王萌萌 趙 敏 方 愷

(同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

科學(xué)推理能力是進(jìn)行科學(xué)探究的必要條件，培養(yǎng)科學(xué)推理能力是培養(yǎng)學(xué)生探究能力的基礎(chǔ)。國內(nèi)外已有大量關(guān)于科學(xué)推理能力培養(yǎng)的有益嘗試[1-7]，早在20世紀(jì)五六十年代，施瓦布就提出教師應(yīng)該用探究的方式展示科學(xué)知識(shí)，學(xué)生應(yīng)該用探究的方式學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)。國內(nèi)關(guān)于探究式教學(xué)的研究起步稍晚，目前國內(nèi)在此方面的研究主要集中于在實(shí)際教學(xué)中推廣應(yīng)用探究式教學(xué)。伴隨著探究式教學(xué)的應(yīng)用，如何對(duì)學(xué)生探究能力進(jìn)行有效測評(píng)，進(jìn)而更加有效地推動(dòng)探究式教學(xué)的深入發(fā)展，逐漸發(fā)展成為當(dāng)前教育領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[8,9]。然而，探究式學(xué)習(xí)作為動(dòng)態(tài)的學(xué)習(xí)過程，反映了學(xué)生知識(shí)、能力增長的變化過程，這使得探究過程往往隨著學(xué)習(xí)者個(gè)體、學(xué)習(xí)環(huán)境等不確定因素而呈現(xiàn)顯著差異，這就增加了探究式學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)的難度。

針對(duì)以上情況，本文從教學(xué)效果測評(píng)的角度，對(duì)探究式教學(xué)模式與傳統(tǒng)教學(xué)模式的教學(xué)效果進(jìn)行了對(duì)比分析，重點(diǎn)討論了探究式教學(xué)對(duì)學(xué)生科學(xué)推理能力的影響。此外，本文還對(duì)不同年級(jí)本科學(xué)生的科學(xué)推理能力進(jìn)行了比較。

1 探究式教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

傳統(tǒng)課堂教學(xué)以教師為中心，以課本等資源為主要學(xué)習(xí)內(nèi)容，教學(xué)知識(shí)只單向通過教師傳遞給學(xué)生，學(xué)生被動(dòng)地接受教師講解的知識(shí)。以高校物理課程為例，在傳統(tǒng)的面向本科生的物理基礎(chǔ)教學(xué)中，一般通過物理基礎(chǔ)理論課程與物理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，分別對(duì)學(xué)生進(jìn)行理論與動(dòng)手實(shí)驗(yàn)兩方面的訓(xùn)練。其中，物理基礎(chǔ)理論課程主要注重物理理論知識(shí)的完整性、系統(tǒng)性，教學(xué)以講解、推導(dǎo)、演繹為主，測驗(yàn)主要考核學(xué)生對(duì)物理相關(guān)知識(shí)點(diǎn)及解題能力的掌握程度；而物理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程則偏重實(shí)驗(yàn)的基本規(guī)范、基本技巧以及物理規(guī)律的驗(yàn)證，其測驗(yàn)主要考核學(xué)生對(duì)有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)操作技能、實(shí)驗(yàn)方法的掌握程度。這顯然滿足不了高校培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的要求。

相比傳統(tǒng)課堂教學(xué)，探究式教學(xué)的基本模式是在教學(xué)過程中，要求學(xué)生在教師指導(dǎo)下，通過以“自主、探究、合作”為特征的學(xué)習(xí)方式開展學(xué)習(xí)活動(dòng)。具體地說，就是在教學(xué)過程中，模擬科學(xué)研究的過程，依循“問題—假設(shè)—驗(yàn)證—結(jié)論”的流程，通過在課堂上及課外活動(dòng)中展開自主學(xué)習(xí)、深入探究、討論交流，對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究能力的訓(xùn)練。

近年來，同濟(jì)大學(xué)演示物理實(shí)驗(yàn)室在探究式教學(xué)方面開展了一些富有意義的嘗試。我們自2010年起至今，面向全校本科生開設(shè)了“物理現(xiàn)象探索”課程，配合同濟(jì)大學(xué)本科生創(chuàng)新實(shí)踐計(jì)劃項(xiàng)目、大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽，引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)各種演示物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，展開科學(xué)研究。在課程中開展小班化教學(xué)，每個(gè)班級(jí)學(xué)生不超過50人。我們?yōu)閷W(xué)生提供研究課題，要求學(xué)生以自由組合方式，在小組內(nèi)通過課題分工、猜想假設(shè)、理論分析、實(shí)驗(yàn)探究、合作討論、課題總結(jié)的研究過程，完成課題任務(wù)。教學(xué)模式如圖1所示：

