中国矿业大学 鲍宇 李希妍 赵玉钧 张爱娟 张艳群
一、引言
“翻转课堂”（Flipped Classroom）是一种通过网络的学习手段，让学生课下以视频等其他媒介形式进行自学，将课堂讲解时间由实验和课内讨论等活动代替，达到充分利用课堂教学，完成疑难解答或创新引导教学目标的方法。2000年，该模式由Lage等人在美国迈阿密大学教授“经济学入门”时使用，2012年，Flipped Learning Network（FLN）的成立预示着这种模式具有提升教学质量的优势。国内翻转课堂的实践开始于2011年重庆市江津聚奎中学对适合该校的翻转课堂基本模式的探讨。
在旧有模式中，“课前预习—课堂学习—课后复习”的学习流程占据着重要地位。翻转课堂通过在线视频的方式，将预习阶段的学习进行了强化，使学生可以更好地进行自学，促使课堂学习更有针对性，让个性化的一对一学习得以实施。但是，翻转课堂教学模式引入国内高校后，“形似而神不似”或是“效果不显”是其本土化过程中所面临的问题。因此，其教学模式的改进和效果评估开始被注重。何琳洁在比较实验研究中发现，该模式对中等生影响最大。夏庆利则在教学效果评估中发现对于学习困难群体关注成为难点。张萍总结了当代翻转课堂中应有教育理念、课程设计、学生参与、课程评价和信息技术五个要素。这些研究表明，对学生的关注度和学生的参与度是解决上述问题的一个重要思路。
因此，本文对翻转教学使用的视频、自学过程、课堂个性和评价反馈、教学理念和方法上与国外主要翻转课堂网站和课程进行差异比较评价，分析我国在引入和采用该模式时，需要关注哪些要素表现形式。着眼于国内环境，尝试利用计算机辅助手段对翻转课堂模式进行改进，让其更好地为我国教育服务。
研究设计分为两阶段：第一阶段，利用收集的数据进行探索性因子分析，分析体现翻转课堂教学的教学方法效果指标变量间的相互关系和影响，找出影响教学效果的主要因素；第二阶段，根据因子分析的结果对教学方法加以改进，利用实际教学中的数据检验模型结果的泛化能力，验证教学方法改进策略的正确性。
二、中美翻转课堂教学模式的比较模型
（一）教学效果评估的概念模型构建
翻转课堂模式的教学方法，最终体现为教学效果不同。教学效果是由教学资源、评测手段、教师和学生主体等多维度因素共同作用的结果。将其中可被外界直接观测的学习评测作为教学效果评估模型的外因潜变量，其他因素作为内生潜变量，构建教学效果评估的概念模型，如图1所示，从而反映教学方法的不足，寻找弥补中美教学效果差异的方法。
图1 教学效果评估概念模型
模型中的教师和学生两个主体通过教学资源和评测考核联系在一起。教师能力和教学方法差异会导致教学资源和评测考核的设计不同，形成对学生的不同影响，造成了最终教学效果的差异；而教学过程和学生评测又会促进教师能力和教学方法的提升。模型中四个主体互相影响，同时作用于教学效果。运用该模型可以为教学效果差异分析提供有价值的结果。
研究数据获取主要利用调查研究法中的问卷调查方式。基于两国教学方法中影响教学效果的可观测指标，针对收集的网络资源设计问卷，利用问卷获取不同指标的数据信息，其中四分之一数据作为信效度评估。受评估材料获取方法的限制，教学资源数据以计算机专业3门课程为主，以体现资源制作的最新趋势。美国教学资源是从Facebook和斯坦福大学、加州大学伯克利分校等5个知名高校中获取了8门课程教学资源；中国教学资源是从MOOC中国、清华大学、上海交通大学、南京大学等高校所提供的网络计算机课程获取，共计收集37套教学视频、PPT、作业等教学资源。教学资源评估是从同济大学、东南大学、中国矿业大学、宁波大学和江苏师范大学外研教师中进行，发出问卷119份，回收完整有效问卷42份。评估问卷第一部分包含：职称、学历、专业、所属地区、评估资源链接打开效果和是否使用翻转课堂教学6个问题，第二部分为对应教学资源评价（11项）和课堂教学反馈（6项）的问题。跟踪获取本科学生学习评价数据共计573人，其中247人提供了反馈数据，包含了表1中的学生反馈问题评测。调研时间为2017年3月到2019年5月。
