科技創新使自發互動的物理學習美夢成真

科技創新使自發互動的物理學習美夢成真

－TEAL 課程計畫介紹

張財福* 黃鼎凱**

張世欣*

(

***

)

廖先彬**** 湯兆崙***

*嘉義縣基督教協同高級中學

**國立中正大學 數學系

***國立中正大學 物理系

****美國麻省理工學院 物理系

摘 要

本文旨在介紹美國麻省理工學院(MIT)一項名為 TEAL 的普通物理教改計畫。TEAL 計畫的 主要目標，是改變在MIT 普通物理的教學方式，以便降低不及格率，和增進學生對抽象概念的 理解。其設計是應用現代科技，透過主動學習，使學生更能完全參與課程活動，並且以多媒體 教學，替換大班級的大一物理講課方式。TEAL 以主動參加學習的教學法為核心，結合講課、演 習和桌上型實驗為一體的單一教室經驗。在專門為此種教學而設計的教室，大量使用網路筆記 型電腦，以一種高度互動和合作的方式，在動手實作的環境中教學。在教材中加入電腦動畫與 模擬，以協助學生理解電磁學中抽象的場，和它們之間的交互作用。其目的是希望幫助學生， 實際看見物理現象，發展更好的直覺和概念模式。根據2003 年 TEAL 春季班、和 2002 年春季 班一個控制組所得到的評量結果，顯示出參與 TEAL 的學習增益值，大約是一般傳統講課演習 課程的兩倍。此項結果，和近二十年來在其他大學物理教育所得的研究一致。和近幾年來的不 及格比率(由 13%降至 7%)比較起來 2003 年春季班的不及格比率(約幾個百分比)較低，又和這項 成果吻合。 文中我們將討論此大一物理教育改進計畫的特色與成效。 關鍵詞：TEAL，普通物理，主動學習，講課，演習，桌上型實驗

壹、前言

二十一世紀的大專物理老師如何面對成 績日愈低落，缺席率逐年遞增的大一學生?學 生如何克服抽象難懂的物理，重拾對自然科 學的信心?日新月異的科技提供了答案。高等 物理課程近幾年來，由於電腦視訊動畫等科 技的蓬勃發展，使得許多過去不容易呈現， 和體會的抽象物理概念成了可能，也因此帶 動了一股普通物理教學研究的革新熱潮。歐 美國家中有許多的大學，相繼投入物理教育

改進的行列中，以美國為例，這波教學改革 熱 潮 中 ， 有 北 卡 羅 萊 納 州 立 大 學 Robert Beichner 教 授 所 主 持 的 SCALE-UP 計 畫 (Beicher et al., 1999)、哈佛大學 Eric Mazur 教 授的 Peer Instruction 計畫 (Mazur, 1997)、 Rensselaer Polytechnic Institute 的 Studio Physics (Cummings et al., 1999 )、麻省理工學 院 John Belcher 教 授 的 TEAL (Technology-Enabled Active Learning) /Studio physics 多 媒 體 物 理 計 畫 (Belcher, 2001) 等 ， 及 其 它 許 多 大 學 的 相 關 計 畫 (Handelsman et al., 2004)。 在 這許多的 計畫當中 ，MIT 的 TEAL/ Studio Physics 是相當特殊的一個團隊，該計 畫的成功推展與成效，值得我們借鏡參考與 學習。MIT 教育一向以培養理工科精英人才 為主，但是為了改進普通物理教學，自公元 2000 年起，至今已投入數百萬美元，工作團 隊含教授、博士後、專任助理、兼職研究生 與大學生等數十人，可見其對該計畫之重視 程度。該計畫近年來常於美國物理教師協會 (AAPT, American Association of Physics Teacher) 發表教學成果，贈送光碟教材，受 到美國眾多學校的肯定與迴響，紛紛要求觀 摩該教學設備與教法。尤其，有無數的高中 物理教師希望取得該教材，以便改進教學。 因此，在本文中，我們將對該教學內容作一 個簡要的介紹，以做為本國物理教育改進教 學的一個參考。

