智慧教学环境下的大学物理同伴教学法研究

易明芳，李 娟

（安庆师范大学数理学院 安徽安庆 246133）

教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会在《理工科类大学物理课程教学基本要求》中明确给出了大学物理的地位、作用和任务：“以物理学基础为内容的大学物理课程，是高等学校理工科各专业学生的一门重要的通识性必修基础课，该课程所教授的基本理论和基本方法是构成学生科学素养的重要组成部分，是一个科学工作者和工程技术人员所必备的”[1]。它在学生的科学世界观的养成、培养学生分析问题和解决问题的能力及创新意识等方面具有其他课程不能替代的重要作用。因此，高校理科工科各专业都开设了大学物理这门课程。根据各专业的特点，不同专业对所开设的大学物理课程的课程目标有所不同，但整个课程的理论体系基本是一样的。对于大学物理课程的学习，很多同学有非常强的“挫败感”，普遍反映“一听就懂，一做就错”，学习大学物理自信心倍受打击[2]。那么问题的症结在什么地方呢？学生的考试结果表明：填空题得分率很低，对于10分的填空题、判断题和选择题，其平均得分分别为3～4分、6～7分和5～6分，证明题得分率也不高，约45%左右，计算题得分率较高，一般得分率在70%～80%。分析其原因，填空题和证明题，需要同学掌握扎实的物理概念及物理逻辑，这两类题的得分率相对较低，说明学生对于物理概念和物理理论没有真正理解透；对于判断和选择题，因有解题技巧，其得分率相比填空题来说要稍高一些；而计算题，同学能记住物理理论的数学公式，正确代入数据计算，相应的得分率就较高，这一结果与马祖尔的研究结论相符[2]。对于一般本科高校的学生来说，计算的准确性差也是学生的一个弱点。此外，高校的扩招，在校生规模变大，班级人数增加，这导致课堂互动难度变大，如何以学生为中心、充分发挥学生的学习主动性和能动性，从而提高大学物理的教学效果，就成为大学物理任课教师的重要研究课题之一。为此，学者们提出了诸如“同伴教学法”[2-5]、任务驱动法[6]、思维导图法[7]等各种教学方法。随着信息技术的发展，老师们又提出“线上线下混合教学模式”[8-9]、“智慧教学”[10]、“基于雨课堂的分层次教学法”[11]等。特别是2020年年初新冠肺炎爆发，各高校都开启了线上教学模式，从而顺利完成教学任务，由此又激起新一轮的教学改革探讨，特别是基于信息技术的线上线下混合式智慧教学成为热门话题[12-15]，对于大学物理课程也不例外。无论采用哪种教学方法或教学模式，根本目的是要解决在课时少、内容多的背景下，如何提高学生的学习积极性和参与度，从而实现大学物理的教学目标和任务。不同专业，对大学物理的内容要求不一样，但基本涵盖力学、热学、光学、电磁学、原子分子物理及近代物理的部分内容，所涉及的知识点多、面广、跨度大，同时，课时还在压缩，为了更好地完成教学任务，提高教学效果，同伴教学法（Peer Instruction,PI）是一个很好的选择，其教学效果得到了广大教师和学生的认可[5,16-20]。本文结合前人的研究，详细讨论同伴教学法的理论基础，结合当前智慧教学环境，优化大学物理课程同伴教学法，以期达到更好的教学效果。

1 同伴教学法的理论依据

同伴教学法是由哈佛的著名教授Eric Mazur 在20 世纪90 年代对本科生讲授大学物理课程时提出的一种教学方法，它是针对大学物理课程教学中“学生有可能只需通过记忆运算法则就能很好地解决传统计算题而不是理解其中的物理知识，以及由此而可能给任课老师以误导，认为自己学生的学习效果很好”[2]而设计的一种教学模式。运用“同伴教学法”可以让学生把注意力集中在学习本质概念而又不影响解题能力[2]，其基本过程如图1所示。

