科学教学互动分析系统（IASS）的设计及应用
时间：2023-06-04 13:20:22 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
柏 毅 刘 恋 董文丞 张 玲
近年来，国家对科学教育的普及愈发重视，科学教学质量的提高迫在眉睫。《全民科学素质行动规划纲要（2021—2035 年）》强调了科学普及和提升全民科学素质的重要性。[1]科学教育是培育科学人才的重要途径，基础教育阶段是科学启蒙、夯实基础的关键阶段。然而，我国基础教育阶段，尤其是小学阶段的科学课程质量和教学水平仍有待提高。教育评价是引领教育改革和发展的重要手段[2]，为提高科学教育质量，国内外大量研究通过开展中小学生科学素养评测来反映科学教育水平，但研究者较少对科学教学过程展开评析。对真实课堂的教学互动进行分析，有助于教师深入挖掘教学设计、教学策略等方面存在的问题，这也是教师有针对性地改进教学、提高教学效果的重要途径。本研究从科学教学评价的角度出发，根据科学课程的特征，设计一套适用于基础教育阶段科学课程的科学教学互动分析系统（interaction analysis system for science teaching，简称IASS），并将该系统应用在真实的科学课堂中，力图挖掘科学教学的特征和不足，为科学教师改进教学提供依据和建议。
1. IASS的设计原理
20 世纪60 年代，美国教育家弗兰德斯（Flanders Ned A. ）提出了弗兰德斯互动分析系统（Flanders interaction analysis system，FIAS）[3]，用于记录客观的教学行为信息，评价教学互动过程。FIAS 由描述课堂互动行为的编码系统、观察课堂教学和记录编码的规定标准、解码并进行分析呈现的方法3 大部分构成，该系统将质性和量性分析相结合，对课堂教学评价有积极作用。本研究以分析科学课堂教学为目标，但科学课程具有实践性、探究性强等特征，FIAS 原有的编码系统难以全面分析科学教学互动的过程。
因此，本研究在设计IASS 时，遵循FIAS 中编码、解码和分析方法的基本原理，保留编码系统、记录标准和分析方法这3 大结构，根据科学学科特征，对教学互动行为的编码系统进行重新设计，以满足对科学教学评价的需要。
2. IASS编码系统的设计
《义务教育科学课程标准（2022 年版）》指出，科学课程倡导以探究和实践为主的多样化学习方式，让学生主动参与、动手动脑、积极体验，经历科学探究以及技术与工程实践的过程；
重视师生互动和生生互动，引导学生对所学知识和方法进行总结、反思、应用和迁移，促进学生自主学习和合作学习。[4]可以看出，科学课堂对探究实践、合作学习的要求较高，但FIAS缺乏对此类行为的编码[5]，且原有“沉寂”维度的编码定义模糊，无法区分学生是在进行默读、思考等有益的学习活动还是处于等待、混乱之中。针对以上缺陷，本研究从教师言语、学生言语、沉寂混乱和学习活动这4 个维度设计了IASS。IASS 对FIAS系统的调整改进包括以下5 个部分。
（1）教师言语行为中，原编码4“教师提问”较为笼统，IASS 将原编码4 拆分为新编码4“提出开放性问题”和新编码5“提出封闭性问题”，以区分教师是通过提问引导学生自主思考和推理，还是仅需学生给予简单的反馈。
（2）在教师言语行为中添加编码9“助教与学生互动”。科学课程涉及较多实验操作环节，为了确保课程的推进和实验过程的安全，在学生人数多、年龄小或操作复杂的课堂中，教师往往需要助教的协助，且在远程授课时也有必要在现场配备助教为学生提供辅助。因此，为了使IASS适用于更多的场景，该系统将助教行为也纳入观察范围。
（3）学生言语行为中，在保留原编码10、编码11 的基础上新增编码12“主动表达”和编码13“同伴讨论”。科学课需要培养学生自主发现问题的能力，因而将“主动表达”与“应答”做了区分，这里的“主动表达”特指学生主动提问、发表见解。此外，与同伴的交流讨论能帮助学生思考、分析和总结，提高合作交往能力，因此，学生间的交流讨论也是值得记录的重要项目。
