面向高階思維訓(xùn)練的實驗教學(xué)模式設(shè)計與實踐

摘 要 通過深度學(xué)習(xí)在課堂教學(xué)中來發(fā)展學(xué)生高階思維能力是近年來教育改革中的一個重點。我們在面向本科一年級新生的物理實驗課程中，對傳統(tǒng)的教學(xué)模式進行了改革，增加了激發(fā)高階思維產(chǎn)生的最大動力來源———“真實情境問題”為導(dǎo)向的課程內(nèi)容。以此為核心抓手和發(fā)力點，通過引入探索型實驗課題，依托傳統(tǒng)實驗和探索型實驗課題這兩類不同層次實驗教學(xué)具有的互補性特性，對大學(xué)物理實驗的教學(xué)內(nèi)容和形式進行了合理的重構(gòu)，將大一新生高階思維能力的培養(yǎng)有機地融入實驗教學(xué)過程之中，形成了促進學(xué)生快速進入大學(xué)探究性深度學(xué)習(xí)的教學(xué)模式。問卷、訪談和成績對比等數(shù)據(jù)表明該模式在一年級本科生的高階思維能力和研究素養(yǎng)養(yǎng)成上起到積極的作用。這一變革在新形勢下對物理實驗教學(xué)具有積極的指導(dǎo)意義，也對于實踐類課程教學(xué)具有一定借鑒作用。

關(guān)鍵詞 高階思維;深度學(xué)習(xí);教學(xué)模式;實驗教學(xué);大一新生

信息技術(shù)的快速發(fā)展使得人們進入學(xué)習(xí)型社會，社會對人才的需求導(dǎo)向已轉(zhuǎn)為具有高階思維能力的創(chuàng)新型人才。21世紀(jì)教育的核心目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)新時代所必需的創(chuàng)新思維能力、批判性思維能力、解決問題能力、溝通和協(xié)作能力等高階思維能力[1]。高階思維發(fā)生在完成復(fù)雜任務(wù)或解決劣構(gòu)問題的過程中，其發(fā)展路徑是高階學(xué)習(xí)，即在基于真實任務(wù)或復(fù)雜問題的情境中，積極主動堅持不懈地開展建構(gòu)性學(xué)習(xí)活動，與同伴進行協(xié)作、交流、分享，不斷反思和調(diào)節(jié)自己的學(xué)習(xí)，經(jīng)歷分析、發(fā)現(xiàn)、構(gòu)想、抉擇、歸納、評價、創(chuàng)造等思維經(jīng)驗積累的過程[2，3]。開展課堂教學(xué)活動發(fā)展學(xué)生的高階思維能力更是近年來教育工作者的研究重點[4]。

2009年，教育部啟動國家“基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)試驗計劃”進行基礎(chǔ)學(xué)科拔尖人才培養(yǎng)的探索和試點。2018年，教育部等六部門發(fā)布《關(guān)于實施基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)計劃2.0的意見》，培養(yǎng)基礎(chǔ)學(xué)科拔尖人才被明確為高等教育強國建設(shè)的重大戰(zhàn)略任務(wù)。我校自2009年正式啟動“上海交大理科班”項目。該項目始終堅持“價值引領(lǐng)、能力建設(shè)、知識探究、人格養(yǎng)成”四位一體的育人理念，致力于培養(yǎng)具有批判性思維能力、知識整合能力、溝通協(xié)作能力、多元文化理解和全球化視野的創(chuàng)新型領(lǐng)袖人才。實踐是創(chuàng)新的基礎(chǔ)，為培養(yǎng)拔尖科學(xué)創(chuàng)新人才，一個廣泛的呼吁是使學(xué)生在課堂期間積極參與學(xué)習(xí)，并為他們提供真實且有效的科學(xué)研究環(huán)境，從實踐中探求真知，形成涵蓋批判性思維、創(chuàng)造性思維、問題解決能力和溝通交流能力等要素為特征的高階思維能力[5-7]。學(xué)校為此開設(shè)研究實踐課程，鼓勵學(xué)生進入科研實驗室參與科研項目訓(xùn)練，為學(xué)生攀登學(xué)術(shù)高峰搭建平臺，該舉措取得了一定的成效。

