基于核心素养的“电动力学”翻转课堂教学效果的实证研究
近两年来，教育部立足我国“立德树人”的根本要求，充分借鉴国际课程改革的先进经验，确立中国学生发展的“核心素养”，即以“全面发展的人”为核心，分为“文化基础、自主发展和社会参与”3个方面，综合表现为“人文底蕴、科学精神、学会学习、健康生活、责任担当、实践创新”[1]。为了培养“全面发展的人”，高校传统的教学模式需要改变[2]，期望在培养学生基础知识和基本技能的基础上，加强对学生核心素养的培养，特别是科学精神、学会学习、健康生活和实践创新方面亟待加强。
翻转课堂作为新型的教学模式，为改进高校教学、培养自主学习能力提供了一条新的途径[3]。然而，翟雪松、林莉兰根据国内外相关文献分析发现，课程入门相对简单的公共基础课程在翻转课堂模式中的教学效果非常明显，但对于逻辑推理过程较为复杂、专业性较强的课程，翻转课堂的实施就需要进一步的探索和研究[4]。为了研究翻转课堂在理科专业课程教学中的应用效果，以及对学习者核心素养的影响，本文依托大学物理学专业电动力学课程，采用基于Blackboard信息化教学平台的翻转课堂教学模式[5]，从综合素质、科学态度、网络学习自我效能感和深度学习4个方面对该模式的教学效果进行实证分析，给高校理科教学改革提供借鉴。
1 研究过程
1.1 依据中国学生核心素养确定研究内容
图1表示了中国学生核心素养的构成，分为3个方面，综合表现为6大素养，细化为18个基本要点，结合翻转课堂教学模式及“电动力学”课程特点，分析认为与课程教学关系密切的素养是“科学精神、学会学习、健康生活和实践创新”，同时通过理解这4个素养对应的基本要点内涵[1]，确定从综合素质、科学态度、网络学习自我效能感和深度学习4个方面进行教学效果研究。如图1(右)所示，下方方框中的数字对应于左侧核心素养的基本要点，重点考察的序号排在前面。综合素质量表主要考察学习者勇于探究的精神及乐学善学、自我管理和问题解决的能力；科学态度量表主要考察学习者的理性思维、批判质疑、勇于探究的精神及问题解决、乐学善学的能力；网络学习自我效能感量表主要考察学习者的信息意识、技术应用能力、自我管理能力、勤于反思的意识和乐学善学的能力；深度学习量表主要考察学习者批判质疑的精神、勤于反思的意识、信息意识和问题解决的能力。
图1 中国学生核心素养与确定的研究内容
1.2 概念界定及量表选择与修订
综合素质评价作为教育评价及教育实践的一方面，是一种“表现性评价”，主要包括道德品质、公民素养、学习能力、交流与合作能力、运动与健康、审美与表现6个方面[6]。研究者对刘静静编制的综合素质量表[7]进行修订，包括学习兴趣、学习能力、合作意识、课堂交流4个维度，共计30个题项，采用李克特五级量表计分方式(下同)。SPSS分析结果显示，该问卷前测整体Cronbach α为0.873，各维度Cronbach α在0.641至0.759之间，3个月后的的重测问卷整体Cronbach α为0.850，各维度Cronbach α在0.647至0.725之间，内部信度较好；采用KMO和巴特利检验进行效度分析，前测KMO值为0.841，后测KMO值为0.813，前、后测巴特利检验P值均为0.000，说明变量间相关性很强，因子的相关系数矩阵非单位矩阵，具备较好的信效度。
物理课程作为自然学科领域的重要基础课程，主要从科学知识、科学方法、科学精神与态度、科学应用4个方面培养学生终身发展所需的必需品格与关键能力，形成学生的物理学科核心素养[8]。研究采用美国科罗拉多大学开发的科学态度量表CLASS(Colorado Learning Attitude about Science Survey)测量学习者的物理科学态度。CLASS态度量表具有显著的学科特点和定量化特点，通过42个问题从8个维度进行测量，分别为: (1)个人兴趣; (2)真实世界的联系; (3)一般问题的解决; (4)解决问题的信心; (5)解决问题的熟练度; (6)努力程度与成就感; (7)概念理解; (8)概念理解应用[9]。研究结果显示，科学态度量表前测整体Cronbach α为0.875，后测整体Cronbach α为0.896；效度分析中前测KMO值为0.839，后测KMO值为0.842，前、后测巴特利检验P值均为0.000。
