| 标题 | 从翻转课堂谈美国教学革新的特点 |
| 范文 | 薛菲+何敏藩 摘要：翻转课堂是近来国际上流行的一种新教学方法。该文通过对美国一所大学翻转微积分项目的详细介绍，探讨了美国教学革新的一些特点和模式。这其中包括了翻转过程中的研究结果，如翻转班级和非翻转班级的成绩统计比较和学生匿名调查。该文还讨论了对高等教育未来趋势的预测与思考，特别是科技发展给教学模式带来的改变。 关键词： 翻转课堂；教学革新；统计比较；技术教育；美国 中图分类号：G633.6 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）29-0122-04 Abstract：Flipping is a new teaching method that is growing increasingly popular around the world. In this paper we discuss some characteristics of teaching innovations in the United States through a detailed description of Flipping Calculus， a departmental project at a private university. Several important research results from this flipping project are presented， including statistical comparisons of the grades of flipping classes to those of traditional lecture classes， as well as a student attitudinal survey. Furthermore， we share our thoughts about the future development of higher education， especially changes that have been brought by the introduction of the latest educational technology. Key words： Flipping， teaching innovation， statistical comparison， technology in education， United States 1 翻转简介 翻转课堂是近来国际上流行的一种新教学方法，意指将传统教学的课内与课后内容互换。具体说来，就是将传统上在课内教师的讲课部分通过学生独立观看在线视频，阅读指定材料或笔记摘要等形式转移到课前进行，而将课后学生需要完成的习题和小练习等动手的部分转移到课内进行。此教学方法的主要目的在于加强学生在课堂内的参与程度，增加教师与学生以及学生之间的互动从而增强学生的学习效率，更好更深得理解知识。在翻转课堂的形式下，学生可以在课前预习上课的基本内容和简单的例子。更重要的是学生可以按照自己的程度来掌控学习的速度，随时对视频暂停，重放，或快进。对教师来说，上课时可大大减少传统的讲解和板书时间，而将大部分课堂时间用来与学生面对面的交流，根据学生在练习中遇到的困难直接并有针对性的进行帮助与指导。 尽管“翻转课堂”这个专门的术语提出还比较新，但是其教育内涵其实已经有一段时间了。它有些类似“Just-in-Time teaching” [5] 和“inverted instruction” [3]。 自2009年开始，随着网络和视频技术的发展，真正“翻转”形式的课堂尝试开始出现 [1， 2， 8， 9]。这些翻转的课程大多集中在工程类和科学类课程，此时的翻转课程基本都是单个教师出于对教学的兴趣及责任感独立摸索。而翻转所需的内容，比如视频，课内练习等等都是教师自己制作完成。每一个翻转课堂都有自己的特殊性，并且存在许多具体的模式，但是总的来说，翻转课堂基本遵循如下的流程。首先学生们需要在课前通过观看预先录制好的视频，或者阅读教师指定的材料，来掌握下节课的一些基本的概念，理论或者技巧。教师往往通过迷你测验或者网络讨论来确保学生完成课前预习；然后课堂的大部分时间用于练习或应用，而且往往以小组的方式进行。教师不断地在课室内逡巡，实时解决学生遇到的问题。学生也会被要求向全班讲解如何解题，然后由教师点评。教师根据学生的实际进度，有时也做一些短小的有针对的讲解授课。