貳、特色與內容

在進入細節之前，我們首要捫心自問的 是，什麼樣的物理課程，是我們所想要引進 介紹的？三年來，面對翹課率與不及格率升 高的大學基礎物理課，國外的 MIT 首要目 標，是引入一套可以在課堂上實作實驗的新 鮮人入門課程。物理是一項實驗科學，但是 三十年來在 MIT 物理系所開設的大學課程 中，除了在力學及電磁學有所謂的簡單回家 實驗設計外，在屬於物理專業方面，並沒有 一個專屬適合在實驗室，來進行這些入門課 程的實作實驗。學生主要的抱怨是，這些在 實驗室進行的實驗都太過形式化，流於照本 宣科，而無法達到與當時在課堂上所教授的 主題，相結合的目的。實驗無法與講課相契 合，亦是現今大學教育的共同問題。在下文 中，MIT 嶄新的物理實驗室，將有效結合課 程題材與實驗，並允許學生在課堂中，互動 討論，並且反應有關實驗意涵的來龍去脈。 在MIT 大力推行的物理教育改革，即所 謂的 TEAL 多媒體物理教學改進計畫，多年 來，注重利用現代科技於物理教學的變革。 該計畫的特色有下列數項： （一）以新穎多媒體普通物理教學暨實驗教室 (studio physics classroom)，透過現代 影音視覺動畫模擬科技，摒棄傳統被動 式 授 課 演 講 方 法(passive lecture/ recitation format)，營造一種主動參與學 習的氣氛與環境 (engaging and active learning environment)，提昇學生基礎 科學之抽象概念，和實驗動手之能力。 （二）透過同儕間團隊合作(peer collaboration)

(interactive and collaborative learning) 及問題解決，避免因學生程度不齊，造 成學習落差與教學困難，並建立溝通能 力與合作精神。 （三）結合授課(lecture)、實驗(laboratory) 與 演習 (recitation) 為一體之新式教材教 學法，以整合資源，提昇效率，兼具理 論與實務之主動式學習活動。 （ 四 ） 新 穎 桌 上 型 實 驗(desktop experi- ments)，結合虛擬視覺動畫模擬，與數 位資料分析硬體，從做中學習，加強理 論與實驗效果。 （五）應用尖端科技優勢 (如網際網路、2D 及 3D 視覺動畫模擬、多媒體影音) 於現代 教學，克服傳統大班教學之缺點。 （六）課前預習 (pre-class questions) 評量 法，以網路進行上課前之預演，作業指 定與繳交，配合下課前小考，評估教學 與學習之成效。 （ 七 ） 採 用 數 份 國 際 知 名 的 診 斷 測 試 法 (diagnostic test)，於上課第一天進行學 前測驗 (pre-test)，評量學前普通物理程 度。學期結束時，進行相同之學成測驗 (post-test) ， 以 評 量 學 習 成 效 (performance)。力學採用 FCI (Force Concept Inventory)或 MBT (Mechanics Baseline Test)，電磁學則採用 CSEM (Conceptual Survey of Electricity and Magnetism)。 以下是對 TEAL/Studio physics 特色的 簡介。瞭解 TEAL/Studio 課程安排之後，可 以知道其從頭到尾的宗旨，就是為了重燃學 生的學習動機，重新回到課堂上，來主動參 與學習，使學生對物理有截然不同的觀點， 重新來欣賞物理中兼具概念與分析的雙重之 美。 圖1 以 3D 電腦視覺模擬展現的 MIT TEAL 多 媒體教室 圖 2 MIT TEAL 多媒體教室的另一 3D 電腦視 覺模擬

一、完善的教學設施

首先，TEAL/Studio 課程安排不同之處， 也是它的第一個特色，就是教室空間的規劃 設 施 ， 需 要 一 個 與 眾 不 同 的 教 室 空 間 與 設 備。如圖1 的 3D 立體視覺動畫模擬圖所示，

這是 MIT 於 2001 年秋天啟用的空間，教室 內共有13 張直徑七英呎的桌子，每張桌子可 以坐九位學生，教室的設計總共可容納 117 位學生。老師的講台則位於教室的中央處， 這樣的設計是為了，使學生看到老師在課堂 的種種教學操作與示範活動，尤其是一些不 適合於桌上型實驗的大型實驗活動（老師的 一切示範都將投射於位於教室課角落的八個 引銀幕上）。在老師周圍也配有各式直交流電 源和控制器，以供特殊的實驗使用。環繞在 教室周圍的許多白板，可做為師生討論，或 教室裡的每一成員的即席意見發表，而每一 白板都可以藉由不同角度所設置的攝影機， 投射到大銀幕上，讓教室內全體人員看到。 在 白 板 之 間 又 放 置 許 多 銀 幕 ， 並 有 投 影 設 施，將授課內容投射其上。當全班同學們共 同 討 論 時 ， 亦 可 將 正 在 答 問 或 報 告 中 的 同 學，予以攝影投影在銀幕上，藉由此一視訊 設施，使整個教室互動的更好。從圖 2 中， 我們也看到每 3 位同學為一組，配置一台筆 記型電腦，作為小組報告或教師教學之用， 在講台上的教師，可在講桌上示範較複雜不 易由學生操作的實驗，並且將影像投影給全 班同學觀看。整個設施的主要目的，是建立 一個完整的視訊與討論環境，以使下面即將 描述的教學法，沒有阻礙。

