物理教学创新模式：TEAL

周小燕 黄桦

物理教学创新模式：TEAL

周小燕 黄桦

湛江师范学院物理科学与技术学院 广东湛江 524048

TEAL教学模式强调应用新兴科技和设备，构建新一代教室和物理教学模式，在大班课堂教学中实现学生自主学习、协作学习、师生互动、生生互动。在分析国际TEAL教学模式的基础上，构建适合我国实施的TEAL课程模式和教学环境，旨在大班课堂教学中通过以学生为中心、高度互动协作的教学策略，转变学习模式，提高学生的学习兴趣和学习成效。

TEAL；互动教学；协作学习

10.3969/j.issn.1671-489X.2013.12.061

作者：周小燕，助教，科学课程与教学论硕士，主要从事科学教学研究；黄桦，讲师，科学课程与教学论硕士，主要从事物理教学研究。

1 引言

目前，物理课程不管是教材的编排还是教师的授课，都过于注重训练学生演绎推理、分析计算能力，极少关注学生个性思考、团队合作和动手解决问题等能力的培养。而且，大班教学的传统教学方法是讲授法，以教师为中心，教师满堂灌，师生间缺少互动，导致教师无法因材施教，间接导致学生在学习过程中遇到困难时也无法获得即时的帮助，知识体系构建中出现大量的认知断层。此外，学生普遍感觉教学过程被动沉闷，缺乏参与感，被迫强记概念和原理，却不知其发展历程和相互间的联系；理论和实验分开授课，授课教师往往也不同，彼此内容无直接的衔接；尤其是对于一些抽象的物理概念，若不借助实验和新科技，学生更是难以理解。这些问题直接导致学生的学习成绩越来越差，学习兴趣日趋低落，成为现如今物理教学急需解决的问题。

可喜的是，面对上述困境，以美国为首的西方国家高校正悄悄掀起一股物理教学革新的热潮。该股物理教学改革浪潮主要围绕在信息技术的支持下如何构建互动教学的新环境和新方法展开。最有成效的是麻省理工学院（MIT）John Belcher教授的基于技术的主动学习（Technology-Enabled Active Learning，简称TEAL）项目[1]，该项目是在美国北卡罗莱纳州立大学Robert Beichner教授主持的以学生为中心的大班主动学习环境计划（Student-Centered Active Learning Environment for Undergraduate Programs，简称SCALE-UP）[2]和多媒体物理（Studio Physics）[3]的基础上发展起来的。在亚洲，日本东京大学、台湾中正大学与虎尾高中等高校和中学也先后引进并实践TEAL教学，取得多项教学突破[4]。

笔者一直在关注国内外物理课程教学的改革动态，并致力于探寻信息技术与当下主流教育理念的有机结合，以此为突破口探索物理创新教学策略。在国外物理教学改革的启发下，笔者分析TEAL的理论基础和教学模式，并立足我国教学硬件状况和大班教学的实际情况，充分运用MIT的TEAL教学改革研究成果和资源，根据国情，构建适合大班教学、以学生为中心、高度互动协作的TEAL课程模式和教学环境，从技术层面支撑我国学习者的学习，转变学习模式，提高学生的学习兴趣和学习成效。

2 TEAL教学模式的理论基础

Hunley和Schaller认为，对教学模式进行评估时，要从课程、教学环境、学习方法三个方面综合评估[5]。

学习方法方面，美国学者埃德加·戴尔（Edgar Dale）1946年提出“学习金字塔”（Cone of Learning）理论，如图1a所示。戴尔指出：学生的经验从抽象的经验、观察的经验到做的经验，这三种经验的学习效果存在极大的差异。以两周为单位测试学习者对知识的平均保持率，不同的学习方法所达到的学习效果从5%～90%不等。美国缅因州的一个机构（National Training Laboratories）作过类似的实验研究，结论跟戴尔的差不多，如图1b所示[6]。

图1a “学习金字塔”一

图1b “学习金字塔”二

创新的教学模式，必须做到以学生为中心，营造积极互动的教学环境，避免学生的个人学习或被动学习，通过学生的主动学习、团队学习和参与式学习，提高课堂教学效率。然而，这在大班教学以及传统的教学环境、教学方法中是很难实现的，而物理学科特有的大量抽象概念和原理更是使改进增加了难度。

得益于信息技术的迅猛发展，可以突破上述困境，从而营造出多元学习法下的教学环境。以学习者为中心的互动教学模式的主要精髓，是希望通过信息技术的支持，使学习者能够主动探索知识，改变以往被动的学习方式，而这正是建构主义理论的核心。建构主义理论认为教师所扮演的角色应该是促进、帮助学生学习的引导者、辅助者、咨询者，而学生则从自己原有经验出发，主动去探索、建构知识，并透过本身赋予意义后，把原有的学习经验和新概念学习相结合。因此，教师在进行教学设计时，要通过多样化的学习内涵与信息科技的使用，构建建构主义学习理论下的学科学习环境。