这样的教学大大提高了学生的参与度，同时也锻炼了学生的口头表达能力和团队合作能力，课堂气氛也很活跃。 2 哈特福德大学的翻转微积分项目 2.1 哈特福德大学简介 哈特福德大学是美国东北部的一所中型私立大学，每年的秋季会开大约10个微积分（上）的班，每班大约25人。大部分的学生来自工程学院，还有一部分是理学院与商学院的学生。学校对微积分的教学目标是不但要教会学生们必要的数学知识，而且希望能让新生们通过这门公共课程迅速地适应大学，成为有独立学习和主动学习能力的學生。为此在微积分的教学历史上，数学系一直不断地摸索和引进新的教学方法和新的教学工具。例如15年前引入TI-89绘图计算器和WebWork在线课后作业系统，最近10年不少教授使用Clickers学生课堂投票系统，e-textbook电子书，以及Maple Worksheet 专业数学软件等。由于始终贯彻以学生为中心的教学方针，不断创新与吸收新的教学思想和工具，2012年哈特福德大学的微积分课程在美国国家自然科学基金支持的MAA（美国数学学会）大型全美学生教师调查的项目“成功本科微积分教育特征”评比中，被评为全美国十七个“最成功微积分项目”之一。 2.2 翻转准备 几位数学系教授在2012年初通过参加讲座了解到翻转教学后很有兴趣，在全系会议上报告了这种方法。全系同意对微积分（上）进行翻转，并且以团队形式进行。此后，全系教师花费一学期时间详细讨论了微积分（上）所需要涵盖的必要内容和难度要求。同时，翻转团队形成，由六位对此感兴趣的教授自愿组成。 在2012春季学期中，本文作者之一在自己的课堂上进行翻转尝试。目的是希望通过这次小规模的试验来确定翻转是否可行，体会具体的挑战，以及克服一些技术难题。恰好那一学期本文作者教两个大小类似的微积分（下）的班级，便对其中一个班级进行为期一个月的翻转，然后通过两个班级的月考成绩对比来测试翻转是否有效。在此次尝试中，我们发现翻转教学难度最大且最花时间的还是视频制作，除此以外许多课程的设计，包括例题，也需要做出大量的调整。通过对月考结果进行统计分析，我们发现翻转课堂确实提高了学生的学习效果，具体统计数据参见[4]。与此同时，我们还对学生进行问卷调查和小规模面对面谈话，以得到学生们对此方法的反馈与建议。总的来说，这次尝试得到了许多正面的结果[4]。我们积累了有用的经验与教训，为其后大规模的翻转奠定了基础。并且，这次尝试肯定了团队合作形式对建设高质量翻转课程的重要性。 接下来在2012年暑假，翻转团队进行了任务分工。团队制定了翔实的计划与时间表格，其中四位教授进行视频制作，剩下两位教授制作课堂练习题库，课前视频小测验题库，课后WebWork网络作业题库，以及部分Clicker学生投票系统题库。翻转团队使用云服务box.com来共享和沟通各自制作的内容，每一个视频都先做好脚本，团队评论与通过后再录制视频。所有视频都是对计算机屏幕的录制加上配音。在秋季开学前，所有翻转内容全部制作完毕。 由于数学系申请到学校的科技教学资金，用于购买iPad进行教学。在2012暑假期间iPad到位，各种应用安装完毕。每位进行翻转的教授都拥有一套10个iPad，可保证课堂内每2到3个学生分享一个iPad。 同时数学系申请的“新课室”计划得到学校的支持，也在2012暑假期间完成第一个课室的装修（见图1）。此课室配备三个带AppleTV（可无线连接iPad）的投影仪，课室内有8个圆桌，这种课室非常适合以小组讨论和学生讲述为主的授课方法。 此后数学系陆续更新了其他三个课室。为方便考试和每周小测试，以及实现多功能课室用途，这三个新课室使用带轮可分合的弧形桌（见图2）。这种新课室可根据教师的需要，方便地转换成传统成排桌椅课室，小组讨论课室，甚至大圆圈研讨会课室（Seminar Room）。这种课室同样配备三个白板投影仪，可无线实时投影学生写在iPad上解题步骤（见图3）。 2.3 翻转过程 2012年秋季，数学系正式开始翻转微积分（上）的项目。那学期一共有10个微积分班级，由7位全职的教授任课。其中4位翻转团队的教授教5个翻转班级，3位非翻转团队教授教另外5个非翻转班级（传统教学）。学生注册课程时并不知道有翻转班级，完全随机注册。 翻转班级整学期全部翻转。上课流程是学生提前在网上预看当天所需的视频，上课先用5分钟做一个关于视频的小测试，大多是非常簡单的题目或者就是视频里的例子，以确保学生观看视频。然后学生分组，用iPad调出已经预先放在网络上的习题，以小组形式做题。教师不断在教室里逡巡，指点学生，并挑出部分小组将其在iPad上的答案投影到白板上，由学生讲解，然后老师点评。