然而，十余年的拔尖人才培養(yǎng)實踐也表明，科研實驗室的實踐項目主要面向最前沿的科學(xué)問題，需要較多的專業(yè)知識背景和知識自我迭代的能力，且實驗設(shè)備貴重又是“放羊式”訓(xùn)練模式，故不太鼓勵低年級學(xué)生獨立動手操作。因此低年級學(xué)生易成為實驗室的“看客”，很難參與實踐項目的核心工作，誤認(rèn)為自己是實驗室的“螺絲釘”和“搬運工”，積極性易被挫傷，實踐效果有待提高。遵循科學(xué)范式研究的課題實踐訓(xùn)練的效果很大程度上依賴于學(xué)生前期的知識能力背景和自主學(xué)習(xí)能力。而多數(shù)高中畢業(yè)生已習(xí)慣于特定的演繹邏輯框架下的從動學(xué)習(xí)模式，形成了對固有理論知識的驗證性思維習(xí)慣，“盲從”或 “迷信”書本知識，缺乏面對復(fù)雜問題的審視辨析能力、歸納總結(jié)能力和知識自我迭代能力的深度學(xué)習(xí)技能[6-8]。當(dāng)背景知識缺失時，上述因素就使得低年級學(xué)生在直接進入科研實驗室參與課題研究培養(yǎng)高階思維能力時，會遇到不小的阻力和不少的障礙，從而降低了高價思維能力培養(yǎng)的效果。由此可見，為有效培養(yǎng)低年級學(xué)生高階思維能力，我們不僅需要為其提供真實科學(xué)研究訓(xùn)練的環(huán)境，還需進一步降低知識背景門檻，并加強對學(xué)生的管理以促進其深度學(xué)習(xí)技能的養(yǎng)成。

與科研實驗室相比，對剛?cè)胄５拇笠恍律裕锢斫虒W(xué)實驗室是為其可提供真實科學(xué)經(jīng)驗訓(xùn)練、培養(yǎng)高階思維能力的更為理想的場所[9，10]，因為物理實驗教學(xué)本身具有深度學(xué)習(xí)的訓(xùn)練功能，且它的內(nèi)容又具有基礎(chǔ)性和實踐性的雙重特點。有研究表明深度學(xué)習(xí)有助于學(xué)生達到高質(zhì)量的學(xué)習(xí)成果，是促進學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的重要途徑[11，12]。“拔尖學(xué)生”的“深度學(xué)習(xí)”更被定位為指向“認(rèn)知進階”兩個層面：“知識的理解和掌握”（基礎(chǔ)性的認(rèn)知活動）以及“知識的綜合與創(chuàng)新”（高階性的認(rèn)知活動），分別包含了對知識的“習(xí)得與建構(gòu)”和對知識的“融匯與創(chuàng)生”[13]。

然而，傳統(tǒng)的大學(xué)物理教學(xué)實驗室主要提供經(jīng)典的物理實驗內(nèi)容供學(xué)生學(xué)習(xí)，它側(cè)重引導(dǎo)學(xué)生進行分析和討論物理內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，重在知識的理解和掌握。故而，它更多提供的是基礎(chǔ)性認(rèn)知活動層面的深度學(xué)習(xí)。現(xiàn)已有高校也在嘗試依托物理教學(xué)實驗室提圖1 教學(xué)組織改革設(shè)計供獨立于課程的進階式探究型實驗課題，來實現(xiàn)高階性認(rèn)知活動層面的深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練，以期做到培訓(xùn)學(xué)生高階思維能力[10，14，15]。但與傳統(tǒng)實驗課程分離的進階式培訓(xùn)，也同樣面臨低年級學(xué)生的知識背景和實驗課題難度之間的匹配性問題。那么，是否存在一種教學(xué)組織模式，它能依托一年級本科生的物理實驗課程，讓大一新生在掌握課業(yè)內(nèi)容的同時，又能再做一些高階性認(rèn)知活動層面的深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練，提升其批判性思維能力、解決復(fù)雜問題能力、協(xié)同合作能力及使用科學(xué)語言有效溝通等高階思維能力呢？ 已有研究指出在 “反思—問題生成—批評探究—解決問題”這一過程中，“問題”本身就是激發(fā)高階思維產(chǎn)生的最大動力來源[6]。那么通過“問題”搭橋，就能構(gòu)建這個方式，令設(shè)想成真。