（4）有学者多次指出原编码14“沉寂或混乱”存在语义含糊不清的问题，例如在实际应用中无法区分有益的无声学习和无益的沉寂。因此，IASS将原编码14 严格定义为“无助于教学的沉寂或混乱”，如出现技术、管理等问题均归为此类。
（5）IASS 在FIAS 原有的3 大类编码上增加第4 类“学习活动”编码，记录师生非单纯言语交流的行为，并进一步将它细分为编码15“非实验活动”、编码16“教师演示实验”和编码17“学生操作实验”。教师演示时若出现言语行为则归类为编码16，学生在小组实验中若自发展开讨论仍记录为编码17。编码13“同伴讨论”特指非实验操作过程中的小组或全班交流，例如实验完成后对实验结果的交流。此外，并非所有科学概念都必须通过亲身实验来理解，因此“学习活动”类目中还包括非实验活动行为，如阅读资料、观看视频等，“学习活动”多为通过间接经验开展学习。调整修改后形成的IASS评价框架详见表1。
表1 IASS 评价框架
3. IASS 的分析功能及分析方法
IASS 根据科学教学的特征对FIAS 编码行为及其具体行为描述进行了优化，从而改进了FIAS编码系统的分析特性。IASS 在实际应用中，可以大致从表2 中的9 个方面对科学课堂的教学过程进行评析。
基于IASS 中各类教学行为的编码记录结果，研究者可以使用比率分析法、矩阵分析法、曲线分析法对表2 中的9 个方面进行深入分析。
表2 IASS分析功能
（1）矩阵分析法
将编码序对的频数记录在矩阵分析表中，基于统计结果对特征区域进行分析，研究者可以判断被评教师的教学风格、教学形式等。例如，在科学课堂中，（15，15）（15，17）（17，15）（17，17）形成的封闭区域可用于判断课堂更倾向于直接经验学习还是间接经验学习，此外，若（17，17）出现频次很多，且（1，1）（1，9）（9，1）（9，9）封闭区域的教师行为很少，则教学更倾向于非指导性探究。研究者也可根据需要选择相应的交互区域进行分析。
（2）比率分析法
计算某一项/类编码行为频数与总体行为频数或与另一项/类行为频数的比值，可以具体分析课堂中的某些教学特征，表3、表4 就采用此方法做了详细分析。
（3）曲线分析法
将记录的编码行为频数转化为曲线图形式，可以更直观、形象、整体地展示师生行为变化特征。下文以师生行为和沉寂混乱的比率为例绘制了曲线图（见图1、图2）并进行了分析。
图1 甲课师生教学行为比率时间变化曲线图
图2 乙课师生教学行为比率时间变化曲线图
1. 课程概况
教育部财政司委托专项课题“宁夏信息化教育教学模式探索与推广”于2020 年底在宁夏固原市西吉县试点开展“小学科学专递课堂”项目，通过网络面向西吉县乡村小学生远程开展实时互动的科学教学，旨在缓解当地科学师资短缺问题。“小学科学专递课堂”项目采取“师徒结对”的方式培养当地新手科学教师，因此项目课程由区外名师示范授课和当地教师实践授课两种类型构成。
为了解新手教师教学过程中的不足，本研究使用IASS 对区外名师示范授课和当地教师实践授课两类科学课进行分析。由于授课形式为远程专递课堂，因此，IASS 的应用突破性地拓宽到线上互动教学领域。本研究选取了两节科学课的课堂教学实录进行分析。其中，甲教师为全国科学骨干教师、特级科学教师，乙教师为当地小学的新手科学教师，两位教师分别向某所乡村小学的同一班级授课。在授课之前，甲教师已为乙教师提供了一定的教学指导。（课程信息详见表3）
表3 课程案例信息
2. 科学教学互动分析结果
甲、乙教师的两节课时长分别为51 分钟和44 分钟，使用IASS 编码系统每3 秒记录一次，得到的编码量分别为1020 个和880 个。通过对编码频数的计算整理，得到了两节科学课中各项教学互动行为的编码统计表（表4）。在此基础上，采用比率分析法和曲线分析法对两节课进行了深入分析。
表4 课程案例教学互动行为编码统计
通过计算特征教学行为的比率发现（详见表5），从总体上看，两节课的教师行为比例与学生行为比例均接近50%，教学中的师生行为控制得都比较平衡。实际上，两位教师在教学设计时均注意积极地与学生互动，并加入了实验探究的环节，因此两节课的行为比例均体现出了良好的学生参与度，与分析结果相符。
表5 课程案例教学互动行为分析统计
