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用刻意練習原則教物理

英屬哥倫比亞大學的課程有850名學生聽課,分別在三個地方上課。該課程是核心的物理課程,主要授課對象是一年級工程專業學生,其物理學概念用微積分來教,希望學生們學會解答數學運算量很大的問題。授課教授的教學技能得到高度認可,在這門特定的課程上從教多年,而且學生們對其評價很高。他們的教學方法相當標準:首先,在一間大型的教學廳內每週上三次課,每次播放50分鐘的幻燈片講座,然後每週佈置家庭作業,並且有輔導的環節,在該環節中,學生們將在一位助教的監管之下解答習題。

韋曼和他的同事選擇了其中兩個地方作為他們的「實驗場」,每個地方大約有270名學生。在第二個學期的12周時間裡,兩個地方中的一個將像平常那樣,繼續由教授採用傳統方法授課,而另一個則會以截然不同的方式來教學生電磁波知識。在兩個地方上課的學生,盡可能保持相似:兩個班級的學生在期中測試中的平均分數完全一樣;第11周時進行的物理知識標準化測試,兩個班級的平均分數也一模一樣;在第10周和第11週期間,課堂的出勤率完全一樣;同時,在第10周和第11週期間,兩個地方的學生評估的參與程度也一模一樣。簡單地講,到那個時候為止,兩個地方的學生基本上在課堂行為以及他們對物理知識的掌握等方面完全一樣。但到後來,那種情況將會改變。

在第12周,一個地方的老師仍舊像平常那樣繼續教學,而第二個地方的老師則由韋曼的兩位同事來代替,即德斯勞裡爾斯和謝盧。德斯勞裡爾斯作為主講老師,謝盧擔任他的助手。他們二人此前都沒有過上課的經歷。德斯勞裡爾斯是一位博士後學生,曾接受過一些關於有效教學方法的培訓,特別是曾在「卡爾·韋曼科學教育計劃」中學習過怎樣教物理學。謝盧是一位物理專業研究生,曾舉辦過一次關於物理學教育的研討會。兩人都曾擔任過一段時間的助教。但是,與在另一個地方繼續以傳統方式教學的教授相比,他們二人在課堂上的經驗少得多。

斯勞裡爾斯和謝盧採用了一種新的方法來教物理,該方法是韋曼和其他學者通過運用刻意練習原則研發出來的。在一周的時間裡,他們讓學生採取與傳統課堂中完全不同的模式來學習。每次上課之前,兩人要求學生朗讀一段從物理學課本中摘下來的內容,一般只有三四頁紙那麼長,然後再完成一個簡單的在線判斷題測試,看一看他們對剛剛朗讀的內容掌握了多少。目的是讓他們在來到課堂之前,先熟悉課堂中將會講到的物理學概念。(為了達到均等的目的,在傳統課堂中上課的學生,也要求在這一星期之內預習新課的內容。這是傳統課堂上唯一的改變。)

採用刻意練習方法的課堂,目的並不是向學生灌輸知識,而是讓學生練習像物理學家那樣思考。為了做到那樣,斯勞裡爾斯首先將學生分成幾個小組,然後提出一個「課堂問題」,也就是說,學生們在線回答該問題,剛一答完,答案便自動發給老師。這些問題的選擇,目的是讓課堂上的學生思考一些概念,這些概念對大學一年級的物理系學生來說有一定的難度。學生們可以在小組中探討每個問題、說出答案,然後由斯勞裡爾斯告訴大家標準答案,並圍繞該答案來闡述,同時回答學生可能提出的任何問題。這種討論使得學生思考那些概念,尋找概念與概念之間的聯繫,通常不只是停留在被問到的特定課堂問題之上。有些課堂問題在課堂中提出,但有時候,斯勞裡爾斯先說出一些想法供學生思考,然後再找另一個時間,讓學生在小組中討論某個問題。還有些時候,如果學生們難以理解某個特定的概念,他可能會舉行一個迷你講座。每一堂課還包括「主動學習任務」的環節,在其中,各小組的學生要考慮一個問題,然後單獨寫下他們的答案,並將答案交給老師,在此之後,斯勞裡爾斯會再次回答那些問題,指出學生們的錯誤。在上課期間,謝盧會在各小組之間來回走動,回答學生的問題,傾聽學生的討論,並且辨別在哪些方面還存在問題。

和傳統的課堂相比,在他們的課堂上,學生們十分積極地參與學習。韋曼的研究小組使用的對參與度的測量表明了這一點。儘管在第10周和第11週期間,兩個地方的學生在參與度上並沒有差別,但在第12週期間,斯勞裡爾斯所教的班級的參與度幾乎是傳統課堂上參與度的兩倍。

不僅僅是參與度更高。斯勞裡爾斯班上的學生能夠獲得關於他們對概念理解情況的即時反饋,他們身邊的同學以及老師都在幫助他們澄清謬誤。韋曼等人設計的課堂問題和主動學習任務,目的就是讓學生們像物理學家那樣思考,也就是說,先以正確方式理解問題,然後想出可以運用哪些概念,接著再從那些概念中推斷出答案。(傳統課堂中的老師在上自己的課之前,先觀摩了斯勞裡爾斯的課,然後在他自己的課上選擇使用許多相同的課堂問題,但並沒有用這些問題來引發學生討論,只為了向班上學生表明有多少學生回答正確。)

最好的教學效果

到第12周結束時,兩個地方的學生都接受了一次多選題測試,以瞭解他們掌握了多少內容。斯勞裡爾斯和傳統課堂上的教授一起為測試出題。所有的物理老師和教授一致認為,這些題目很好地衡量了那個星期的學習目標。測試題目非常標準。事實上,大多數題目只是在其他大學的物理課上一直使用的課堂問題,只是稍微作了修改。

在傳統課堂中上課的學生,平均得分為41%;而在斯勞裡爾斯的課堂上,平均得分為74%。這顯然是巨大的差別,但鑒於學生們即使是隨機猜測,也可能得到23%的分數,於是,稍稍運用一下數學知識,你便會發現,傳統課堂中的學生,平均起來只知道那些問題中的24%的正確答案,這與運用了刻意練習原則來設計的斯勞裡爾斯的課堂中大約66%的正確答案相比,差別可謂巨大。刻意練習課堂上的學生,與其他課堂上的學生相比,正確回答的問題個數超過了2.5倍。

韋曼和他的同事使用統計學術語「效應值」(the effect size),以另一種方式來表達這種差別。以這些術語來說,兩個班級之間成績的差異是2.5個標準差。出於比較的原因,在科學與工程學的課堂中,其他新教學方法的效應值一般不到1.0,而在此之前出現的一種教學干預方法,觀察到的最大效應值為2.0,這還是通過運用個人一對一輔導而實現的。而韋曼的方法,通過此前從來沒有教過課的研究生和博士後學生來教,就實現了2.5的效應值。