圖1 探究式教學(xué)模式

2 探究式教學(xué)對(duì)于本科生科學(xué)推理能力培養(yǎng)的分析

為了解探究式學(xué)習(xí)對(duì)于本科生科學(xué)推理能力的培養(yǎng)，我們采用加利福利亞大學(xué)Anton E. Lawson教授設(shè)計(jì)的科學(xué)推理能力測試卷作為測試工具，開展本文的研究分析。該問卷共24道題，每兩道題為一組，按照測試題目反映的科學(xué)推理能力的不同側(cè)面，可以將測試內(nèi)容分為6個(gè)維度，如表1所示。

我們的測試樣本來自本校一、二、三年級(jí)物理專業(yè)本科生，共計(jì)187人。其中，一年級(jí)學(xué)生97人，其中探究式學(xué)習(xí)組28人，傳統(tǒng)學(xué)習(xí)組69人；二年級(jí)學(xué)生46人，其中探究式學(xué)習(xí)組5人，傳統(tǒng)學(xué)習(xí)組41人；三年級(jí)學(xué)生44人，其中探究式學(xué)習(xí)組13人，傳統(tǒng)學(xué)習(xí)組31人。

2.1 探究式教學(xué)效果的統(tǒng)計(jì)分析

選取參加探究式教學(xué)的學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)組(以下稱探究式教學(xué)組)，選取參加傳統(tǒng)教學(xué)的學(xué)生作為對(duì)照組(以下稱傳統(tǒng)學(xué)習(xí)組)。將學(xué)生分為大一探究式學(xué)習(xí)組、大一傳統(tǒng)學(xué)習(xí)組、大一學(xué)生組、大二探究式學(xué)習(xí)組、大二傳統(tǒng)學(xué)習(xí)組、大二學(xué)生組、大三探究式學(xué)習(xí)組、大三傳統(tǒng)學(xué)習(xí)組、大三學(xué)生組共9個(gè)分組團(tuán)體，進(jìn)行各維度的相關(guān)性分析。

表2為各年級(jí)本科生分別經(jīng)過傳統(tǒng)式教學(xué)與探究式教學(xué)后的測試特征量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表可見，探究式教學(xué)組學(xué)生在控制變量維度得分為73.5，傳統(tǒng)式教學(xué)組學(xué)生在此維度的得分為67.16；探究式教學(xué)組學(xué)生在假設(shè)演繹推理維度得分為72.5，傳統(tǒng)式教學(xué)組學(xué)生在此維度的得分為59.75；探究式教學(xué)組學(xué)生在相關(guān)性推理維度得分為89.5，傳統(tǒng)式教學(xué)組學(xué)生在此維度的得分為73.5。我們知道，控制變量推理、假設(shè)演繹推理、相關(guān)性推理是科學(xué)推理能力的重要特征。這說明采用探究式教學(xué)后，學(xué)生的科學(xué)推理能力得到明顯提高。

表1 科學(xué)推理能力測試的維度劃分

表2 不同教學(xué)模式下的物理專業(yè)本科生測試特征量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表2還發(fā)現(xiàn)，采用探究式教學(xué)的學(xué)生與采用傳統(tǒng)式教學(xué)的學(xué)生，在質(zhì)量與體積守恒概念能力、比例推理、概率思維能力上的得分基本持平。結(jié)合學(xué)生在高中以及大學(xué)本科期間的課程設(shè)置，我們發(fā)現(xiàn)，在基礎(chǔ)課程中已將動(dòng)量守恒、機(jī)械能守恒和能量守恒、電荷守恒等相關(guān)知識(shí)的講授融入日常課程教學(xué)，即無論傳統(tǒng)式教學(xué)還是探究式教學(xué)都能保證學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握，兩種模式的教學(xué)在這些方面的教學(xué)效果相當(dāng)，因此在此3個(gè)維度上兩類學(xué)生的得分差別很小。

