[用科学的方法培养未来的科学人才] 人才培养具体措施

　　摘　要：传统的理科教学多采用讲授法，不能有效地促进学生学习和能力发展。现代认知学习理论的研究提倡使用“学习循环模式”。美国大学理科新教学方式的实践表明，“学习循环模式”促进了学生学习和科学思维能力的形成。本文介绍了美国大学理科教学的现状、新教学方法的理论依据和实践以及对我国大学理科教学的启示。
　　关键词：理科课程：传统教学；探究式教学；学习循环模式
　　
　　美国大学理科课程教学一直采用的模式是：教师课堂讲授理论、实验验证理论、以书面考试为主的考核。这种传统的教学模式不能有效地促进学生的学习，发展学生的科学思维能力。建立在现代认知学习理论基础上的“学习循环模式”(Learning Cycle Model)或称“探究式教学”(InquffyTeaching)，为大学理科的教学改革提供了新思路。本文用亲身在美学习经历结合文献综述介绍了“探究式教学”的理论依据和实例。我国大学理科教学与美国的情形大体相同，我们也许能从美国的实践中学到些经验，从而促进我国大学理科教学的改革，科学而有效地培养未来的科学人才。
　　
　　一、大学理科教学的现状与困境
　　
　　美国绝大多数的大学理科课程教师没有或很少受过系统的教学技能的训练，不会使用各种授课技巧和方法创设有效的学习环境来促进学生的学习。下列情形是大学理科教学常见的：几十到几百学生的大班授课，教师讲授书本内容，实验验证教学内容，布置课内外作业，以书面考试为主的考核方式。
　　然而，大学理科课堂广泛采用的传统教学方法并不能有效地提高和改善学生的思辨性思维和解决问题的能力，也体验不到科学家们常有的对自然的好奇和热情，即使是有经验的老教师通过上述手段也很难有效地改善学生的学习。20世纪50年代后期的加州理工学院的诺贝尔物理学奖获得者Richard Feynma的经历很有代表性，他发现只有少数学生对物理学的概念有深刻的理解，能够解决一些复杂的富有挑战性的物理学问题。他敏锐地意识到物理学的教学存在很大的问题，因此决定对教学作些改革。他用简单的言语描述和解释深奥复杂的物理学现象和概念，他的富有感染力的讲授技巧在他的时代无与伦比。不幸的是，他发现他的教学仍然没有能改善大多数学生解决物理学问题的能力。为什么最有经验的教授通过讲授不能改变那些聪明绝顶的学生呢?过去二三十年来的大量的有关对学习过程和理科教学的研究表明，大学理科教学广泛采用的讲授法不是有效的教学方法。研究表明，多数学生并不能有效地从讲授中和课本上学到知识和发展能力并加以利用。而当学生成为积极的学习者，在互动式的教学环境中学习时他们的学习最为有效。最近，科学家和教育家们倡导大学物理学教学的主要目的之一是培养学生成为“牛顿式”的思想家。而互动式的课堂环境是最有效的培养牛顿式思想家的环境，在这样的环境中，学生们在操作处理实验设备和材料的同时，积极参与和同学及老师的交流对话，得出自己的结论，而不是证实书本上的或教师期待的结果。
　　
　　二、在大学理科教学实施学习循环模式的理论及实例
　　
　　传统的理科教学方法植根于所谓的行为主义理论，即：概念可以完整无损地从教师的脑中传到学生脑中，或者说告知就是教学。而与之对应的是认知学习理论或建构主义理论，强调了学习者的思维过程，认为已有的知识、态度、动机和学习方式影响着学习过程。认知学习理论目前已经成为指导教育实践的主要理论之一。认知研究表明，最能揭示人类学习的模式是“学习循环模式"(LearningCycleModel，简称LCM)。这一模式指出，使学生掌握和记住概念的最好方式是由学生以各种方式收集数据和资料开始，然后通过思维活动发展形成概念，最后是应用概念。研究还表明学习是个积极的过程，是个人在已有知识的基础上构建新知识的过程。学习同时也是一个社会活动，它要求学习者互相合作，相互尊重不同的观点。
　　“学习循环模式”，或称“探究为基础的模式”(Inquiry-Based Model)，已经被证明有利于学习者获取和记忆信息，有利于改善学生对科学知识的理解，提高学生的思辨能力和实验技能。该模式鼓励学生在课堂上积极参与和思考，通过分析、讨论数据和资料，构建知识和得出结论。
　　最近几年来，美国国家自然科学基金会相继资助了一些旨在改革大学理科教学的努力，作者在美学习期间曾亲身经历了一些有关的教学。下面通过切身体验并结合文献报道对美国大学如何在课堂和实验教学中利用“学习循环模式”作些介绍。
