我的教育梦与物理教学中的技术运用与创新

Alexander Shvonski 江丰光 熊博龙

[摘 要]美国科学院院士大卫·普里乍得（David E. Pritchard）教授在教育技术与物理教学实践中投入了大量的时间与精力，既是一位科学家也是一位教育家。访谈主要内容包含：普里乍得教授的教育梦、创新教学平台的设计、高校教师的教学建议、信息和通信技术在教育的未来趋势。普里乍得教授是麻省理工学院物理系的终身教授。他的研究成果横跨现代原子物理学，包括激光光谱学、原子—原子和原子—分子碰撞、原子线拓宽、范德华分子、原子光学、原子诱捕、精密质量测量、无玻色爱因斯坦凝集物和玻色爱因斯坦凝集物的原子干涉测量，以及使用超冷玻色子和费米子的凝聚态物理学。他是美国国家科学院院士，美国艺术与科学学院、美国科学促进会、美国物理学会和美国光学学会的研究员，曾获得APS颁发的Broida奖和Schawlow奖，OSA颁发的Max Born奖，以及IUPAP基础计量学高级科学家奖章，指导过4位国家论文奖获得者、3位诺贝尔奖获得者（其中1位将奖牌赠予他）。他毕生对物理教学充满兴趣，也为麻省理工学院物理系的第一位专业协调员，曾获学院院长教学与指导奖和Earl M. Murman本科生指导优秀奖。他的教育研究小组开发了一种创新的物理课堂学生问题教学法和物理学入门的在线教学平台（http：//relate.mit.edu/）。

[关键词]ICT;物理学教学;MAPS教学法;创新教学;教育技术

[中图分类号] G420 [文献标识码] A [文章编号] 1005-4634（2021）01-0001-06

采访者：请谈谈您的教育梦。您之前从事的很多物理教学研究都与教育技术相关。现在，咱们谈谈您当前的项目与教育理念。

普里乍得教授：现在大部分学习是在学校环境中进行的，所以咱们先从关键问题说起。你希望你的课程能改善或改变学生哪些想法？知识还是能力？答案是不同的。以牛顿力学入门课程为例。在麻省理工学院，我们的目标是解决问题的能力;而在高中，目标可能是对代数的兴趣和技能，或者可能会强调实验室的实践评估和建模能力，或是新科学的发展，或者是风力涡轮机与医学应用等有用的知识。

但无论你的目标是什么，都需要对其进行有效评估。在课程前后对学生的学习成果进行综合评估，我们就能及时了解学生是否进行了有效学习。这一点怎么强调都不为过。研究表明，学生对教学的评估（例如“你在这门课程中学到了多少”）非常不可靠，并且与学习时长无关，依靠教师组织的考试也不客观。现在最理想的情况为：你的整体教学法以模仿指导和干预相结合的方式，挑战每个人，并保持他们的兴趣——就像私人家教那样。例如，假设你是一位很富有的希腊船东，为你的孩子们请了一位私人家教。孩子们想去罗马，你会担心他们的拉丁语是否够好。你会给孩子们做一场标准的拉丁语考试，还是会询问家教老師孩子们的拉丁语是否够好？能否使其在罗马的食宿、学习、文化等方面（的知识储备）都获到保障？很明显，家教在很多层面上与他们交流，可以给出最好的答案，可能还调动了孩子想去罗马的积极性。这就是评价应该嵌入在互动教学中的理念。

现在有一种新的共识：学校的最佳做法是互动式学习，将教学和评价混合在一起。学生先自主学习基础知识并完成家庭作业，然后在课堂上进行互动式的小组合作，加深理解（如翻转课堂）。事实证明，这种教学法肯定比标准的讲授——背诵式更有效。此教学法需要大量不同类型的活动：课本、视频、在线教学和家庭作业、一些课内练习的纸上作业、书面活动（因为有些测验问题，比如做证明，不能在网上打分）、协作工具、论坛讨论，以及大量具体的评估类型：在线与纸上测验、考试。

重要的是，若这些活动都放到网上，数据便很容易获得。研究人员和顶尖导师们可以看到学生在不同活动中的学习效果，从而能够有针对性地改进教学内容。前面我们讨论过改进问题，但即使是视频这类的偏被动式教材，也可以研究学生的视频观看记录，如哪些内容学生会跳过？哪些内容学生会反复观看？你可以询问学生对电子课件的不懂之处。这些都反应教学材料中的内容和效果。所以，除了提出新的教学法，改进目前的教学法也能够真正地帮助教育工作者。

