基于实验对分的大学工科课程教学模式研究

古今

摘    要：对分课堂是一种将课堂分为讲授和讨论，中间设置自主学习式内化吸收环节的教学模式。该模式已经得到了较为广泛的研究和应用，但在工科类大学课程中的实践探索相对较少。针对工科课程特点，提出了实验对分的模式，并将其应用于“机器人技术”课程的教学中。整个教学过程分为引导式课堂讲授、设计性实验内化和递进式讨论总结，并采用过程性的评价体系。对照实验表明：实验对分模式提高了学生的主观能动性，增强了学习效果，收到了良好的教学效果。

关键词：对分课堂;实验对分;内化吸收;过程性评价;机器人技术

中图分类号：G642.3          文献标识码：A          文章编号：1002-4107（2019）08-0064-04

随着移动通信技术的飞速发展，学生获取知识的途径日趋多样化，课堂和书本不再是知识的唯一来源。教师的不可或缺性不只体现在静态知识的讲授上，更多地表现在教学活动的组织引导上。同时，网络信息随时随地可得，浩如烟海且形式生动多样。学生们很难继续满足相对枯燥的灌输式讲授，学习动机下降。碎片化的阅读习惯，也使学生难以长时间集中注意力去被动接受知识。因此，教学改革势在必行，其重点在于引导学生进行主动式学习。

教学改革的一个主要方向是讨论式教学，指的是教学过程不再是教师单向讲授，而由教师讲授、学生讨论和教师总结三个环节组成[1]。这种方式有一定的局限性。首先，常规讨论式教学不太适用于国内常见的大班教学，效率偏低;其次，讲授后立即要求学生讨论和发言，有悖于学习过程的心理学规律，学生对刚接触的内容缺乏理解，较难展开有效讨论[2]。对于并不习惯主动发言的中国学生来说，弊端更为明显。

基于此，普林斯顿心理学博士，复旦大学张学新教授提出了一种新的教学模式——对分课堂。形式上将课堂时间一分为二，一半用作教师讲授，另一半留给学生讨论[3]。与传统的讨论式教学不同之处在于，将讲授和讨论在时间上错开，让学生进行自主学习和内化吸收，同时对学生的考核采用过程化评价。

对分课堂的教学模式目前已在全国乃至少数其他国家得到推广，收到了良好的效果。很多一线的教学科研人员对其进行了研究和实践。目前相关研究大多集中在中小学教学领域，高等教学中的应用也以语言类和思政类课程居多[4-5]，工科类课程的实践研究相对匮乏。工科课程教学的特点是理论与实验并重，将对分课堂的理论应用于工科课程，需要对其进行进一步拓展和创新。本文将对分课堂的模式应用于“机器人技术”的课程学习，采用“实验对分”的模式，第一次将实验引入内化学习环节，取得了良好的效果。

一、实验对分模式下的“机器人技术”课程

（一）课程目的及教学特色

“机器人技术”是电气工程及其自动化专业高年级本科生的一门专业课，具有A很强的应用性和实践性。课程的目的是使学生掌握机器人领域的相关知识，掌握机器人的系统架构设计、机械结构设计、硬件电路设计及编程控制等技术，达到能够基于机器人实验平台，综合设计智能机器人完成特定任务的水平。

机器人技术的传统授课方式为理论课与实验课分别进行，有一定联系但相对割裂，且实验学时远少于理论学时。这样的安排使学生觉得理论授课冗长枯燥，且与实践脱节导致不知学如何致用，实验部分则因为课时太少，通常为纯粹的验证性实验。学生根据书上的步骤亦步亦趋，没有自己的思考，好奇心和积极性也无从谈起。如何将理论教学与实验教学有机融合，互相促进，使学生能够学以致用，达到灵活运用自主创新的教学效果，是教学改革的重点所在。

学习金字塔是美国国家训练实验室的研究成果，用24小时后还能记住内容的比例（平均学习保持率）来反映学习的有效性。其中，听讲、阅读、视听结合、演示、讨论、实际演练和马上运用的学习保持率分别为5%、10%、20%、30%、50%、75%、90%[6]。从中可见，讨论，实际演练和马上运用等主动式学习方式达到了相当高的学习保持率。因此，我们将这几种方式融入实验对分的教学模式中。

