近5年物理學科計算機輔助教學研究的文獻綜述

洪穎 崔非凡

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

1 引言

計算機輔助教學(CAI，Computer-Assisted Instruction的簡稱)，是指運用計算機技術以及網絡技術進行教學的過程．隨著互聯網技術的發展，計算機輔助教學逐漸出現在了物理教育的研究視野中．受到2019年的新冠疫情沖擊，國內和國外的物理教育網絡課程和虛擬實驗成了遠程教學中最核心的部分．因此，國內外的研究學者都對物理學科計算機輔助教學展開了不同角度、深度和層次的研究．

本文通過檢索期刊《物理評論-物理教育研究》

(PhysicalReview-PhysicsEducationResearch,PRPER)、《物理教師》、《物理教學》、《大學物理》、《物理實驗》，對其中物理學科計算機輔助教學相關論文進行統計分析，撰寫文獻綜述，以期了解近5年來國內外物理學科計算機輔助教學研究的整體情況．

2 研究設計

在此研究中，筆者先在《物理評論-物理教育研究》期刊官網檢索框輸入“online teaching”“remote teaching”“computer-based teaching”進行文獻檢索，檢索得到24篇2016年到2021年的論文．其次，筆者在CNKI檢索框輸入主題為“在線教學”“虛擬實驗”“仿真”“計算機輔助教學”，并分別以“物理教師”“物理教學”“大學物理”“物理實驗”為關鍵詞進行高級檢索，得到2016年到2021年的論文總計53篇．

3 研究結果

3.1 研究對象

首先，筆者對國內外77篇文獻的研究對象進行了統計分析．具體情況如表1所示．

表1 2016-2021年物理學科計算機輔助教學研究對象

由表1可知，國內關于物理學科計算機輔助教學研究以本科生課程為主要研究對象，其次為高中課程，初中生課程的教育研究相對較少，針對教師群體的研究結果為零．可見針對教師群體、初中課程方面的研究需要更多的投入，以補充其不足．

國外研究以本科生課程為主要研究對象，更傾向于選擇本科生課程，高中生和初中生課程研究較少．此外，國外還有針對教師群體的相關研究．

由此可見，國內相關研究的研究對象覆蓋面比較廣，數量相對均勻，側重點更偏向于高中生和本科生的物理課程，這是我國物理教育研究的一大優點．但是目前尚缺乏針對教師群體的相關研究．

部分論文同時涉及教師群體和本科課程，因此表中數據有重復．

3.2 研究發展

2016年到2021年國內外相關研究數量變化如表2、圖1所示．中文論文數量從2019年到2020年有顯著的提升，英文論文數量從2019年到2021年穩步增長．總體上，2016年到2021年國內外研究數量都呈上升趨勢，在2020年和2021年分別達到最多．論文數量在2019年開始穩步上升和新冠疫情的刺激有一定的關系．

表2 2016-2021年物理學科計算機輔助教學研究發展

圖1 2016-2021年物理學科計算機輔助教學研究發展

3.3 研究方法

筆者對國內外的77篇論文的研究方法進行了統計分析，具體情況如表3所示．

表3 2016-2021年物理學科計算機輔助教學研究方法

由表3可知，國內關于物理學科計算機輔助教學的研究方法以非實證研究為主，所占的比例為54.72%，而53篇論文中，仍有17篇量化研究，但采用混合研究的論文只有一篇．國外關于物理學科計算機輔助教學的研究方法以實證研究為主，非實證研究論文占比為零．

3.4 研究內容

3.4.1 國內文獻研究內容

筆者先對國內53篇文獻的研究內容進行了統計分析．具體情況如表4所示．

表4 2016年—2021年國內物理學科計算機輔助教學研究內容

由表4可知，國內計算機輔助教學研究主要集中在關于虛擬技術輔助教學、在線教學研究；大部分文獻集中在2019年以后，針對新冠疫情背景下的大學物理實驗教學、普通物理教學和高中課程教學進行探討和實踐．虛擬技術輔助教學主要討論了可能幫助學生學習物理的仿真技術、智慧平臺等；在線教學主要研究疫情背景下網絡課程的教學實施方法和效果．少量有關遠程實驗的研究文獻系統討論了大學物理實驗課的遠程實現．

下面本文將舉例分析各類型研究內容的梗概、方法、結果和評價．

(1)虛擬技術輔助教學

文獻[1]通過NOBOOK虛擬實驗技術設計了高中“帶電粒子在磁場中的運動”仿真實驗課程．他們分別對課堂教學流程和例題仿真繪制進行了細致的設計．但是仍然缺少相應的教學反饋數據說明此種技術的可行性和教學效果．

文獻[2]研究了虛擬技術教學的優勢和缺點，并將信息化教學和傳統教學作了比較，提出“不能丟掉黑板”“慎用仿真動畫實驗”等觀點，為教師在面對信息化教學浪潮下的辯證思考和抉擇提供了借鑒．但是他們的研究是非實證研究，說服力仍然不足夠．