自我效能理论(Self-Efficacy Theory)是班杜拉(Bandura,A.)社会学习理论的核心概念，它是以环境、行为、人三者间的交互作用阐释人的行为的理论，其特点是强调主体因素对人的学习的必要性以及潜能开发的决定性。自我效能感是影响自我调节学习的重要认知变量[10]。网络自我效能感(E-LSE)是自我效能感在 e-Learning环境的延伸与发展，是计算机自我效能感(CSE)和互联网自我效能感(ISE)的糅合与进化，是学习者对网络学习活动顺利进行的能力感知、预测、评估与信念[11]。研究采用谢幼如等编制的网络学习自我效能感量表测量学习者的自我效能，该量表依据班杜拉的三元交互作用理论，从自我能力感、自我努力感、环境把握感和行为控制感4个维度构建网络学习自我效能感(以下简称“自我效能感”)的结构，共计20个题项[12]。根据调查结果，问卷前测整体Cronbach α为0.919，后测整体Cronbach α为0.907；效度检验中前测KMO值为0.872，后测KMO值为0.846，前、后测巴特利检验P值均为0.000。
深度学习是学习者根据自己的学习兴趣和需求，在理解的基础上主动地、批判性地学习新思想和知识，运用多样化的学习策略来深度加工知识信息，建立多学科知识、多渠道信息、新旧知识信息等之间的联系，建构个人知识体系并有效迁移应用到真实情景中来解决复杂问题的学习[13]。研究采用唐金娟编制的网络环境下高校大学生深度学习量表[14]，该量表基于布鲁姆的教育目标分类、信息素养和认知心理学原理，从信息素养、知识构建、沟通和再加工4个维度测量学习者的网络学习属于深度学习还是浅层学习，共计27题项。经分析，该问卷整体Cronbach α为0.888，KMO值为0.774，巴特利检验P值为0.000。
1.3 样本选择
研究以参与电动力学课程学习的本科三年级学生为对象。由于不同学校学生基础水平、课程学时存在差异，加之课程实施要依托各校的网络学习平台资源，且教师专业水平和教学技能存在差异，实施细节和效果也会不同，为了减少影响因素，因此仅选择同一学校同一教师授课的班级。课程54课时，为增加样本数量，研究时间跨度为3个学期。对象包括陕西师范大学2013级物理学2班，2014级物理学1班(教改班)、2班、3班和物理创新实验班，由于我们进行的是后测与前测的纵向整体比较研究，所以学生基础水平并不影响研究结果。问卷均在教师监督下现场发放、填写与回收。其中，综合素质前测发放问卷262份，回收有效问卷239份，问卷有效率为91.2%，后测发放问卷252份，回收有效问卷233份，问卷有效率为92.5%；科学态度前测发放问卷200份，回收有效问卷183份，问卷有效率为91.5%，后测发放问卷194份，回收有效问卷171份，问卷有效率为88.1%；自我效能感前测发放问卷120份，回收有效问卷113份，问卷有效率为94.2%，后测发放问卷102份，回收有效问卷93份，问卷有效率为91.2%；深度学习发放问卷110份，回收有效问卷103份，问卷有效率为93.6%。
2 研究结果
2.1 综合素质、科学态度、自我效能感描述及前、后测差异分析
1) 综合素质描述及前、后测差异性检验
表1给出了综合素质前、后测各维度及学习者整体水平的相关数据。结果显示，综合素质前、后测各维度平均分值从高到低依次是合作意识、学习能力、课堂交流和学习兴趣。
以前、后测为自变量，综合素质各维度及总体题项均分为因变量，进行秩和检验。表1显示，学习者的学习兴趣、学习能力、合作意识和综合素质总体前、后测之间存在显著性差异，表现为后测显著高于前测；男生的学习兴趣和学习能力前、后测之间存在显著性差异，表现为后测显著高于前测；女生的综合素质各维度及总体前、后测之间均不存在显著性差异(P值均高于0.05)。
表1 综合素质前测与后测的差异比较
注：表中“男生”一栏只显示具有显著性差异的数据。