实验对分的课堂模式，是将实验环节作为内化环节，贯穿整个教学过程之中。实验不再是理论教学的附属，而成为教学的主体。根据智能机器人的设计要求，把实验分为机械、传感器、编程、计算机视觉等各个模块，围绕各模块主题安排理论授课。课堂流程如下：（1）由教师进行提纲挈领的理论教授，为学生进行与实验相关的基础知识铺垫。（2）进行隔堂对分，在两次理论课之间安排实验作为内化环节。学生可以根据课上理论指引，搜索细节资料自主探索，完成实验。（3）在第二次课上进行讨论总结。学生提出实验中的疑难进行讨论，解决不了的问题由教师统一解答。学生分享实验心得和各自的解法，教师进行点评和总结，与理论知识相互印证，使学生融会贯通、深入理解所学知识。在这里，实验成为整个教学的抓手和突破点。“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。只有通过“课堂讲授—实验内化—讨论总结”的闭环过程，才能使知识內化为学生自己的理解。

另外，这里的实验并不是传统的验证性实验，而是开放性设计性实验。教师并不给出具体步骤，也不限定解决思路，仅给出实验要求和限制条件，学生自行设计实验方法予以完成[7]。这一过程可以激活学生的学习积极性，鼓励其自行探索，用不同的方式完成任务并进行汇报。这不仅训练了学生的创新思维，也使学习过程充满了探索性和创新性。学生用自己的方式完成任务，会有很强的成就感。

（二）具体课程安排

机器人实验的总学时为48学时，教师大幅度提高了实验的比例。使得理论和实验分别为28学时和20学时。具体安排如下。

二、实验对分模式的教学环节

下面具体介绍实验对分教学模式的各个环节。

（一）引导式的课堂讲授

对分课堂的讲授环节，是仅用一半的时间进行提纲挈领的讲解。教师起的是一个引领者的作用，介绍知识的结构和重难点，而将具体细微的技术环节留给学生课下去阅读学习。这样，单向讲授的时间压缩了，学生注意力水平提高了;重点讲授具有稀缺的知识，对学生更有吸引力;同时从大处着眼，知识的整体框架更加清晰。学生更加清楚“为什么”，也留白让学生自己去填空，回答具体的“怎么样”，非常适合机器人技术这样实践性较强的专业课程。

实验对分的课堂讲授部分紧密围绕实验内容，讲述基础知识及重难点理解，同时提供拓展阅读的文本资料及网络资源。例如在讲解传感器知识时，只讲解基本的传感器分类及原理，至于具体的应用及技术指标，则提供网络资源，供学生在实验中遇到具体问题时去阅读查找。而在讲述编程语言时，介绍编程平台、算法思路和典型示例，具体的软件操作和编程语句细则则提供给学生相关手册备查。实践证明，这样的讲授方式重点突出，学生听讲积极性有所提高。

（二）设计性的实验内化

对分课堂模式的关键创新点在于把讲授和讨论错开。在两次授课之间，安排学生自主学习内化吸收。一般课程的内化环节多以读书学习、查阅资料、完成作业等方式进行。机器人技术课程创新性地采用了基于实验的内化方式，引导学生自主设计实验方案解决实际问题。

与传统的实验课不同，对分课堂实验内化的特点如下。

1.内容联系紧密性。传统实验课有自己的课程安排，与理论讲授并不严格同步。而对分课堂的实验环节是紧密围绕上节课的学习内容安排的。学生学习完理论知识后立刻动手实践，可以达到深刻理解、掌握、应用课程内容的目的。

例如，在“步态与稳定性”模块中，课上学习了稳定性判据之后，实验即安排学生利用构件设计机器人机械结构，引导学生计算ZMP等指标，来判断设计的机器人是否能够稳定站立和行走。这样的实践，使学生对稳定性判据的概念和应用印象深刻。

2.解决方案开放性。机器人技术的实验多数为开放性问题，学生不再按部就班地完成实验步骤，而是建构性地设计解决方案予以完成。例如，在循迹实验中，学生可以利用红外传感器进行路径标识的判断，也可以利用摄像头进行图像处理提取路径信息，还可以辅以碰撞传感器进行避障。传感器的安装位置、距离等参数都没有固定答案，留待学生去开放性地探究。学生在不断的尝试和实践中，会更深入地理解传感器的作用范围、精度等概念，也对算法的应用条件有更深刻的认识。开放性的实验，可以解放学生的创新思维，也使学生的自主学习能力得到培养。

