專業 物理

大學如何克服轉型到網路授課的障礙

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撰文者:常雲惠 譯
發文日期:2020-08-28
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  • 隨著第一個學期大規模網路授課的結束,全球各地的大學教師們總算是鬆了一口氣。因為實施社交距離以減緩COVID-19傳播而關閉的校園,掀起讓各個大學院校都措手不及的遠距教學。教師們必須在家工作,將他們的課程上傳到網路教室,並吸引那些受到多種外在因素干擾,或是因為網路連線品質不佳而無法集中注意力的學生們。棘手的考試問題,更是所有學科在這個過渡期所共同面對的困難之一。至於物理學科,則是多承受了內容龐大的入門教學課程,與實驗室教學的雙重挑戰。伊利諾伊大學香檳分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)物理系副主任德馬克(Brian DeMarco)說:「即便在各種條件限制,以及配合在家遭遇困境的學生的情況下,我們仍舊以提供完整的教學做為目標」。他說,以培育工程師為主的課程,仍舊必須符合工程師認證的要求。在美國,所有課程都必須遵守《聯邦家庭教育權利和隱私權法案》(FERPA, Federal Family Educational Rights andPrivacy Act)。例如,已經評分過的作業必須透過安全系統寄給學生,而非直接利用電子郵件傳送;在公開的視頻中,也禁止出現可辨識的學生個人影像。


    在德克薩斯大學奧斯汀分校(University of Texas at Austin)物理系擔任遠距教學協調職務的戈登(Vernita Gordon)說:「學生和教職員失去支援」。就像許多教授一樣,她也得照顧自己的孩子;由於他們就讀的學校也因為新冠病毒大流行而停課了。此外,教師們還必須應付超過負荷的網路流量:另一位奧斯汀的講師,敘述了他如何對著當掉的網路絮絮叨叨地授課;以至於當他重新連上網時,不得不重複剛剛那10分鐘的內容。戈登說:「每一個人都是盡其所能。但是對學生而言,學習起來卻感覺更為困難,而且也更難理解學生究竟學到了甚麼。


    在新冠疫情爆發之前,許多物理學系已經處於建置網路課程的不同階段。不列顛哥倫比亞大學(University of British Columbia)的物理系主任沃爾瑟姆(Chris Waltham)說:「我們具備所有的工具,但是對於希望這次能無縫接軌的順利程度,我仍舊感到驚訝。」即便如此,低出席率仍舊是個關注點,「儘管大多數的班級都會出席完成網路上的測驗。」


    倉皇出台的網課

    從教室轉換到網路平台授課,教師們通常具有很大的迴旋空間。關於採用現場直播或是預先錄製的授課視頻、視頻的平台、如何進行實驗課程以及如何管理考試的決定權等,大多是由個人或教學團隊決定;教師們只需要把教學計劃呈報大學行政部門即可。許多大學都提供有Zoom或其他網路平台的培訓,而且一些物理系也聘雇內部技術人員加以輔助。許多學術機關則是購買了電子書寫板、文檔照相機以及可供教師進行遠距教學所需的其他工具。

     
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    圖一、學生通過Zoom出席卡瓦列羅(Danny Caballero)的高等電器電磁學課程。


    科羅拉多大學波德分校(University of Colorado Boulder)大學部物理研究副主任杜布森(Michael Dubson)說:「我們必須弄清楚如何使用網絡攝影機和麥克風,以及如何在家錄影、錄音的方法。其間雖然困難重重,但是我跟同事們保持聯繫,並順利完成工作。」遠距教學的方式會因為教師的風格、班級大小、級別以及學生的需求而有所不同。戈登說:「人們在課堂上呈現的材料或許可以,但也可能無法完好地轉化成線上授課」。在新型冠狀病毒疫情爆發之前,她為非本科學生開設的榮譽物理課程,互動相當良好。「我們把學生分成幾個小群組,助教跟我則巡迴其間並參與討論」。她說:「我們能夠把同樣的分組模式複製到Zoom上,但效果卻不近似。我感覺許多人與人之間的互動消失了。」