在這方面的研究中，能反饋教學效果的文獻較少，例如文獻[3]，報告了使用虛擬仿真實驗的本科生的學習效果，使用問卷調查的方法對其進行使用頻率、學習習慣和學習效果的評價，量化分析了學生使用虛擬仿真技術的學習反饋，能較好地說明其虛擬技術的可行性和不足之處．

總體來說，國內研究者側重于虛擬教學技術的開發、應用，而不重視調查和分析驗證工作，大部分文獻缺少有說服力的數據證明其虛擬技術在輔助物理教學過程中的可行性，研究有待改進．

(2)在線教學

在線教學主要包括網絡課程效果的研究和在線教學設計兩類研究．

文獻[4]進行了基于PDCA循環的物理在線教學設計和質量管控,不僅能提出和設計在線教學在PDCA循環中每一個詳細步驟，還設計了教學反饋調查量表，在為教學設計產品提供可靠數據支撐的同時給予使用此類教學設計的教師以反饋方式的借鑒．從開發到量化觀察分析研究成果，PDCA循環的在線教學設計較為成功．類似地，文獻[5]提出了以概念圖為支架的云端一體化物理課堂的建構與思考,也在開發了云端物理課堂的同時提供了可靠的數據支撐，主要以學生的學習效果為衡量目標量化分析學生的成績，也為疫情背景下的教學提供借鑒．

除了中學物理教學，文獻[6]針對本科物理在疫情背景下的在線教學進行了系統、詳盡的課堂設計，包括如何利用雨課堂和釘釘進行“課前預習、課中學習、課后復習”的全課堂過程，并使網絡直播教學和學生自主學習結合起來，創新地為線上教學提供了藍本．而與之相對應地，文獻[7]采用訪談和調查兩種方法，量化地研究了學生的線上學習體驗，對本科生的師生互動頻率、學習壓力等因素做了統計和分析，發現學生對線上學習總體上充滿認可，并對未來線上線下混合教學有一定的期待．

總體來說，國內研究者在在線教學設計方面的研究都十分詳盡，其中大部分文獻都能對線上教學課堂內容和環節做出創新性的設計．然而不足的是，只有少量文獻能夠提供具有說服力的教學實踐反饋數據．

(3)遠程實驗

隨著新冠疫情的到來，普通物理實驗課也面臨著巨大的挑戰，遠程實驗往往成為“停課不停學”時期的教學選擇．文獻[8]研究了本科生使用虛擬實驗軟件完成近代物理實驗的效果，并提供了關于本科生實驗認知和學習態度、學生對比實操實驗和虛擬實驗的感受等方面的調查數據，他們發現遠程實驗能提供給本科生更少的時空限制，提高他們的自主解決問題的能力．

3.4.2 國外文獻研究內容

筆者再對國外24篇文獻的研究內容進行了統計分析．具體情況如表5所示．

表5 2016年—2021年國外物理學科計算機輔助教學研究內容

由表5可知，國外針對物理學科計算機輔助教學的研究主要集中在遠程實驗、在線教學、虛擬技術輔助教學三大方面．另外有少量的論文涉及教師在線教學反饋．由于部分論文同時涉及遠程實驗和教師反饋，所以其數據在表中重復記錄．

下面本文將舉例分析各類型研究內容的梗概、方法、結果和評價．

(1)遠程實驗

文獻[9]研究了遠程實驗中本科學生的自我效能評價和其他行為測量結果(如自我調節學習技能)．研究本質上是描述性的，并采用調查研究設計來檢驗變量之間的關系，得出結論為遠程實驗教學是有益于學生的．但是從方法論的角度來看，依賴于對學習和態度的自我評估和主觀評估，缺少客觀的數據．

文獻[10]使用了iOLab設備進行本科生物理遠程居家實驗教學，設計了開放式項目讓學生參與．研究者運用了E-CLASS量表進行調查，并用三角分析法處理調查結果，得到了學生對開放式遠程實驗課程大多持有積極態度的結論，而另一方面，遠程實驗也造成了學生有更大的課業負擔、學生感到迷茫、學生之間合作困難等問題．

(2)在線教學

在線教學的研究文獻較多，是國外研究者關注的熱點．在線教學的相關研究主要包括兩個部分——在線教學學習效果、在線評估學生學習風險．

1)在線教學學習效果方面的研究

文獻[11]以本科生的計算物理、量子力學課程為例研究了遠程訪談在在線教學中的效果．利用Zoom的功能，設計了一個半結構化的訪談，并總結了在計算物理之外的環境中設計和進行遠程訪談的經驗．研究者以觀察和捕捉參與者行為、表情為主收集數據，發現遠程訪談的學習也能達到很好的效果．