2) 科学态度描述及前、后测差异性检验
表2所示为科学态度的调查结果。结果显示，科学态度前测总体的赞同率为53.5%，后测总体的赞同率为55.5%，提高了2%；前、后测各维度赞同率从高到低依次是真实世界的联系、努力程度与成就感、概念理解、一般问题的解决、个人兴趣、解决问题的信心、概念理解应用、解决问题的熟练度。与前测相比，后测中学习者对个人兴趣、真实世界的联系、一般问题的解决、努力程度与成就感的赞同率有一定的提高，对解决问题的信心、解决问题的熟练度、概念理解和概念理解应用的赞同率有所下降。
表2 科学态度前、后测各维度及总体赞同率
以前、后测为自变量，科学态度各维度及总体题项均分为因变量，进行秩和检验。研究发现，科学态度各维度及总体前、后测之间无显著性差异。
3) 自我效能感描述及前、后测差异性检验
表3给出了自我效能感各维度及学习者整体水平的相关数据。从表3可以看出，前测中，自我效能感各维度从高到低依次是行为控制感、自我能力感、自我努力感、环境把握感；后测中依次是自我能力感、行为控制感、环境把握感、自我努力感。
以前、后测为自变量，自我效能感各维度及总体题项均分为因变量，进行秩和检验。由表3可知，学习者整体及女生的自我能力感、环境把握感及自我效能感总体前、后测之间存在显著性差异，表现为后测显著高于前测；男生的自我效能感各维度及总体前、后测之间均不存在显著性差异(P值均高于0.05)。
表3 自我效能感前测与后测的差异比较
注：表中“女生”一栏只显示具有显著性差异的数据。
4) 深度学习描述
表4给出了网络环境下深度学习各维度及学习者整体水平的相关数据。表4显示，大学生网络环境下深度学习总体均值是3.27，标准差是0.437，各维度从高到低依次是信息素养、沟通、再加工和知识构建。
表4 深度学习各维度及总体平均水平
2.2 综合素质、科学态度、自我效能感及深度学习的性别差异比较
1) 综合素质各维度及总体的性别差异比较
以性别为自变量，综合素质各维度及总体题项均分为因变量，进行秩和检验。表5显示，男、女生在课堂交流维度存在显著性差异，表现为男生显著高于女生，其他维度及总体之间均不存在显著性差异。
2) 科学态度各维度及总体的性别差异比较
以性别为自变量，科学态度各维度及总体题项均分为因变量，进行秩和检验。表5显示，男、女生在个人兴趣、解决问题的信心、解决问题的熟练度、概念理解应用及总体之间差异极其显著(P<0.01)，表现为男生显著高于女生；在一般问题的解决、努力程度与成就感、概念理解之间差异显著(P<0.05)，表现为男生高于女生；在真实世界的联系维度不存在显著性差异。
3) 自我效能感各维度及总体的性别差异比较
以性别为自变量，自我效能感各维度及总体题项均分为因变量，进行秩和检验。表5显示，男、女生的自我能力感、自我努力感、环境把握感和总体之间存在显著性差异，表现为男生显著高于女生。
表5 综合素质、科学态度、自我效能感的性别差异比较
注： 表中只显示具有显著性差异的数据。
4) 网络环境下深度学习的性别差异比较
以性别为自变量，网络环境下深度学习各维度及总体题项均分为因变量，进行秩和检验。结果显示，男、女生在深度学习各维度及总体之间均不存在显著性差异(P值均高于0.05)。
2.3 综合素质、科学态度及自我效能感的相关性分析
1) 综合素质、科学态度、自我效能感与学习成绩的相关性分析
利用SPSS中双变量相关分析综合素质与学习成绩(包括笔试成绩和总评成绩)的关系，从表6可以看出，学习者整体的笔试成绩、总评成绩与学习兴趣、课堂交流及综合素质总体在0.05水平上呈显著正相关；男生的总评成绩与学习能力在0.05水平上呈显著正相关；女生的笔试成绩与课堂交流、综合素质总体在0.05水平上呈显著正相关，总评成绩与学习兴趣、课堂交流在0.05水平上呈显著正相关，与综合素质总体在0.01水平上呈显著正相关。
表6 综合素质与学习成绩的相关性
注：**在0.01水平(双侧)上显著相关，*在0.05水平(双侧)上显著相关。