根据后现代教育理论，教学的目的是在教学过程中注重基础性和全面性，培养学生的独立性、自主性、创新性及综合能力，从而使其在将来能科学地认识他们所生活的世界，并能推动这个世界的进步和发展，使之更加美好[21]。由此可以看出，同伴教学是一个非常适合的手段。从图1可以看出，同伴教学是一个开放的系统，其中涉及两个主体：教师和学生，在整个过程中，通过布置一定的任务，有效地促进了学生主动参与到教学过程中，实现了以学生为中心、教师为主导的目的。在同伴讨论环节，先掌握概念的学生需要用正确的语言把他所理解的知识表达给其他同学，让他们能够理解，从而实现了有效应用；每个同学都要发言，所以都需要独立思考；在他们讨论交流的过程中，会出现思想的碰撞，从而会出现一些新想法，有利于创新能力的培养。

图1 同伴教学的实施过程指南

从心理学角度看，学习可分为“有意义学习和机械学习”两种，关于学习的类型有“符号表征学习、概念学习、命题学习、知识应用、问题解决”等5种。有意义的学习是指能够将学习的新知识与原有的认知结构的旧知识建立关联，从而形成新的认知结构[22]。同伴教学，教师对表征知识点的相关符号、概念进行讲解，让学生进行必要的讨论，使其能根据自己的理解，用自己的语言表达出来。某学生可能会出错，这时其他同学发表不同见解，或老师适时加入讨论，加以引导，从而使全体学生获得对所学新知识的正确认知。这一讨论过程，就是学生利用旧的认识来构建新的认知过程。在同伴教学的课后环节（如图1所示），教师会给学生布置适当的概念题和计算证明题，让学生应用所学新的概念，用相关符号来表达某一规律，解决有关问题，完成一个“有意义的学习”过程。这一过程也符合“建构主义教育”理论的范示。建构主义教育理论指出，学习过程除了涉及信息的输入、复制和提取，还涉及学生所学新知识与其已掌握的旧知识之间、以及学生与环境之间的交互，从而达到重构知识的目的。同伴教学的过程就是一个知识构建的过程。另外，美国学者埃德加·戴尔的金字塔学习理论（如图2所示）也提示：学生通过单一听课、阅读，学习效果差，而与视听结合或通过演示，学习效果有所提高，这些都属被动学习；而如果在学习过程中，对所学的知识进行讨论，或加以实践，乃至把所学的知识教给他人，则学习效果就大大提高，这些讨论、实践、讲授的过程是一个主动学习过程，是一个知识内化并外显的过程。根据图1所示的同伴教学过程，学生参与到整个学习过程，有独立学习过程（如课前阅读，课后测试），有听的过程（老师讲解），有合作学习、讨论的过程（如课堂讨论），还有实践的过程（概念测试，考试等）。在整个学习过程中，学生多感观参与到学习活动过程，通过读、听、问、讨论、实践等环节，将所学知识进行内化、纠错，从而相较于传统教学活动，理解透彻，同伴教学效果提升明显[2,16,18-19]。

图2 学习金字塔理论

从社会学角度看，人们通常愿意听取背景相仿的同伴的意见和建议[21]。在同伴教学过程中，同伴讨论环节，同学们身份相同、学识文化背景相近，他们有共同的语言、兴趣爱好，就某个问题讨论时，他们之间没有交流障碍，有时能更有效地把相关知识解释给彼此。这一方面是因为对于新学的概念，学生能意识到弄懂这个概念存在哪些难点，另一方面，教师因多次持续地讲授这些知识，概念上的难点似乎消失了。

此外，同伴教学也体现了系统科学的“反馈原理”。系统科学认为“任何系统只有通过反馈信息，才能实现有效的控制，从而达到目的”。在同伴教学活动中，“教师-学生”是一个开放的系统，教师通过课堂讲授，向学生输出信息，同学们接收到信息，通过同学之间的讨论形成反馈信息回到教师这一端，如果反馈是正确的则进行下一个知识点，否则根据错误性质教师进一步阐述相关知识点。这是第一层的反馈。如果把学生作为系统的输入端，教师这边即为信息反馈端，对学生输入的信息（课前、课中、课后）给予及时有效的反馈，使学生知道自己对知识掌握的状态，对错的知识能及时予以纠正，从而形成正反馈效果，使“教师-学生”这个系统得到有效控制，提升教学效果。

