[论文解读] A pandemic-resilient open-inquiry physical science lab course which leverages the Maker movement

F. R. Bradbury, Freek Pols|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2020

Innovative Teaching Methods参考文献 13被引用 5

一句话总结

本文提出了一门具有疫情抵御能力的开放探究式物理实验课程，采用低成本的微控制器（Arduino）和翻转课堂教学模式，使学生能够远程自主设计并开展独立实验。尽管在COVID-19疫情期间教学方式突然转为线上，所有学生仍成功完成了原创性研究项目，证明了该课程在强调开放探究、可及技术与学生自主学习方面的韧性与有效性。

ABSTRACT

Without any major changes, a pilot version of a physical science lab course was able to continue when the COVID-19 crisis necessitated the abrupt suspension of on-campus education. The 'Maker Lab' course, in which students conceive and set up their own experiments using affordable microcontrollers, required students to follow the entire arc of an empirical research cycle twice. The decision for and facilitation of such open-inquiry projects was based on and warranted by the literature on teaching the process of experimental research and methods of scientific research. The flipped classroom approach was used, where contact time is devoted to discussions and the students' actual experiments were carried out independently at home or elsewhere without the in-person supervision of an instructor. Despite the COVID-19 measures, all students were able to produce interesting and successful research projects. While there were of course difficulties encountered due to the abrupt transition to online teaching, we found several counterbalancing advantages that bear consideration for inclusion even when all teaching activities can return to campus. We believe that three components in the design of the course were vital to the resilience of the course: the choice for fully open-inquiry projects, the decision to use Arduinos as measurement tools, and the flipped aspect of the instruction methods. We also include considerations for adapting these pandemic-resilient methods in other courses and programs.

研究动机与目标

• 开发一门在物理距离下仍能有效运行的开放探究式物理实验课程，确保在类似COVID-19疫情等机构中断期间依然可行。
• 探究创客运动及可及性微控制器技术（如Arduino）如何在远程学习环境中支持真实的科学探究。
• 评估翻转课堂教学模式在缺乏面对面指导时，对维持学生参与度与研究质量的作用。
• 识别可增强科学实验课程在未来的危机或混合学习模式下韧性的设计原则。

提出的方法

• 学生被要求使用低成本、开源的微控制器（Arduino）作为测量工具，自主设计并执行两个独立实验。
• 课程结构采用翻转课堂教学模式，通过异步内容传递，并安排面对面或虚拟的讨论时间，专注于项目开发与问题排查。
• 开放探究项目为核心：学生自主提出研究问题，设计实验装置，收集数据并分析结果，无需预设的实验手册指导。
• 课程强调完整的实证研究周期——包括假设形成、实验设计、数据收集、分析与结论，真实反映科学实践。
• 所有实验均由学生远程完成，仅接受极少的教师监督，主要依赖数字通信与文档记录。
• 使用Arduino使精确、可重复的测量成为可能，并支持学生构建定制化传感器系统，用于测量多种物理现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 当教学从面对面突然转为远程教学时，物理实验课程如何在保持科学严谨性的同时维持学生参与度？
• RQ2 在远程学习环境中，使用低成本微控制器（如Arduino）的开放探究项目在多大程度上能支持真实的科学研究？
• RQ3 翻转课堂教学模式在疫情相关中断期间，如何在维持学生自主性与项目质量方面发挥作用？
• RQ4 哪些设计特征有助于提升实验课程在机构停摆情况下的韧性？

主要发现

• 所有学生成功完成了两个由其自主设计的原创实验，使用Arduino完成，充分参与了实证研究周期的各个环节。
• 使用Arduino使在多种物理现象（如运动、温度、光）中实现可靠、可重复的数据采集成为可能，即使在家庭环境中亦可实现。
• 尽管面临突如其来的转型带来的后勤挑战，学生仍产出具有科学意义且技术上严谨的项目，表明学习成效显著。
• 翻转课堂教学模式使有限的接触时间得以聚焦于高质量互动，提升了项目深度与对学生支持的有效性。
• 三个核心设计要素——开放探究结构、基于Arduino的测量工具、翻转教学——被确认为课程韧性的关键因素。
• 作者观察到，远程实施意外揭示了诸多优势，如学生自主性与创造力的提升，这些优势即使在后疫情时代亦可保留。