二、教學法

TEAL/Studio 的 基 礎 構 想 就 是 結 合 授 課、問答、實驗三種活動，融入主題式教學 與實驗課程。每一主題都採用三人一組，合 作學習的方式，來進行桌上型實驗及小組討 論。在 MIT 研究如何以小組合作進行有效 學 習 的 一 位 經 驗 專 家 Breslow 博士，指引 TEAL 如 何 在 課 堂 上 ， 進 行 共 同 合 作 的 學 習。平均每班每週有五小時在 TEAL/Studio 教室進行。在 2001 年秋天的第一個實驗階 段，分為兩班，每班70 位學生。在起初的教 學工作上，人員的配置上較一般情況為多， 成 員 包 含 了 數 位 知 名 教 授 ( 如 Belcher 教 授、Dourmashkin 博士與 Lazarus 博士) 以 及兩名專任助理、數名兼職研究生和高年級 大學生。此外，也利用了網路自動化系統， 來作為教學的輔助工具 (WebAssign 軟體， 見網頁: http://www.webassign.net) ，做為學 生課前預習以及課後練習，這樣的設備，解 決了學生在學習上的困難，老師也可以藉由 這樣的系統，針對較複雜的觀念，作有效的 澄清，並且對學生理解課本的程度，也可以 提高。還有另一個值得一提的特色，這套系 統可讓教師指定學生的學習時間，並依據學 生回答的正確與否，彈性的在有限時間內， 依程度更新教材，真正做到及時教學的目的。 在MIT TEAL 所設計的教學形式中有幾 個主要特色： （一）精緻3D 立體視覺模擬圖形 受惠於許多其它大學或機關，作相關研 究的先驅們的經驗與靈感，TEAL 最大的挑戰 是如何為符合MIT 學生的能力，來量身訂做 教材，這也是TEAL 的研究重心，這個重心 的原則是開發出新而有效的物理教學方法與 技術。舉電磁學為例，就是將焦點放在利用 圖像模擬，讓學生理解電磁場與力的交互作

用。電磁學算是對入門學生中，一門較有學 習障礙的一科，但是藉由動畫模擬，可以將 抽 象 化 的 電 磁 場 觀 念 ， 以 實 際 圖 形 表 示 出 來，學生也可以自由操作，調整不同參數數 值，獲得不同的數值結果，來瞭解場與力的 變化。 目前TEAL 已經完成，電磁學以及部分 力學的教材。在電磁學方面，針對傳統的電 磁學教學形式中，如何使學生能夠對抽象的 電 場 與 磁 場 ， 以 及 兩 者 之 間 的 相 互 作 用 行 為，有完整的理解。教學過程中圖像的呈現， 是相當重要的一環，在每個概念上，TEAL 除 了用足夠的文字說明之外，也配合許多的3D 圖形，穿插在教材中，有些3D 立體圖案，甚 至可以做 360 度旋轉的動態呈現，讀者可藉 由滑鼠，控制圖案旋轉或停止，藉此在學習 者 的 腦 海 中 建 立 正 確 的 圖 像 。 值 得 一 提 的 是，這些立體圖案都是經過 MIT 教授與助 理研究員，結合其他電腦科技相關科系人員 合力完成，正確度相當高，非坊間一般憑個 人想像的示意圖，所能相比。用來展現這些 電磁力線，並能夠詳細描述此物理現象的， 是於1993 年推出的所謂向量線積分摺積技術 (Line Integral Convolution) (Sundquist, 2003)。 例如，在微波實驗的教學中，圖 3 是模 擬一個正負電偶極天線，所產生的電磁波發 射圖案的一個畫面，其中所呈現的電力線分 佈，可看出平行天線的直線上方向有較弱的 電場。學生聽教師講課的同時，觀看正確的 圖 像 ， 對 抽 象 概 念 圖 像 的 建 立 有 很 大 的 幫 助。這個技巧的另外一個例子是，一個磁鐵 掉落通過一個非磁性導電圓形的線圈，所產 生的磁場分佈情形，圖 4 所展示的是其中視 覺模擬的一個畫面。 圖 3 一個正負電偶極天線所產生的電磁波發 射圖案，此裝置放在 TEAL 教室的桌上 圖 4 一個磁鐵掉落通過一個非磁性導電圓形 線圈，所產生的磁場分佈情形 （二）電腦的實驗動態模擬與影片 除了以上較為被動式的影像模擬外，教 材隨著上課進度，TEAL 還開發了許多與教材 內容相關Java Applet 的動態模擬互動教材， 可以應用在許多電磁學的內容描述上。學生 藉由控制畫面中的物體，移動或旋轉以便可 觀察到，該物體與電磁場交互作用的行為，