课程教学效果的评价前提假设如下：
H1：教师有效分配指导时间与教学效果正相关；
H2：学生的课堂参与度与教学效果正相关；
H3：学生创新能力与教学效果正相关。
评测结果的量化指标为1~4级，表示很好或很难，好或难，一般，不好或容易。
（二）构建教学效果评估模型的差异指标
模型潜变量需要外显指标进行量化。因此，对教学资源、课堂教学、课后作业和教学评价，以及学生反馈中的显化指标建立观测变量，见表1。
翻转课堂的教学资源包括课前视频、课件、研究导引素材、在线交流平台、在线测试等。综合教学资源运行环境，设定教学资源的外显指标为11项：（S1）视频体现；（S2）示例理解；（S3）设问启发；（S4）视频互动；（S5）资源完整；（S6）练习质量；（S7）深入素材；（S8）交流平台；（S9）资源获取；（S10）新颖性；（S11）硬件。
在翻转教学中，课堂是质疑问难的场所，是学生通过交流进行知识内化的阶段。根据外研教师问卷和网页评估提取了六个可观测指标：（T1）资源的制作；（T2）课堂指导；（T3）组织能力；（T4）吸引力；（T5）现实问题；（T6）启发性。
表1 翻转课堂差异比较评价指标变量
评价是翻转课堂的核心要素，利用评价来评估教学效果。对学生学习的评价是一个综合过程，是一个贯穿于教学和学习全过程的、面向多维角度的评估过程。考虑到教学效果反映在学生不同能力上，根据考核本身和能力考核的目标，设定八个观测指标：（K1）考核多样；（K2）评价公平性；（K3）综合能力；（K4）知识深度；（K5）动手能力；（K6）合作能力；（K7）解决问题；（K8）考核反馈。
学生主体是效果反映的最终实体，除评测考核外，学生的参与也体现了其对知识的理解程度。因此，根据学生对学习的反映，设定六个观测指标：（C1）资源利用；（C2）课堂参与度；（C3）评测完成度；（C4）指导时间；（C5）问题深入；（C6）知识运用。
使用IXC表示中国的数据情况，使用IXU表示美国的数据情况，X表示上述31项可测指标。利用公式（IXC-IXU）/IXC表示差异。
（三）模型评估与修正
使用主成分分析法抽取表1的主体指标，尽可能地让主要差异体现在指标上。运用SPSS中主成分分析法抽取有效因子，选取特征值大于1的因子。然后，利用探索性因子分析法，结合潜变量组合信度和累计贡献率分析信效度。发现一个等于0.63的指标因子，因此，使用AMOS软件来对模型因素中的理论效度（Validity）进行测量，采用极大似然估计方法来估计，随机选取1/4的数据进行评估模型，删除因子负荷不足0.75的指标，对误差值建立如图2所示的共变关系，（1）T1—S2（2）C2—S4（3）C4—K6（4）C5—K5，获得如图2所示的修正模型路径参数。其中卡方值为50.71，自由度为40。
图2 教学效果评估因子修正模型
研究采用因子负荷、组合信度和平均方差提取量作为信效度检验标准，该数值越大，表示指标反映模型共同因素的潜在特征越好。假设标准因子负荷和的平方为SD，误差和为ED，则信度计算用SD/（SD+ED）作为标准。模型检验中，绝对适配指标和增值适配指标达到了适配标准。在自由度为40时，适配度卡方值为50.71，显著性为0.131，大于0.05，说明模型较为契合。其中H1对应（C4因子负荷0.812，组合信度0.901，平均方差0.721）和H2对应（C2因子负荷0.847，组合信度0.901，平均方差0.721）被接受，H3对应（K7未达到标准值，因子负荷小）被拒绝。
（四）结果分析
