基于激發學生學習動力的大學理科教學改革

陳毅湛 曾慶光 趙麗特 李遠興 楊為家

(五邑大學應用物理與材料學院 廣東 江門 529020)

1 引言

在科技高度發展的今天，高等教育有著越來越重要的位置.特別是大學理科教學在當今高等教育中占據愈加重要的地位.很多教育專家都從不同角度對大學理科教學進行多方位的研究.在20世紀60年代，Benjamin S. Bloom 從教育分類的形式出發，提出理解、應用、分析、推理、創造的教學方法比記憶式的教學方法，更能促進高層次的教育，促進學生掌握知識[1].在21世紀初，各高等教育學專家紛紛提出了各種有效的教學方法改革，比如 DeeL. Fink 的一體化課程設計，將教學目標、教學策略和教學評估進行有效整合[2，3].B.J. Millis 和 M.J. Prince 提出一種基于活動和反思的互動式教學模式[4，5]，該教學模式也正好吻合了 Benjamin S. Bloom 的教學分類理論.W. E. Cashin 和 S.D. Brookfield提出高效率講義及高效率課堂討論等教學模式，從課堂角度出發進行改革，提高學生的學習效果[4，6，7，8].University of British Columbia (UBC) 在高等教育理科教學過程中也提出了多方面的教學改革方法，比如提升學生學習動力，團隊學習等不同方法[9,10].

我們團隊目前參加了在加拿大英屬哥倫比亞大學(UBC)進行的為期半年的大學理科教學研討.在此過程中，本文從 Benjamin S. Bloom 的課程教學目標式出發，結合教學目標、教學策略和教學評估一體化教學過程，通過互動式、課堂討論、分組學習、可視化教學等模式，提升大學理科的教學水平.筆者探索了一種基于多維度、互動式教學模式，旨在提升學生學習動力的教學方法.

2 國外教學研討學習

自 2018 年 9 月 3 日抵達加拿大溫哥華后，在 UBC 研修學習了6個月.主要研修內容分為課堂觀課、教學法講座、學術英語、自主學習活動、課外考察、微格教學、課程重新設計以及集體教學反思.下面主要從課堂觀課和教學法講座兩方面進行探討.

2.1 課堂觀課

項目組將筆者和其他5位均從事大學物理教學的國內兄弟院校的教師(西安科技大學張欣、湖南理工學院羅良、廊坊師范學院張振奎、湖北工業大學鄧罡、重慶大學吳小志)安排在一個學習小組，集中安排物理課程的觀課學習.

我們物理組安排的觀課課程是《Introduction to Physics》，這門課在國外也叫 PHY100，是一門基礎的大學物理課程，是非物理專業和非工科學生的基礎課，適合低年級本科學生.并且這門課程的主要內容是：運動學、力學和熱學這幾部分.主講教師(Instructor)是一名年輕有活力的教師 Jared Strang.

(1)在教學過程中，充分體驗了教學內容的深度和應用價值，特別針對物理教學，這是一門基礎的廣泛知識性的基礎理論課.其中包括熱學、力學、聲學、光學、電磁學及近代物理學.每個內容都和產業息息相關.在 UBC 的教學內容里，他們一個學期 48 個學時的學習，只針對力學和熱學，而我們在國內是要上力學、熱學、電磁學這3個部分，由于電磁學部分占了一半的學時.換言之，UBC的教學進度是國內的一半.但在授課深度上深了很多，這個比國內教學內容的廣而泛有提高，特別是在內容上針對各種應用開展，把理論和應用結合起來，而不是脫節，這對學生的專業學習就更有吸引力了.課程內容或習題很多涉及生活中的例子，如通過熱傳導分析多種材料(玻璃窗子、木頭墻壁等)對房子保暖效果的影響、通過熱輻射分析溫室(Green House)效應等，給學生直觀印象是物理有用(Physics Works)，這點非常值得我們借鑒.可見這對工程專業學生就更有激勵了.

(2)充分利用互動環節.首先采用 iClicker 選擇答案，學生上課前事先在網上閱讀課程相關資料(文檔和視頻)，網絡上有各學生預習和答題的記錄，這是學生成績的一部分.預習要求所有相關知識點，課堂上絕大部分是以“習題+講解”形式完成整個課堂，這種課堂模式有點像講解習題，跟“翻轉課堂”的教學模式有點類似.習題冊(Worksheet)是課前教師發給學生的.課上的習題基本分為兩類：一類是選擇題，每個選課的學生有自己的答題器iClicker，可以通過答題器將答案發送到教師的電腦，然后教師可以通過投影儀呈現學生的答題情況，了解學生的掌握程度，學生先單獨選出自己的答案，然后,選擇不同答案的同學百人比會顯示出來.另一類是大型計算題(Material-rich)，這些題目信息量大，有一定難度，教師會先將問題分解，在給出完整解答之前，分解出一些和題目相關的基本知識點，如選擇題，讓學生們進行理解.隨后，通過幻燈片將教師在紙上的解題過程呈現在屏幕上.每道題結束后會安排學生提問并解答.iClicker 回答可以看出學生的出勤率，也可以看出學生對知識的掌握程度.這種采用 iClicker 的學習方式也可以有效激發學生的學習興趣，并且快速檢查學生的學習效果.