利用双变量相关分析科学态度及自我效能感与学习成绩的关系。研究发现，学习者的笔试成绩、总评成绩与科学态度、自我效能感各维度及总体之间均不存在显著相关性。
2) 综合素质、科学态度及自我效能感的相关性分析
以同时参与科学态度、自我效能感及综合素质问卷调查的学习者为研究对象，利用双变量相关分析变量之间的相关关系。从表7可以看出，学习者整体及女生的科学态度与综合素质、科学态度与自我效能感及综合素质与自我效能感均在0.01水平上呈显著正相关；男生的科学态度与综合素质、综合素质与自我效能感在0.05水平上呈显著正相关，科学态度与自我效能感在0.01水平上呈显著正相关。
表7 科学态度、自我效能感及综合素质的相关性
注：**在0.01水平(双侧)上显著相关，*在0.05水平(双侧)上显著相关。
3) 科学态度高中低组与自我效能感的关系
利用平均数加减一个标准差界定科学态度高分组、中间组和低分组(高分组1，中间组2，低分组3)，以科学态度分组水平为自变量，自我效能感各维度及总体题项均分为因变量进行方差分析。表8中F表示组间方差与组内方差的比值，F越大，说明各组平均数的差异就越明显。表8显示，科学态度高分组在自我能力感、自我努力感、环境把握感及总体上均显著高于中低分组，中低分组之间无显著性差异；科学态度中高分组在行为控制感上显著高于低分组，中高分组之间无显著性差异。
4) 科学态度高中低组与综合素质的关系
以科学态度分组水平为自变量，综合素质各维度及总体题项均分为因变量进行方差分析。表8显示，科学态度中高分组在学习兴趣上显著高于低分组，中高分组之间无显著性差异；科学态度高分组在学习能力、课堂交流及总体上显著高于中低分组，且中间组显著高于低分组；科学态度高分组在合作意识上显著高于中低分组，中低分组之间无显著性差异。
表8 科学态度高中低组与自我效能感、综合素质的关系
3 讨论与分析
3.1 整体情况
对综合素质各维度进行比较可以看出，学习者的合作意识和学习能力分值处于中高水平，学习兴趣和课堂交流分值处于中低水平。其中，合作意识分值最高，说明学习者在学习过程中能积极参与小组活动并主动承担一定的责任，团队协作意识较强；其次为学习能力，说明大部分学习者能够通过教师的指导掌握科学的学习方法，积极寻找新旧知识间的联系，能够自主解决学习中遇到的大部分问题。学习兴趣和课堂交流分值相对低一些，主要是由于电动力学课程属于理论物理，具有理论体系完备、抽象难懂、公式推演繁多等特点，教学中涉及到大量的公式推导和复杂的数学计算[15]，部分学习者习惯于被动地接受学习，未完全适应翻转课堂的学习模式，没有积极参与到课堂讨论和网络自主学习中去。
科学态度各维度中真实世界的联系、努力程度与成就感、概念理解、一般问题的解决、个人兴趣分值处于中高水平，解决问题的信心、概念理解应用及解决问题的熟练度分值处于中低水平，究其原因，主要是由于电动力学课程要求的物理、数学基础知识较多，学习者从理解课程基本内容到能够应用知识熟练解决问题还有一段距离，还需付出更多努力；并且大量的公式推导和复杂的数学计算打击了部分学习者解决问题的信心，容易使其产生畏难心理，从而影响其解决问题的熟练度。
自我效能感各维度分值均处在中低水平。其中，自我能力感和行为控制感均值相对较高，说明学习者使用网络进行学习的能力判断与信念较强，能够根据自己的实际情况制定学习目标，合理安排网络学习时间，控制自己的网络学习行为，并取得良好的学习效果。自我努力感和环境把握感分值相对较低，说明学习者对网络学习环境的把握、自我控制和判断力不高，认为自己在网络学习过程中容易受到各种网络信息的干扰，专注程度不高。究其原因，主要是泛滥成灾的网络信息无时无刻地干扰着学习者的网络学习，部分自我管理能力较差的学习者更容易受到干扰。
研究发现，大学生网络环境下的深度学习总体处于中高水平，说明网络环境中，学习者已经逐步从浅层学习过渡到深度学习，学习者不再是单纯、被动地记忆和理解所学知识，而是主动地、带有批判思维地建构知识。其中，信息素养及沟通维度分值较高，说明学习者利用网络搜索信息的能力较强，且善于在网络环境中表达情感、抒发自我，具有良好的沟通能力。知识构建及再加工维度分值不理想，说明学习者批判性地学习新的知识、发现新旧知识间的联系方面的能力还有待提高，将已有知识迁移到新的情境中进行再加工的能力还需进一步培养和提高。