上述修正模型中，分析指标间关联影响，因子负荷在0.61~0.9之间，符合适配要求。根据差异公式，集合分项对比两国模型因子的评分方差，结合路径检验结果，发现差异高于均值的几个指标如下：
（1）较为突出的是C4教师指导平均时间。该项指标说明了指导时间影响教学效果较大。尽管我国教师也期望时刻关注学生，掌握学生的学习进度和状态，但因学生人数较多，往往超出了教师个人能力和教学时间。
（2）其次是C2课堂参与。课堂是学生通过交流进行知识内化的阶段，组织分组学习可以有效地提高初级问题的解决效率，对促进学生思想碰撞、向问题深处进行探究起到了积极作用。我国课堂组织较为传统，造成学生课堂的自我评价相对较低，普遍认为自己在讨论中的发言较少或几乎没有有价值的内容，这在文献中也得到证实。
（3）T1资源制作。双方教学使用的硬件差距较小。但国外教师更善于制作教学资源，如在微课教学中的示例和理解上有明显优势。
（4）K2评价公平。利用资源学习，学生缺乏互动和监督，学生遇到的问题无法及时得到反馈，而且，部分学生直接通过网络抄袭。
（5）C5问题深入。主动深入学习是学生主体要素，与K5一起反映出学生的主动学习能力。在反馈表中，没有激励措施情况下，学生主动性较弱。
（6）K1考核多样。最终的标准测试所占的比例仍然较高，对学生学习过程的反映仍欠缺。学生反馈中体现能力考核不全面，完成任务的方法性能等没有体现，评测题目的结果不能反映解决方案的思路。上述分析的结果，不仅表明我国高校在教学上与美国的差异，也由此得到了在采用新教学模式下教学方法的改进方向。
三、基于个性化的教学方法改进
（一）翻转课堂教学方法的个性化改进思路
根据上述模型，教师时间分配C4和学生的课堂参与度C2比资源利用C1更为重要，说明课堂要比自学更容易掌握学习内容。在教师平均指导时间不足的情况下，课堂有效组织和利用显得尤为重要。因此，根据学生个性，将有限的时间加以合理分配是教学改进的一个方法。利用在线工具询问学习中的困难，有助于改进C5，可以减少学生在自学过程中产生的挫败感。K1，K2和T1中，分析学生使用学习平台和学习交互过程，学生往往寻找适合自己的问题和同伴，也反映出学生对自我定位和个性公平评价的需求。因此，上述六个指标涉及的关键是如何针对学生个性进行教学方法和学习评价的实施。
结合建构主义倡导的“学习是获取知识的过程，学习者在一定的情境即社会文化背景下，借助其他人（包括教师和学习伙伴）的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得”的理念，教学方法改进应当注重当前各校教学背景下学生已有的知识构成，针对其个性予以弥补和提升，促使学生知识内化，才能有效地让“教育适应学生”。从构建知识获取途径上，教师是学习的辅导者，设计学习环境、资源，以满足学生课上、课下学习的需求，需要根据学生个性针对性地提供帮助。进一步，在学生问题引导上，课堂教学过程中，促使甚至要求学生必须提出问题，可以充分使学生进入课堂评价，提升教师对学生的关注，促使学生拓展思路，容易形成头脑风暴，并与现实紧密结合。
针对上述目标，应当分析学生学习过程的细节跟踪数据，辅助教师获取学生个性化学习数据，并对教师时间分配、个性化案例选取、评估方法等进行优化，提供翻转课堂的个性化教学模式。结合课程人数、教师信息化能力、课程改革限定条件和学生自主能力，以在线学习和评估平台形式对学生学习状态数据进行记录分析，辅助翻转课堂模式的实现。
（二）反映个性化数据的翻转课堂设计
在翻转课堂学习过程中，基于前期研究与所建立的辅助平台，增加跟踪学生状态的内容，将结果实时反馈给教师。根据翻转课堂的学习阶段，主要是针对视频学习、理解评测、课堂学习和课后巩固四个阶段跟踪。