而该教学环境设计的教育原理，正是“情境化学习”和“统整式学习”的核心内容。建构主义理论学者认为，学习者会根据已有的概念和经验，去诠释新概念的意义，情境化教学就是要为学习者提供与科学理论相对应的真实情境，以帮助学习者能够根据具体的现象来诠释新概念的意义。统整式教学则要求教学重视知识之间的统整，新知识的学习不单要通过具体的情境来赋予概念意义，也要通过相关知识的统整，并组织成更坚固的概念框架。因此，在整个学习过程中，学习者不只是针对单一概念作累积，同时也必须学习统整、协调相关的知识和概念，以促进解决繁杂问题能力的发展。如此，学习者的学习所得不再显得单一、支离破碎，而是整体解决问题的能力。

更重要的是，利用新兴信息技术等科技可提供文字、图形、影像、动画、声音等多媒体素材，通过接口多元的管道来仿真真实情境；可将情境事件情节浓缩表现，或刻意安排较不易的情境；学习者通过人机接口与仿真情境互动，以达到情境学习的效果，更好地建构科学知识。建构理论与情境式教学在信息技术的支持下，使整个教学有了更多的发挥空间，特别是协助学生理解抽象概念方面具有极大的成效，而这也成为物理教学革新的途径之一。

综合上述教育理论，可以得出TEAL教学模式立意所在，即利用新兴技术，更好地实践“学习金字塔”理论、“情境化学习”和“统整式学习”理论，重构物理教学新模式。

3 TEAL教学模式概述

物理是一门实验学科，但在所开设的课程中，理论授课和实验是分开的，且实验往往无法与理论课相契合，学生经常抱怨实验室里进行的实验过于形式化和照本宣科。因此，国外物理教学改革的首要目标是创设一套可以在课堂上操作实验的新颖课程，只有重构崭新的物理教学环境，有效结合理论知识与实验，并允许学生在课堂中互动讨论，以及采取新颖而多元的教学法，才能真正改善物理教学的种种问题。麻省理工学院大力推行的TEAL多媒体物理教学改进计划，多年来注重利用现代科技来促进物理教学的变革，其目标是[1]：转变大班物理教学模式；提高学生的学习成效；创造一个迷人的、基于技术的主动学习环境；改变学生被动、教师满堂灌的教学模式；促进学生对抽象物理概念的理解；培养学生的可视化技能。TEAL教学模式如图2所示。下面介绍TEAL的特色[7]。

1）教师可以在交互式多媒体物理教室内来回走动，并和学生讨论实验结果。通过影像、视觉动画、仿真实验等新科技，使抽象的物理概念和原理具体化，并积极营造学生主动参与学习的气氛和环境，提升学生对抽象物理概念的掌握，培养学生实验动手能力和积极主动探索的精神。

图2 TEAL教学模式

2）协作学习：9名学生围坐于一个圆桌，讨论物理现象；3名学生组成一个合作学习小组，操作桌上型实验和分析实验数据。通过交互式的共同学习和问题解决，强化学生的认知参与，避免因学生学习程度不齐而造成学习落差和教学困难，并培养学生的沟通能力与合作精神。

3）结合授课、实验和练习为一体的新式教材教法，可以实现整合资源、提升效率的目的，有助于开展理论知识与科学实践相结合的主动式学习活动。

4）研发集趣味性和探究性于一体的桌上型实验，与现代影音视觉动画仿真科技及数位数据分析硬件、软件相结合，做中学，增强实验效果，加深理论理解。

5）3名学生共用一台笔记本电脑，且电脑通过数据采集器和桌上型实验相连接；教学中运用信息技术等新科技优势（如多媒体影音、互联网、2D及3D视觉动画仿真等）于现代教学；丰富的课程说明和可视化多媒体资源相联系，通过电脑和网络呈现给学生，弥补传统教学的缺陷。

6）个人反馈系统（Personal Response System，PRS）帮助学生回答教师提供的实时问题，通过网络进行课前预习、作业指定与缴交，并配合章节小考，从而快捷有效地评估教与学的成效。

7）嵌入式评价包括个人和团队的通过网络作答的课前作业的成绩、实验报告、回答每周课程结束后的问题、PRS概念问题的课堂参与情况，并采用数份国际知名的诊断测试题诊断实施效果，在课程开始前进行学前测验，评量学前的物理掌握程度。学期结束时，进行相同的学成测验，来评量学习成效。如力学采用FCI（Force Concept Inventory）或MBT（Mechanics Baseline Test），电磁学采用CSEM（Conceptual Survey of Electricity and Magnetism）。

