基于PI教学法的大学物理互动式教学

莫文玲，刘涛，李瑞强

（华北理工大学 以升创新教育基地，河北 唐山 063009）

大学物理作为工科专业人才培养方案中的一门重要基础课程，在培养创新人才方面起着重要作用［1］。多年来，我国大学物理课程一直采用“传授―接受”式的教学模式。其基本流程是：激发学习动机－复习旧课－讲授新知识－巩固运用－检查评价。显然，传统的教学模式已不适应培养创新人才的要求。近年来教育工作者做了很多探索性工作，提出了许多新的教学模式［2，3］，如：探究式物理教学、培训式物理教学等，且已被证明优于传统的物理教学模式，但大多本质上仍属于以教师为中心的教学模式。此类模式的优点是有利于教师主导作用的发挥，有利于教师对课堂教学的组织、管理与控制。其缺点是忽视了学生的主动性、创造性，把学生当作灌输的对象、外部刺激的接受器，没有把学生的认知主体作用体现出来。大多学生逐渐养成了一种不爱问不想问“为什么”、也不知道要问“为什么”的麻木习惯。致使学生的发散性思维、逆向性思维被束缚，敢于冲破传统的新思想、新观念被扼杀，作为认知主体的学生其主动性无从发挥。

最近几年，德国教师正尝试以“讨论班”形式授课，即由学生自己查阅资料、寻找器材，并轮流安排和主持课堂教学。在美国哈佛大学正在进行各种尝试并取得非常好的效果［4］，其中物理学教授Eric Mazur等人借助课堂表决器（Clicker），进行一种结合实时式教学和同辈教学（Peer Instruction，PI）的交互式教学模式改革，有效地提高了学生的课堂积极性和学习成效。与此同时我国很多同行院校也在努力进行探索研究，如北京师范大学［3，5］、北京交通大学、浙江大学、上海同济大学、中山大学、华中师范大学等等。

构建特色大学物理教学模式是加强本科教学、提高本科教学质量和教学水平的重要内容。本文作者认为，现今大学物理教学由传统的教学模式转变成以教为导、以学为主，在教师指导下学生研究式自主学习的模式势在必行，这是培养创新人才的必要条件。本文在培养创新人才的目标下，借鉴实时式教学和PI教学法的先进理念，针对我校学生素质的实际情况，从教学内容、教学方法、考核评价等方面大胆改革我校现有大学物理教学模式，以实现唤起学生学习兴趣、培育学生创新精神、培养和锻炼学生主动学习能力，创新思维能力和工程实践能力的目的。

一、PI教学法及优点

（一）PI教学法

美国哈佛大学Eric Mazur教授创立了PI教学法，并对该方法进行了实践和改进，取得了显著的教学成果［6，7］。PI教学法的具体实施方法如图1 所示。此过程也是我校的PI互动教学的课堂部分的大致框架。

图1 我校实施的PI教学法的流程图

（二）PI教学法的优点

PI教学法将有利于学生的基础知识、基础技能的理解和掌握，有利于培养学生的创新意识以及“发现问题、提出问题、分析问题、解决问题”的能力，促进学生养成科学地、有效地自主学习的习惯。

二、基于我校客观实际的PI互动教学模式的建立

（一）基于PI教学法的互动教学

根据我校的实际情况，我们制定了如下具体实施方案：

课前互动：通过课前阅读指定的大概20分钟的内容，让学生对上课内容先有粗略的了解之后，在课堂上回答1～3个问题，教师统计学生的反馈情况，实时了解学生对知识的理解程度，更准确地把握学生真正的问题及困难，适当地安排课程内容，由此避免了当前物理教学普遍存在的“内容面面俱到，导致学生厌烦”的问题。

课堂互动：此课堂时间可分成几个小节，每小节开始一段时间，由老师重点讲主干内容，特别是针对学生课前阅读时所反映的难点。之后，教师给定几个根据历年教学经验而确定的概念性试题。借助课堂应答系统的发送设备学生发送答案，借助课堂应答系统的接收设备和课堂多媒体设备实时地接受学生答案（通常有4－5个选项）并直接地将答案的分布情况以柱状图的形式展示出来。如果正确率适中，则让学生相互之间展开讨论、交流。学生需要向周围同学或小组成员阐述自己的观点，并且尝试说服对方或者接受对方的观点。教师在学生间走动，聆听学生的讨论，并适时给出一些建议加以引导。讨论完成后，再次要求学生重新发送答案、教师统计，这一次的正确率通常会很高。最后教师梳理最佳思路并进行针对性讲解。在此过程中，学生会不断反思自己的理解，澄清错误的想法。这样一来，课堂教学对学生而言不再是无聊的被灌输的过程，反而变成一个必须全心参与、并与自己切身相关的历程，也使得学习的过程变得更有趣、更有意义；与此同时，教师的角色也发生了转变，再也不是信息的传递者，而是过程的参与者，他需要观察和聆听学生的问题、把握学生的思维脉络，实时了解学生对所学概念的理解、掌握情况，准确有效地提供协助，同时有利于教师实时地调整接下来的教学内容。从而实现了课堂教学的实质性的“互动”。

