Comparing the Effectiveness of an Inverted Classroom to a Traditional Classroom in an Upper-Division Engineering Course

Citation:Mason G S, Shuman T R, Cook K E. Comparing the effectiveness of an inverted classroom to a traditional classroom in an upper-division engineering course[J]. 2013.

所谓的翻转课堂也就是在课堂以外的时间观看教学视频,这样的话可以将课堂时间释放出来,用于以学生为中心开展的活动,例如互动以及基于问题的学习等等。该文章主要从三方面对这两种教学方式的效果进行评价:(1)内容覆盖方面(2)学生们在传统测试和考试问题上的表现(3)学生对于翻转课堂形式的感觉和认识。比较过程中采用控制变量的方式进行试验。试验结果表示:(1)翻转课堂允许教师们讲授更多的内容(2)学生们在传统的测试和考试问题中以及开放式设计问题中都表现的更好(3)尽管学生们刚开始不适应这种教学方式,但是他们很快就适应了并且对这种方式感觉满意和有益的。

该文中主要从如下几个方面来展开:首先是背景介绍,接着提出不同的教学方法以及评估方法,其次是结果的分析,最后针对分析的结果深入讨论,从根本上进行分析。

一.背景介绍

针对工程教育很多人提出了各种不同的改进方式,很多人都提出了将传统的讲课—示例—家庭作业的形式转化为以学生为中心的课堂形式。但是以学生为中心的课堂形式会加重老师们的负担,因为他们既需要花时间去考虑以学生为中心的方法同时还需要教学课程内容的要求。针对这些问题,翻转课堂(IC)的形式便应运而生了,该形式利用课堂外的时间观看教学视频,将课堂时间用于互动以及基于问题的学习。与网上教学的不同之处就是,IC包括了学生和老师在教师或者实验室面对面交流,用于将课下观看的教学视频中的知识进行讨论以及应用。

该文章报告了对于一门大三进阶课程两年的研究结果,其中在第一年采用传统的教学方式,第二年采用IC方式。该研究的目的包括如下:

(1)              对于IC课程如何影响教室管理进行量化,特别是内容覆盖度方面。

(2)              去评估IC方式,当外加上学生合作式学习以及基于问题的学习时,该方式如何影响学生们对于课程内容的学习。

(3)              评估学生们对于在大三进阶课程中使用IC这种新形势的理解。前人有报到大部分学生都觉得在低年级的学生中开展这门课更合适。

很重要的一点是我们要区别该研究并非区别师生互动、相互合作以及基于问题的学习方式与IC方式的差别,在这里,IC被视为一个在教室中以学习者为中心的传递知识模型。

二.方法

该研究使用的课程是美国佤邦西雅图,西雅图大学机械工程系的控制系统课程。该实验中对该门课连续两年进行评估,第一年是采用传统课堂的方式教学,第二年是采用翻转课堂的方式。两年的实验中每一年都是在冬季开设。课时安排如下:一周四天(200分钟的课堂时间),在固定的时间上课,同样的老师,同样的教材以及每周的家庭作业。授课内容的顺序一致,考试的时间也几乎安排在同样的时间。在这两年的课程中,该文章使用每周15分钟的小测验,50分钟的中期考试以及110分钟的期末考试来考察学生的掌握程度。每年考试类型基本差不多。

A. 传统教学方式

实验的第一年采用传统的教学方式,该课程包括20个机械工程的学生,其中18个男生2个女生,在试验中作为控制组。整个课堂时间,除了周测试和中期测试,其余的就是用来讲课以及解决课后问题。大部分的课后习题都是老师们做好了,学生们从黑板上抄下来。偶尔在老师的鼓励下,学生们会自己解决一些问题。整个课时中还有五个课时,一共250分钟,在计算机实验室中完成,让学生们学习使用MATLAB控制系统工具箱。大部分使用MATLAB解决的问题都是课本上的问题。其中有一个问题,要求2至3人一组,包括设计以及实现一个控制器基于Quanser硬件。只有一节课的时间去解决这个问题,所以老师必须在课堂中进最大努力去帮助学生完成这个设计。