4 TEAL下的物理课程模式与教学环境

在借鉴国外物理教学改革的基础上，笔者认为，我国的物理教学可作如下改进，以期达到和世界顶尖教育同步。

4.1 TEAL下的课程模式

TEAL教学必须以学生的主动学习作为核心，且在同一教室内，整合理论授课、学生练习和桌上型实验等3种不同形式的教学。正如MIT的课程模式，课程安排可采用2-2-1的方式，也就是每周一至周四安排2天（一、三或二、四）各2节的正式课程，周五则安排一节课的练习时间。为达成TEAL教学目标与特色，多元教学策略由小型授课（minilectures）、多媒体软件应用、问题讨论以及课程材料使用等四大部分有机结合而成。其中，多媒体教学包括学生动手做的桌上型实验、教师的示范实验、视频动画、模拟仿真、PRS等；问题讨论包括课前与课后测试、课程练习、在线讨论等；而课程材料则通常由教科书、讲义和补充资料组成。典型的TEAL教学过程通常由小型授课分散贯穿于整个课堂构成，在不同的环节里面，学生可以积极参与动手做的桌上型实验、可视化多媒体材料、问题解决和同伴讨论。该物理教学模式融理论教学与实验教学为一体，教师可灵活应用各种教学策略组织多元的教学活动，根据授课的主题，课前设计每一教学内容的教学顺序和时间分配，经由讲授、实施PRS测试、展示模拟动画、示范实验、桌上型实验、练习、总结等教学活动，让学生的学习既有被动接收，也有主动建构，教学内容也统整了理论教学与实验教学[8]。

特色之一的多媒体可视化教学，主要是借助2D和3D图片、视觉动画、模拟仿真等可视化教学方式来加强学生的理解。除了被动式的影像仿真外，Java Applet动态模拟仿真互动学习对学生的物理学习是极富成效的。学生可以通过控制互动动画，设计参数，观看输入数据下的物理现象，从而帮助学生理解随着时间演化的物理行为，形成正确的概念，而不仅仅是依靠数学方程来想象动态的物理现象。

而桌上型实验作为课程的一部分，是为了让学生更好地探索物理本质，因为这些实验通常和先进的实时数据采集器、数据加工仪器相连接。实验与课堂所教内容同步，配合动手做实验，教学还呈现和实验相同的模拟动画，学生可以通过动画观察到实验中无法展现的现象，如电场、磁场或力的变化。如图3a是一个真实的桌上型实验，磁铁在线圈中移动使线圈产生感应电动势，产生的感应电动势可通过右下角的仪器显示出来；而图3b则是该实验的动画，学生通过动画呈现的线圈中磁力线的变化情况，体会到手中操作的磁铁和线圈所产生的交互作用，并掌握磁通量的变化是引起电动势产生的原因。

4.2 TEAL下的教学环境

为了改变传统教学环境中学生被动的学习方式，除了课程模式要创新之外，还要改变教室的布局和设施，使用新技术和设备营造一个独具特色的交互学习空间，重燃学生的学习兴趣，让学生愿意来到课堂。良好交互课室的特点为：1）能激发学生协作学习、主动学习的动机；2）无学习死角；3）有助于师生和生生间的互动交流。TEAL下的教学环境主要是为了构建一个完美的互动讨论环境，授课教师不必固定在同一地点，可以随时走动授课，不管是讲课、实验还是讨论，教师均可如此，大大提升师生、生生间的互动。

图3a 感应电动势的实验

图3b 感应电动势的实验动画

图4a MIT的TEAL教室的3D模拟图一

图4b MIT的TEAL教室的3D模拟图二

在该理念的指导下，MIT的TEAL教室（见图4a）的课桌采用圆桌式设计，环绕排列在位于教室中央的教师讲台的周围，每张圆桌可坐9名学生，9人又分成3个小组，每一小组都配备有一台笔记本电脑（见图4b），这样可以方便学生与教师的课程同步学习、讨论上课内容、获取实验的分析数据；电脑还包含上网、观看多媒体影像动画、模拟仿真和个人反馈的实时投票系统，从而方便教师判断课堂中学生的理解程度。教师的讲台位于课室的中央，配备有实物投影仪、各式直流和交流电源以及控制器等设备，这样设计是为了让学生能够清晰且全方位观看教师的教学操作和示范活动，尤其是一些不适合小组桌上型实验的大型演示实验活动和教学示范。此外，教室周围都环绕着为每一小组设置的黑板，供师生讨论或学生发表即席意见，且每一黑板都可以通过不同角度所设置的摄影机投射到大银幕上，让课室内全体人员都可以看到。同时，在黑板之间还可以放置许多银幕，将教师的授课内容投射到上面，当全班学生小组合作讨论时，亦可将正在答问或报告的小组的内容通过摄影并投影到银幕上。