在教师行为中，甲教师的鼓励行为占11.67%，而乙教师的鼓励行为只占4.39%，差异明显。实际授课时，甲教师注重通过课前的诗歌导入、课中的鼓励和表扬来拉近自己与远程学生的距离；
而乙教师虽然尝试以唱歌的方式破冰，但课堂氛围较为沉寂，教学过程中的鼓励行为总体较少，甲、乙教师在鼓励行为上的占比差异较大。
在实验活动行为方面，甲教师的实验活动比例（46.27%）高于乙教师（33.75%），且在甲课堂中，教师演示实验和学生操作实验占总时长的比例（分别为10.88%和35.39%）均大于乙课堂（分别为5%和28.75%）。实际课堂中，为了使远程实验开展得更加顺利，甲教师通过反复演示和指导以确保学生明晰实验要求，并给予学生充分的合作探究时间。相比之下，乙教师在实验开展前缺乏指导意识和交流反馈过程，实验中出现了拖沓和混乱，学生的探究活动未充分完整地开展。表4 中，乙教师课堂中无助于教学的沉寂或混乱的频数占比高达9.66%，这也与乙课中出现较多实验环节混乱的情况相一致。
此外，本研究还使用曲线分析法从整体上直观地反映两节科学课的教学行为变化情况。图1、图2 将两节课中的教师行为、学生行为、无助于教学的沉寂或混乱这3 者所占的比率转化为3条曲线。通过曲线图可以发现，前5 分钟，甲课堂中师生行为交错、课前互动稳定良好，乙课堂中学生行为少且沉寂混乱多。课堂前5 分钟是实际教学活动中的破冰导入环节，曲线图直观反映出甲教师与学生破冰互动情况良好，该班级的学生快速融入课堂；
而在乙课的破冰环节中，师生交互性不强，学生的积极性不明显。同时，通过教师鼓励行为比率的分析发现，与乙教师相比，甲教师通过更多的鼓励性行为拉近与学生的距离，这在一定程度上解释了甲课中破冰环节的师生交互更强、学生积极性更高的原因。
5 分钟之后的前半段课程中，两图都出现教师主导和师生交互频繁的折线区域，该时间段对应实际教学中教师讲授和提问互动相结合的教学过程。甲、乙两节课在这一时间段均表现出良好的师生互动，表5 中教师行为和学生行为占比均接近50%，说明甲、乙教师在授课过程中并非只是开展讲授式教学，而是注重学生在课堂中的主体地位，引导学生积极参与课堂。
后半段课程中对应教学中的探究实验活动（甲课的第25～51 分钟，乙课的第15～43 分钟）。图1 中，甲教师与学生行为的折线依次清晰地出现在教师行为区域、师生交互区域、较多的学生行为区域以及最后的师生交互区域，曲线图的各个区域反映出甲教师在探究实践活动中首先开展了实践指导并与学生交流反馈，做好了探究实验的准备工作，其次给予了学生充足的时间亲身实践，最后与学生一起对探究结果进行了总结交流。图1 体现出甲课探究实践活动的有序性、指导性、交互性和学生主体性。
与图1 相比，图2 的探究过程中教师的指导行为（第20～24 分钟）后置于学生的探究活动（第15～20 分钟），教师未能在学生开展探究前及时提供有效引导，且之后的教学过程中还出现了多次混乱，说明乙教师在实践探究环节的指导做得不够充分，这也导致课堂秩序不尽如人意。与此同时，课程结束前师生行为曲线仍呈两极化，教学最后以教师为主收尾，缺失师生交流总结的过程，说明乙课探究活动的完整性、有序性有待提高。实验活动行为比率分析也发现，甲教师提供了更充分的实验演示和指导，乙课出现了更多的沉寂或混乱，这与曲线图反映出的甲、乙两课的探究活动特征也是一致的。
3. 新手教师与专家教师的科学教学差异
通过对比两节科学课的数据分析结果，可以发现新手教师在专业教师的指导下，通过提问等方式加强与学生的互动，关注了学生的主体性以及科学课程的实践探究性。然而，新手教师在促进良好课堂氛围、提供探究学习支架、组织实验活动方面仍与专家教师存在一定的差距。
（1）新手教师课堂氛围调动不足
教师接受情感、鼓励表扬和采纳意见这3 个编码共同反映教师鼓励性行为情况。由表5 发现，与甲教师（11.67%）相比，乙教师（4.39%）的鼓励行为在教学行为中占比较低。由表4 可知，与甲教师相比，乙教师在接受情感（0.23%）、鼓励表扬（1.14%）这两方面的行为频率较低。此外，通过曲线分析发现，甲教师在破冰环节、探究准备环节和总结交流环节均与学生展开了集中的交互，与乙课相比，甲课的课堂秩序良好、师生互动充分。综上可知，甲课的整体课堂氛围更佳。在实际教学中也发现，甲教师更擅长通过生动的语言和亲切的表情拉近与学生的距离，乐于鼓励学生表达，仔细聆听、理解学生的反馈，这些行为对提高学生的学习兴趣和信心、形成良好的课堂氛围具有重要的促进作用。