    許多教師抱怨說,視訊會議平台上的分組討論室,阻礙了學生之間以及學生與教師之間的互動。史坦福大學(Stanford University)的物理學家威曼(CarlWieman)說,要適應線上教學,需要經過一段「學習曲線」(learning curve),但是如果能提供給學生明確的指示和目標,再運用分組討論室把學生分成幾個小群組,「可能會有較多的互動。」 他說,實際上,對於大型班級,這樣的互動可能比面對面的授課要好。


    格雷科(Edwin Greco)說,喬治亞理工學院(Georgia Tech)的指導原則一直是盡可能與原始課程保持同步。格雷科是普通物理課程(含微積分)的首席講師,該課程大約有900名學生。他和他的同事決定根據課表排定的時間上課。他們會在課後上傳自己的授課視頻,以供身處偏遠時區、網路故障或遇到其他問題的學生能夠依據自己排定的時間表趕上進度。格雷科描述,在教室裡上課的過程當中,講師大約每隔十分鐘就會提個問題。通常學生會跟鄰座同學討論個幾分鐘之後才作答。格雷科說:「如果大多數的答案都正確,我會繼續上課。否則我就會調整上課進度」。然而這個方式卻不容易透過網課執行,一來是很難督促學生進行討論,而且透過網路的互動也不夠即時。他又說,若是在教室授課「你還可以判斷某人是否專心聽講,但是透過網課則辦不到。」


     
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    圖二、法恩斯(Joel Fajans)用微控制器,電阻器和其他電路部件焊接成組件,供加州大
    學伯克利分校的高級實驗室使用。法恩斯把這些套件寄給55名他的學生。當COVID-
    19關閉該大學時,他們分散在三大洲。學生們利用這個套件在家中建造了放大器,
    測量和分析噪聲,以獲得波茲曼常數。



    其他講師選擇非同步授課;有時候採用翻轉模式,也就是讓學生先觀看授課錄影再參加虛擬討論。包括杜布森在內的一些講師,則在他們的錄影講座中嵌入問題,而學生只有在做出回答後才能繼續觀看影片。他說:「這讓我們可以要求他們思考。」密西根州立大學(Michigan State University)的卡瓦列羅(Danny Caballero)負責教授高級電磁學課程。這個班級小,只有24位學生選課,所以他能夠與學生保持互動,他的主要目的是希望學生能夠展現出對課程內容的理解。在面對面的上課型態停止之後,他讓學生們編寫與解答測驗題,並互相批改彼此的作業。他說,這個授課型態的轉換對他而言相當容易。


    卡瓦列羅說,儘管如此,這個轉變對於許多學生來說比較艱難。「他們修三、四或五門的線上課程。他們的財務狀況也各不相同,其中有人失去了校內的工讀,目前還不清楚他們是否能有飯吃?」 他說,瀰漫在學生群中的焦慮是一個大問題。「有些學生感到孤獨,有些學生則感到沮喪。」


    無需動手操作的實驗課

    對於北美地區大多數的學校而言,當「封城」開始的時候,學期至少已經過了一半。 在實驗室進行的課程當中,學生通常已經完成一半甚至更多的實驗了。 在不列顛哥倫比亞大學任教的波恩(Douglas Bonn)把大約有100名學生選修的二年級實驗課程重點,轉移到了溝通技巧和寫作上。在其他課程中,學生轉向電腦模擬實驗,例如由科羅拉多大學波德分校在2000年初期開發的免費互動式PhET電腦模擬實驗。它的物理實驗包含單擺、司乃耳定律、氣體密度、電路結構等;整個資料庫還包括數學、生物、化學和地球科學方面的模擬實驗。