采访者：所以您希望从学生与这些问题的互动过程中收集到元数据（metadata），而这些题目的本身又都是物理教学研究的问题，平台信息的更新是基于学生学习成效所生成的元数据吗？

我真正好奇的是，您打算如何让老师们使用这些数据——说说您创新的教育平台吧。

普里乍得教授：你说得很对，教学活动的安排需要元数据的支持。教师根据所选择的教学主题分配难度适中的、适合课堂或家庭作业等材料。因此，它需要元数据，包括主题资源、次主题和学习目标、资源的设计使用方式（如课堂练习、学习评估、前导的教学……），以及难度和完成时间等数据。

如果教师不使用这些资料，这种收集的资料就没有意义，所收集的数据也是无用的。要让这个教学系统被采纳，就需要为教师提供一个无法拒绝的方案。它必须解决教师2个最大的痛点：（1）必须开发、部署和评定一个完全混合的课程（a fully blended course）;（2）必须同时教授好几门这样的混合课程。痛苦的原因是：与传统的讲授式课程相比，教授混合式课程需要更多组织方面的付出与更多的素材，而传统的讲授式课程只需要教科书和出版社提供的辅助材料：PowerPoint讲义、在线作业系统。如果作业系统不包含测试，可能还需要一个专门的测试工具。

以我在麻省理工学院讲授的力学入门混合式课程为例。每周我们都有2个预习作业：结合教学视频、电子文本、物理仿真实验和需要通过学习在线教材后直接在线回答的问题，学生都可通过上网学习教学内容——这些作业均于周一和周三上课的前一晚提交。这些课程包括各种在线和书面任务，学生课堂上大部分时间在黑板上做课内的问题。课堂内的任务和课程笔记需要提前为学生打印出来。一个作业为每周四网上提交，另一个作业为每周五书面提交，最后周五布置包含书面和网上部分的课堂测验。至少要协调好10种不同的事情！所以为了确定周五的书面小测验的问题是否给了学生，我必须把6、7个网上的教学任务都检查一遍，因为我根本记不清每个作业、任务、练习的内容。我在几位博士后的协助下耗时几年编写这门课程的教材，并年年或多或少地修改。

以教学为主的教授必须同时教2、3门课，而兼职教授（两年制学院的主力）往往要教4门课！（在美国，一部分在2年制学院里选修物理学的学生都由兼职教授授课）。这些教授不可能自己组织2门像我这样复杂的混合课程。

因此，我们新平台主要的吸引人之处在于一套超完整的混合课程。这将使教师们排除掉时间或兴趣的借口——让老师像以前一样方便地使用教材。随后，教师可以按照修改后的形式再次开设这个课程。这将吸引许多年复一年地教授相同课程的教师。事实上，很多老师都在使用之前教过课的授课材料。从本质上说，我们在同一平台上提供了一个完整的课程——甚至比出版社提供的典型产品组合（电子文本、作业系统和测试题库（test bank）等）还要好。

只教授1门新课程的教授们可能想做一些修改，甚至形成1门全新的课程。我的梦想是有一个经过审核和筛选的计算机中央图书馆，有足够的元数据。重要的是，这将与强大的过滤功能和通过“一键分配”而实施搜索的功能相结合。任务可能是一个家庭作业、一个伴有同伴教学问题的PowerPoint，或者是需要小组讨论来解决的任务，这些问题会被打印后分发给班级同学。任务布置的过程很简便，也很容易纳入成绩册中。还有一个好处是，几乎所有的活动互动都会被记录在一个计算机日志文件中。这将使研究者有机会看到教学法的效果，并找到学生常出现的错误，使计算机程序更具备可适性。

其中，一个关键点是“闭环”——利用实时处理学生的交互数据来优化学习过程，最终提出下一步的做法。对学生来说，实时为5秒;对老师来说，实时为他们下一次与课堂授课之前，它可能会给教师们提供一些条形图。“这周，我们在做动量。在质量中心上花了多少时间？在碰撞上花了多少时间？在动量不守恒的问题上花了多少时间？动量的问题做得如何？上课之前的一些问题做得又如何”？数据显示，教授们当看到这样的数据时，会修改教学内容并调整作业的布置，以使教学更具针对性。