TEAL教室的常用设备有360°摄影机、手写屏幕、主控桌、投票系统、控制电子白板的电脑、实物投影仪、电器设备开关控制板、摄影机控制台等。考虑到成本和我国高校的教学硬件情况，TEAL教室可以通过改进用于教授计算机课程或外语语音课程的课室来实现。课室布置和设备要求可以根据TEAL教室的设计特色来改造，如条件允许，手写屏幕和电子白板是教学、公式推导演算的好帮手。为了方便每位学习者及各小组上课过程中电脑的使用，课室四周安装有VGA插座，学习者可用投影线将电脑连接至VGA插座，便可将电脑画面投影至任一屏幕或电子白板上；而教师可利用教室专用的计算机广播控制设备，随时切换学生前方的电脑屏幕，使之与投影幕播放相同画面。

5 结语与展望

TEAL教学模式可以成功地弥补一些传统物理教学的缺失，成为美国等国家和地区物理教学改革的典范。研究表明，TEAL教学模式可以大大提升教学的成效与乐趣，减少男女学习差异，在世界范围内得到广泛的应用，对中学和大学程度的物理教学均有重大的影响[9]。目前，MIT的TEAL团队已经成功研发了矢量场、静电学、电磁学、法拉第定律、光学的课程教学模式和素材，作为公开课供世界共享[10]。

各个国家的国情不同，存在文化差异，对教育的要求和评价不同，而且每一个创新教学模式都必须经历无数次严格的实证研究考验以及调整修正，才能符合实际需求。但教育学科自身的方法和规律是客观的，国外成功案例值得借鉴、交流和合作。笔者希望本文的介绍能起抛砖引玉之效，引起更多有兴趣的学校和人员进行类似的物理教学改进研究。

[1]Dori Y J, Belcher J. How does technology-enabled active learning affect undergraduate students’understanding of electromagnetism concepts?[J].The Journal of the Learning Sciences,2005,14(2):243-279.

[2]Beichner R, Saul J, Allain R, et al. Introduction to SCALE UP: Student-centered activities for large enrollment university physics[C]//2000 Annual meeting of the American Society for Engineering Education.2000.

[3]Belcher W J. Studio physics at MIT[EB/OL].[2012-06-20].http://web.mit.edu/jbelcher/www/PhysicsNewsLetter.pdf.

[4]Shieh R S, Chang W, Liu E. Technology enabled active learning (TEAL) in introductory physics: Impact on genders and achievement levels[J].Australasian Journal of Educational Technology,2011,27(7):1082-1099.

[5]Oblinger D G. Assessing Learning Spaces[EB/OL].[2012-07-10].http://net.educause.edu/ir/library/pdf/P7102cs20.pdf.

[6]Dale E. Audio-visual methods in teaching[M].New York: The Dryden Press,1946.

[7]Dori Y J, Hult E, Breslow L, et al. How Much Have They Retained? Making Unseen Concepts Seen in a Freshman Electromagnetism Course at MIT[J]. Journal of Science Education and Technology,2007,16(4):299-323.

[8]汤兆仑,黄鼎凯,蔡宜君.多媒体促进互动教学：TEAL普通物理的实施与成效[J].物理双月刊,2006,28(3):544-553.

[9]Shieh R, Chang W, Tang J. The impact of implementing Technology-Enabled Active Learning (TEAL) in university physics in Taiwan[J].The Asia-Pacific Education Researcher,2010,19(3):401-415.

[10]MIT. Physics 8.02[EB/OL].[2012-06-20].http://web.mit.edu/8.02t/www/802TEAL3D.

Physics Teaching Innovation Mode: TEAL

Zhou Xiaoyan, Huang Hua

In order to realize the students’ autonomous learning, collaborative learning, teachers and students interactivity and interactions between, TEAL teaching mode emphasizes application of emerging technology and equipment to build a new generation of the classroom and physics teaching mode. This paper aims to analyse the teaching mode of international TEAL, constructed the suitable for the implementation of the TEAL course mode and teaching environment, and through the student-centered, highly interactive cooperation teaching strategies to transform study mode in executive classroom teaching, from which is hoped that improve the students’learning interest and learning effect in the executive classroo m teaching.

TEAL; interactive teaching; collaborative learning

G652

B

1671-489X(2013)12-0061-04