当大部分学生遇到同样困难时，教师暂停所有学生，进行有针对的讲解或授课。课后作业翻转和传统教学班级都使用WebWork网络作业系统。 2.4 翻转结果 在学期初我们向所有微积分（上）的学生（翻转班级和非翻转班级）邀请参加翻转调研，共有112位符合条件（18岁以上）的学生同意我们匿名使用他们的考试成绩等各项数据。其中翻转班级有63人，非翻转班49人。 首先我们在学期第一周对学生进行微积分的摸底测试，目的在于比较两组学生的微积分水平（美国有许多学生高中就开始接触微积分）。统计结果显示这两组学生的微积分水平没有统计差别，可以认为两组学生在期初是同等水平的。 在学期末，所有学生参加微积分统考，考卷由所有任课教授共同命题，共同改卷（一人批改所有学生的同一道题目）。统计结果显示翻转班级成绩领先于非翻转班级（参见表1），具有统计区别，因此我们认为在这一学期中翻转教学提高了学生对微积分知识的掌握，这是翻转的一个重要益处。 我们也对翻转班级进行了匿名志愿调查，有62位学生完成了调查表。结果显示80% 的学生观看了所有视频。74% 的学生认为视频对其理解课程有帮助。另外，尽管我们不要求学生看视频时记笔记，但有82% 的学生自觉对视频进行笔记。超过一半的学生每周花1到2小时观看视频。 在2013年春季学期，我们还进行了一次跟踪研究，目的是比较翻转和非翻转的学生在后续的微积分（下）的学习情况。所有的微积分（下）班级都使用传统的教学方法，且学生注册课程也是随机的。共有82位学生志愿参加了这个研究，其中42位来自翻转班级，40位来自非翻转班级。我们比较了两组学生的微积分（上）和微积分（下）的成绩绩点（最高4分）。统计结果显示，翻转班的学生的微积分（上）绩点比非翻转班的绩点高，而且有统计区别。在学期末统计他们的微积分（下）成绩，这一差距非但没有减小，反而更加拉大了（参见表2）。由此我们认为翻转教学的效果不是暂时性的，而是有长期的效果。而这一长期效果的原因是多方面的，我们认为比较主要的原因在于翻转教学使学生能够迅速完成从高中到大学的过渡，养成独立思考，主动寻求各种知识来源来的学习习惯。同时上课时的小组讨论也增加了学生的团队合作能力，使他们在课外能更积极有效的与同学进行学习上的沟通。更多研究结果可见文章[6，7]. 2.5 精益求精 在第一年取得鼓舞人心的结果后，根据学生们的调查结果，翻转团队于2013年暑假对所有的视频进行了重新制作。这些新的视频使用了大量的软件，比如视频制作软件Camtasia，数学软件Maple和GeoGebra。手写解题部分也可以通过软件后期加速后再配音，因此这种新视频比起原来更加高效，也增强了可理解性。尽管这种视频制作非常耗时，一个10分钟的视频平均需要超过10小时的制作时间，但是翻转团队认为这些努力与时间非常值得。新视频受到了学生们的不少好评。 另外，团队将所有的翻转课堂练习题库与课堂小测验的题目进行了更新与精简。团队发现每节课并不需要像传统课堂一样将练习题覆盖所有知识点，而更应该侧重更难一些的，更能引发思考的题目。 2.6 分享结果 这个翻转项目受到了美国NSF（国家自然科学基金）的资助。根据项目书，翻转团队需要分享与推广这个新的教学方法。翻转团队至今已经发表三篇关于翻转的学术论文，在2015美国数学年会（2015 Joint Mathematics Meetings）和美国数学学会2014数学节（MAA 2014 MathFEST）上分别组织了两次翻转专题的讨论会。另外，团队成员在国际和全国级别的数学会议中共发表了近20次專题报告。 全国范围内还有不少其他教授们在进行翻转尝试，许多人在尝试新方法的时候都会注意收集数据，进行教学研究和统计分析。因此不但许多大型的教育会议上有翻转的专题，一些顶级的数学教育杂志比如PRIMUS，最近都出版了或正在组织翻转专刊。 在我们及其他翻转团队的努力下，数学翻转教学已经慢慢普及到全国各地。随着技术的发展，视频录制的简单化，公共免费视频的日益丰富（例如可汗学院Khan Academy），以及出版界的大力推动系统集成化教材（电子教材自带网上视频和网络课后作业系统等等） ，可以想见在不久的将来，翻转教学将成为常态。 3 美国教育革新的一些特点 3.1 自下而上 美国大部分新的教学方法和新技术，比如早一些的数学在线回家作业系统（WebWork），学生实时投票系统（Clickers），和最近的翻转教学，都是由一线的教员发明或开始试行的。美国的教学比较自由，教授有非常大的自主度。而且大学的教授们，特别是教学型大学的教授们，大多是真心热爱教书，因此不断地有新的方法或技术由教授们提出并实现。