B. 翻转课堂方式

第二年的研究使用的是翻转课堂的形式,同样包括20个学生,其中16个男生4 个女生。学生们被要求利用课堂以外的时间去看教学视频。对于课本中的基本内容,老师们实现制作成视屏放到youtube上方便学生观看。为了满足内容覆盖面,一共制作了45个视屏,每个5到15分钟的长度。视屏录制的时间通常是最后成品时间的2倍。每个视屏通常包括1个小时的录制和2个小时的剪辑。课堂以内的时间,除了周测试以及其中期末考试在课堂内,其他时间都是在实验室。一方面完成事先老师选定的问题,另外还要完成四个开放式的设计问题,完成这些问题都需要在MATLAB控制系统工具箱的支持下。

C. 评估方法

在该研究中通过内容覆盖面,小测试和考试中的表现,学生们对于教学,学习以及翻转课堂形式的认识来确定IC 的效果。数据的收集以及编辑都是在大学内部审查委员会的支持下完成的。两年开设期间,对于每一个学生的每一册测试和考试中的分数都清楚的记下啦。最终,对于TC,一共有一共35个测试和考试题目,而IC则有46个,IC的问题更多是因为它的进度比TC要快,所以内容覆盖方面自然更广一点。

要比较两个方法的优劣,利用控制变量的方法,进行单一化比较。按照相应的规则选取问题:解决相同的课程问题,相似的问题形式,几乎是在同样的时间测试的。问题的匹配是由课程指导员,合著者以及熟悉控制系统概念的助理人员。最终匹配了17对问题,其中8个来自小测试,5个来自中期检测,4个来自期末测试。

课程结束的时候,该系还进行了一个匿名调查,考察学生们对于该教学的认识。该调查要求学生们采用李克特5点量表进行打分,分别是课程组织,老师对于课堂时间的利用,该教学方式的态度,考试或者报告的效果,学生们的个人付出,以及每周用于学习该门课所花费的时间。

对于IC还附加了一项评估:考察学生们在第四周以及第十周时对该门课的学习以及该课堂形式的认识。该调查包括15个问题,同样采用李克特五点量表法以及设置一个空白区域让学生们写下相应的评价。调查过后,学生们被召集到班级进行一个讨论,这个讨论授课者会参与。

三.结果分析

A. 组相似性

对于IC和TC的学生组之间并没有统计上的差异,暗示着IC和TC的学生组在文化背景以及上该门课之前的能力都是相似的,尽管如此,平均积分点以及课程分数被用于统计分析的协变量。

B. 内容覆盖面

第四周的时候,IC已经领先TC,到第十周的时候,IC已经领先TC一周的进度并且比TC多涵盖了两个主题:全状态反馈设计以及阿克曼准则。此外,IC课堂中的学生们解决了4个开放式问题,而TC的学生只解决了一个。

C. 学生们的测试以及考试的表现

对于每一个问题以及问题组,使用t测试去决定IC和TC的均值之间是否存在统计差异。比较的结果展现在表1中。当P<=0.003的时候,对于问题设置方面包括开环分析,基于根轨迹的设计以及基于波特图的控制器设计方面,IC组都表现的更好一点。当p=0.001的时候,对于设计性的问题,IC比TC表现的好一点。对于其他的则是没有太大意义的,或者说就是这两组得分相似,不具区别性。

 

 

 

 

 

 

 

表一.COMPARISON OFQUIZ ANDEXAMQUESTIONSGROUPED BYTOPIC

D.学生对于教学的认识

针对部门所做的评估可以发现在学期结束时进行的有关教学认识方面的评估,两种授课方式是相似的。然而,IC表现的稍微好一点。该调查中同时还要求学生去评估他们每周花费在这门课上的学习时间,令人惊讶的是,IC学生花费的时间比TC学生花费的时间要少。IC大约是每周5.5小时,而TC却要8小时。