而文獻[12]考察了本科生的心理健康、物理動機等，并試圖將這些因素與他們對在線教學的整體看法聯系起來．研究者計算了所有被測變量的描述性統計，發現總體上學生的態度是積極的，但是緊急遠程教學對學生的自我調節能力、自我效能感和參與能力也有一定的挑戰．

2)在線評估學生學習風險的相關研究

文獻[13]研究了通過社交網絡的鏡頭檢查學生物理自我效能下降的方法．該文獻使用了線性回歸模型分析來自社交網絡的數據，發現學生經歷的互動類型對自我效能的形成很重要．

文獻[14]研究了物理入門課程中使用計算機自適應測試來評估物理能力和提高考試成績．文中報告了3個實驗，并發現雖然CAT在實際測試中顯示出了希望，但在實施CAT進行總結性評估之前，還需要進行更多的研究來改進測試算法以提高可靠性．

類似地，文獻[15]使用機器學習識別物理課上最危險的學生，應用了隨機森林機器學習算法來預測入門力學的學生是否會獲得D或F的成績，并獲得了良好的預測效果．

(3)虛擬技術輔助教學

文獻[16]展示了虛擬學習環境Student Researcher，它將模擬、多項選擇測驗、視頻講座和游戲化整合到本科生的量子力學學習路徑中．通過奧爾胡斯大學的量子力學測試發現，與以往的表現相比，在平臺上更加活躍的學生學習能力有所提高．

文獻[17]基于教育重構模型設計了高中廣義相對論課程的合作在線學習環境．文獻[18]以矢量數學為例研究了如何通過計算機實踐提高物理基本技能．

以上的研究者都使用了測試或調查作為數據分析的基礎．不同的是，文獻[19]使用了眼球追蹤的研究方法研究了計算機物理實驗動畫和學生學習本科物理的交互性．

總的來說，對比國內的虛擬技術輔助教學，國外研究者對測驗游戲化、合作學習與計算機實踐、計算機動畫實驗十分重視，并不僅僅局限于網絡課程和普通仿真．

(4)其他

另外，文獻[20]研究了在疫情下過渡到在線教學之后教師同行的教學方法、教學實踐情況和心理狀態，并使用貝葉斯因子進行數據分析．結果發現，教師們沒有因為新冠肺炎造成的干擾而實施全新的教學方法，而是主要集中在通過視頻會議軟件和學習管理系統提供講座．接受調查的一部分教師仍傾向于在教學上積極投入時間和精力，即使他們面對陌生的教學環境．

而文獻[21]分別從本科生和導師的角度進行了在新冠肺炎大流行期間虛擬研究體驗對大學生社會心理方面收獲的影響相關的研究．發現所有學生都表示，這種虛擬研究的經歷非常有益，提高了他們的自我認可、歸屬感．

4 總結與啟示

通過對近5年物理學科計算機輔助教學的研究文獻進行分析，筆者發現，首先從研究對象來說，國內的研究主要集中在高中生、本科生物理課程上，初中生課程有少量涉及，從針對學生群體的研究情況來看，我國研究覆蓋面相對廣，但是缺少針對教師或導師的教學研究；而國外的研究主要集中在本科生課程上，覆蓋面較窄．但是，國外相關研究能夠從學生和教師兩個角度進行相關研究．

其次，從研究方法來說，國內的研究以非實證研究為主，國外的研究以實證研究為主．國內研究者能創新地開發許多線上教學資源，涉及面廣，有面向初中生、高中生、本科生的物理教學仿真平臺，但是只有少量研究者給出了這些仿真平臺應用到教學中的效果和反饋數據；此外，國內研究者獲取數據和數據分析的方式比較單一，而國外研究者往往在開發了物理教學平臺、設計了在線教學方案之后，對實際應用中學生的反饋做了詳盡的統計和分析，獲取數據的方式十分豐富，包括眼動追蹤、在線捕捉學生表情等，給予研究更豐富的數據支撐．

最后，從研究內容來說，國內研究主要集中在關于虛擬技術輔助教學、在線教學的研究，有少量的遠程實驗教學研究，并有研究者提出了互聯網背景下進行物理教學的展望；國外研究主要集中在遠程實驗、在線教學、虛擬技術輔助教學三大方面，有少量的論文涉及教師在線教學反饋．

因此，國內相關研究還有很大的研究空間，研究方法也有待提高，根據國內相關論文的研究狀況，筆者建議研究者在未來不僅能提出有幫助的計算機輔助教學環境搭建技術和教學設計，還可以采取更加嚴謹、多元的方法進行更深入的研究．我們只有不斷汲取各方研究的長處，不斷改進研究方法，完善研究內容，才能為中學生、本科生更好地學習物理、理解物理和應用物理開辟一條寬闊明亮的道路，也為教師和導師進行物理教學和項目管理提供更多的幫助．