基于Clicker大学物理研讨课的师生教学行为研究

李成丰 黄致新 赵晓鱼 何苗嫚

(1华中师范大学物理科学与技术学院，湖北 武汉 430079; 2重庆南开中学，重庆 400030)

随着信息技术的发展，越来越多的学校开始摒弃工厂式的集中教育，采用混合式学习进行个性化教学。尤其是在物理等学科领域，教育并非只是知识的单向传递，而是需要在学科新知识和学生原有知识之间搭建支架，给学生提供时间去思考讨论，吸收内化，进一步促进学生对新知识的建构。2009年，美国哈佛大学教授Eric Mazur提出了一种基于Clicker的讲授法——同伴教学法(Peer Instruction)[1]。这种基于概念问题的学生自主学习和合作探究学习方式，有效地改变了传统课堂的教学手段、教学模式和教学方法。研究表明，同伴讨论的确增强了学生对概念问题的理解[2]。我们在国内外课堂教学行为研究的基础上，通过设计的师生教学行为分析系统(Analysis System of Teachers and Students’ Interactive Behavior, 简称ASTSIB)对华中师范大学基于Clicker的大学物理研讨课堂进行了实录分析。相应地，本文也进行了实时课堂观察和个案研究。一方面，为了初步探索同伴教学法内部的知识建构过程；另一方面，力图为教师客观分析教学过程，促进学生认知转变,从而进一步提高教学质量提供一些参考。

1 师生教学行为研究

课堂教学活动是由一系列教学行为组成的，按照教与学的主体，教学行为可以分为教师行为和学生行为。本文主要研究的是教师的课堂教学行为和学生的课堂学习行为。

1.1 研究工具

在国外，分析课堂教学过程和了解师生教学行为的量化分析方法主要有S-T分析法(Student-Teacher分析法)、20世纪60年代，美国密歇根大学教育学教授弗兰德斯(Ned A.Flanders)提出的弗兰德斯互动分析系统FIAS (Flanders Interaction Analysis System)[3]、1971 年，布罗菲和古德研制出基于课堂观察的布罗菲-古德双向互动系统BGDIS(Brophy-Good Dyadic Interaction System)、1995年和1999年，国际上进行的TIMSS(The Trends In International Mathematics and Science Study)录像研究[4]以及20世纪90年代，皮安塔(Pianta)和哈默(Hamre)开发的课堂互动评估系统CLASS(Classroom Assessment Scoring System)[5]。本研究经过对我国大量网络教学视频以及实时课堂教学的反复观察记录和编码分析，在前人研究的基础上，对FIAS进行了优化设计，形成了如表1所示的“师生教学行为分析系统”。

1.2 实证研究

根据ASTSIB提供的方法，本研究对华中师范大学基于Clicker的大学物理研讨课堂进行了实录分析。我们一共选取了23节课堂教学实录为试验对象，其中有14节讲授课和9节研讨课。

表1 师生教学行为分析系统

(1) 讲授式课堂教学

课堂观察中，每3秒钟取样一次。通过Excel软件对记录的编码进行分析，我们分别得到了讲授式课堂教学师生行为比率动态折线图和讲授式课堂教学师生行为分析矩阵。现以毕奥-萨伐尔定律为例，详细地展现传统的讲授式教学中师生行为的规律和特征，如图1和图2所示。

图1 讲授式课堂教学师生行为比率动态折线图

图2 讲授式课堂教学师生行为分析矩阵

从图1中，不难发现，除了上课的前5分钟和下课前的1分钟有师生行为的交替外，整个课堂一直处于教师讲授的状态。结合实录视频和编码结果，可以观察到具体细节。上课时，课堂出现了短时间的混乱，学生到座位上并没有安静下来。这时，教师通过点名提问的方式回顾旧知，同学们逐渐开始聚焦到教师所提出的问题。因此，这段时间出现了师生行为的交替，教师和学生开始有了频繁的互动。而后，教师开始新课讲授。在此期间，教师除了有少许的口头分析和开放性提问等教学行为外，大多都是对照PPT讲授新知。因此，学生的参与度逐渐降低，直至为零。到了即将下课的小结部分，教师通过提问，学生开始有所思考和小范围讨论，不过学生的学习行为并不显著。总体而言，讲授式课堂教学师生行为编码相对单一，反映出上课形式也相对单一，教师的教学行为占据绝对主体。