这些有经验的教授们最清楚教学中哪些地方需要改变和提高，当技术能够达到时，会迸发出创新的火花。 而学校所做的是鼓励教师进行教学改革和创新。首先各个学校都会肯定教授们进行教学改革的努力，每个学校都非常重视本科教学，因此新方法或新技术的尝试都会在教授学年总结中加分。同时学校尽量不去干涉教授的教学，给予足够的自由度。如果有学生出于各种原因对新方法抱怨的时候，学校会大力的支持教授，尽量为教授教学创新铺平道路。其次学校会尽可能的提供资金和技术上的支持。大多数大学都有专项资金专门资助教学改革，对教授在假期进行教学改革准备也能提供资金补助。另外学校每年提供给教授资金以资助教授去专门的会议或培训来学习新的教学方法。有许多大学还设有专门的部门和人员不断了解新的技术和方法，然后定期开展校内讲座或培训班给有兴趣的教授。 3.2 非营利组织的作用 非营利组织对于新方法和新技术的发明，传播和提高有着非常巨大的作用。首先，有各种级别的基金，从大型的NSF（国家自然科学基金）到私人的地域性基金，不断地资助新的教学创新。哈特福德大学的数学翻转团队就接受了NSF的资助，从而使我们的翻转研究得以顺利展开。并且此基金资助我们团队去各种会议进行报告，令这个新方法得以扩散。其次，各个专业组织，比如全国性的MAA（Mathematical Association of America）或地方性的数学学会，都会定期举办会议，在会议中有不少专题都是关于教学的。对大一些的教学创新也可以组织专项议题，比如我们翻转团队就在两次全国性会议上组织翻转专题的讨论。这对新研究方法的传播和提高有巨大的推动作用。再次，关于教学的期刊也会就某一新的教学方法出专刊，邀请多个专家从各方面来讨论这种新方法。比如PRIMUS就在2014-2015进行了一期翻转的专刊。美国的教学创新研究注重统计数据，大部分的期刊文章和学术报告都建立在统计数据基础上，用数字说话。 3.3 商业操作 美国的教科书出版是一个很大的产业，因此有不少大型的出版商。出版商也会非常关注教学创新特别是新技术，现代的出版商远不止出版纸质书本。例如1995开始由罗彻斯特大学几位教授创建的网络作业系统WebWork，于2005年前后成熟起来，在全国开始流行。这一开源技术在众多教授义务参与下不断完善，题库也在不断增加。但同别的开源技术一样，要采用这个系统需要一个学习过程，而且系统也不是太稳定。而出版商们近年来纷纷开发自己的网络作业系统，比如Pearson 的Mymathlab。这些系统与出版商的教科书结合，操作简单且系统稳定，所有的教科书上的课后习题已经自动包括，因此越来越受到教授们的欢迎。但这些商业系统一来要收费，二来没有开源系统那么大的题库和自由，所以依然有许多学校采用开源系统。免费与商业系统互相促进，良性竞争。因此当今一些重要的课程，比如微积分，大型出版商推出的都是一整个系统，包括纸质书本，电子书，PPT课件，在线回家作业系统等等。 最近翻转教学开始慢慢流行，出版商敏锐的纷纷开始开发自己的配套视频。事实上以前有一些电子书已经包含了一些小视频，但那些视频还是比较基本的讲解视频。现在出版商们正在大力开发高质量的，运用多种技术的高效视频。可以想见在不久的将来，出版商推出的系统里会包含系列高质量视频，使得翻转教学更加简单。但同其他商业产品一样，出版商的视频都是“标准”视频，对一些教授需要更个体化，更适合不同教学要求的视频，估计还将是自己录制。随着视频软件的发展，自己制作视频也会越来越简单。 4 对未来高等数学教育的思考 科技的迅速发展已经大大改变了人类的生活方式，在高等教育领域，教学模式也将迎来大的改变。笔者认为，在本科教育阶段，教授的主要教学工作是“授业”和“解惑”。在过去，传统数学教学模式下教授更多的偏向“授业”，上课基本是教师在对着教案讲解，学生们则就是记笔记。课堂上很少学生参与，更不用说小组讨论了。随着技术进步，“授业”部分在将来可以由云端教材系统由学生自己完成。基本的概念，定义，方法等等，学生完全可以在课前用不长的时间来自己学习，这一步骤还能培养学生的独立学习能力和主动学习能力。而教授们将偏重于更为复杂的“解惑”，这并不是习题课似的答疑，而是要用教授丰富的知识和经验去创造“惑”，进而解决“惑”。我们都知道，数学学习必须使学生真正参与进来，光坐着听听是不能真正学会的。战国的荀子就已经说过：“不闻不若闻之，闻之不若见之，见之不若知之，知之不若行之。”这说的是学习的几个阶段：听，看，理解，应用。可见实际参与其中是学习的最高阶段，也是最为有效的。 |
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