总之，教育学、心理学、社会学及系统科学等理论很好地支持了“同伴教学”的科学性、有效性，当然，还可以找到其他的理论支撑，比如传播学理论[18]，这里不再细述。已有文献的实践结果表明“同伴教学”效果非常好[2,16,18-19]。当然，要达到理想的教学效果，更重要的是在实施过程中，要讲求方案的科学和效率的提高。“同伴教学”从提出到现在，已经过去近20年了，教学手段和教学平台都得到了很大发展和提高，特别是信息技术的发展，为开展同伴教学提供了更有效的技术手段，特别是2020年初新冠疫情导致线下教学无法开展，线上教学很好地解决了此问题。受此启发，在恢复正常教学后，结合线上教学平台的优势，提出优化同伴教学方案，以期达到更好的教学效果。

2 智慧教学环境下大学物理同伴教学方案的优化

同伴教学法涉及课前、课堂及课后3个环节，如图1所示。课前，根据即将要学习的知识点，布置学生提前阅读课本中相关的内容。此目的是让学生在课前做一部分工作，以减少课堂讲授任务，因而有必要对其阅读效果进行检查。课中，即课堂教学活动安排，这是重点，根据图1，教师将所授课程分解成几个关键知识点，先对第一个知识点讲授（7～10）min；之后给出一个概念性小题目1 min，让学生思考1 min，学生提交答案（任选）或说服同伴（同伴教学）用时（1～2）min，学生提交修改答案（任选），反馈给教师，教师根据得分情况决定下一步操作，讲解正确答案（用时2 min多），这个过程总用时约（5～8）min。在这个过程中，学生第一次回答正确率如果低于40%，那么，这个知识点就需要进一步细化，进行更深入地讲解；如果正确率在40%～80%，则只需让同学们相互讨论，让他们自己得出正确结论；如果正确率在80%以上，那么教师给出正确答案后，即可进入下一个知识点的讲解。课后这一环节，适当布置家庭作业或考试。

通过以上对同伴教学法实施过程的简要介绍，我们会发现其中涉及以下几个具体问题：1）课前阅读小测的时间安排及结果反馈应用问题；2）同伴讨论过程中答题结果的及时统计与反馈；3）如何有效组织讨论的问题；4）如何在提高学生对物理概念理解的基础上，不影响其对计算题和证明题等传统题的解题能力培养；5）学时有限与内容多的矛盾。要解决以上问题，关键在两个方面：保证所有学生的有效参与和教、学的及时反馈与应用。信息技术的发展崔生了教学理念智慧化与教学技术的智能化，即有了智慧教育的概念[11,23-24]，相应地出现了大量的智慧教学平台，如爱课程（中国大学MOOC）学堂在线、学银在线、超星尔雅网络通识课平台、雨课堂、腾讯课堂、腾讯会议等等。这些教学平台有的提供了大量的教学资源，有的提供了在线互动功能，特别是新冠疫情特殊背景下很好地解决了不能线下授课的难题。基于此，线上线下混合教学模式被提出来[8]。因此，利用这些智慧教学平台，对在大学物理中实施同伴教学进行优化，促使学生全体参与和提高教、学效率。下面具体从以下几个方面进行优化。

2.1 课前动员的优化

以电子、信息类相关专业的大学物理为例，我们所用教材为马文蔚的“物理学”第6版，分上、下两册，各8章内容，一学期51学时，一学年共102学时。按传统的线下教学模式，要完整完成全书的16章内容，是不可能的，因此只有舍弃书中打“*”部分的内容，让学生自学，但学生基本都不会去自学，因此，一学年下来，学生能在脑海里建立一个比较完整的物理知识体系就很困难，这样不利于其后面专业知识的学习。现在有了智慧教学平台，又有教学效果较好的同伴教学模式，因此，我们拟结合雨课堂、MOOC、腾讯会议等智慧平台进行大学物理同伴教学设计。但一相情愿不会取得良好的教学效果，因此，有必要在实施同伴教学前进行动员，让学生知道我们的教学安排、他们需要做些什么及如何进行成绩评定。当初Eric Mazur也安排了课前引言环节[2]，他是在第1天开课时进行动员的。结合我们的实际，我们利用腾讯会议，在开课前几天，组织一次班级动员会议，这样不占用有限的课堂时间。在会议上，突出以下内容：（1）本学期总的学习任务、教材及参考书，（2）课情分析（任务重，课时少），（3）介绍同伴教学模式，（4）给出同伴教学的具体方法和步骤，（5）同伴教学每个环节学生的具体任务、要求，（6）课业成绩的评定规则，（7）智慧平台的介绍。通过这个动员会议，让学生知道本课程的总体安排、他们的任务及学习成绩的评定规则，并初步熟悉学习任务的接受、学习结果的反馈及交流讨论的具体途径、操作方法等，从而达到激发学生兴趣、让学生做好后期配合学习的目的。