图3 研讨式课堂教学师生行为比率动态折线图

每个编码与后一编码可组成一个编码对，编码对出现的次数越多，则分析矩阵中相应格子里的数字就越大。在讲授式课堂中，数字最大的格子对应的编码对，也即是出现次数最多的编码对是(5 5)。这说明教师的讲授行为是课堂中出现最多的行为，反映出课堂最稳定的状态是教师讲授。其次，较多的编码对是(4 5)和(5 4)，这表明教师在讲授过程中，提问也比较多，达到71次。但大多都是开放性问题，占教师提问比例84.51%，绝大部分学生并没有积极地思考和反应。据统计，教师行为比例为94.76%，学生行为比例为5.24%。其中，教师下行型互动比例为90.51%，远超过教师上行型互动比例。值得注意的是，在本次讲授式课堂上，学生无意义状态(编码13)的比例达到了35.71%，这反映出传统的讲授式教学中出现了较多混乱或者沉寂的无效课堂时间。另外，学生主动互动的比例为零，学生讨论和交流的比例为零。这表明学生在课堂上根本没有发挥自身的主动性，教师占用了大部分的课堂时间。

(2) 研讨式课堂教学

同理，我们分别得到了研讨式课堂教学师生行为比率动态折线图和研讨式课堂教学师生行为分析矩阵。现以磁场的高斯定理和安培环路定理为例，详细地展现基于Clicker的研讨式教学中师生行为的规律和特征，如图3和图4所示。

图4 研讨式课堂教学师生行为分析矩阵

从图3中，不难发现，本堂课的师生互动频率较传统的讲授式课堂有所提高。同时，学生之间的同伴讨论频次也增多了。结合实录视频和编码结果，我们发现：上课时，教师首先给大家提出了本堂课的要求，介绍了研讨课的流程。因为是新授课，所以教师在前2/3的课堂时间内主要是讲授新知，期间伴随着提问，学生也有回答和思考。由于后面有问题研讨，因此，学生的热情和专注度明显高于讲授式教学。在讲完新课后，来到了研讨环节，学生首先自主思考进行判断投票。而后，教师根据投票结果要求学生参与讨论，最后再分析总结。在这一部分，学生行为明显高于教师行为，也比较符合研讨课的特征，即“以学生为主体，以问题为导向”。

从图4来看，出现次数最多的编码对是(5 5)。与讲授式教学相同，教师的讲授行为是课堂中出现最多的行为。除此之外，较多的编码还有(4 5)、(11 11)和(5 4)，即教师的提问行为和学生之间的讨论交流行为。据统计，教师行为比例为84.77%，学生行为比例为15.23%。其中教师下行型互动比例为88.22%，相比于讲授式教学有了明显下降。很显然，研讨课上的学生有了更多的自主时间，参与学习的行为比例也有了大幅度的提高。同时，学生主动互动比例为31.97%，学生讨论交流比例达到50.82%，学生在课上能发挥能动性的机会增多。教师提出开放性问题占教师提问比例46.75%，与封闭性问题比例相近，这更能促进学生的思考和回答。国外有关研究指出，当课堂内容强调的行为复杂性层次较低时，封闭性问题和开放性问题的最佳比例是7∶3；当课堂内容所强调的复杂性层次较高时，两者最佳比例是 6∶4[6]。值得关注的是，学生无意义状态(编码13)的比例降低至2.46%，这表明基于Clicker的大学物理研讨课对于提高学生的专注度，促进学生的学习有着重要的作用。

2 个案研究

以上讨论了基于Clicker大学物理研讨课的整体效果和师生行为表现。为了进一步探索学生行为是如何促进知识建构的，我们深入到某个研讨小组中，不仅对他们的语言表述和手势动作进行了观察分析，而且相当程度地参与到他们的研讨中。经过对研究对象多次的参与式观察和调查，我们发现学生经常会采用如下几种方法去陈述观点，说服同伴(参见表2，按最多两项选择)。

表2 研讨过程中学生陈述观点的方式

例： 一个平行板电容器，充电后与电源断开。当用绝缘手柄将电容器两极板间距离拉大，则两极板间的电势差U12、电场强度的大小E、电场能量W将发生的变化正确的是(C)。

A.U12减小，E减小，W减小；

B.U12增大，E增大，W增大；

C.U12增大，E不变，W增大；

D.U12减小，E不变，W不变；

E. 不确定。

就这一问题，全班83名学生在研讨前后的投票结果如图5所示。其中，某组4名同学围坐在一起讨论该题，S1和S2选C，S3选B，S4选择A。他们之间的对话如下：(S代表同学，TAs代表助教)

图5 投票结果

(1) S2：电源断开，不是Q不变嘛？

(2) S1：对，Q不变。

(4) S1：d变大了。

(6) S3：能量，是能量。

(8) S1：W增大。

(9) S2：Q不变，所以W增大。

(10) S1：对。

(11) S1：然后E不变，是根据那个，那个……U=Ed。

(13) S1：对，有点强行解释了。

(14) S2：其实我有点不确定，所以选了C。

(16) S2：就是那个能量，在高中没有学过。

这一阶段的研讨，S2发现电势差U和能量W都是依靠直接的公式(straightforward plug-and-chug)判断而来，却不清楚电场E该如何判断。由此表明，物理并非只是一系列的事实和一系列的方程式，即使背诵下来，大多数学生也无法去解决复杂的问题。这些问题便要求学生对物理进行深入思考，并对概念有着深入的理解，同时还要有条理的知识结构[7]。因此，我们应当多关注物理推理问题，并开展有效的同伴讨论和教师讲解。如此一来，学生不仅可以获得问题解决方法，而且在做完题后还能够评估出我们想让他学习到什么。