课后互动：通过教学辅助论坛的形式构建师生交流平台，目的是提高学生参与课后复习的积极性，帮助学生“温故知新”。

考核互动：为了达到更理想的教学效果，我们还对课程的考核方式进行了大胆的尝试，建立“半开卷”期末考核与“参与式”平时考核相结合的考核评价体系：（a）“半开卷”期末考核占总成绩的50%，具体实施方案为：考试前两周，发给每位学生一张A4纸（称为半开卷纸），允许学生写上公式、知识点等任何其认为在考试时需要参考的信息，考试时带入考场，在交卷时，此半开卷纸需按要求粘贴在试卷指定的位置上，将作为卷面打分的一部分，老师可根据半开卷纸上学生总结信息的系统性、条理性给予评价打分，占卷面成绩的20%。以此种形式督促同学考前认真复习，将所学知识加以系统归纳、整理和提炼，使所学知识系统化、条理化，将学生从机械的公式记忆与数学推导中解放出来，使学生能将精力集中在将所学知识和思想方法的归纳综合运用上，引导学生注重创新意识与思维能力的训练。此外，试卷也由“知识再现型”题目的考查转变为侧重知识的综合应用和创新能力的题目的考查，籍此充分发挥数理基础课程启迪心智的作用；（b）“参与式”平时考核占总成绩的50%，主要是借助课堂应答系统和教辅论坛中的软件程序记录学生参与课堂互动的次数及正确率、课下参与讨论情况等信息，并通过换算公式得到平时成绩。这样一来，学生就会积极参与到每次师生互动活动中来，从而提高学生对所学知识的吸收效率。

（二）具有自我知识产权的课堂应答系统（CRS）的建立

虽然在实施教改的初期阶段，我们购买了成型的课堂应答系统（Classroom Responding System，CRS），但是使用过程中，我们发现仍然存在很多方面的欠缺，不符合我校师生的需要，而这些问题若由生产商来解决，成本过高而且周期太长，同时也不利于教学法的推广。故此我们开发了具有自我知识产权的课堂应答系统，这套系统已经很好的运行在大学物理课堂上，由于去除了使用者与开发者的交流障碍，使得设备能更好的服务于课堂教学和课后教学总结。图2和图3是基于短信平台的课堂应答系统结构框架和实现效果。

图2 基于短信平台的课堂应答系统结构框架

图3 软件界面截图

（三）内容丰富的概念性试题库的建立

概念性试题（Concept Tests）是交互式教学的关键，其设计的好坏决定能否引发学生的思考及讨论，进而影响PI互动教学的成效。因此，建立适合我校学生且数量丰富的题库是必要的，但很难以一人之力达成。由于以问题为基础的教学方法很多，因此相关的网络资源也相当丰富。本项目通过多种方式来逐渐建立丰富的概念性试题库，总结起来主要有以下几个来源：（a）参考哈弗大学Mazur教授出版的《Peer Instruction》［6］及其翻译版《同伴教学法》［8］；（b）国外大学物理教材习题；（c）我校教师多年来的实践思考和以往编写的试题集精选；（d）网上搜集相关文献［7，9］；（e）同行交流分享。此外，丰富的题库还应与前沿问题紧密结合，如电磁斗篷、液晶结构、超导、太阳能电池、生物计算、大型强子对撞机、核聚变、量子密约、宇宙大爆炸等方面的问题，这类问题，不仅能使学生开阔视域，还能使学生认清科技前沿与基础知识的关系，提高学习兴趣。

三、实施PI互动教学取得的效果

PI教学法的成功运用，带来了明显的教学效果，具体表现如下：

（一）增强了学生对课程重点和难点的理解与吸收

学生在讨论过程中产生的分歧会使他们怀疑个人看法的正确性，从而寻求更多的信息，对个人知识和结论进行重新组织，促进对物理概念更深刻的理解与掌握；同时在学生相互质疑和解释彼此结论的过程中能产生高质量决策、更高的推理水平、更多的新思想和新方法，以及更好的知识迁移。老师通过聆听学生的讨论，能及时发现学生中存在的错误概念，有的可能是以前我们的教学经验中没有的，有些错误概念甚至也广泛地存在于教师中。