　　1．课堂教学。下面描述的教学过程和步骤经过适当的修改或调整适用于所有理科课堂教学，包括大班教学。
　　(1)分组及角色。学生们按三到四人分组，每人扮演一个角色，比如：小组长、记录员、技术员、陈述员。小组长全面负责小组的工作，确信每个成员按时完成任务，参与小组活动并理解所学习的内容。记录员记录小组的答案和解释等。技术员为小组成员提供技术支持，如计算机的使用。陈述员的工作是报告小组的学习进展和结果。
　　(2)复习。开始上课时有几分钟的小测验，测试上节课的内容，可以由个人或小组共同完成，然后，小组或全班用很短的时间讨论刚刚完成的测验。教师返还含有学生上次的测验卷、记录员的记录、教师的评语的文件夹。教师简单回顾上节课的内容，或介绍将要进行的活动。
　　(3)探究学习。学生以小组为单位阅读或观察教师提供的模型、数据或有关信息，讨论回答一些教师提出的问题，揭示模型或信息之间的相关性，引导出概念或得出结论。然后，全班讨论上述概念或结论，学生阅读教科书上相关的部分。教师给学生额外的练习课堂完成或作为家庭作业，进一步使用概念或结论。
　　(4)教师的角色。教师巡回审阅记录员的记录，观察和倾听学生的讨论。如果教师发现学生对某个科学概念存在误解，教师要尽可能让学生自己发现错误，这样学生的学习能长久保留。
　　(5)组间互动。学生向全班报告他们组对某个问题的答案，或小组间比较各自的答案，解决可能的分歧，或某个小组内的成员到其他组当“顾问”。
　　(6)反思。学生用三到五分钟的时间回答问题：什么是今天学习的两到三个最重要的概念?你所在的组今天有哪些好的表现?哪些要改进?就今天的学习内容你还有什么问题?
　　(7)成绩评定。主要依据平时的几次一小时的考试、实验报告和期末考试。五分钟的测验以及参与小组活动的表现也占一定比例。
　　我们在参与和观察了美国几所学校教学后发现，所有教学都有如下共同的特征：使用小组学习，概念的引入在数据或信息资料分析之后，反思学习过程，教师的讲授时间通常不超过10～15分钟(一节课50分钟)，教师与学生、学生与学生之间的互动交流频繁。学生们反映新的教学方式创造了宽松自由的课堂气氛，使他们能交流分享不同的观点，有助于他们理解 学习内容。
　　2．指导性的探究实验(Guided Inquiry Lab)――植物营养。传统的教法是老师在理论课上告诉学生植物需要什么营养物质，每种营养物质的功能是什么，如果缺乏植物会产生什么症状。然而，根据LCM组织的教学却有很大的不同。以下简要描述了有关教学过程，一些具体的实验操作和营养液配制可参见相关的教科书和实验教材。
　　(1)引出和讨论学生的知识。首先让学生讨论“植物需要什么才能生长”，简单地讨论一下营养缺失症有助于学生理解植物营养缺失症，比如由维生素缺乏引起的坏血症。问学生“什么样的营养物质是植物生长所必需的呢”，在黑板上列出学生提出的植物必需的营养物质(非有机物)。
　　(2)实验设计。讨论并让学生决定使用哪些营养物质作为实验变量，引导学生讨论对照实验，如：使用全营养液和无营养液(蒸馏水或去离子水)。讨论收集什么类型的数据，如：植物高度、叶子大小数量、花的大小、叶子形状、茎的颜色和状况。
　　(3)实验。老师事先准备各种营养液，包括全营养液、单一营养液、缺少某种物质的营养液、蒸馏水等。学生们以小组为单位，选择一两种营养液培养一种生长周期短的植物。
　　(4)收集和分析数据，新知识形成。每组学生每周收集两次数据，连续4周。以小组为单位仔细审阅全班学生收集的数据，讨论并依据所得的数据回答“植物需要什么才能生长”，阅读课本有关介绍营养物质对植物根、茎、叶和花的影响的内容，讨论营养元素缺乏症状及原因。
　　(5)应用。用化学的方法测试不同土壤的营养元素_--含量，并讨论在不同土壤上生长的植物的可能状况。收集不同类型肥料的空包装，以小组为单位审阅肥料包装的标签上元素成分和含量，讨论使用这些肥料对植物的影响。
　　(6)评估。让学生作概念图图示植物营养元素对植物的影响，设计或操作土壤肥料测试或分析，让学生通过口头、图表、墙报或书面报告结果。