其次，很注重課堂上學生之間的交流.前面采用 iClicker 是促使教師、知識、學生之間建立橋梁，而團隊討論(Check with your neighbor) 也就注重學生之間的交流學習了.這種方式可以讓學生加深理解知識，提高學習氛圍，也在間接之中激發學生學習的動力.個人覺得國內在教學改革上可以推廣激勵學生的兩種方法——采用 iClicker 選擇答案和學生之間在課堂上短時間互相交流.

(3)教師把大量的時間放在準備材料和視頻教學上.首先這種以練習為主的課堂教學是需要有一個專門的教學改革團隊完成一些教學環節的準備工作.這是需要大量的準備資料的環節，從收集、整理、分類、分析都需要大量的人員來完成該項工作.所以，在 UBC 有著一個專門由學校組建的教授團隊，總負責該項教學改革的工作，還要有相應的輔助機構完成視頻、題目、動畫等的收集.其次，這里充分利用助教的協作.助教可以幫教師發放資料，協助教師進行演示實驗，在做題過程中有問題幫忙答疑，協助講解題目等.一個容納約300名學生的教室，必須有兩個以上的助教進行教學輔助，而助教也可以通過教學實際鍛煉得到很好的成長.

再次，由于基礎理論課是在一個大教室上課，這對投影、板書、音響等都有較高的要求.特別是教師的解題板書，基本采用在紙上講解，通過投影轉換到投影儀上，可以說是非常完善的多媒體教學系統.解決了很多由于板書不清晰造成視覺效果差的問題.

最后，在準備教學資料時，非常重視實驗演示(Demo).比如聲波隨相位干涉實驗，通過實驗儀器，現場把聲波強度改變的效果播放給學生觀察，這種現場演示實驗給學生的印象是很深刻的.當然這也需要專門的團隊來輔助完成.這些細致完善的教學資源的準備，也很好地激發了學生的學習興趣.

(4) 在觀課過程中，我們發現 UBC 大學對教學改革的投入，對資金、團隊、設備、理論的投入是巨大的.這里有一流的教授參與組建教學改革團隊，包括各學科的教授們，也有一些勇于改革創新的一線上課教師.這里還有諾貝爾物理獎、化學獎獲得者，組建統籌一系列教學改革.其中，Brett Gilley 老師是 Carl Wieman 理科教育提升計劃中(The Carl Wieman Science Education Initiative，Cwsei)的核心成員，雖然他的專業不是物理學科，但他提出互動式教學的教學模式，給我們的印象很深刻.他靈活地采用演示實驗、交流互動、實際案例分析等手段，充滿激情的授課時刻影響學生，能夠深深吸引學生的注意力.這種活動性教學模式，充分地激發學生對學習的興趣.這里要特別提一下， UBC 大學多年來一直開展提升本科生理科教育水平的教研項目.該項目包含4個方面：確定學生需要學習的內容、科學評價學生的真實學習情況、采用指導方法和課程與有效技術及教育研究去達到需要的學習成效，推廣和采用有效的教學模式和方法.

2.2 教學法講座

教學法的講座基本是UBC教學有關的研究和實踐.為了幫助我們更好地沉浸在相關的教學學術活動中，項目組安排了 Sunita Chowrira作為我們的學術導師，幫助我們更快地適應后面的教學學術活動.

(1)學術導師Sunita Chowrira教授的 “UBC Science one-An Innovative to Teaching Science”，這個 Science One 是一個非常有挑戰的教學改革課題.具體實施方式是，針對大一的學生，通過申請和選拔 100 名優秀的學生，在未來兩年課程學習中，不分專業的開展數學、物理、化學、生物、計算機課程的科學理論學習.這是一種全方位的理科背景學習模式，并且由 UBC 最有經驗的教師授課.通過數據分析，對照其他沒參加該項目的學生，該Science One 學生的學習成績非常優秀.

(2)Javel Iqbal教授的“Co-operative Educa-tion Program” 這是一個針對大學實踐教學的很好例子，和我們國內大學開展“3+1”實踐教學改革很類似.在UBC 的本科教學過程中，有著 5 年制的學制模式.在這期間，學生可以申請 1 年半實習機會，并且時間安排非常合理.形式是多樣的，特別是針對實習單位的國際化，這方面做得很出色.這也不得不提，這個項目是有著一系列教師和職員組建成的全校的管理團隊.該團隊每年為在校的工程及科學背景的大三大四學生提供 1 500 個實習單位，其中還不乏國際著名企業.該團隊的管理細致化、合理化、國際化是非常值得我們借鑒的.

