基于Clicker的交互式教学对科学推理能力的培养研究

谢 丽，杨长铭 （长江大学物理科学与技术学院，湖北 荆州434023）

包 雷 （俄亥俄州立大学物理系，美国俄亥俄州 哥伦布43210）

科学推理能力是能力的核心，是创造力的基础［1］。随着科学技术的飞速发展，人们将会在今后的工作中不断面对新的问题和挑战，这就要求学生拥有较强的科学推理能力来解决今后工作和生活中面对的新问题。对于今后致力于从事科学、技术和工程行业的理工科学生来讲，具备较高的科学推理能力就显得更加重要。传统的讲授式教学已不能有效的帮助学生提高他们的科学推理能力［2－4］。基于此，笔者对课堂应答系统 （Clicker）运用于大学物理课堂进行了研究❶❶长江大学教学研究项目 （JY2012005）。。

1 Clicker简介

课堂应答系统 （Clicker）最早于1992年应用于哈佛大学等少数美国高校。经过近20年的发展和完善，在美国已经有700所大学和众多的中小学在使用这种课堂应答系统。而随着教育技术手段的发展，我国也于2008年起逐步将这种应答系统应用到教学中来。研究结果表明，很多学生的学习兴趣大大提高，学习相关课程的热情也更加浓厚，学习成绩也有了大幅度的提高［5－6］。课堂应答系统主要由教师遥控器、学生投票器 （每人1个）、接收器以及配套的软件组成。学生可以将自己的答案利用手中的投票器发送至与计算机相连的接收器中，计算机中安装的Clicker数据处理系统会在接收到信号后立即对收集到的信息进行处理，最后将学生的投票结果以柱状图或百分比的形式反馈在屏幕上。因此它可以将课堂教学、课堂测试、投票表决、游戏活动、竟猜学习、教学评估等有机地结合起来，在现有大部分教室“一台电脑一部投影仪”的基础上，既可实现传统课堂所不能实现的及时互动教学，又能统计并生成各种报表帮助教师和学生了解学习动态，还能够自动点名，协助课堂管理。

2 研究过程

2．1 被试的选取

从长江大学学习 《大学物理》课程的二年级理工科学生中抽取了8个平行班，分为4个控制班和4个实验班，分别由2名教学素质相当的中青年教师进行授课，教学过程中使用同样的教材、课件和习题资料并完成相同的教学内容。对于4个控制班，采用传统的讲授式教学方法，4个实验班则使用基于Clicker的交互式教学方法，探究新的教学方法对学生科学推理能力的培养效果。

2．2 测量工具的设计

在研究中，以 Lawson测试卷［7－8］为基础，扩展了测评的子类，将原有的题目数由24增加到30，如在传统的概率题中增加了条件概率和贝叶斯概率、在相关性题中增加逻辑推理和因果推理。此外，在该测试卷中，有的题目还采用题目组的形式，每组题中包括2道或者多道试题，这样的设计使研究者不但可以测试学生推理水平，同时还可以了解被试的思维推理过程。表1列出了测试卷中的题目所对应的科学推理能力的相关维度。

表1 测试卷维度信息

学生选项正确则计1分，总分为30分，研究采用Cronbachα因子法检测量表的信度，且α＝0．768，与Lawson Test的结果相近，证明了新量表的可靠性和稳定性。

3 Clicker在课堂教学中的应用过程

在实践过程中，教师先将整个学期教学进度表和每堂课的课前阅读作业公布在 《大学物理》课程网站上由学生先行下载，并遵循教学进度表的安排授课。每次课的开始阶段，教师设置一个相关概念的测试题，检查学生的预习状况，且投票结果算作期末成绩的额外加分，最高可以加5分，这样可以激励学生在课前进行自我阅读。在使用Clicker进行投票时，将物理概念以生活、工作、生产、科技等不同的背景材料呈现给学生，设定好投票的时间为2～3min，如果大多数学生 （≥70%）在概念测试中选择了正确的答案，教师就继续下一个知识点的讲解；如果选择正确答案的学生比例较低 （＜30%），教师则放慢速度，把这个知识点讲解的更细致一点。这种按需重复的方法，能够防止教师预期结果和学生实际理解程度之间的鸿沟不断扩大。同时在教学过程中，依据教学内容难易程度，也采用了不同的教学模式。内容简单学生熟悉的课程，采取 “课前预习－课堂讨论投票－反馈结果－补充讲解－进入下一个知识点”的模式，如质点运动学；对于内容较难的部分，则采取了 “课前预习－教师讲解相关内容－学生投票考查－反馈结果－重复讲解或进入下一个知识点”的模式。针对学生的投票和讨论会占用相应教学时间的问题，则通过减少例题讲解的数目和习题课的时间来完成传统课程相同的教学内容。虽然老师的讲解时间减少了，但是却可以把大量的学习任务由学生自己课后来完成，真正做到了学生 “自主”学习。