這些模擬實驗，也允許學生輸入數據，觀看 該現象後來的發展，使學生藉隨著時間演化 的物理行為，產生正確的概念，而不光靠方 程式本身，來想像動態的物理現象。 圖 5 所顯示的是，一個運動電荷在磁偶 極所形成的磁場中，電流與磁場交互作用行 為的電腦模擬。使用四階的Runge-Kutta 數值 技術，這個Java Applet 計算和描繪電子的移 動，所造成的總磁力線分布，圖形右方上的 參數可以來控制3D 圖形的運動曲線，由於速 度快，彷彿是真實的模擬。其目的在於使學 生不只是被動的觀看3D 圖案，而是藉由互動 式的電腦模擬實影，使學習者建立許多物理 概念。 圖 5 一個電荷在磁偶極所形成的磁場中運動 的 Java 3D Applet （三）新穎的桌上型實驗設施 MIT 物理教學更設計了桌上型實驗，這 些 實 驗 的 設 備 都 可 以 在 上 述 教 室 中 的 圓 桌 上，每三位同學一組，在助教的協助下完成。 這些實驗強調在同一個講課的教室，即可實 行，不像傳統物理實驗課程，須到專屬的實 驗室操作。該物理課程強調，實驗內容與講 演教材進度的配合，使實驗與教學課程緊密 結合，並且避免學生上完相關物理概念後， 過 了 許 久 ， 才 能 有 機 會 操 作 相 關 概 念 的 實 驗。在課程設計上，選修此一物理課程的學 生，無需另外上實驗課程，也因此該物理課 程每學期是 5 個學分。值得一提的是，在學 生操作桌上型實驗的同時，TEAL 還以動畫 呈現與該實驗相同的模擬畫面，除了動手以 外，更可藉由動畫看到實驗中無法看到的現 象，如電場、磁場或力量的變化等。如圖 6 所示，是一個真實的錄影畫面，實驗者將磁 鐵在線圈中移動產生變化的磁通量，使線圈 產生感應電動勢，此感應電動勢，藉由右下 角的儀器顯示出來。圖 7 則是一個和此實驗 相關的動畫，學生可藉由動畫中所呈現的磁 力線，在線圈中的變化情形，體會到手中操 作的磁鐵，和線圈所產生的交互作用，並瞭 解到磁通量的變化是產生電動勢的主因。將 實驗與動畫結合，藉由動畫顯示實驗所無法 呈現的抽象概念，是此種教材的特色之一。 另一個例子，圖8 是探討圖 5 或 6 物理現象， 所用的儀器的電腦視覺模擬，而圖 9 正是實 際進行此種實驗的上課情形，左二在指導學 生 如 何 操 作 的 正 是 TEAL 計 畫 主 持 人 Belcher 教授。由上述各種圖片的經驗可知， 栩栩如生，但不可接觸的模擬儀器，搭配抽 象的場線分布，加上可以見到和用手觸摸， 並操作的實體儀器，絕對有助於學生對電磁 觀念的理解。

圖 6 法拉第感應電動勢的實驗影片 圖 7 法拉第感應電動勢實驗的 3D 動畫 圖 8 磁鐵通過非磁性導電線圈的模擬 圖 9 磁鐵通過非磁性導電線圈實驗的教學， 左二為 Belcher 教授