（2）新手教师缺乏提供探究学习支架
虽然两节课都采用了探究式科学教学形式，但总体上，甲课中探究活动的各个环节更加清晰、顺利、完整，这与甲教师提供了一定的探究学习支架有关。由后半段课程的曲线图分析结果发现，在实际课堂中乙教师的演示行为、师生交互行为均较少，且出现了较多的沉寂或混乱。甲教师则在实验探究开始前反复演示，并通过交流互动确认学生的理解程度，在此基础上给予学生充分的时间开展探究。在探究过程中，甲教师比较关注学生的探究活动进展，适当提供了引导和反馈，并与学生一起交流了探究结果。甲教师提供的这种探究学习支架，令探究活动进展更加顺利，能帮助学生高效、自主地发现科学规律，构建科学概念。
（3）新手教师的课堂组织调控能力有待提高
统计数据显示，乙课中无助于教学的沉寂或混乱的频数占比达到9.66%，而甲课中仅占2.84%，两者差异较大，且曲线图中，乙课出现混乱的区域集中在课程的前10 分钟和第20～25分钟。其原因一方面是，乙教师在课堂导入和组织实验探究活动时经验尚不充分，导致课程开始阶段以及探究活动中出现了较多的混乱；
另一方面，本节课为乙教师第一次尝试以专递课堂的形式远程授课，他尚不熟悉这种教学形式和教学技术，与甲教师相比，乙课堂中网络、设备等技术性问题出现的频率相对较高。由此可见，乙教师在破冰导入、科学实践和远程信息化教学中的组织调控能力有待加强。
通过实际应用可以看出，IASS 从整体和细节上全面剖析了科学课程中的师生教学互动行为，分析结果呈现的教学情况与真实的教学情况相符，为改进科学教学提供了可靠的依据和有针对性的建议。IASS 不仅记录了师生的言语行为，还记录了科学课中经常出现的实验探究等其他形式的教学活动，为科学教学的评价，尤其是过程性评价，提供了新的思路与方法，可提升科学教师的教学水平和科学课程的教学质量。为进一步提升应用效果，IASS在使用时可从以下方面做改进。
1. 熟悉编码标准，减小误差、提高效率
研究发现，在编码过程中，科学课程中的一些教学行为在编码记录时易发生重叠或混淆。例如，教师的演示实验行为与言语行为、学生的实验行为与言语行为可能同时出现，同伴讨论行为易与学生主动表达、沉寂或混乱等行为混淆。IASS 编码系统已在介绍中对此类行为进行了严格的编码界定，编码者尤其需要注意这些编码的界定标准，以同样的标准对不同的课堂进行编码。为了减少编码误差、提高编码效率，在实际应用中，建议由专业性较强的科学教育领域或教学评价领域相关的专家、学者进行编码，并提前熟悉所有编码的界定标准。此外，在编码前，编码者可对同一节课多次编码，或由多位编码者对同一节课编码，在此基础上检验编码结果一致性，以保证编码的准确率。[6]
2. 灵活应用，拓宽使用场景
本研究使用IASS 分析了两节远程线上科学课，尝试将传统教学互动分析系统的应用范围拓展到线上。IASS 在线上课程中的应用对课堂本身的视频呈现质量要求更高，这是为了便于教师和研究者打破空间的限制，对更大范围内的课堂开展教学质量监测、教学对比分析等研究。此外，由于物理、化学、生物、地理等学科与科学学科具有学科共性，因此，教师可根据不同学科的教学特征进一步对IASS 的学习活动编码进行微调或补充，将IASS 灵活应用其他科学类学科，拓展其使用空间。
3. 服务于多主体，充分发挥应用价值
IASS 的操作流程简单，可行性强，分析得到的元数据可以供科学教育研究者、一线科学教师等主体从不同角度开展研究，推动科学教育质量的提升。科学教育研究者可以使用IASS 对典型的科学课堂进行分析，将教学过程的分析结果与学生科学素养的评测结果有机结合，深入挖掘教学特征与学生表现之间的联系，发展科学教学理论，探索更科学有效的科学教学模式。一线教师可以尝试应用IASS 开展教育行动研究，记录和量化日常科学教学活动，通过纵向对比自身的教学变化、横向对比多位教师的教学过程，帮助教师更清晰、有条理地反思教学，有针对性地持续提高科学教学和研究能力。
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