以《掌握物理学》为例，该书在商业上取得了巨大成功，在市场上的渗透率高达近50%。新的畅销教材在第一版出版当年，大约会卖出40 000册。而物理学的在线教学系统，每年大约有400 000学生使用。因为使用在线教学系统的学生数量庞大，我们可以从中收集更丰富的数据。这个在线教学系统被采纳后，可以根据收集的数据情况不断优化，以使教学效果越来越好。

采访者：您已经构思了这个平台，如何实现该平台？

普里乍得教授：我现在和哈佛大学、麻省理工学院的几位教授合作，但进展不太顺利。我们在EdX平台通过其强大的视频播放功能和教学材料教学，正努力将以前运行过的课程置于我们的系统中，并将所有资源按照任务与子任务的分类，紧凑地显示于系统之中。每个资源都有动态的元数据，如时间、难度、第一次和最后一次尝试的成功率等。我们将在系统中添加不同静态元数据，如主题、副主题和预期用途等静态元数据。事实上，我们已经有了这样的原型，并在每门课程中为大约1 500个资源添加了这样的元数据。因此，我们已经接近于在一个可搜索的库中，拥有来自单个课程的所有资源。剩下最大的任务是将第二门课程的资源添加到该库中，这对不相关的资源来说很容易。但在新的课程中，往往有一些资源与库中已有的资源高度相似。那么你要选取较新的版本（通常更好一些），同时要选择元数据较好的版本，并加上一些关于难度与时间的数据，尊重学生的能力。教师也可以选择不同的版本（新版本和库中原有版本）。当两个类似的课程资源在资源库同时出现时，我们会调整课程资源的排序，以保证每个资源都有确定的版本。这样就可以自动更新旧课程，并创建新课程。

最后，我们非常希望这个平台能够结合一些特定的教育技术来做一些特定的工作。例如，一个用于同伴教学的实用工具可能会收集点击器（clickers）的数据。如果需要的话，将条形图显示给学生，并随后向全班同学提出同样问题后，记录改进的情况。或者有人想出一种非常模块化的教学方式，你可能会进行一个小测验，随后进行指导，之后再进行一次相似的测验。所以，学习管理系统中分配的一些内嵌框架可能是个好主意。优化平台的任何模块都必须将学生使用的数据，无缝地添加到我们的数据日志中。有些商业化的学习管理系统是可以改编的，但可能大家不愿意花钱。所以，我们考虑开源。

采访者：您对高校教师有哪些总体性的教学建议吗？

普里乍得教授：首先，教学主任或学科领头的教师（head teachers）和几个修过这门课的学生应该坐下来思考：我们要教什么？与没有学这门课前相比，学生在课程结束后能够掌握哪些新知识？

以概念测试（conceptual tests）为例，教师做一个前测与一个后测，以了解该课程在教授概念方面的效果。概念测试可以是一个传统物理问题的测试，也可以是你想教学生用力学原理来思考的方式。这对我们麻省理工学院的学生来说非常重要。我们正在开发一个名为“Mechanics Reasoning Inventory”的评估量表。

你必须决定你要做什么样的教学方案。教学设计方案取决于之前修过该课程的学生的学习经验和他们在课程结束后能在生活中运用并解决事情，而我们对此也做了一些研究。我们实验室已发表的一篇优秀论文显示，大部分学生主修专业学科（人文科学、经济学、音乐、生物工程等专业）和物理专业差距较大的学生，在毕业当周所测试的物理分数约为其作为大一学生时分数的40%。这与21世纪初的研究结果一致，或者说略胜一筹。为什么要将高度专业的知识教给一个不准备读物理学的学生呢？他們可能会忘记60%的知识。当你传授学生的知识属于他们不将用到的领域时，学生就会记不住。

另一方面，我们发现在概念测试中，很多问题都是以图表的形式表现。比如，会用图表的形式呈现“这里是位置与时间的关系，速度是多少？这里是速度与时间的关系，平均速度是多少？”我们发现，高年级的学生就此问题的表现明显好于大一学生。我认为，当教师传授一些学生会不断使用的知识时，那么学生不但不会忘记，而且将学得更好。这个教学的方式也适用于写作技巧和批判性思维能力的教学。你可以明确地教授学生不同的思考习惯（今天我不会展开这一点），即学生当写完作文或完成问题的解决方案时，能不能培养一种批判地思考问题的思维习惯。这是批判性思维的一部分，即“评价一种主张”，也是批判性思维的核心部分。我认为思维习惯和思维技能的培养非常重要。