2.2 课前预习安排的优化

同伴教学的课前预习非常重要，它决定后期授课的进度和效果。为使后面同伴教学活动能顺利有效开展，必须要强化课前预习这一环节，让每一位同学都要完成这一任务。Eric Mazur 的做法是把整个学期的课前阅读任务作业日程表发给学生，然后每次课前20 min 到开课后5 min，让学生完成3～4题的阅读小测[2]。这样做有一个好处是，让学生提前知道整个教学活动的安排，缺点是对后面课程的进度把控要非常严格，对学生的要求比较高。另外，检查课前预习的课前小测安排在课前20 min到开课后5 min这段时间不利于授课重点的调整。因此，对这一环节进行适当调整和优化。在课前动员会上把本学期的教学日历发给学生，让学生清楚本学期总体的学习任务及大致进度的安排。然后，在每次课前1周，将具体的预习任务布置下去（亦可在每次课后马上进行下次授课预习任务的布置）。布置预习阅读任务时，不能太泛，带着具体的任务，否则效果不佳[16]。布置预习任务时，阅读教材是必须的，有的可以配以大学MOOC上的相关章节。例如，大学物理第1次课（3个课时）安排“绪论”和第1章“质点运动学”中“质点运动的描述”这一节内容。带着以下问题阅读课本1～12页的内容（教材：马文蔚的《物理学》上册，参考书：张汉壮的《力学》）：

（1）物理学的研究对象、方法，物理学的分支，物理学的应用（简要的预习报告）；

（2）本节要掌握的基本概念：参考系、坐标系、质点、位置矢量r=xi+yj+zk、运动方程r(t)=x(t)i+y(t)j+z(t)k、参数方程x=x(t)，y=y(t)，z=z(t)、轨迹方程f(x,y,z)=0、位移Δr、路程s、速度（包括瞬时v和平均）、加速度（包括瞬时a和平均）。

然后通过雨课堂发送3～5题预习测试题（亦可以直接用文献[2]中的测试题，或教材后面的选择题，这里就不具体列出）。为了便于对习题进行统计分析，从而精确安排课上的重点讲解内容，预习小测题以选择题为主，这样雨课堂就可以自动进行统计，提高效率。

2.3 课堂讨论的组织与信息反馈的优化

根据课前预习的反馈情况，适当调整课堂讲课的内容及重点，具体实施过程如图1所示。在课堂讲解过程中，对课堂内容的组织和安排非常重要。讲课的方法，可以根据课堂内容灵活安排，比如演示法、对比法等。Eric Mazur[2]当时提出同伴教学法时，信息技术还不够发达，小测或课堂讨论结果的反馈采取举手、课后统计表或一种称为“课堂会谈”的计算机响应系统。前两个方法效率低，后一个方法投入成本高。而随着信息技术的发展，智慧教学系统已走进课堂，教学手段已多样化。因此，为了高效完成教学任务，我们借助现代多媒体技术和雨课堂、微信群或QQ群等智慧平台开展智慧课堂教学。根据预习情况，做好课件，每一个概念之后跟一道概念测试题，题型可以是选择题，也可以是简答或判断题。需要注意的是，课件内容要精炼，配以动画，适当融合相关的音像教学资料。上课时，开启雨课堂授课，这样即可以随机点名，又可以借助雨课堂答题系统自动统计答题结果，以便根据图1安排课程进度，从而提高上课的效率。线下授课时，注意配合板书上课，切不可只放PPT。课中，根据测试题的答题情况组织课堂讨论。仍以“质点运动的描述”为例，讲完位矢和位移后，给出以下测试题：“|Δr|和Δ |r|有什么区别？”。一般同学们知道二者有区别，但在具体分析是什么区别时，会出现问题，这时让同学们自己讨论，并要求他们以图示的方式表达出来，如图3所示，这样，让他们加深对位矢和位移这一对概念的理解。