結(jié)合兩種教學(xué)模式的教學(xué)活動(dòng)過程與統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，以設(shè)置疑問為出發(fā)點(diǎn)、以學(xué)生為中心的探究式教學(xué)模式，偏向于從問題出發(fā)，通過體驗(yàn)科學(xué)研究的過程，尋求證據(jù)，推理出合理可靠的答案。在此過程中，學(xué)生需要主動(dòng)提出假設(shè)，分析哪些因素或條件會(huì)影響這種結(jié)果，并通過理論或?qū)嶒?yàn)變量探究各條件參數(shù)如何影響結(jié)果。在此過程中，學(xué)生的控制變量推理、相關(guān)性推理、以及假設(shè)演繹推理等科學(xué)推理能力得到強(qiáng)化訓(xùn)練，科學(xué)探究能力得到培養(yǎng)。

2.2 不同年級(jí)學(xué)生科學(xué)推理能力的統(tǒng)計(jì)分析：

為了解不同年級(jí)本科學(xué)生的科學(xué)推理能力是否有區(qū)別，我們將3個(gè)年級(jí)的學(xué)生按照探究式學(xué)習(xí)組、傳統(tǒng)學(xué)習(xí)組、全體組3種分組方式，對(duì)科學(xué)推理能力的任意兩維度進(jìn)行相關(guān)性分析。

表3為一、二、三年級(jí)本科生測試特征量對(duì)比統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由于二年級(jí)本科生中參加探究式學(xué)習(xí)的人數(shù)少，所以我們?cè)诜治鲋兄貙?duì)比了一年級(jí)及三年級(jí)本科生。由表3可見，一、三年級(jí)探究式學(xué)習(xí)組本科生在守恒推理分析能力的平均得分分別為82.14、96.15，在比例推理能力的平均得分分別為81.25、86.54，在控制變量分析能力的平均得分分別為69.64、83.33，在概率推理能力的平均得分分別為31.25、57.69，在相關(guān)性推理能力的平均得分分別為67.86、69.23，在假設(shè)演繹推理的平均得分分別為72.32、82.69。這說明，隨著年級(jí)的增長，參加探究式學(xué)習(xí)學(xué)生的科學(xué)推理能力有顯著提高。與此同時(shí)，一、二、三年級(jí)傳統(tǒng)學(xué)習(xí)組本科生也表現(xiàn)出了學(xué)生的科學(xué)推理能力隨著年級(jí)的增長有明顯提高的趨勢。這與其它文章中提到的科學(xué)推理能力與年級(jí)無關(guān)的結(jié)論有明顯不同。

我們認(rèn)為，這是由于在我校的學(xué)生培養(yǎng)中，大力引入創(chuàng)新教育所致。筆者所在的學(xué)校并非僅僅以傳統(tǒng)的方式教授學(xué)生，而是大力提倡學(xué)生在校期間參與各種探究式創(chuàng)新活動(dòng)。在大學(xué)一年級(jí)，學(xué)生剛剛步入大學(xué)，基本處于適應(yīng)階段，高速的課程學(xué)習(xí)進(jìn)度使學(xué)生不得不把主要精力放在知識(shí)的掌握上，就學(xué)習(xí)方法而言還基本處于傳統(tǒng)式階段，大多數(shù)學(xué)生并未從思想上真正接受探究式教學(xué)的模式。而步入大學(xué)二、三年級(jí)，學(xué)生已經(jīng)初步適應(yīng)大學(xué)生活，部分學(xué)生開始涉獵挑戰(zhàn)杯等各種創(chuàng)新活動(dòng)。這些探究式創(chuàng)新活動(dòng)，很大程度上促進(jìn)了學(xué)生科學(xué)推理能力的提高。這就解釋了我們?cè)诮y(tǒng)計(jì)結(jié)果上的不同，即物理專業(yè)高年級(jí)本科學(xué)生的科學(xué)推理能力明顯高于低年級(jí)本科生。

表3 一、二、三年級(jí)本科生測試特征量對(duì)比統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 結(jié)論

本文分析了探究式教學(xué)模式對(duì)本科學(xué)生科學(xué)推理能力的影響。研究表明，經(jīng)過探究式教學(xué)訓(xùn)練的本科生，其科學(xué)推理能力明顯優(yōu)于傳統(tǒng)學(xué)習(xí)組的學(xué)生，其在控制變量推理、相關(guān)性推理、假設(shè)演繹推理能力等方面均表現(xiàn)突出。研究還發(fā)現(xiàn)，高年級(jí)本科學(xué)生的科學(xué)推理能力明顯優(yōu)于低年級(jí)學(xué)生，他們表現(xiàn)出了更加傾向于做出合理的假設(shè)、演繹推理能力更強(qiáng)的特點(diǎn)。由此可見，探究式學(xué)習(xí)對(duì)本科生科學(xué)推理能力的培養(yǎng)，具有顯著的作用。