最重要的是，你一旦能与学生互动，就应该互动，而不只是传递知识;即使让他们观看视频，也应该将提问穿插于视频观看之中。因为看视频不应是一种被动的活动，否则教育价值不高。事实上，也有一些很优秀的相关研究，其中一项研究由我崇拜的Mickey Chi所做。她的研究显示，两个学生观看同一专家辅导学生的视频，若二者以互动的形式看视频，则他们所学到的知识和视频里的学生一样多。鉴于此，学生得坐在一起观看，甚至还应回答一些问题。研究显示，学生学到的东西和被家教所辅导的学生一样多。现在家教的学费为100美金/时，而看视频的费用为不到100美分/分。每1美元的学习收益是如此巨大。

据此，我认为这是巨大的机遇，可以真正从本质上改变学生在网上的学习活动。然而，让我非常失望的是，很多在线教学法往往是“数字恐龙”（digitizing the dinosaur）。我说的恐龙指的是授课式的教学。老师们说：“我们要把讲课视频化了，现在我们可以让它的质量更高了。”

然而，当我们将学生坐在讲堂上的被动学习方式，转变为在家看电脑视频的方式时，学生的参与度更低了。它确实有一个优势，即学生可以回放（视频），也可以把视频暂停并思考视频所传递的内容。因为在传统授课时，你做不到这一点，这是个大问题。

采访者：您提到了基于研究的教学。请问您是如何鼓励学术同行和同事们每学期根据研究的情况来修改教学？

普里乍得教授：我认为大多数大学教授没有精力、时间或个人意愿去系统地衡量学生在课程中的学习情况。他们只是在想：“我们能在教学上调整哪些不足之处”？有些研究机构开发了学习测验与诊断工具和相对应的评估材料（见physport.org网站信息）。LASSO网站也提供了相应的诊断工具，即使这些学习诊断工具是免费的、可下载的，在我看来，也没有充分地应用在教学上。

教师可通过数据分析得出大一新生在第一学期的物理课程结束后，学习兴趣是否降低。因此，我说服我校物理系教授使用“科罗拉多州学习态度调查问卷”来诊断并改善薄弱的教学环节。我督促同事们“衡量你在目标达成方面的教学效果，以找出自身的不足之处”。他们如果进行了教学评估，就会说“好吧，我们改变一下教学法，或者更新一下授课主题的顺序”。我强调不需要制作新内容，这不是问题所在。之前，我提过此问题，即两个物体越过滑轮的问题，测量加速度及验证运动定律的机械（Atwood's machine，又译作阿特伍德机或阿特伍机）。如果使用谷歌搜索“阿特伍德机视频”，我将得到大约9 000个由教授们上传的视频，以解释相关事物，也会有二三十个视频比我制作得更好、更适合我的学生，只是我还没找到它们。鉴于此，新内容的产生并不重要，重要的是内容的有效性。

使用在线平台进行物理教学后，你就可以用更复杂的方法评估自身教学。比如，在心理测量中测量题目本身的区分度，指在这个领域中表现较好学生的成绩超过了较差学生的程度。一个低区分度的问题是“《自然哲學的数学原理》（英文名为《Principia》，作者为牛顿）出版于哪一年？”这种区分度的问题，并不能体现回答不出答案学生的学习能力和学习效果比回答正确的学生差。有可能一些历史爱好者知道这个答案，却并不精于物理解题。所以，该问题的区分度会很低。如果我问这个问题，它不会有助于学生学习我想让他们学习的知识，即如何将牛顿物理原理应用于新奇的现实世界这一问题上。一般来说，低区分度问题应该从作业中删除，除非测试内容为你特别想让学生学习的知识。

另一方面，你应该保留那些高区分度问题，并努力弄清楚“这些问题到底考核学生哪些概念”。很显然，做得较好的学生是因为就此问题学习得较好，而成为学习表现更佳的学生。所以，区分度是一个指标，指向具体哪些问题对学生的学习至关重要。

假设我们的同事接受指导原则：教育改革应以教育研究为指导依据。一般情况下，研究型教师对自己的研究领域都很熟悉，非常多的证据可以证明，将这种研究模式应用于自己的教学，就会产生很大问题。与大多数物理领域（我的研究领域是原子、分子和光学物理）相比，相关的教育研究等文献大概是物理研究的20倍。广义上讲教育研究有：通识教育、心理学、认知科学、课堂管理、问题解决、各种教学法如项目式学习等。此外，还有学科性的教育研究，这些研究都是针对教师所教领域的具体研究——研究学生常见的错误概念，并纠正这些错误概念的教学法。这种教学法通过各种教学技巧，如小组讨论、同伴指导、物理实验研究、启发式问题的任务解决，而这只关注答案的合理性。总之，不同领域有很多独立的研究机构，有的属于特定的学科。你应该了解上述的一些内容，以成为在课堂上应用基于研究的方法与材料的好老师！总之，期望大学教授了解教学相关研究，甚至具有大量教学相关知识并不现实。

