课堂交互反馈系统CRS及其教学应用

刘兆龙，胡海云，闵 婕

（1.北京理工大学物理学院，北京 100081；2.北京交通大学经济管理学院，北京 100044）

近20年来，教育技术与高等教育同步迅速发展，为高校教学手段、教学理念和教学模式的更新带来了生机，促进了全球化的教育进步和教学改革。多媒体教育技术的问世，冲击了粉笔加黑板的课堂授课方法；计算机网络的发展，扩展了学习资源和学校教育的范畴。近几年来，课堂交互反馈系统（classroom response systems，CRS）的使用，又为教学模式的改革和教育研究提供了新的思路、方法和工具。随着在哈佛大学、麻省理工学院等美国著名高校的成功应用，CRS得到了教育界的肯定，已经在国外高校中被广泛推广。CRS的应用才刚刚在我国高等教育中起步，随着它的普及，也会促进我国高等教育的改革与发展。

1 CRS系统

课堂教学中，特别是在大班课堂上，及时了解学生对于知识的理解和掌握情况是教学的重要环节，也是教学难题之一。为解决此难题，国外一些大学自上世纪60年代起，开始研究课堂上教师和学生间的互动方法。20世纪末，美国伊利诺斯大学（University of Illinois）物理系开始进行基础物理课程改革，试行新的教学方式。Tim Stelzer教授领导的物理教学研究小组努力将教学重点从讲授知识转向帮助学生自己“合成”知识。为了在课堂上及时了解每位学生对授课内容的掌握情况，实现大班课堂上师生间的互动，他们于2003年发明了一种电子化课堂用教学技术—— 课堂交互反馈教学系统CRS，也被称为Clickers。商家看到了CRS 中蕴藏的商机，于2005 年开始投资生产CRS，将其商业化。目前，北美有大约800所大学使用CRS，百余万学生曾使用CRS在课堂上学习。

CRS利用无线电发射、接收系统以及配套软件，实现多个学生和教师的集体反馈和互动，其工作流程如图1所示。CRS的硬件由2部分组成，接收机和手持键盘。接收机如图2（a）所示，用于接收学生发射的信号，并通过USB口与教师的计算机连接。手持键盘为学生使用，大小如手机，其上有液晶显示屏、数字按键和若干功能键，如图2（b）所示。手持键盘实际上是无线发射器。每个发射器都有编码，发射出的信息互不干扰。学生通过手持键盘输入个人信息（如学号、密码等），并发射数字、字母等信息。

图1 CRS系统工作流程框图

图2 CRS实物图

CRS系统配备的软件用于处理接收机接收到的多路信号、教学及学生资料，对计算机操作系统的要求为Windows 2000／xp 及以上系统，支持Office PPT 2003／2007、Excel 2003／2007软件，其基本功能为：

（1）建立学生档案。将学生的信息（包括学号、姓名、密码等）输入，或将Excel文件导入，系统即可生成学生档案。学生的学习情况会自动记录在其中。

（2）存储教师上课所需信息。如课上要与学生讨论的问题或测验题、答案、答题时间等，将之与PPT 文件相链接。

（3）处理接收信息。将之转化为Excel文件，以记录学生的学习进程，包括学生的反馈结果、反馈速度，并实时统计全体学生的学习结果。

CRS利用无线通信技术建立教师与学生间的互动，采用软件处理接收信息，并实现CRS与授课课件和Excel文件之间的链接。目前，CRS的种类较多，功能不断加强，最近哈佛大学物理系已采用了引入云计算技术的最新CRS。