本工作提出以“發(fā)現(xiàn)問題→提出問題→分析問題→討論問題→解決問題→成果展示→總結(jié)反思→發(fā)現(xiàn)新問題” 這一科學(xué)研究范式中的“問題”為教學(xué)組織中循環(huán)訓(xùn)練的抓手和著力點，通過在大學(xué)物理實驗教學(xué)中引入包含高階思維能力培養(yǎng)的探索型實驗課題，對教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)形式進行合理優(yōu)化重構(gòu)，建立強化深度學(xué)習(xí)提升高階思維能力培養(yǎng)效能的創(chuàng)新實驗教學(xué)模式，以適應(yīng)培養(yǎng)理科低年級學(xué)生高階思維能力的新需求。本工作對今后如何有效地培養(yǎng)新生高階思維能力的研究將有著重要的參考價值。

1 教學(xué)模式改革

1.1 教學(xué)組織改革的構(gòu)建

教學(xué)組織的構(gòu)建是實現(xiàn)教學(xué)效果的手段，我們在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式基礎(chǔ)上引入了探索型實驗課題，同時針對傳統(tǒng)實驗項目中的“問題解析”部分進行了強化和提升，形成了以“問題解析”為中心的傳統(tǒng)實驗教學(xué)與以“問題探索”為導(dǎo)向的探索型實驗教學(xué)相結(jié)合的全新課程教學(xué)模式，構(gòu)成內(nèi)容更加完善的教學(xué)組織形式，如圖1所示。以“問題”為核心抓手和發(fā)力點，圍繞科學(xué)研究范式的循環(huán)訓(xùn)練主線，針對課程構(gòu)建了兩類需要深度學(xué)習(xí)技能來培養(yǎng)高階思維的互補性實驗，分別是以知識理解和掌握技能培養(yǎng)為主旨的傳統(tǒng)經(jīng)典物理實驗（基礎(chǔ)性的認(rèn)知活動），及以知識綜合和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為要務(wù)的探索型實驗課題（高階性的認(rèn)知活動）。二者同步執(zhí)行，訓(xùn)練側(cè)重不同，相互協(xié)同配合。通過傳統(tǒng)實驗教學(xué)與探索型實驗課題教學(xué)這兩類不同層次但有互補性的實驗的有機結(jié)合，最終實現(xiàn)培養(yǎng)大一新生高階思維能力，并促進其快速進入大學(xué)探究性深度學(xué)習(xí)模式。

具體來說，作為基本知識技能傳授和訓(xùn)練的基礎(chǔ)平臺，傳統(tǒng)物理實驗選自力、熱、聲、光、電和數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域。其特點是原理簡單，問題主要由教師根據(jù)實驗內(nèi)容總結(jié)提出并引導(dǎo)學(xué)生分析討論，注重知識的理解和掌握，著重培養(yǎng)學(xué)生分析問題、討論問題和解決問題的能力。作為知識和能力的綜合運用舞臺，探索型實驗課題由教師發(fā)布題目，學(xué)生組隊（2～4人/組）合作完成，注重知識的運用和創(chuàng)新，教師著重引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)反思實驗結(jié)果，提出新的問題并進行分析討論，學(xué)生在課后運用傳統(tǒng)實驗培養(yǎng)的解決問題能力來自行更新完善實驗，重在培養(yǎng)學(xué)生成果展示、總結(jié)反思、發(fā)現(xiàn)問題、討論問題和識別潛在問題的能力。學(xué)生組隊合作完成的方式則有助于實現(xiàn)“生生互動”，在加強新生間交流的基礎(chǔ)上提高學(xué)生的溝通交流和團隊協(xié)作能力。