　　在上述依据“学习循环模式”展开的实验教学中，学生们共同合作，讨论实验方法，收集数据，寻找和发现答案，交流实验结果。实验室成为构建新知识的场所，而不是仅仅作为证实书本内容的地方。
　　对使用“学习循环模式”的理科课程改革项目的评估表明，与传统型教学相比，“学习循环模式”使学生获得更多的知识，学得更好。学生不再是教师或书本知识的被动接受者，而是主动、积极的学习者。寻找问题的答案及其过程是未知的，充满了挑战。使用“学习循环模式”能够使学生建立知识间的联系和真正的理解，有利于学生的终身学习能力的提高。学生反映这一模式提供了让他们思考的机会；对小组合作学习有积极的态度，认为小组合作学习有助于帮助彼此理解学习内容：很多学生产生了研究科学的兴趣。
　　
　　三、美国大学理科教学实施LCM给我们的启示
　　
　　美国使用LCM的实践及优势对中国大学理科教育有着重要的启迪。尽管中美两国大学理科教学的情形有很多相似之处，但是，中国如果想要采用同样的模式来改革大学理科教学，仍有至少以下几个问题和困难需要思考和克服。
　　1．理论研究严重滞后。美国LCM及相关理论的研究已有超过50年的历史，可以说现在大学理科教学的改革实践是建立在广泛而深入的理论基础上的。美国国家自然科学基金最近几年一直在大力支持大学理科的教学改革，对大学理科教学实施LCM的成效进行科学的评估，这会进一步促进理论的发展。而我国在LCM及其理论方面的研究还很少见，建议国家相关部门加大这方面的投资，以确保和促进理科教学的改革和发展在理论的指导下进行，高效、科学地培养未来的科学人才。
　　2．理科教师和教研人员缺乏合作。由于美国多数综合性大学有教育学院，因而，理科教师和理科教学研究人员的合作相对容易开展。在我们经历和观察的实施LCM的学校，教学研究人员经常进入课堂和实验室观察、记录、研讨老师的教学和学生的学习，和理科教师共同编写教材，制定教学计划。这种合作有利于理科教师学习和应用现代教育理论，促进学生的学习。同时，教研人员也能了解到有关的科学新进展，深入体会科学研究的本质，更好地为理科教师提供教学指导。
　　我国绝大多数大学理科教师很少或从没有接受过有关教学的学习和培训，除有师范专业的学校外，我国多数综合性的理科或工科大学少有或根本没有教育教学研究人员。因此，我们必须探索某些机制，激励大学理科教师，特别是那些没有师范专业的综合性理工科大学，与教学研究人员合作，学习和实践LCM，提高学生学习科学的兴趣和效果。
　　3．教学时间不足。为了能反映当代的科学成就，大学理科教学内容越来越多，通过讲授可以覆盖尽可能多的信息，而实施LCM学生需要更多的时间进行思考、质疑和交流讨论，因此，在教学内容上必须有所选择，同时要适当增加授课时间。美国大学的一个做法是通过广泛和深入的讨论，选择在学科领域公认的、最基本的、最主要的、最核心的内容。
　　4．实验教学不够重视。多数大学虽然强调重视实验，但实际上对实验的重视程度仍不够，比如：学分值少于理论课，成绩所占比例少，指导实验的老师通常职位低等等。实施LCM要求给予学生时间设计、制定实验计划并进行实验，而不是按事先定好的所谓“菜单式”的实验操作步骤开展实验并得出可以预期的结果。LCM要求把实验作为建立――而不是验证――知识的一个环节，也不仅仅是实验操作技能的训练。因此，实施LCM可能需要安排比传统实验教学更多的课时，在评价教师教学和学生学习时同等对待理论课和实验课。此外，增加实验课时，理论讲授教师参与协助指导实验，打通实验教学和理论教学，模糊两者的界限都会有助于LCM的实施。
　　毫无疑问，美国大学实施LCM为我们改革大学理科教学提供了有价值的参考经验，同时我们面临的挑战和困难也很多。然而，面对信息迅变、全球化、技术含量高的现代社会，大学理科教学的目的不是造就科学信息知识的载体和容器，而是把学生培养成有效的学习者，使他们能够在个人生活和社会事务中作出科学的决策。在探究式教学环境中学生学到的知识和技能，如：发现和提出问题、设计和寻求解决问题的方案、运用科学思维做出合理的解释和决定等，将使学生受益终身。因此，我们应该借鉴美国实施LCM的经验，开创中国特色的大学理科“学习循环模式”。
　　
　　王　平，东南大学学习科学研究中心讲师；邱文教，东南大学教务处教务科科长，副研究员。
　　
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