2 CRS给教学带来的生机

作为一种教学辅助系统，CRS不仅可以提高教学效果，更重要的是它从技术上支持教学模式和方法的更新，使得同伴教学、问题式教学等课堂教学模式得以普及推广。

2.1 提供课堂交互反馈教学平台

为提高教学效率，许多高校本科生的公共基础课程，例如大学物理、高等数学等，采用大班上课形式，班级人数可达150人，有时甚至更多。基础课的这种规模不仅在我国，即使是在高等教育非常发达的美国等国家也很常见。大班教学中，教师与学生间的互动是一个难题。教师高谈阔论，学生昏昏欲睡，课堂气氛沉闷、单调的现象时有发生，即使“察言观色”，教师也难全面、实时地了解学生掌握新知识的程度，更没有足够的时间检查学生的出勤率。大班教学容易造成学生在课堂上被动学习的局面。

CRS的问世改善了大班课堂的这一局面。教师课前借助CRS提供的软件，建立好每个学生的学习档案，在备课过程中，预置好问题、答案、答题时间、每题的分数等。上课开始时先启用CRS，每个学生利用手中的键盘输入个人的用户名和密码，发送给教师。1分钟内教师就了解了学生的出勤情况。课程进行中，教师采用预先设置好的题目，检测学生的学习效果。例如，在大屏幕上显示出一个选择题，教师按下开始键后，学生利用手中的键盘给出回答。当答题时间到或者教师按下结束键后，CRS 停止接收学生信号，记录下所有学生给出的答案和答题时间，并将学生答题的统计结果以柱形图等形式显示在大屏幕上。教师和学生会同时看到统计结果，了解全班学生答题的整体状况。教师根据学生的反馈结果有针对性地讲解题目并公布正确答案。如果课上学生回答了多个问题，那么CRS软件会记录每个学生每个题目的答题信息并计算出本节课每位学生的总成绩，同时给出全班学生答题的统计情况，如每道题目的正确率等。

CRS提供了课堂交互反馈教学平台，实现了全班学生与教师的同时互动，每一位学生都获得了在课堂上主动学习的条件和与教师交流的机会，而教师实时地得到了学习效果的动态反馈，使每一位学生都在课上最大限度地受益。

2.2 支持教学模式的重构和教学研究的开展

十几年前，美国哈佛大学物理系教授Eric Mazur在讲授大学物理课程时，针对大班课堂教学创立了一种新的教学模式：同伴教学（peer instruction）［1］。同伴教学模式的主要步骤见图3。这种教学模式在美国的大班课堂教学中取得了成功。美国高校10余年的教学实验表明，同伴教学模式较传统的大班课堂更有效［2－3］。这种教学模式的使用范围已经辐射到美国的许多高校和其他课程中。同伴教学模式要求教师必须及时获得学生对于问题的反馈情况，以察觉学生在知识上的缺陷，有针对性地决定教学进度和方法。而CRS恰恰为这种教学模式提供了技术上的支持，成为同伴教学模式不可缺少的工具。

图3 同伴教学模式的步骤

同伴教学模式在我国尚属起步阶段，或许在我国高校实施同伴教学的条件还不够成熟，但是交互式教学模式在国内是得到普遍认可的。这种教学模式强调课堂上师生间的互动。教师须掌握全体学生的学习状态和对知识的了解程度，而不是个别提问学生的反馈信息，及时调整讲课的难度、进度和方式。借助CRS，教师可以轻松使用此教学模式，实践多媒体互动教学法，活跃课堂气氛，透过集体反馈的力量在大班课堂上吸引学生主动学习，消除学生在同学面前回答出错或表达不受欢迎看法时的恐惧感。

英籍奥地利科学哲学家波普（Karl R.Popper 1902－1993）认为科学研究并非始于观察，而是始于问题，理性的创造力首先表现在科学家能否提出有价值的问题［4］。问题式教学模式是一种颇受重视的教学方法，在国外教科书中也很常见［5］，它强调以问题为教学线索，采用导入型、脚手架型、认知冲突型、诊断型、拓展型等功能性问题实施教学。传统的大班教学中，由于难以得到学生对于教师设置问题的整体应答结果，使该教学模式的使用受到限制。基于CRS，问题式教学模式开始在我国高等教育中应用［6］，取得了一些进展。

