高年级工科中翻转课堂和传统课堂的有效性比较

摘 要

这是一种通过倒置的、翻转的课堂，来腾出课堂时间，开展学习者为中心活动的方法，如积极和问题导向的学习。该课堂传递的内容包括课堂外观看的视频讲座。本研究从三个方面比较了翻转课堂和传统课堂的有效性：1）内容覆盖率；2）学生在传统测验和考试问题上的表现；以及3）学生对翻转课堂的观察和感知。我们采取了一个对照实验，将翻转课堂与传统课堂进行比较。研究结果表明：1）翻转课堂使教师能够覆盖更多的教材；2）参与翻转课堂的学生在类似的测验和考试问题以及开放式设计问题上表现得一样好，甚至更好；3）虽然学生最初对新的课堂形式感到抗拒，但他们很快适应并发现翻转课堂的这种形式是令人满意和有效的。

关键词：主动学习，控制系统，教育，翻转课堂，倒置课堂，问题解决，半监督学习

第一章 引言

在过去的十年中，工科教育重新设计的迫切需求已经确立^[1]-[4]。然而，今天的工科教育在很大程度上仍然使用过时的方法来教授技术概念和问题解决^[5]。培养有利于职业成功的技能，是从传统的讲课-举例-作业形式向更加实用的，以学习者为中心的课堂转变背后的一个关键因素^[6]-[11]。然而，以学习者为中心的课堂给教育工作者带来了困难，因为他们需要在满足工科课程繁重的内容需求的同时，为主动式和问题导向学习式等方法腾出时间^[12]，[13]。一个比较有希望的方法是使用倒置（即翻转）的课堂来讲授课程内容，从而为主动学习和问题导向学习腾出课堂时间^[14]-[16]。

在翻转课堂（IC）中，课程内容通过传统的形式（如：指定的阅读和家庭作业问题）以及新形式（如视频讲座、PowerPoint演示文稿和基于网络的教程）在课堂外传播。数字录像、数字媒体和交互式网页的出现使得IC成为可能。这些资源允许教师在线获取和发布课程内容，使学生在课余时间也能轻松获取这些内容。与在线课程不同，IC包括在课堂或实验室环境中与讲师面对面的时间，在那里讨论和应用课外学习的材料。

使用IC的主要动机有三个。首先，IC为互动活动腾出了课堂时间，如主动学习、合作学习和问题导向学习，以及在不牺牲内容的前提下强化课程材料^{[13]，[16]-[21]}。其次，IC允许教育者以多种不同的形式展示课程材料，从而使学生参与到各种学习风格和喜好中^[13]，[22]。第三，IC可以鼓励学生成为自主学习者，并帮助他们准备如何作为实践工程师学习^[17]。

虽然有充分的理由实施IC，但也有一些潜在的问题。首先，实现一个IC在开始阶段可能会很耗时。教师不能简单地录下一个50分钟的讲座。Zappe^[13]发现最佳的视频长度约为20分钟左右，这要求教师将课程材料重新组织成简短的片段，并花时间编辑录像。教师还必须开发和包括活动和/或预测，以确保学生为课堂做好准备^[18]，[23]。其次，在线学习可能会让一些学生感到沮丧。Strayer^[24]发现，有些学生不愿意为自己的学习承担责任。教师可以通过对学生应该知道的东西提出明确的期望来减轻这种不适。第三，文献中关于一门课程是否适合于不同的课程水平存在一定的差异。Bland^[17]对于在更高级的课程中使用IC持谨慎态度，而其他人则认为IC可能更适用于高级课程^[24]，[26]。

本文报告了一门在高年级工科课程中为期两年的研究结果，该课程其中一年使用传统的讲授式课程（TC），下一年使用IC。该研究的目标如下。

量化学习成果如何影响课堂管理——特别是内容覆盖率。虽然其他^[17]报告说，IC允许在课堂上使用以学生为中心的学习，而不牺牲内容覆盖面，但其结果主要是基于观察，而不是在受控环境中与相同的课程直接比较。