(3)Pawel M. Kinder教授提出的 “What and how students learn through Porblem Based Learning(PBL) and Case Based Learning” 這個課題主要針對新型教學方法的探索.相比普通課堂教學模式，該模式是針對某個實驗或課題，學生自主搜索資料，自主學習.

(4) Brett Gilley 的 “Active Learning and Research Based Instructional Strategies”.這個是非常有趣的教學改革模式，也深深體現在我們的觀課課堂教學上.Brett Gilley老師是Carl Wieman理科教育提升計劃中( The Carl Wieman Science Education Initiative，CWSEI)的核心成員，他提出活動性教學的教學模式.他靈活地采用演示實驗、交流互動、實際案例分析等手段，充滿激情的授課時刻影響學生，能夠深深吸引學生們的注意力.其中體會最深的是 UBC 以學生為中心，全方位促進學生主動學習的教學模式在全體教師的教學過程中得到了廣泛應用.

3 激發學生學習動力的教學模式探索

通過對 UBC 大學理科教學的課堂觀課及教學法講座等方面的學習，我們針對目前在國內所從事的大學理科教學進行了一些改革探索.下面對旨在激發學生學習動力的教學方法，如多維度教學、互動式教學等進行探究.

3.1 在教學目標上進行改革

根據 Benjamin S. Bloom 教學設計過程可以分為3大部分：課程目標、教學策略及教學反饋.本文提出以學生為中心的教學模式，針對學生學習過程進行分類，在教學上的各個環節對教學策略和教學反饋展開分析，提出旨在提高學生學習動力的大學理科教學模式.

我們建立一個合理課程教學目標，該教學目標是圍繞著學生掌握課堂相關的知識，為學生后續專業學習打下基礎.而在國內大學理科教學過程中，我們發現普遍存在一個教學時間短、教學任務重的現象，即廣而泛.該教學模式對專業性越來越強的今日，顯得有點不太適應.在目前國際較為完善的高等學校理科教學理念中，是一種教學目標較為集中，結合應用，具有一定深度的教學目標.這個恰恰是一種體現激發學生學習動力的教學模式，讓學生集中精力，把基本理科理論掌握，促進專業知識的學習.所以，建立一種簡而深的大學理科教學模式可以促進學生的學習興趣.

3.2 在教學策略上進行改革

在教學策略上，我們把教學過程分成了多個模塊進行改革.目前在國內大學理科教學過程中，主要存在課前學生沒有對知識進行初步了解，學習資料只限于書本上，這在目前互聯網發達的今天，是嚴重滯后了.在上課前，我們可以把學習資料，包括講義和相關的演示資料發給學生，并要求學生下載相關的學習資料和相關應用背景資料.促進學生對所學知識的了解，增強其學習的興趣，激發其對基礎理論學習探索的動力.

同樣在課堂教學過程中，我們大學理科教學策略經常存在較為單一的教學模式，常常以教授書本知識為主.往往忽略了多種教學策略的使用，促使學生多維度、互動式、討論式學習.圖1為激勵學生學習的多維度教學模式.

圖1 激勵學生學習的多維度教學模式

基于目前教學活動的多樣化，在教學過程中，邀請優秀學生作為助理教師(TA)，協助教師完成教學活動.在課堂教學過程中，增加課堂互動式教學環節，引導學生對教師提出的問題積極思考，尋求解決難點問題的思路，在師生交流互動中突破教學難點問題.把理論知識轉化為可視化內容，激發學生的學習活力.通過學生分組討論模式，教師作為課堂的組織者，讓學生通過討論學習，互相交流，提升學生的學習活力.通過適時的小題練習和課堂演示，如翻轉課堂模式，對學生所學知識進行測試，比如增加一個選擇控制器(Clicker)，促使學生即時反饋對知識的理解掌握情況，檢查學習效果.這種靈活的互動式教學形式，可以大大激發學生學習的動力.

3.3 在教學評估上進行改革

教學評估也是一個非常重要的教學環節.在國內的大學理科教學過程中，往往忽略了教學評估的教學環節.學生學習的反饋正是在該過程中展示出來.我們在課后應增加合理的答疑環節、適當的作業練習以及相關的測試模式.本文提出一種二步法的考試方法.該方法針對常規個人考試，增加了團隊考試，該團隊考試是一種創新模式,可以有效提高學生學習的活力.同時，建立一種高效的反饋機制，對教學進行了合理的反饋.

4 結束語

總之，在加拿大 UBC 大學這6個月的研修學習中，讓我們學習到一些實用的教學方法，特別是針對科學理論教學的內容、上課模式、教學準備等方面進行提升，進而激發學生的學習主動性(Motivate).同時讓筆者領略了加拿大的文化氣息，提高自己的國際化視野.還收獲了很多先進的教學模式，結合我們國內現有的教學實踐進行對比，我們可以借鑒和提升高等教育理科教學的教學水平.同時，非常感謝國家留學基金委給予我們在 UBC 學習提升的機會，感謝 UBC 項目組的各位老師及教學改革教授們的辛勤付出.