(17) TAs：能量，那其他物理量都是根据高中知识判断的吗？

(18) S1，S2，S3，S4：恩，对的。

(19) S2：那现在用大学知识该怎么判断呢？想一想……

(20) ……(积极思考)。

(21) S1：电位移耶。

(22) S2：电位移通量是吧，就是那个积分嘛。

(23) TAs：哪个积分？

(24) S2：就是电介质中的高斯定理。

(25) TAs：怎么判断的呢？

(26) S2：积分方程右边等于Q嘛，Q不变，那么等式左边不变。左边的话，面积不变，所以电位移不变，所以场强不变。所以选C啊。

(27) TAs：那U怎么判断呢？

(28) S2：U不等于Q除以C嘛……哦，应该要用大学知识来解释哈。

(29) TAs：既然E都知道了，那U呢？它们之间什么关系啊？

(30) S2：U等于E乘以d啊，d增大了呀，所以U增大啊。

(31) TAs：U表示电势差，E是场强，它们之间的普遍关系式是什么啊？

(32) S2：E等于U除以d，U等于E乘以d。

(33) S1：哦，应该是要积分U=∮E·dl。

(34) S2：哦，积分。

(35) TAs：那大学物理和高中物理的主要区别是什么啊？

(36) S2：大学就是积分。

(37) TAs：与高中相比，大学物理更加注重分析过程。

(38) S2：因为高中物理知识都是基于常量，都是不变的，对吧？

(39) TAs：可以这么说。那U判断出来了，W呢？

(41) TAs：那W还有很多公式啊。

(43) S1，S3：不能。

(45) S2：对，Q不变，C减小，所以W增大。

(46) TAs：很好。请问平行板电容器的电容等于多少啊？

(48) S2：哦，这个也可以判断C的大小。d增大，S不变，C便减小。

在S2快速转变后，助教提出问题(第35条)。S2快速回答，“大学就是积分”(第36条)。由此看来，在S1的提示和助教的引导下，S2发生了最终转变，逐渐意识到了积分的重要性。随后，同学们对于有关能量W的公式也能很好的区分，判断W的变化也变得游刃有余。

图6 研讨课学生思维过程

通过对大量研讨课案例的研究，我们发现了学生认知的丰富性和复杂性。他们的认知转变是一个相对灵活的动态过程，其思维过程如图6所示。因此，学生的推理应该由更加丰富和复杂的标准去判断，教师应重视对学生思维过程的评价，而不只是看他们答案正确与否这样一个简单标签[8]。同时，转换学生在一个问题上的认识以及整合不同种类知识，是帮助学生有效解决物理问题的重要方法。这就要求教师要学会从学生那里获得反馈，尽量多了解学生的想法，积极引导，提供建构，给学生做出反馈，促进学生在概念框架的情境中理解事实和观念，用易于提取和应用的方式组织知识[9]。

3 研究结论

从本质上讲，物理研讨式教学是建构主义学习理论在物理课堂教学中的应用，是研究性学习理念在物理课堂教学中的体现。而信息技术的持续导入又影响着教育生态的重构，为创建学习环境和发展学生能力提供了机遇。本文研究表明基于Clicker的研讨式教学将传统的讲授式教学和信息技术手段进行了有效结合，在大学物理课堂上取得了不错的教学效果。具体来讲，研究结论如下：

1) 从量表统计分析中可以看出，大学物理讲授式课堂教学中的师生行为相对单一，上课形式也相对单一，教师的教学行为占据绝对主体。相比之下，基于Clicker的大学物理研讨课则以学生为主体，以问题为导向，能充分给予学生自主讨论的时间。这对于提高学生的专注度，促进学生的学习有着重要的作用。

2) 从成绩对比以及个案研究中，我们总结得到了学生在研讨课中的思维过程。结果表明，基于Clicker的大学物理研讨式教学通过加强学生对知识的判断练习，有效地促进了学生元认知技能的发展。这样不仅可以增强学生思考时的自我意识，而且还可以促使学生产生更多的新思想、新方法、更高层次的推理以及更好的知识迁移。

3) 从访谈调查中，我们发现大部分同学在研讨课前，学会了合理分配时间进行预习；研讨课中，知道对自己的认知过程进行自我意识、监控和调节；研讨课后，懂得进行错题订正，自我反省和总结复习。这表明基于Clicker的大学物理研讨课给学生带来了许多学习行为上的积极变化。

总之，基于Clicker的大学物理研讨课可以支持以独立性和自我调控为目标的元认知技能发展。这种元认知教学模式与物理学科相整合，不仅可以促进学生的思维活动，提高学生对传统问题的解决能力，而且还能在一定程度上发展学生独立学习和语言表达的能力。

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