通过同伴教学、互动教学和问题式教学等模式的发展可以看出，CRS 与计算机和投影仪的结合使用，为课堂教学模式的重构提供了技术手段，为实现以学生为本的现代化教学提供了技术方案和出路。

2.3 教学研究的工具

近年来，学科教育研究发展迅速，其特点是由教学经验的总结走向科学化、定量化，以大量的实验数据及对数据的分析，揭示由教师和学生组成的多体系统在学科学习中的演化规律。美国权威期刊Physics Review 从2005 年开始设置了物理教育专刊Physical Review special topics－physics education research，刊登美国物理教育研究的进展。欧洲著名物理期刊Eu－ropean Journal of Physics 上也经常刊登类似论文。在这新崛起的研究领域内，对于学生学习过程的各种数据及其分析非常重视。CRS 记录了每位学生每节课的学习情况，提供了采集学生学习数据的有效工具和方法。通过几年的使用，我们发现利用此系统进行教学定量研究与教改相当有效［7］。

3 应用CRS的教学效果评价

基于CRS的新教学模式在国外发展迅速，对于提高教学质量的效果已经得到了国外高校的普遍肯定［8－13］，但是，它是否适用于我国的教育体系和我国学生的学习方式呢？为了回答此问题，验证CRS的效果，我们于2010—2011 年间开展了对比教学实验。

大学物理是理工科学生的重要基础课，它面向大学低年级学生，涉及的学生人数多、专业面广，具有典型性，因此选择大学物理课程进行对比教学实验，以检验CRS的教学效果。我们从大学二年级工科学生中随机挑选出甲、乙2 个教学大班，人数分别为188 和195，教学内容为电磁学和近代物理（包括相对论和量子物理），总课时为64学时。甲班为实验班，在授课过程中使用CRS；乙班为对比班，采用传统的教学方法授课。选派同一名教师担任2个班的授课任务，且保证2个班每节课的教学内容、进度完全相同。期末，2个班采用相同试卷进行考试。两班全年大学物理课程期末考试平均成绩和统计数据见表1。

表1 学生期末考试平均分和统计数据

表中的偏度计算结果说明两班在上学期与下学期样本数据都呈左偏分布，甲班下学期的偏度比上学期有显著增大，而乙班偏度增大的幅度相对甲班较小。这表明使用CRS的甲班有更多的学生成绩集中在较高的分数段。比较2个班的峰度值发现，甲班在上学期及下学期都为平峰分布，乙班在2个学期都为尖峰分布，因此乙班学生成绩的集中度较高。

除了直接观察平均分数外，还可根据统计学中的假设检验法，对甲、乙两班进行两配对样本t检验来对实验结果进行分析［14］。令显著性水平α＝0.05，利用spss软件计算出大学物理上学期双尾P 值为0.004，小于显著性水平，表明甲、乙班的学生成绩有显著差异。大学物理下课程的双尾P 值为0.973，大于0.05，表明两班的学生成绩已经没有了显著差异。所以，从统计学角度分析，仍然可以得到CRS可以提高学习效果的结论。此外，在2010年全国部分地区大学生物理竞赛中，甲班18人获奖，乙班10人获奖，支持CRS可促进课堂教学的结论。这一结论也与我国其他高校的相关研究结果一致［15］。

4 结束语

CRS是一种新的教育技术，提高了学生的学习积极性和学习效果，从技术上支持了师生间的课堂互动，从而提高了教学质量。该技术的应用促进了教学模式的发展，体现了以学生为本的教育思想，为教师提供了教学研究的工具，为培养学生的创新能力和科学素质提供新的平台和契机。尽管CRS已经应用于教学，但是在技术上还有很大的提高空间。例如，CRS在手持键盘、接收机的稳定性、软件的功能、手持键盘的显示功能等方面还有待提高和加强。可以肯定，无论在技术上和教学上，CRS都有着广泛的开发和应用前景。

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