全新教學(xué)組織改革的設(shè)計，可提高探索型實驗課題對高階思維能力的培養(yǎng)效果。我們選擇面向中學(xué)生設(shè)置的國際青年科學(xué)家錦標(biāo)賽（IYPT）賽題作為探索型實驗課題。這些題目新穎開放，且每年都有17道新題。題目都產(chǎn)生于學(xué)科研究性期刊的論文，其中不少問題源自《科學(xué)》（Science）、《自然》（Nature）這樣的旗艦綜合期刊，以及《物理評論快報》（PRL）、《現(xiàn)代物理評論》（RMP）這樣的物理學(xué)頂級雜志。與之對應(yīng)的是，這些問題與真實情境密切聯(lián)系，非常易于理解和上手研究，如2021年有一題研究如何用凸透鏡讓物體隱形[16]，不僅適合高中生和大學(xué)低年級的學(xué)生通過實驗進行建模研究，還能增強和促進學(xué)生在理論課程學(xué)習(xí)中的好奇心和主動性，是在一年級本科生知識框架領(lǐng)域內(nèi)可用來培養(yǎng)其研究實踐和高階思維能力的很好課題。同時，在學(xué)生選好感興趣的課題后，我們將教學(xué)流程設(shè)置為“課題解析→文獻調(diào)研→方案設(shè)計→系統(tǒng)搭建→探究實踐→歸納總結(jié)→科學(xué)匯報→溝通交流→反思拓展”。表1給出了學(xué)生在探索型實驗中會參與的具體教學(xué)活動（行）和范式訓(xùn)練（列）。具體教學(xué)活動包括課題解析、文獻調(diào)研、理論計算、實驗設(shè)計、具體實驗、結(jié)果分析、總結(jié)反思和匯報展示，他們對應(yīng)的范式訓(xùn)練內(nèi)容有（再）發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析討論問題、解決問題、成果展示和反思問題。中間交叉的部分列出二者都側(cè)重培養(yǎng)的能力，如課題解析實質(zhì)是一個發(fā)現(xiàn)問題和提出問題的過程，蘊含了批判性思維和創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)。整體上來看，每一項教學(xué)活動都對應(yīng)著不同的科研范式訓(xùn)練內(nèi)容，涵蓋著高階思維和深度學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。

1.2 教學(xué)評價體系改革的構(gòu)建

為增強學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、提升其深度學(xué)習(xí)和高階思維的能力、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，我們對評價體系中最重要的學(xué)生成績的組成，進行了更加全面的重構(gòu)，在注重綜合性評價的基礎(chǔ)上增加過程性動態(tài)評價。對一學(xué)年課程64學(xué)時的傳統(tǒng)實驗課堂進行了如下重建，將其中傳統(tǒng)實驗項目的課堂學(xué)時安排為48學(xué)時，探索型課題實驗的課堂學(xué)時安排為16學(xué)時（包括開題、中期和期末匯報）。我們考慮到學(xué)生會在課外花更多的時間精力去完成探索型實驗課題，采用傳統(tǒng)實驗成績占總成績65%，探索型實驗課題成績占總成績的35%的綜合成績評價模式。傳統(tǒng)實驗項目分?jǐn)?shù)由預(yù)習(xí)、操作、報告和問答這四部分構(gòu)成，在實驗操作之外，關(guān)注學(xué)生的分析總結(jié)能力，包括對實驗現(xiàn)象的解析和數(shù)據(jù)處理能力等;探索型實驗課題不僅僅關(guān)注學(xué)生的匯報成績，同時將出勤、團隊參與、實驗設(shè)計與記錄、課題討論等多個方面納入評價考核體系中，全方位調(diào)動學(xué)生的積極性和團隊合作精神。此外，探索型實驗課題采用動態(tài)評價，將開題報告、中期報告、期末匯報和平時討論相結(jié)合，關(guān)注學(xué)生實驗探究和總結(jié)反思發(fā)現(xiàn)問題的過程，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注課題的進展，總結(jié)反思課題成敗原因并推動課題有序前進。具體來說，結(jié)合開題匯報來培養(yǎng)考核學(xué)生查閱資料和實驗課題解析提取關(guān)鍵參量的能力，通過平時實驗和討論著重培養(yǎng)學(xué)生分析總結(jié)、識別發(fā)現(xiàn)問題的能力，采用中期報告培養(yǎng)學(xué)生反思評估實驗、處理爭論問題并作規(guī)劃設(shè)計的能力，利用期末匯報培養(yǎng)學(xué)生總結(jié)匯報和反思提出新問題的能力。整體而言，構(gòu)成學(xué)生綜合得分的既包括傳統(tǒng)實驗的資料預(yù)習(xí)成績、實驗操作成績、總結(jié)報告成績、問題回答成績，還包括探索型實驗的團隊活動參與成績、實驗表現(xiàn)成績、總結(jié)報告和討論成績等。

