探究式教學模式對本科生科學推理能力培養(yǎng)的效果分析

王萌萌 趙 敏 方 愷

(同濟大學物理科學與工程學院，上海 200092)

科學推理能力是進行科學探究的必要條件，培養(yǎng)科學推理能力是培養(yǎng)學生探究能力的基礎。國內外已有大量關于科學推理能力培養(yǎng)的有益嘗試[1-7]，早在20世紀五六十年代，施瓦布就提出教師應該用探究的方式展示科學知識，學生應該用探究的方式學習科學知識。國內關于探究式教學的研究起步稍晚，目前國內在此方面的研究主要集中于在實際教學中推廣應用探究式教學。伴隨著探究式教學的應用，如何對學生探究能力進行有效測評，進而更加有效地推動探究式教學的深入發(fā)展，逐漸發(fā)展成為當前教育領域的研究熱點之一[8,9]。然而，探究式學習作為動態(tài)的學習過程，反映了學生知識、能力增長的變化過程，這使得探究過程往往隨著學習者個體、學習環(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習評價的難度。

針對以上情況，本文從教學效果測評的角度，對探究式教學模式與傳統(tǒng)教學模式的教學效果進行了對比分析，重點討論了探究式教學對學生科學推理能力的影響。此外，本文還對不同年級本科學生的科學推理能力進行了比較。

1 探究式教學的設計與實施

傳統(tǒng)課堂教學以教師為中心，以課本等資源為主要學習內容，教學知識只單向通過教師傳遞給學生，學生被動地接受教師講解的知識。以高校物理課程為例，在傳統(tǒng)的面向本科生的物理基礎教學中，一般通過物理基礎理論課程與物理基礎實驗課程，分別對學生進行理論與動手實驗兩方面的訓練。其中，物理基礎理論課程主要注重物理理論知識的完整性、系統(tǒng)性，教學以講解、推導、演繹為主，測驗主要考核學生對物理相關知識點及解題能力的掌握程度；而物理基礎實驗課程則偏重實驗的基本規(guī)范、基本技巧以及物理規(guī)律的驗證，其測驗主要考核學生對有關實驗數(shù)據(jù)處理、實驗操作技能、實驗方法的掌握程度。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，探究式教學的基本模式是在教學過程中，要求學生在教師指導下，通過以“自主、探究、合作”為特征的學習方式開展學習活動。具體地說，就是在教學過程中，模擬科學研究的過程，依循“問題—假設—驗證—結論”的流程，通過在課堂上及課外活動中展開自主學習、深入探究、討論交流，對學生進行科學研究能力的訓練。

近年來，同濟大學演示物理實驗室在探究式教學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了“物理現(xiàn)象探索”課程，配合同濟大學本科生創(chuàng)新實踐計劃項目、大學生物理學術競賽，引導學生針對各種演示物理實驗現(xiàn)象，展開科學研究。在課程中開展小班化教學，每個班級學生不超過50人。我們?yōu)閷W生提供研究課題，要求學生以自由組合方式，在小組內通過課題分工、猜想假設、理論分析、實驗探究、合作討論、課題總結的研究過程，完成課題任務。教學模式如圖1所示：

圖1 探究式教學模式

2 探究式教學對于本科生科學推理能力培養(yǎng)的分析

為了解探究式學習對于本科生科學推理能力的培養(yǎng)，我們采用加利福利亞大學Anton E. Lawson教授設計的科學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推理能力的不同側面，可以將測試內容分為6個維度，如表1所示。

我們的測試樣本來自本校一、二、三年級物理專業(yè)本科生，共計187人。其中，一年級學生97人，其中探究式學習組28人，傳統(tǒng)學習組69人；二年級學生46人，其中探究式學習組5人，傳統(tǒng)學習組41人；三年級學生44人，其中探究式學習組13人，傳統(tǒng)學習組31人。

2.1 探究式教學效果的統(tǒng)計分析

選取參加探究式教學的學生作為實驗組(以下稱探究式教學組)，選取參加傳統(tǒng)教學的學生作為對照組(以下稱傳統(tǒng)學習組)。將學生分為大一探究式學習組、大一傳統(tǒng)學習組、大一學生組、大二探究式學習組、大二傳統(tǒng)學習組、大二學生組、大三探究式學習組、大三傳統(tǒng)學習組、大三學生組共9個分組團體，進行各維度的相關性分析。