回到你原来的问题，那么“如何采取基于研究的教育？”卡尔·维曼（Carl Wieman）提出了一个特别成功的方案，并写了一本很好的书——《从科学教育课的行动项目中改进大学科学课堂教学》，描述了一系列过程与步骤，以使一个部门可以进行基于研究的改革。他特别强调要让系里的老师们得到最初的支持与同意，强烈建议任命一个以学科为基础的研究员。该研究员的岗位应设于部门内，热心帮助教授们实施教学革新，并就如何验证教改的效果及支持奖励制度上提出建议，鼓励教师以这种方式教学。

采访者：但是，那些想进行研究型改革的教授们，在没有部门和（财政）机构大力支持的情况下，应该如何做？

普里乍得教授：我们必须有这样一个教学平台。该平台的中心类似虚拟图书馆，有经过审核的资源。教育研究者、学生和教师都能在这个虚拟图书馆中相遇。该平台能降低教师的教学门槛，减少教师的教学障碍，为学生提供了更好的资源，教学材料可流通，也可以查看使用状况，进而使其有机会改进。据此，这就回到我称之为“梦想”的原因。我一般所说的“闭环”是指系统的自我更新与反馈。

我们的想法是，你首先要确定一个目标，如更好地解决物理问题、学习到概念性知识与技能、可设置学生答案检核所完成的目标等。然后，你以此标准衡量学生在达成此目标上的学习状态。在教改前，教师应先做一些测量，然后阅读例如Docktor和Mystre的《PER物理教育研究综述》（见https：//journals.aps.org/prper/pdf/10.1103/PhysRevSTPER.10.020119）这样的文章，可以了解哪些类型的教学法能成功地达到你的特定目标。在采用了那些看起来最好的教学法后，再重新测量，看看自己教改成功的程度，并改进教学过程，使之更接近教学目标的达成。这个过程可能需要数年的实践，我之前称之为“闭环”（“closing the loop”）。这是工程的根本，本质上也是我们在科学更抽象层面上所做的事情（其目标是产生新的理解）。然而几乎所有研究型大学里的工程师和科学家们放弃了这种成功的思维模式。相反，他们会说：“我最喜欢的老师都是这样授课的，这样授课已经很好，也形成了我真正喜欢的观点，而这就是我要教的方式”。

采访者：您认为ICT信息和通信技术在未来教育的发展趋势是什么？

普里乍得教授：我在很多教育讲座中，都问过这样一个问题：“如果你的孩子在学校里学习成绩不好，你会不会换老师？会不会换学校？能否为他们多买一本课本？或者，如果经济状况允许，你会请一個私人家教吗？”而你知道吗，连出版公司的员工都会说：“是的，为了我的孩子，我愿意请一个专业的家教。”所以，我希望这种高度互动且个性化的教学，有一天能够通过信息技术来实现。

这一切都将遵循我所期望的课堂理念——运用科学和工程的原理形成教学闭环，这样不仅是个性化教学。比如，针对学生的错误答案能给出特定的回应。除此之外，个性化教学中，程序会像一个好的家教，了解学生的情绪（他们今天是否快乐、悲伤、精力充沛等）、兴趣、学习方面的长处与短处，能够用学生觉得非常有趣的方式来解决问题，能够发现学生更深层次的弱点与理解错误，然后和学生互动，加深学生对主题的理解和领悟。

在跟一些外行听众交流时，我经常被各种问题困扰。比如：“我们是否应该在课堂上引入点击器（课堂应答系统）？”“你推荐什么在线作业系统？”“我们应该把计算问题整合到我们的课程中吗？”

采访者：这种个性化教学是很有可能通过技术手段实现的。这是否一定会让教师不再被需要？在这种环境下老师有何作用？

普里乍得教授：也许最终是的。我有时会说，教育技术的发展有3大阶段。第一阶段是技术能够真正帮助教师改进教学;第二阶段是技术完全取代了我们教师的位置;第三阶段是技术也取代了学生的地位！我们已经处于第一阶段，而且很可能在很长的一段时间内都会处于这个阶段，并从中受益。