3.学习过程闭环性。传统实验课的教学流程，到教师批改报告给出分数为止。学生只能得到得分的反馈，而鲜有机会对理解不够深入之处进行反刍和讨论，整个教学并未实现完整的闭环。而实验对分的模式，将实验与课堂紧密联系。前序的课堂讲授对实验进行指导，实验加深了对理论的理解，而实验后续的课堂讨论又进一步解决了实验中的疑难，实现了“理论讲授→学生实验→撰写报告→课堂讨论”的完整闭环。

（三）递进式的讨论总结

课堂讨论占据了对分课堂的一半时间，举足轻重。课堂讲授和讨论在时间上相互错开。例如，一次课两个学时，第一学时用作对上一次课及实验的讨论，第二学时用作新一轮的课堂讲授。环环相扣，以此类推。

实验对分的讨论环节是递进式的，这里的递进有两层含义。

1.讨论规模的递进。从小组讨论到组间交流，最后是教师全班答疑。首先是小组讨论，交流实验中的心得和疑问。小组内部初步相互解答，不能解决的问题组内汇总。然后是组间交流，挑选几组代表汇报，阐述各自实验设计，其他组补充和回答问题。最后面向全班，教师针对未能解决的共性问题进行统一解答，并总结评点实验表现。

2.认知层面的递进。从解惑层面到分享层面，最后为拓展层面。首先就实验中的疑难进行讨论和解答，例如传感器循迹部分，可能会出现摄像头角度对边界判断产生影响，环境亮度对红外循迹产生干扰等问题，学生教师讨论解决，此为解惑。其次是各组介绍各自的循迹解决方案，进行思维碰撞，从而相互借鉴，开拓思路，此为分享。最后教师进行总结，将实验中的体会与理论讲授相印证，将知识框架与具体技术细节相结合，让学生形成完整知识体系，并在此基础上进一步联系新技术新应用。例如介绍新型传感器技术，联系当下自动驾驶、智能家居等科技热点，激发学生进一步探究的兴趣，此为拓展层面。

小组讨论较为考验教师的课堂组织能力，需要注意的方面：（1）有效性，是否能够围绕主题进行有效的讨

论，避免学生推阻不言空耗时间，或泛泛而谈离题万里，无法按时形成有效结论。（2）参与性，是否能够调动所有组员的积极性，避免出现只有一两位积极分子参与，其他学生游离于外的情况。

有效性和参与性的保证依赖组织架构和流程。一个高效的讨论需要完善的人员架构，每位学生都要担任特定的角色，例如主导者、记录者、汇报者以及控时者等。组织架构和流程保证了讨论的有效性，也使每个学生都有职可司，保证了参与性。

三、实验对分的过程性评价体系

“机器人技术”课程采用过程性评价体系[8]，改变了一张考卷定成绩的传统方式。“机器人技术”是一门实践性很强的学科，以项目综合设计进行期末考核，每组根据场景，設计制作一个机器人去解决实际问题，占分40%，另外20%来自平时实验。这两项加起来，占60%主要考量学习结果，也考量学生的动手实践能力和创新能力。另外40%的分数考量学习过程，包括作业（10%）、出勤（10%）和课堂参与（20%）。

该评价体系与传统评价方式的另一不同点在于增强反馈强度，缩短反馈周期。传统单向授课中，考试成绩几乎是学习效果的唯一反馈，周期过长，等到学生收到评价时该门课程的学习已经结束，无法起到应有的激励作用。

在本课程中，每一项评价都会及时地反馈给学生。以作业为例，每次作业在被批改后，进行分等。每次作业会在课堂上进行展示，只展示A和A+的名单，并择优展示作业内容。这一举措耗时很短，每次不过三四分钟，但却起到了很好的示范和激励作用。

同样，每次实验也会进行分等，特别优秀的实验或者程序予以展示。评分中的每一项打分都是精心设计，以最后的项目综合设计为例，教师根据每组项目的技术难度、创意和完成度赋予项目分，然后根据每位组员负责部分的贡献和现场表现打出个人分，每位学生的最终得分由小组项目分和自己个人分综合而成。这样的安排既能鼓励大家作为一个集体团结合作做到最好，又能避免少部分学生产生吃大锅饭依赖他人的侥幸心理。