图3 |Δr|和Δ|r|的区别

组织课堂讨论时，需注意：1）为了有效开展讨论，对全班同学进行合理分组非常重要。解志秀[3]对此问题进行过问卷调查，学生反映的结果表明：在分组时，注意将成绩好、中、差的同学进行合理搭配，不要把成绩好的同学全放一组，也不要将成绩差的同学全放一组，每一组里既要有成绩好的同学，也要有成绩差一些的同学，这样有利于提高讨论效果；小组最好不要全为男同学或全为女同学，这样可以充分发挥男同学思维活跃、女同学思维细致的优点。此外，小组人数不宜过多，5个左右为宜。2）课堂测试题的难度要比课前测试大一些，针对性更强一些。3）课堂反馈途径借助雨课堂发布测试题，时时查看测试结果，控制讨论进程。

2.4 课后作业、测试安排与反馈的优化

从前面的讨论可以看出，在同伴课堂教学中，概念测试占用课堂时间约1/3，这样就会导致以下问题：教师讲课的时间变少了，而大学物理的知识点本来就很多，这样就不能做到所有知识点全部覆盖。因为课堂重点放在对物理概念的理解上，有关物理的解题技巧和方法的讲解就减少了。Eric Mazur[2]的做法是，把大量的学习任务放到学生肩上，比如通过课前阅读，一些学生已经会了的概念课上就不再讲，课上只重点讲学生没有掌握的概念；学生的解题技巧与方法则通过习题课和家庭作业来训练。我们之前的做法是，每次课后给学生留下3～4题家庭作业（以计算证明题为主），每一章上完，进行一次综合性的单元测试。现可以通过雨课堂平台发布作业，或进行单元测试，客观题自动批改统计成绩，主观题批改过也可以自动统计成绩。试题的分析则可以通过腾讯会议直播讲解，这样不受空间限制，也可以录播，学生随时可以查看。通过这些措施，可以训练学生应用所学物理概念解决物理问题的能力。应用智慧平台，学生遇到的或教师给予解决的问题能够得到及时反馈，这样有利于解决学生的困惑，形成正反馈效果，从而提高学习效率。

2.5 学生成绩的过程性评价

同伴教学法的教学如何，很大程度上依赖于学生的配合，从课前的阅读预习、课堂上的小组充分讨论、到课后作业及单元测试的完成，每个环节都需学生的认真参与和任务的高质量完成。因此，对学生学习成效的考核，就不能以学期末的一次考试来评价，更应注意过程考核。Eric Mazur[2]为了激励学生完成课前阅读任务，采取在期末给学生额外加分的方法。大学物理课程任务重，课时相对不足，一般又是大班教学，因此，为了提高教学质量，必须激发学生的主动学习情绪，考核就是一种激励手段。通常大学物理的成绩评价是平时占20%，实验占20%或30%，期末占60%或50%。同伴教学过程中采用了雨课堂教学，每一个环节都有迹可循，学生的学习成效有据可查，为过程评价提供了便利。对课程的评价应将重点放在平时的学习过程，因此建议将期末考试成绩占考核的比例定在50%，平时成绩定在30%，实验成绩占20%。课前动员时，要把课程的评价方式告诉同学们，引起他们的重视。平时成绩来自于学习过程中的每一个环节，比例又较高，因此学生会更加重视。相应地，平时努力，到期末时，学生的成绩也不会太差，整体学习效果自然得到提高。

3 总结

综上所述，本文根据大学物理教学的实际需求，结合新冠疫情期间线上教学情况及同伴教学模式的优势，提出基于智慧平台的同伴教学模式。先从教育学、心理学、社会学、系统科学等方面系统分析了同伴教学法之所以有效的理论依据，针对传统同伴教学的各个环节，结合雨课堂、QQ群、爱课程（中国大学MOOC）等智慧教学平台和手段，对课前动员、课前预习、课堂讨论、课后作业及课程考核等环节提出了优化设计方案。这种教学方法在物理概念教学、创新思维培养、学习兴趣的激发、提高学生发现问题并且解决问题的能力、团队协作能力等方面都有积极作用，有利于提升大学物理课程的教学质量。初步教学效果得到了改善，学生教学评价较好，但还有待于进一步提高和完善，特别是教学效果的评价还没有系统开展，教学资料还不完善，后面将结合之前的教学经验，继续在物理学专业课上推广实施基于智慧平台的同伴教学模式，系统建成同伴教学的教学资源，研究同伴教学的评价理论体系，从而形成一个完整的基于智慧教学背景下的同伴教学理论与实践体系。