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

表1 科學推理能力測試的維度劃分

表2 不同教學模式下的物理專業(yè)本科生測試特征量統(tǒng)計結果

由表2還發(fā)現(xiàn)，采用探究式教學的學生與采用傳統(tǒng)式教學的學生，在質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。結合學生在高中以及大學本科期間的課程設置，我們發(fā)現(xiàn)，在基礎課程中已將動量守恒、機械能守恒和能量守恒、電荷守恒等相關知識的講授融入日常課程教學，即無論傳統(tǒng)式教學還是探究式教學都能保證學生對相關知識的掌握，兩種模式的教學在這些方面的教學效果相當，因此在此3個維度上兩類學生的得分差別很小。

結合兩種教學模式的教學活動過程與統(tǒng)計結果，可以發(fā)現(xiàn)，以設置疑問為出發(fā)點、以學生為中心的探究式教學模式，偏向于從問題出發(fā)，通過體驗科學研究的過程，尋求證據(jù)，推理出合理可靠的答案。在此過程中，學生需要主動提出假設，分析哪些因素或條件會影響這種結果，并通過理論或實驗變量探究各條件參數(shù)如何影響結果。在此過程中，學生的控制變量推理、相關性推理、以及假設演繹推理等科學推理能力得到強化訓練，科學探究能力得到培養(yǎng)。

2.2 不同年級學生科學推理能力的統(tǒng)計分析：

為了解不同年級本科學生的科學推理能力是否有區(qū)別，我們將3個年級的學生按照探究式學習組、傳統(tǒng)學習組、全體組3種分組方式，對科學推理能力的任意兩維度進行相關性分析。

表3為一、二、三年級本科生測試特征量對比統(tǒng)計結果。由于二年級本科生中參加探究式學習的人數(shù)少，所以我們在分析中著重對比了一年級及三年級本科生。由表3可見，一、三年級探究式學習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，在相關性推理能力的平均得分分別為67.86、69.23，在假設演繹推理的平均得分分別為72.32、82.69。這說明，隨著年級的增長，參加探究式學習學生的科學推理能力有顯著提高。與此同時，一、二、三年級傳統(tǒng)學習組本科生也表現(xiàn)出了學生的科學推理能力隨著年級的增長有明顯提高的趨勢。這與其它文章中提到的科學推理能力與年級無關的結論有明顯不同。

我們認為，這是由于在我校的學生培養(yǎng)中，大力引入創(chuàng)新教育所致。筆者所在的學校并非僅僅以傳統(tǒng)的方式教授學生，而是大力提倡學生在校期間參與各種探究式創(chuàng)新活動。在大學一年級，學生剛剛步入大學，基本處于適應階段，高速的課程學習進度使學生不得不把主要精力放在知識的掌握上，就學習方法而言還基本處于傳統(tǒng)式階段，大多數(shù)學生并未從思想上真正接受探究式教學的模式。而步入大學二、三年級，學生已經(jīng)初步適應大學生活，部分學生開始涉獵挑戰(zhàn)杯等各種創(chuàng)新活動。這些探究式創(chuàng)新活動，很大程度上促進了學生科學推理能力的提高。這就解釋了我們在統(tǒng)計結果上的不同，即物理專業(yè)高年級本科學生的科學推理能力明顯高于低年級本科生。

表3 一、二、三年級本科生測試特征量對比統(tǒng)計結果

3 結論

本文分析了探究式教學模式對本科學生科學推理能力的影響。研究表明，經(jīng)過探究式教學訓練的本科生，其科學推理能力明顯優(yōu)于傳統(tǒng)學習組的學生，其在控制變量推理、相關性推理、假設演繹推理能力等方面均表現(xiàn)突出。研究還發(fā)現(xiàn)，高年級本科學生的科學推理能力明顯優(yōu)于低年級學生，他們表現(xiàn)出了更加傾向于做出合理的假設、演繹推理能力更強的特點。由此可見，探究式學習對本科生科學推理能力的培養(yǎng)，具有顯著的作用。