3.2 翻转课堂教学模式对综合素质、科学态度及自我效能感的影响
(1) 研究发现，翻转课堂教学模式能显著提高学习者的学习兴趣、学习能力和合作意识，且男生的学习兴趣及学习能力后测显著高于前测，女生的综合素质各维度及总体后测分值高于前测，但无显著性差异；男、女生在课堂交流维度存在显著性差异，表现为男生显著高于女生，从侧面反映出女生可能对传统课堂更加依赖，适应新模式比较慢。
(2) 与前测相比，科学态度后测中学习者对个人兴趣、真实世界的联系、一般问题的解决、努力程度与成就感的赞同率有一定的提高，对解决问题的信心、解决问题的熟练度、概念理解和概念理解应用的赞同率有所下降。物理科学态度各维度及总体前、后测之间均无显著性差异，说明学习者物理科学态度的形成是一个长期的过程，加之实行翻转课堂教学的课程极少，短期的培养效果不会很明显。男生在个人兴趣、一般问题的解决、解决问题的信心、解决问题的熟练度、努力程度与成就感、概念理解、概念理解应用及物理科学态度总体方面显著优于女生，推测其原因，一是与男、女生智力结构的差异有关；二是因为男、女生的物理抽象思维能力存在差异，男生的分析综合能力和思维的灵活性更好[16]，在物理学习上更容易获得成就感；三则是与家庭、社会等对不同性别学习者的教育偏向等因素有关。
(3) 翻转课堂教学模式能显著提高学习者整体的自我效能感。但就男、女生分别而言, 自我效能感前测分值男生高于女生，且有显著性差异，表明与女生相比，男生认为自己更能够应对网络学习中出现的各种问题，积极地进行自我调节，自信能更好地完成网络学习任务。后测男、女生自我效能感总体都有所提高，已无显著性差异，女生的自我效能感提升较为显著，说明该教学模式能提高学习者网络学习的能力与信念，促进学习者对网络学习任务的把握能力、行为控制能力和判断力。
(4) 男、女生在网络环境下深度学习各维度及总体之间均不存在显著性差异，说明性别因素对学习者深度学习的影响已逐步削减，不同性别学习者均可在网络学习环境中达到深度学习。
3.3 综合素质、科学态度及自我效能感的相关性分析
(1) 研究发现，学习者总体的笔试成绩、总评成绩与学习兴趣、课堂交流及综合素质总体存在显著正相关，说明学习者的学习兴趣越浓厚，学习能力越强，课堂交流参与度越高，其笔试成绩和总评成绩就越高。而学习者的物理科学态度及自我效能感与学习成绩的相关性较低。
(2) 学习者整体及男、女生的科学态度与综合素质、科学态度与自我效能感及综合素质与自我效能感均呈显著正相关。进一步研究发现，将科学态度分为高中低三组后，能更明确地反映出其与自我效能感及综合素质的关系，科学态度高分组在自我效能感及综合素质各维度及总体上得分显著高于中低分组。
综上所述，翻转课堂能显著提高学习者的综合素质及自我效能感，对其物理科学态度的有正面影响，但短期影响较小，且对不同性别学习者的影响程度有差异。学习者的网络学习总体属于深度学习，但还有提升空间；学习者的学习成绩与综合素质之间存在显著相关性，与科学态度及自我效能感之间相关性较低。学习者的科学态度、综合素质及自我效能感之间均呈显著正相关，且科学态度高分组在自我效能感、综合素质各维度及总体上得分显著高于中低分组。因此在理工科课程中只要根据学生的实际学习需要合理设计，实施以学生为主的翻转课堂是可行的且有效的。可以预期，如果翻转课堂全面推开，同时改变现有的评价方式，使学习由被动学习转向主动探索，将会对学生的学习能力、创新能力、科学态度等产生更深的影响。
参考文献
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基金项目: 2017年度陕西高校教学改革研究重点项目“基于学本评价的翻转课堂教学效果的实证研究”(17BZ014)。
END
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