评估当IC与合作和问题导向学习结合时，如何影响学生对课程材料的理解。比较分析了IC中的学生对传统教科书问题的表现与TC中的学生的表现。由于希望获得工科许可证（工科基础和专业工程考试）的学生必须通过由传统教科书类型问题组成的考试，因此IC不能牺牲学生在这些问题上的表现。这个问题已经在几项研究中进行了调查，尽管这些研究都不涉及高年级的工科课程^{[16]，[23]，[26]}。

评估高年级学生对IC形式的认知。研究人员报告说，学生对低年级课程的IC格式满意度很高^{[16]，[17]，[23]}。然而，研究人员对IC在高年级课程中使用IC的问题存在分歧。

重要的是要认识到，这里讨论的研究并没有试图区分主动的、合作的、问题导向学习的和IC的影响。学习策略被认为是一种以学习者为中心的课堂活动的传递模式。

第二章 方法

本研究采用美国华盛顿州西雅图大学机械工程系的控制系统课程。该课程是机械工程专业所有高年级学生的必修课，也是高年级电气工程专业学生的选修课，为期10周，是一门4个学分的季度课程。本课程是学生第一次接触课程中的控制系统概念；它遵循传统的控制系统教科书^[27]，适用于电气和机械工程课程，包括根轨迹、Bode绘图、Nyquist绘图、比例-积分-微分（PID）、超前/滞后控制器和状态空间设计。

该课程连续两年接受评估，其中第一年使用TC，第二年使用IC。这两门课程都是在冬季学期教学，每周四天（每周200分钟的课堂时间），由同一位教授授课，使用相同的课本和每周的课后作业。课程按照同样的顺序介绍，考试安排在本季度的大约同一时间。在这两门课程中，学生们分别接受了每周15分钟的测验、50分钟的期中考试和110分钟的期末考试评估。两年的考核评估都很相似，每一年的题目数量、类型和难度都大致相同。两门课程都使用了MATLAB控制系统软件和Quanser^[29]开发的控制系统硬件。两门课程都要求学生在课外阅读教科书，做作业，解决问题例子，并进行抽样测验。

2.1 传统讲课教室

控制系统课程在第一年采用传统的讲课形式（TC）进行教学。该班由机械工程专业高年级学生组成，男18人，女2人，作为本研究的对照组。除了每周测验和期中考试外，其他的课堂时间都花在讲课和解决教科书上的问题。其中大多数问题是由教授解决的，学生们抄写黑板。偶尔，学生们会解决一些问题，而教授则会培养学生的主动学习能力。五节课，总共250分钟，在计算机实验室里，学生们学习使用MATLAB的控制系统工具箱。使用MATLAB解决的大多数问题都是教科书式的问题。其中一个问题是由学生组成的两个或三个人的团队解决，涉及为Quanser硬件设计和实施控制器（使用PID的旋转位置控制）。解决问题的时间被限制在一节课的时间内，因此教师为学生提供必要的指导，使他们在下课前完成设计。

2.2 翻转课堂

研究的第二年，控制系统课程使用IC进行教学。IC班由20名机械工程专业高年级学生组成：男16名，女4名。学生们被要求在课余时间观看视频讲座。

视频讲座是向学生传播课程材料的主要手段。这些视频包括教师解释教材的音频和教师在平板电脑上写方程式的屏幕截图。为了涵盖课程内容，共有45段视频，每段时长在5到15分钟之间。视频经过编辑，缩短到这个长度，删除了演示文稿中写作或解释材料时出现的停顿。演示的实时长度大约是最终视频长度的两倍。每段视频大约需要1小时录制，1-2小时编辑。这些视频被上传到YouTube（YouTube频道MEGR438），因此学生们很容易就能看到。没有指定具体的视频。取而代之的是，学生们被要求参加小测验，并且在完成家庭作业的同时，要求他们识别并观看与本周内容相关的视频。

