度较大，是为了检测教学成果，判断学生是否掌握基本概念．因此三个题目难度分别为：易-难-难．

3 题目应用举例

接下来的三组题目出自华中师范大学物理力学课堂的PowerPoint演示文稿，用于在新课结束后对学生的所学知识的检验和巩固学生所学内容．学生在课堂上用了5 min来完成每组题．

第一组问题是关于功和机械能守恒的题目.

【例1】一个质点同时在几个力作用下的位移为Δr=4i-5j+6k, 其中的一个力为恒力F=-3i-5j+9k, 则此力在该位移过程中所做的功为

A.-67 J B.17 J

C.67 J D.91 J

【例2】下列说法正确的是

A.不受外力作用的系统，它的动量和机械能必然同时守恒

B.内力都是保守力的系统，当它所受的合外力为零时，其机械能必然守恒

C.只有保守内力作用而不受外力作用的系统，它的动量和机械能必然都守恒

【例3】对功的概念有以下几种说法：

(1)保守力做正功时, 系统内相应的势能增加.

(2)质点运动经一闭合路径，保守力对质点做的功为零.

(3)作用力和反作用力大小相等、方向相反,两者所做功的代数和必为零.

A.(1)、(2)是正确的

B.(2)、(3)是正确的

C.只有(2)是正确的

D.只有(3)是正确的

第二组问题是关于冲量和动量守恒的题目.

【例4】砂子从h=0.8 m高处下落到以3 m/s的速率水平向右运动的传送带上，如取重力加速度为10 m/s,传送带给予刚落到传送带上的砂子的作用力的方向

A. 与水平夹角53°向下

B. 与水平夹角53°向上

C. 与水平夹角37°向上

D. 与水平夹角37°向下

【例5】一个α粒子飞过一金原子核而被散射，金核基本上未动，在这一过程中

A.对金核中心来说，α粒子的角动量守恒

B.对金核中心来说，α粒子的角动量不守恒

C.α粒子的动量守恒

D.α粒子的动量不守恒

【例6】在核反应堆中利用中子和“减速剂”的原子核发生完全弹性碰撞而使中子减速，则

A.减速剂应使用原子质量比较大的元素

B.减速剂应使用原子质量比较小的元素

C.无法判断

第三组题目是关于刚体和角动量守恒的题目.

【例7】关于刚体对转轴的转动惯量，下列说法中正确的是

A.只取决于刚体的质量，与质量的空间分布和转轴的位置无关

B.取决于刚体的质量和质量的空间分布，与转轴的位置无关

C.取决于刚体的质量、质量的空间分布和转轴的位置

D.只取决于转轴的位置，与刚体的质量和质量的空间分布无关

【例8】一个人站在有光滑固定转轴的转动平台上, 双臂伸直水平地举起二哑铃, 在该人把此二哑铃水平收缩到胸前的过程中, 人、哑铃与转动平台组成的系统的

A.机械能守恒, 角动量守恒

B.机械能守恒, 角动量不守恒

C.机械能不守恒, 角动量守恒

D.机械能不守恒, 角动量不守恒

【例9】有两个力作用在一个有固定转轴的刚体上：

(1)这两个力都平行于转轴作用时，它们对转轴的合力矩一定是零．

(2)这两个力都垂直于转轴作用时，它们对转轴的合力矩可能是零．

(3)当这两个力的合力为零时，它们对转轴的合力矩也一定是零．

(4)当这两个力对转轴的合力矩为零时，它们的合力也一定是零．

在上述说法中

A.只有(1)是正确的

B.(1)、(2)正确，(3)、(4)错误

C.(1)、(2)、(3)正确，(4)错误

D.(1)、(2)、(3)、(4)都正确

4 数据统计及效果分析

由于这三组题目是在新课结束后准备的，用来复习巩固、深化理解，所以题目的覆盖面较广．鉴于易—难—难的题目设计原则，第一题偏易用于学生巩固概念，因此每组题的第一题答对率很高；第二题加深难度后利于学生深入思考，理解其中物理含义，答对率相对较低；第三题则用于学生综合课堂所学知识，深层次的运用课堂知识，答对率有所回升．三组题的学生答题正确率如表1所示．

经过这次力学部分诊断性教学的研究可以发现，学生在课堂上较易吸收力学的一些物理概念，但是学生对守恒定律的理解不够彻底，尤其在需要学生综合考虑两种守恒定律(动量和机械能守恒)的时候．因此教师在学生答完第二题后对动量守恒和机械能守恒的条件加以强调，希望引起学生注意．在第二套题的第二题中，同样涉及了两种守恒定律(动量和角动量守恒)，用来检验学生对知识的掌握情况．此题的回答正确率较上一组的第二题有所上升，说明上次教师对动量守恒和机械能守恒的条件加以强调对学生的学习有了很大的帮助，达到了一定的教学效果．此时，教师再次重点对机械能守恒，动量守恒和角动量守恒做一次全面的分析和复习．最后，我们在第三组题目的第二题中同样涉及了两种守恒定律(机械能和角动量守恒)来检测我们的教学效果．第三组题中，可以发现学生第二题的答题正确率已升高到了71%(见表1)，与前两组题的第二题的答题正确率相比有了较大程度的提高．

该试验在华中师范大学的大学物理课堂上进行，每组问题之间的间隔都为8个课时(一个月)．首先，从学生三组题的答题正确率来看，这三组题的难度系数相差不大(见表1)．其次，三组题答题时间都为5 min，分别是第一题为1 min，第二题为1.5 min，第三题为2.5 min，留给学生的思考时间一样．

表1 clicker诊断评估性教学中学生答题正确率

分析以上条件，将三组题目进行对比，发现第一题的正确率由第一组题目的89.11%提高到第三组题目的95.19%，第二题的正确率由第一组题目的38.6%提高到第三组题目的71%，第三题的正确率由第一组题目的90%提高到第三组的95.57%．由此可见，CRS诊断性教学在实践应用中给物理教学带来比较大的帮助．就这样，我们通过不同时间的三组类似的题目，达到发现问题、检验问题和解决问题的诊断性教学的目的．

另外，由于本文调研的对象是华中师范大学数学统计学院2010级数学系专业的学生，总人数为312人，选课系统按学号随机将学生平均分配到三个班级，任课教师也由三位教职能力相当的教授担任．本文选择其中一个班级作为CRS实验班，另外两个班级则为对照班．在本学期期末考试结束后，将三个班的平均成绩做了对照(如表2)．经过简单地计算，发现实验班的平均分高出年级平均分3个百分点．因此，可初步得出结论，CRS课堂应答系统的使用能提高学生的学习成绩，更好得到达教学目标．

表2 期末班级平均成绩对照表

5 结论

总之，交互式课堂应答系统可以帮助同学之间还有教师同学之间建立对话，并且是在大学里很受欢迎的一种教学模式．用CRS诊断性教学可以使学生有更多的机会去测试自己对每个概念的掌握程度，从而在短期内帮助学生深入理解物理概念，虽然长时间的帮助效果还需要继续研究．可以肯定的是，在力学部分，Clicker诊断性教学要比普通习题教学更能提高学生的学习水平．通过Clicker诊断性教学，可以达到教学中发现问题、检验问题和解决问题的目的．我们以后还会利用clicker对大学物理的其他章节作更完整的分析，希望我们的研究成果能给物理教学带来帮助[2]．

参考文献

1 黄致新.基于clicker的交互式探究型课堂教学及其研究进展.物理教学探讨，2010(9)

2 N.W.Reay,P.F.Li,L.Bao.Testing a new voting machine question methodology.American Journal of Physics，2008.171