4 数据分析

表2 科学推理能力测试的结果 （30道题）

开学初的第1节课，对2组学生的科学推理能力进行了第1次测试，学期末的最后一节课进行了第2次测试，测量的结果如表2所示。由于各独立样本分布类型检验中α＜0．05不符合正态分布，因此对控制组和实验组的2次测试结果比较，采用非参数独立样本差异检验。控制组和实验组的第1次测试数据表明，2组样本在开学初的科学推理能力没有显著性差异 （t＝0．54，p＝0．395）。

通过一个学期的学习后，控制组和实验组的第2次测试成绩均有提高，依据公式 （1）可得控制组的绝对增益为1．33% （相当于0．4道题），实验组的绝对增益为5．00% （相当于1．5道题），绝对增益的计算公式如下所示：

采用相关样本t检验后，发现控制组的科学推理能力的第2次测试结果虽然略高于第1次测试结果，但是2次测试的结果却没有显著性差异 （t＝1．344，p＝0．185，effect size＝0．5），说明这一阶段学生的科学推理能力在统计学意义上没有显著变化。而实验组学生的2次测试结果在0．001水平差异显著 （t＝5．47，p＜0．001，效应量effect size＝0．6）。效应量effect size＝0．6说明显著性差异不是由样本量造成的而是由教学模式和教学方法引起的。由此可以得出，基于 “Clicker”的互动式、探究式教学模式有利于学生科学推理能力的提高。同时，将控制组和实验组的第2次测试结果进行比较发现，虽然开学初2组样本的科学推理能力差异不显著，但是经过1个学期的不同教学模式的学习后，科学推理能力在0．01水平差异显著 （t＝2．589，p＜0．01）。

5 结论与建议

经过半年的实践研究，运用传统的讲授方法进行教学的控制组的学生，其前后测的测量结果差异不显著，即他们的科学推理能力水平没有明显的发展和变化；而基于Clicker的交互式方法进行教学的实验组的学生，其科学推理能力测试结果的绝对增益为5．00%±0．02% （0．02%为标准误），且差异显著。综上，不难看出学生科学推理能力的发展受到教学模式的影响，因此教师在教学的过程中不仅仅要注意教什么，更重要的是怎么教。

上述研究为学生科学推理能力的培养提供了新的途径和方法，但是研究结果仅仅是基于一个学期的实践，对运用课堂应答系统，创设交互式课堂提高学生科学推理能力的有效性还需要继续跟踪检验。笔者将在后续的研究中扩大Clicker的使用班级，延长研究的时间，在深度和广度上加强实践，使学生在学科知识和科学推理能力方面都能够得到显著提高。

［1］严文法，胡卫平 ．国外青少年科学推理能力研究综述 ［J］．外国中小学教育，2009（5）：25－30．

［2］Bao Lei，CaiTianfang．Learning and scientific reasoning ［J］．Science，2009，323 （1）：586－587．

［3］杨燕，郭玉英，魏昕，等 ．高师理科教学与学生科学推理能力的培养 ［J］教育学报，2010（2）：42－45．

［4］张轶炳，白明侠，黄昭，等 ．中美大学生科学推理能力差异的调查研究 ［J］．咸阳师范学院学报，2011（2）：112－115．

［5］黄致新 ．基于Clicker的交互式、探究型课堂教学及其研究进展 ［J］．物理教学探讨，2010，28（391）：1－3．

［6］蔡天芳．Clicker在创建互动课堂和研究性教学中的应用 ［J］．中国教育信息化，2009（15）：17．

［7］Lawson A E．Development and validation of a classroomtest of formal reasoning ［J］．Journal of Research in Science Teaching，1978，15 （1）：1－24．

［8］Lawson A E．Development and validation of the classroom test of formal reasoning ［J］．Journal of Research in Science Teaching，2000，15 （1）：11－24．