三、結合最新科教理念的教學評量系統

一套新式教學法的發展、實現以及成功 與否，適當的評量系統佔有重要的地位。自 TEAL/Studiop Physics 實施以來，就採用一套 堅固可靠的學習成效評量系統，由來自以色 列科技大學教育系的科教專家 Dori 教授所 主導，至今一直在持續改善中。TEAL 採用 各 種 可 行 的 評 量 技 術 (Dori & Belcher, 2001)，包含傳統的紙筆測驗、問卷、演習題、 小組討論題目、學前與學後的概念性測驗等 等。自2000 秋天起針對基礎物理課程開始進 行評估，雖然此時教學上仍屬於傳統講課的 方式，但教學內容包含了，五個桌上型實驗 和 Java Applet 等一些視覺模擬的教材。學生 在課堂上的成績表現，是採用比照一般大一 新生量化分析、複選概念性題目的學前測與 學後測、開放式的概念性問題以及過去為不 同教學方法曾沿用的問卷。以2000 年秋天所 做的測驗評估為例，圖10 是針對參與此課程 的 126 個 學 生 的 學 後 學 習 成 效 (course perforomance) 對學前測所得的關係圖。結果

顯示，整體學生在課堂上的表現，在某種程 度上課前測驗是有預測性，也就是課前測驗 成績好的，期末成績也不錯，這也告訴我們， 在未來我們可以使用課前測驗，來發現學生 的起點行為，並針對需要補強教學的學生， 設計適當教學。2004 年秋天 TEAL，也將再 引用這一套系統，在未來教學可望更進一步 扮演重要的角色。 圖 10 針對參與 2000 秋季班基礎物理課程的 126 個學生所得的學習成效和學前測的 關係圖 此外，針對2003 年春季班所作的最新統 計，參加 TEAL 學生的學習成效，是那些在 接 受 傳 統 演 講 課 下 學 生 的 學 習 成 效 之 兩 倍 多。這個結果和大多數教過TEAL，又教過傳 統 課 程 的 物 理 教 授 ， 所 得 到 的 感 覺 是 一 樣 的。這項成果又和當季的不及格率一致，由 近幾年來的13%降至 7%。

參、結語與展望

TEAL 教學仍在持續改進中。根據 2003 年春季班的反應，2004 年春季班加一些底下 所做的變革有: (一) 混合不同程度的學生為 一組，依學前測驗的結果，區分高、中、低 程度 (或 A、B、C 程度)三種分類，每一類各 取一名學生組成一組，這種設計方式與「三 個臭皮匠勝過一個諸葛亮」的理念不謀而合； (二) 課程設計上，提供更多同儕合作學習的 訓練；(三) 對於參與本教學的相關人員如講 師、大學與研究生助教，課前提供密集訓練 課程，熟練教學技巧；(四) 增加更多上述教 學的相關人員，提昇師生比，減輕授課負擔， 增加學輔導生品質；(五) 整合實驗教材，減 少實驗次數。 截至目前為止，對於 MIT 近年來進行的 創意教育改革 (自 1999 年開始，由微軟公司 贊助六年兩千五千萬美元，名為 iCAMPUS 的教改計畫，詳見網址http://icampus.mit.edu/) TEAL 教學所學到的經驗是多方面的。首先， 任何教育改革必須有配套真金不怕火煉的評 量系統，要有一些教學成效的定量數據，以 便推論評斷，是否這項創新真的比原先取代 的教學法，具有相同甚至更好的結果。其次， 任何教改最寶貴的地方是，嘗試將一項小小 的 創 新 理 想 ， 移 植 到 更 大 的 現 實 環 境 中 ， TEAL 初期失察的地方，是沒有事先訓練一 批種子教師，以及教導學生如何適應這個新 穎的教學方式。 多媒體物理教學正方興未艾，未來有可 能 成 為 主 流 ， 屆 時 就 像 現 今 的 網 際 網 路 一 般，在各級學校的教學成為不可或缺的一部 分。希望本文的介紹，能拋磚引玉，引起更 多有興趣的學校進行類似的基礎物理改進計 畫。

肆、致謝

本 文 作 者 感 謝 MIT 物 理 教 授 John Belcher 的多方協助，提供所有的圖片和相關 資料。也感謝教育部顧問室「基礎科學教育 改進計畫」在經費上的幫忙。

伍、參考文獻

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