四、实验对分课堂的实践结果及分析

本研究的教学对象来自上海某本科院校大学三年级学生，对两个班分别采用对分课堂模式和常规教学模式教授“机器人技术”课程，使用对分课堂模式的班级为实验组，使用常规教学模式的班级为对照组，两组人数各为46人。两组教育背景基本相同。

为了研究实验对分模式的效果，采用了定量分析和定性分析两种方式，定量研究采取了测试、问卷和评分的方式，来定量分析实验对分模式对学生的学习动力、知识水平、实践能力和创新能力的影响，并采用前测和后测进行对比[9]。具体分为自主学习动力调查问卷、技术知识水平测试卷、技术实践能力量表、项目设计创新能力量表。定性分析通过深度访谈和学生匿名的课程感想，分析学生对学习情感和学习软技能的改变情况。

本研究使用统计软件SPSS对得分数据进行统计分析，得到以下表格。

前测环节中，学习动力和知识水平用的是对应问卷和测试的前测部分，而实验能力的前测成绩以学生以往实验课程的分数均值为实验能力的代表。由表2可以看出，教学开始之前，实验组和对照组在学习动力、知识水平和实验能力上差异并不显著，可视为两班初始条件相同。

后测环节应用了前述四种量表、问卷及试卷。由表3可见，实验组在学习动力、实践能力和创新能力上的得分均明显高于对照组，可以认为，基于实验对分的教学模式，对实验组的教学效果有着显著正面的影响。

定性分析进一步佐证了上述结果。在12名接受深度访谈的学生中，6名来自实验组的学生均表示非常认同实验对分模式。有学生明确表示课程形式生动，是大学里最吸引自己的课程，学习积极性很高。而匿名的课程感想中，相对传统课堂模式，实验对分模式也得到了更多的褒奖。学生认为实验对分模式给了他们更多的展示机会，也使自己的探究、合作能力得到了较大提高。

对分课堂教学模式改变了传统“师传生受”的单向灌输模式，同时也克服了传统讨论式教学的不足。对分课堂在教师讲授和学生自主讨论两个环节之间，安排对知识进行内化的自主学习环节及衔接，既对课堂内容进行内化吸收，也为下一阶段的讨论进行准备。而内化环节的形式随着课程内容的不同而不同。在相对静态知识的学习中，内化环节多为阅读材料、思考问题等形式。而在注重实践和创新的工科课程学习中，需要对内化环节进行拓展研究。

因此，针对高校工科课程，提出了“实验对分”的模式。用设计性的实验环节，引导学生在动手实践中对所学理论进行实践和运用，达到深入理解的目的。将“实验对分”模式应用于机器人技术课程的教学中，应用结果表明，该模式得到了大部分学生的认可。相对于传统教学方式，“实验对分”模式对学生的学习动机、知识掌握水平、实践能力和创新能力的提高都有着显著的提高，收到了良好的效果。

参考文献：

[1]周剑雄，苏辉，石志广.讨论式教学方法在大学课堂中的运用研究[J].高等教育研究学报，2008，（4）.

[2]张学新.对分课堂：中国教育的新智慧[M].北京：科学出版社，2016：2-4.

[3]张学新.对分课堂：大学课堂教学改革的新探索[J].复旦教育论坛，2014，（5）.

[4]苏鏐鏐.基于对分课堂的泛在学习模式在大学生思想政治教育中的应用[J].思想教育研究，2016，（1）.

[5]王明媚.对分课堂在大学英语课程教學中的实践与反思[J].高教论坛，2016，（8）.

[6]杨红，王银珠，梁琨.对分课堂之高中数理化[M].北京：科学出版社，2017：49-51.

[7]钟国辉.以设计性实验为牵引的微机原理课程教学[J].高等工程教育研究，2013，（3）.

[8]高凌飚.过程性评价的理念和功能[J].华南师范大学学报：社会科学版，2004，（6）.

[9]王晓春.基于SPOC的大学课程对分教学模式研究[J].黑龙江高教研究，2017，（9）.