根据上述思路，利用平台将学习过程贯穿如下：首先，视频学习和自我评测的记录体现学生自学过程中的问题。从视频学习过程数据，获取学生学习“卡住”的位置和学习效率，结合在线平台的评测记录，发现视频中不易理解的地方，实现监督和实时解疑。据此，结合学生课前疑问，利用跟踪数据对学生进行能力分级，教师设计课堂中要解决的重要问题，并根据个人掌握情况，规划课堂讨论方向和时间，让不同层次学生都有机会思考问题，吸引学生出勤，激发不同能力学生的学习热情。然后，利用课堂学习的反映和课后的巩固练习的评估数据，建立跟踪评价方法，让学生学习过程表现得更为具体，体现出学生学习中的努力和进步，让学生体验成就感。最后，针对学生课后存在的问题，安排补充内容和个体辅导。如图3所示，图中六边形位置表示跟踪的时段。
图3 翻转课堂中的个性跟踪设计
上述平台的实现是跟踪学生在共享平台的使用过程，利用后台程序来记录学生学习过程，反映学生个性化的学习过程，将评价内容扩展至整个学习过程。通过发现学生学习过程的差异，了解在学习过程中不同个体的知识掌握程度，反馈教师在实施过程中的不足。
四、基于统计分析的实证检验
从教师课堂时间分配和实施后学生学习效果两个方面评估平台实施效果。鉴于建模数据用于验证不能很好地检验模型的泛化能力，重新收集实际教学数据，进行改进后的教学方法实施效果的检验。
（一）教学改进的检验数据与模型选择
利用表2中的项目，根据正相关性和记录或收集能力的可行性，对学生选择了2组数据：D1={S6，S7，S10，C2，C4，C6，K3，K6，K7，T3，T5}，D2={C3，C5，S6，K3，K4，K5，K6，K8，T6}，分别验证假设H1和H2，评估潜变量对学习效果的影响，检验根据教学效果评估模型所做的改进工作是否能够提升教学效果。检验模型权重值取[0，1]值，对多个数据评估一个变量，使用权重归一化处理。对能力评估对应选取4级：优、良、合格、不合格。检验数据收集是利用在线平台和三年的课堂讨论、期末评估成绩和QQ在线答疑所形成的记录。收集数据为两门课程三届学生的有效记录，对应每届学生人数分别为97人，213人和207人。分别对教师指导分配时间和学生学习效果两个目标建立线性回归模型，G为噪声项。
教师课堂时间分配：
学生学习评价：
（二）基于个性化数据的指导时间分配检验
缺乏激励的学生深入探究教学设计是翻转课堂出勤率下滑的主要原因。在平台记录中，获取的学生学习状态，可以有效地、针对性地让教师进行个体“关注”，从而使学生感受“被关注”，提高学生学习的积极性。在个体关注中，可以及时让学生感受教师时刻关注自己，特别是缺乏主动学习态度的学生。反映学生学习状态的观察参数有很多，根据教学效果评估模型的潜变量，收集课堂上学生提出的问题；视频重复度和重复地点；问题解决方案的分级；问题的难度；帮助他人成功率等数据，最终形成D1数据集。
利用SPSS分析各数据与学生感受的指导时间C4指标项的相关程度，采用双边假设检验。获得的结果见表2。首先可以看出，指导时间与教师的组织能力、学生的参与有很强的相关性，表明学生参与课堂讨论可以让学生感受到被关注，也反映出前述模型中所发现的翻转课堂中的指导时间获得感增强途径是有效的。H1在新数据和检验模型下被接受。
教学方法改进实例：（1）课堂的组织需要更多地关注表现力不强的学生，以促使他们参与。例如，某学生在解决二叉树的问题上，尝试的角度是遍历的思想，较少使用递归思想。在布置任务时，对该学生专门指出“老师认为你对二叉树遍历方法掌握较为熟练，请你使用递归思想来解决该问题。”由于其作业与众不同，学生专门回信致谢教师对其的关心，并利用递归思想将所有问题重新完成一次，课堂表现也开始积极。（2）与C6的关系表明，学生知识的运用能力高可以获得更多地参与感，这也表明，案例的讲解可以促使学生获得参与感，特别是学生所熟悉的事件。例如，教师在课堂上，调整了判定树问题的提问方式，通过问题“使用判定树，2018年高考分数段统计可节约多少时间”来进行，更贴近学生生活。课堂上学生参与度明显提高。