    在伊利諾伊州,助教們在實驗課的時間進入物理大樓,透過網路直播進行示範實驗,學生可以通過Zoom進行部分測量。另一個選項是,讓學生在家中使用智慧型手機或iOLab(是一款由伊利諾伊州的教師團隊開發,與智慧型手機大小類似的設備)進行實驗。iOLab內建了可測量力、壓力、溫度和其他量的傳感器。杜布森說,新冠病毒大流行使得iOLab大受歡迎,以至於製造商麥克米倫(Macmillan Learning)的產量可能跟不上需求。另有其他課程,則由教師們創造了可供學生在家進行實驗的工具包。


    波恩說:不過,許多高級實驗室的課程需要要求學生「動手使用設備」。「這是一項有趣的挑戰,而我們可能會延後進行這些課程。」



     
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    圖三、物理研究生高斯瓦米(Shubhang Goswami)測量薄膜中的超導性。該實驗是伊利
    諾伊大學厄巴納-香檳分校高級實驗室課程的一部分。大學部學生可以遠距參與,並
    且可以控制部分的測量工作。

     

    評量,作弊與壓力

    考試,特別是入門這個階段,可能是在轉向遠距教學後最棘手和最有爭議的部分。有些科系,因為在處理這些問題上的爭議而導致同仁間的摩擦。一位不願透露姓名的州立大學物理系教授說:「我們應該如何公平的對待每一位學生呢?對於那些網路連線品質不佳的學生,要怎麼避免對他們產生成見呢?」「最後的結論是,如何在防止作弊與正確評估學生學習成就之間取得平衡。」教授說,這是個「令人心碎」的決定。「我非常懷疑我們是否走在正確的道路上。」科羅拉多大學波德分校的大一電磁學課程,是由杜布森的教學團隊所負責的一個大班教學。這個班級在本學期的第三次考試,便是透過網路進行,而且沒有任何安全措施。他說:「我們有大量證據顯示,考試期間作弊的情況相當嚴重。」對於期末考試,杜布森和他的同事考慮了幾種可能性。一種是利用監視程式。 但是,已有許多學生反應,他們沒有網路攝影機,此外,在已知監視程式存在問題的情況下,講師們否定了這個想法。他們考慮運用大型的題庫,為學生提供多種不同版本的試卷。「對於學生來說,這種方法可能是最公平,壓力最小的方法,」杜布森說。 「但是,由系上的老師共同開發這樣的一個題庫,卻是一項耗時之舉。」最終,杜布森的團隊採用這樣的形式 ― 學生必須提交問題的答案,才能繼續針對下一個題目作答,而且他們無法回頭檢查已經做過的問題。杜布森說,由於問題的順序是隨機的,「這幾乎使得學生在考試期間無法聯合作弊,但這並不能阻止學生僱用他人冒名頂替參加考試。」他說,這種方法在學生和教師當中都不受歡迎。「沒有人認為這是一個合理的考試環境。學生無法對問題進行思考,也無法預算答題的時間。這增加了學生的壓力。所幸大多數學生都能夠接受,畢竟這是為了公平考試的必要措施。」



    伊利諾伊大學香檳分校與一家網路監管公司簽有合約,但物理學系決定不使用該公司的服務。史太澤(Timothy Stelzer)是教學團隊裡的高能物理學家,負責教授工程學系以微積分為基礎的電磁學入門。該班共有600名學生。他說:「我們不想侵犯隱私。我不相信監管公司能夠解決『作弊』問題,他們只是徒增許多不必要的壓力而已。」於是,講師們把期末考試的時間從90分鐘延長到120分鐘,以適應緩慢的網速問題,而且他們還提供了不同的考試時間。除此之外,第一個問題便是要求學生同意遵循榮譽守則;只有在勾選同意欄之後,他們才能看到考試題目並開始作答。