（二）学习成绩的提高

为了考察PI教学法的实施效果，本文作者借助课堂应答系统记录了学生针对某些概念测试题讨论前（Before）后（After）的投票结果，图4展示了针对力学部分的课堂概念测试题在讨论前后学生投票的正确率。由此图可以非常明显的看出，学生简短讨论对于知识吸收的帮助，此外，为了验证PI互动教学的实施效果，基于国际标准知识测试题目“力的概念清查”（Force Concept inspect，FCI）［10］和“力学基准测试”（Mechanics Baseline Test，MBT），我们采用了PI互动教学实施前测试（简称前测）与PI互动教学实施后再次测试（简称后测）的检验手段，进行了检验，结果如表1所示。需要说明的是，两年中所采用的测试题目是不一样的，其原因是，在前测中学生的普遍成绩偏高，不利于后面的教学，学生容易产生松弛懈怠的心理，同时也造成数了据结果区分度不明显，所以第二年我们采用难度较大的MBT试题。由表1可见，实施PI互动教学的班级拥有更好的表现。

表1 实施PI互动教学以来前测与后测中的学生得分平均值

（三）出勤率和学习兴趣的提高

运用PI互动教学后，我们发现，不仅学生的出勤率提高了，课堂注意力也更加集中，尤其是在讨论时，学生更集中注意力、更活跃、更积极思考发表见解。我们还发现，课堂讨论无形中带动了课前与课后的学习，无形中拓展了学习的空间和时间，弥补了课上讨论所花费的时间，。表2是实施PI互动教学对出勤率和学习兴趣的影响的统计结果。

表2 实施PI互动教学对出勤率和学习兴趣的影响

（四）教师的收获

在实施PI互动教学时，教师确实获得了很多的益处：（a）教师可实时了解学生的理解情况，能更好地引导学生学习；；（b）教师可更多投入研究教学、设计教学，教学本身就是一种科研，每一堂课均有教学研究的数据成果；（c）激发学生参与教学，让课堂教学更有效，让任课教师更有成就感；（d）教师观念发生了实质的转变：由教“书”到教“学”。重要的不是教师教授了什么，而是学习者学到了什么、怎么学到的，教师的作用不再是将知识和技能传授给学习者，而是帮助学习者将其转化为自己的知识和技能，并学会如何转化。

四、结语

PI教学法已经被世界各国不同学科领域的教师认识和接受，并在课堂教学中应用。借助于各类课堂回馈系统支持，PI教学确实取得了不错的成绩。但也面临一些如互动问题的设计要求较高、课堂讨论时间把握较难等问题。不过，我们相信它必将引领一场以生为本的教学改革。在广大同行的共同努力下，一定会取得更好的教学效果。

［1］李宏荣，等．以创新人才培养为目标的大学物理教学改革［J］．中国大学教学，2013（08）：19－21．

［2］赵远，等．探索大班课堂互动和累加式考核教学新模式［J］．教育教学论坛，2012（04）：48－49．

［3］张萍，等．基于同伴教学法的多元化评价模式研究——以大学物理课程为例［J］．中国大学教学，2013（09）：60－62．

［4］张立彬，张功，李广平，哈佛大学有效提升物理教学质量的举措分析［J］．大学物理，2011（12）：p．48－53＋64．

［5］张萍，刘宇星，同伴教学法在大学物理课程中的应用［J］．物理与工程，2012（01）：41－43．

［6］Mazur，E．，Peer instruction：A user＇s manual．1997，Upper Saddle River，NJ：Prentice Hall．253．

［7］Crouch，C．H．and E．Mazur，Peer instruction：Ten years of experience and results．American Journal Of Physics，2001．69（9）：970－977．

［8］张萍．同伴教学法－大学物理教学指南［M］．北京：机械工业出版社．2011．

［9］Gok，T．The impact of peer instruction on college students＇beliefs about physics and conceptual understanding of electricity and magnetism．International Journal of Science And Mathematics Education，2012．10（2）：417－436．

［10］Kalman，C．S．M．Milner－Bolotin，and T．Antimirova，Comparison of the effectiveness of collaborative groups and peer instruction in a large introductory physics course for science majors．Canadian Journal of Physics，2010．88（5）：325－332．