根据上述结果分配课堂时间，会导致与优秀学生的课堂交流减少，但该部分学生一般会主动同教师交流，获得指导时间的感受并没有降低。教师将部分时间倾斜分配到掌握知识不及时和不牢靠学生身上，通过独立任务、关注进度等方法，促使该部分学生主动进行学习。
表2 教师指导时间的分配、学生课堂参与度与学生感受和学生评价的相关度分析
注：*. 在0.05 水平（双侧）上显著相关，**. 在0.01 水平（双侧）上显著相关，以下同上。
（三）学生能力和教学效果影响分析
使用D2数据，根据学生能力和参与情况，检验H3，见表3。表中显示了评价的结果、学生能力与课后练习完成度、训练题目质量、练习深度之间的相关性。学生在线练习的完成度与考核结果有非常高的相关性，这与正常的认知是一致的。T6启发性教学对作业完成度、综合知识运用的相关度较高，说明启发式教学对知识点掌握有帮助作用。知识的综合能力与知识运用、练习深度、考核结果有较高的相关性，说明学习中综合能力的体现对掌握较高难度问题有明显帮助作用。而问题的深度K4与学生的创新能力培养K7有很强的相关性，从而外在体现为评价较高的学生的创新能力也较好，说明评价具有一定的合理性。但是，动手能力K5在本次分析中没有体现出相关性较高的关联项目。经分析，认为该项内容选取偏向于学生提交解决方案的次数与成功率，可能存在部分学生预先验证后再提交的情况，这会导致该项目不准确。综合上述分析相关性指标，现行的多目标评价方案中，考核结果不能直接反映学生的创新能力，但能够有限度地反映解决问题的深度，间接体现出学生的创新能力。
表3 学习效果、学生能力和最终评价的相关度分析
为进一步获得直观的验证结果，通过实际统计数据分析知识点的掌握情况。如图4所示，表示13个知识点39个班级的掌握分布情况。在2016年度，38和39号班级，针对知识点3和7的掌握度较低，低于40%。在2017、2018年度，该部分训练内容进行了强化，增加了题量和知识点分解，增加了实验分析例程分析，通过在线QQ或微信答疑，促进学生对这两个知识点的学习。结果显示，所采用的措施提高了学生解决该类问题的能力，掌握度达70%以上。而且，在图中，6号班级中由于创新能力学生较多，多于1/6，因此，该班级在解决问题思路上明显高于其他班级。这也从另一方面表明在学生中通过高能力学生带动其他同伴学习以实施“以点带面”教学措施的可行性。
同年度数据比较。选取在2017年度同一门课程的两位教师的教学效果进行对比。其中一位教师利用新模式教学，针对性地利用时间分配和课堂指导来进行分析性学习。另一位教师则是课堂授课，学生利用网络平台进行自我学习和评测。两种方法的有效样本数均取60，使用阶段评测的均值，并对比较的知识点评测结果进行归一化处理。二者比较分析的结果如图5所示，显示前者效果比讲授后再进行网络自我学习的效果要好。
图4 39个班级对13个知识点的掌握情况
图5 两种学习方法的效果比较分析
五、结语
翻转课堂利用了更多的时间来兼顾每一个学生，但限于人数和资源，其实现方式需要从不同角度进行尝试。本文利用因子分析方法，分析了我国与美国翻转课堂的实施差异，根据分析结构，建立了辅助手段，发现学生能力差异，辅助教师兼顾学生个性，充分利用指导时间，使得在教学过程中更具针对性。通过实施的评价考核教学效果指标的统计结果pearson相关分析，表明该方法分析有效，提高了教学效果。
本文的平台仍然处于尝试阶段，有些问题还未找到相应的跟踪数据，致使部分评测效果不明显。目前，该方法对中等能力（处于百分位40至80间）的学生学习促进效果较为明显，但是对偏下水平（位于后百分之十）的学生学习促进效果达不到均值，后继的工作将重点研究如何提升该部分学生的学习效果。
（来源：2020年第1期《电化教育研究》）