除了每周的测验和考试之外，课堂时间都是用来解决问题的，无论是个人的还是小组的。除了考试之外，所有的课程都在计算机实验室中进行，学生们使用MATLAB的控制系统工具箱来解决选定的问题。这与TC形成鲜明对比，在TC中只有五节课使用MATLAB。IC使用的问题与TC中使用的问题相同。然而，这些问题并不是由教师解决，而是由学生在课堂上解决的。在IC课程中，教师会提出一个简单的问题，例如绘制一个给定系统的根轨迹，并给学生一个很短的时间开始解决问题，并找出他们不明白的地方。然后教师会要求学生提出他/她的解决方法。然后，教师会进行一个简短的讨论，以澄清关键的概念。每节课都有几个这样的问题被解决。此外，学生们以两到三人一组的方式研究四个大型的开放式问题：两个PID设计、一个超前/滞后设计和一个全状态反馈设计。当学生研究这些问题的时候，老师会在小组之间传授并阐明一些概念。这些问题的开放性有时要求学生学习和应用课堂上或家庭作业中尚未实践的概念。例如，在一个PID设计问题中，向学生展示了一个由直流电机、光学编码器和齿轮传动系统组成的物理系统。提出了以下问题：“设计一个位置控制器的系统，然后模拟系统的响应”这个问题要求学生思考如何为系统建模，他们应该使用什么类型的性能规格来进行设计，以及什么类型的控制器是合适的。然后他们用这种方法来解决这个问题。学生们在每个开放式问题上花了两到三天的时间。

2.3 评估方法

通过比较内容覆盖率、测验和考试成绩、学生对教学、学习的感受以及对翻转课堂形式的看法，评价IC的有效性。用于收集和汇编数据的程序得到了大学内部审查委员会的批准。在两门课程的每一门课程中，每个学生的每个测验和考试问题都被记录下来。TC组有35个测验或考试问题，IC组有46个测验或考试问题。IC课程中的问题数量较多，是因为课程进展较快，所涉及的内容更多。

分析中使用的问题是通过匹配每个课程中涉及相同课程结果的问题来选择的，这些问题具有类似的问题格式，并且在本季度大致相同的时间给出。例如，即使最后一道题目与期中考试题目完全相同，学生们在期末考试时也会有更多的经验，因此期末考试的成绩可能比期中考试更好。问题匹配是由课程讲师、合作者和熟悉控制系统的辅助教师独立完成的。本文对这些独立的匹配进行了比较，只对那些一致认为是好的匹配的问题才会在本文中进行分析。

在智力测验和技能测验中，共有17组问题配对：8组来自测验，5组来自期中考试，4组来自期末考试。这些问题被单独分析，并与涵盖相同主题或结果的其他问题进行分组。例如，考虑学生在处理开环系统分析的个别问题上的表现，以及学生在所有开环分析问题上的总得分。与设计有关的问题也被分组。这导致了七组或七种类型的问题。

在两门课程结束时，该系对学生对教学的看法进行了匿名的书面调查。这项调查要求学生根据李克特五点量表对课程安排、教师对课时的使用、态度和教学风格、考试或报告的有效性、学生的个人努力程度以及每周为该课程学习的大约时间进行评分。

在本季度的第四周和第十周，IC课程的另一项评估测量了学生对学习的看法和课堂形式。这份调查包含15个问题，利克特五点量表和额外评论的空间。在调查之后，学生们参加了一次课堂讨论，由一位没有教授该课程的教师主持，而教授该课程的教授在讨论过程中并不在场。

第三章 结果

3.1 群体相似性

为了帮助确定智力测验和技术测验学生群体之间的先验差异，我们比较了他们在过去两门课程中的表现。所有的学生在学习控制系统课程之前的两个季度都学习了这两门课程，并且由同样的教师用同样的书和同样的形式教授。在学习控制系统课程一个季度后，研究人员还比较了IC和TC组在毕业时的平均绩

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