在IC课堂中,14/20的学生指出在线视屏没有太大用处,5/20的学生则表示课堂上设计项目以及解决问题更有利于他们对于概念的理解。同时,4/17的学生提出对于课程组织方面应该结构化一点。而在TC课堂中,大约7/14的学生指出应该增加实验室练习的时间。

E. 学生们对于翻转课堂的认识

通过调查可以发现,在一开始的时间学生们普遍表现出不适应这种新的教学方式,当他们意识到需要调整自己的学习习惯的时候,他们渐渐的开始意识到这种新的教学方式的优点,并且认可这种新的方式。有31%的学生感觉IC的方式只适合大四年级的,32%的认为适合大四和大三的,37%的认为大二,大三,大四都适合,没有人认为可以在大一中开设。

四.讨论

通过上述的分析结果可以看到令人意外的一点就是IC的方式覆盖的内容更广,这与Bland的研究是一致的。有人也许会认为这是因为学生们花费了更多的时间在上面,但是通过上述的分析结果可以知道IC方式下的学生花费较少的时间。说明新方式IC完全不用舍弃知识的广度去满足一些需求。

在测试以及考试中的表现,对于匹配的17个问题,结果都显示IC比TC的好。当集中观察问题类型的时候,可以发现一共5种类型的问题,IC主要在3类问题中表现的更好一点:开环分析,基于根轨迹的设计以及基于波特图的设计。通常,IC在问题设计方面也表现的更好一点。这样的发现与IC讲课方式比TC花费更多精力在设计和解决问题的事实是一致的。

学生们对于教学的认识,是通过一项调查得到的,通过调查体现了两方面重要的区别。第一,IC学生提出比TC学生花费更少的学习时间。尽管有的研究中提出这一结果是不合理的,认为学生们将课外看视频的时间忽视了,但是在该文中可以发现对于上传上去的视频通常只有传统课堂时间的一半,同时还允许学生们反复查看自己不理解的地方。第二,IC的学生们对于“老师们倾向于利用小测试以及考试来评估学生们学到的技巧”这个观点评价要比TC的学生高。事实是IC和TC两种方式下所有的考试包括考试类型,考试时间都是一样的。究其原因应该是IC 中的学生更加的自信。

对于课程的结构方面,学生们都因为资源太多而感到困惑,他们不知道到底哪些是必须要看的,哪些是可以不急着看的。所以建议老师们在第一门IC课中可以适当的组织一下教学视频并且给予相应的指导,从而可以减轻学生的负担,增加学习效率。

通过调查以及课堂讨论可以知道学生们对于新的授课方式需要相应的调整时间,但是调整时间却是极短的。第四周的时候学生们似乎意识到如果他们课前准备好的话他们可以学到更多的东西。这样的行为指示学生的自制力提高了,学生们个人学习的责任心提高了算是智力提升的关键部分。

作者针对学生们提出该IC 方法不适用于新概念较多的课程提出质疑。他认为学生们低估了该门课中的新概念的数目了。在该门课中使用基于问题的学习方法就是为了让学生们练习该如何使用这些等式。

学生们普遍认为大一的学生由于学习方面的不成熟,所以不适合开设IC课程。这样的认识与前人所做的工作是一致的,但是也有前人提出在大二学生中成功开设IC课程的案例,但是没有人提出在大一新生中成功开设的案例,如此接下来的工作就是观察在大一新生中开设该门课的效果。

最后,开设IC课程在前期是非常耗时间的,创作这些视频起码超过100个小时,同时还需要时间去辨别以及提出一些适用于课堂的问题。然而,一旦课程内容制定好后,老师们就会花费相对TC来说较少的时间。以后的教学会花费越来越少的时间,因为教学视频和课堂活动是可以一年一年重复使用的。

 

 

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