    德克薩斯大學奧斯汀分校的戈登,也把榮譽宣誓放在考題之前。她選擇使用監視程式,該程式能夠鎖定瀏覽器,記錄點擊次數,並使用人工智能監視學生的活動。她說:「這是一系列令人不滿意的解決方案中,較好的選項。」 她又說,在使用該程式進行期中考試後,它的侵入性似乎「比我所擔心的要少得多。」 而且,只有在該程式鑑別出可疑行為時,她才會透過網絡攝影機觀察學生的舉動。對於低年級課程來說,考試問題最為棘手。而在較高的年級的部分,班級較小,教師也更願意透過開卷考試或是專題研究去評量學生。


    但是威曼說,開卷式的評量方式其實可以運用在所有級別上。他說,這種測驗方式允許老師提出更有意義的問題,而且對於解決實際問題的能力,也是較佳評量方式。 他說,在史丹佛大學,他的許多同事都選擇開卷式的測驗方式,把考試變成了另一種學習體驗,「大幅度降低了在克服人造難題以及猜測教師出題傾向上」的浪費。許多大學已經調整了關於退選和打成績上的政策。史太澤說:「很多學生也都做好了充分的準備」。「但是對於某一部分人而言,事實並非如此。這部分人往往就是那些沒有網路、家中處境艱難、數人擠在狹窄的空間裡共用一部電腦,甚至是需要分擔額外家庭責任的學生。」他說,為了遷就這種不平等現象及出於同理心,許多教師都放寬了實驗室和測驗的期限。而且大多數的大學都將退選的截止日期延長到了期
    末考試前後。


    這個學期,有許多大學都放棄了以成績分出好壞,而是採用只有註記及格或不及格的替代方案。儘管有學生抱怨,但喬治亞理工學院等少數學校,仍保留了成績制度。而許多院校也為學生提供了成績或及格/不及格這二種選擇。英屬哥倫比亞大學的理學院院長發布了一項罕見的規定,要求教師把期末考的成績依據30%和5%這兩種不同的比重進行計算,以便學生能獲得更好的學期成績。或者他們也可以選擇只標示及格/不及格作為最後成績。美國物理學會於3月下旬致函各系所負責人,敦促其研究生招生委員會以「全面的」視角來看待本學期的成績。總體而言,全面轉換成遠距教學,儘管掀起了一陣兵荒馬亂,卻也成就出許多即興之作。許多教師表示,他們學到了許多將來可以運用在網路課程,以及恢復面對面授課之後的東西。 加州大學柏克萊分校的沃特雷(Jonathan Wurtele)指出,由於校區附近的火災煙害,校園偶而會關閉。他說:「我們以後就可以將遠距教學的知識派上用場。」同樣地,北卡羅萊納州立大學的丹尼爾斯(Karen Daniels)表示,如果她因為參加學術會議而遠行,她認為進行一到二天的遠距教學不再會是個問題。 然而,她也說:「即變我們找到了替代正常面對面授課所有部件,但是我們所傳達給學生的東西卻未必相同。」根據幾位教師說,學生可以選擇一個線上辦公時間的時間段,與老師進行視訊會議,這個作法仍舊可以持續運行,特別是對於通勤的學生。許多教授發現,學生擅長在視訊會議軟體的文字聊天對話窗中互相幫助,他們希望能把這種互助的部分,納入現場課程當中。德克薩斯大學奧斯汀分校的洛夫里奇(Andrew Loveridge)指出,隨著過渡到遠距教學,「我們被迫考慮課程裡的每一個部分。沒有任何東西能夠依賴本身的慣性而延續下去。」

    本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, May/2020 雜誌內(Physics Today 73, 6, 22 (2020); https://doi.org/10.1063/PT.3.4492;原文作者Toni Feder 。中文編譯:常雲惠 老師, New Zealand

    Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates that Physics Today (American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Toni Feder, and is published on Physics Today 73, 6, 22 (2020); https://doi.org/10.1063/PT.3.4492). The article in Mandarin is translated by Ms. Marleen Charng, New Zealand .


     
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