2 教學(xué)模式改革效果

2.1 教學(xué)組織改革的效果

通過對學(xué)生發(fā)放問卷的方式調(diào)研教學(xué)組織改革的效果，圖2給出問卷中學(xué)生對課程的總體評價，包括難度、收獲度等信息，其中10代表難度等級最高或受益最大。從圖中可以看出，學(xué)生普遍認(rèn)為傳統(tǒng)實驗項目難度適中，探索型實驗課題的難度等級明顯提高。同時，學(xué)生認(rèn)為傳統(tǒng)實驗中學(xué)到的知識和技能，如基本的實驗方法、儀器使用、數(shù)據(jù)處理對探索型實驗課題的進行是有幫助的。這表明多數(shù)學(xué)生在第二個層次的實驗中確實綜合運用了第一個層次實驗中學(xué)到的知識和技能，教學(xué)組織改革中設(shè)計不同層次兩類實驗的目的已基本達到。此外，盡管學(xué)生對自己探索型課題完成效果并不特別滿意，但他們普遍認(rèn)為在探索型課題的執(zhí)行過程中，包括和指導(dǎo)教師的溝通討論中，都收獲很多。

圖3給出學(xué)生主動和指導(dǎo)教師溝通的內(nèi)容的頻度分布，從圖中來看，在執(zhí)行過程中，學(xué)生在明確探索型實驗總體的流程設(shè)計后，更關(guān)注具體實驗的設(shè)計和完成過程，學(xué)生在探索型實驗中關(guān)注的內(nèi)容，明顯有別于傳統(tǒng)實驗的關(guān)注對象（如設(shè)計好的知識理解和技能掌握）。很明顯，探索型實驗的教學(xué)主體內(nèi)容有效補充了傳統(tǒng)實驗的不足，教學(xué)組織改革中設(shè)計不同層次兩類互為補充的實驗的目的也基本達到。

2.2 以“問題解析”為中心的傳統(tǒng)實驗項目改進的效果

以“問題解析”為中心的傳統(tǒng)實驗項目已不僅僅是教師向?qū)W生傳授知識技能和培養(yǎng)分析解決問題能力的課堂，同時也是教師引導(dǎo)學(xué)生自主分析討論問題和提升其自我解決問題能力的場所。以“液氮比汽化熱的測量”這一實驗為例，其基本原理簡單，只需要測量單位質(zhì)量液氮汽化時吸收的熱量，但實時準(zhǔn)確的熱量和質(zhì)量測量依賴于學(xué)生對熱交換過程的理解，以及實驗中對測量環(huán)境的仔細(xì)優(yōu)化以滿足實驗設(shè)計和理論近似要求（測試過程中液氮與環(huán)境熱交換速率等）。實驗前教師總結(jié)了5個有關(guān)熱交換過程的問題，其中2個題包含對基本知識的理解，如“畫出液氮質(zhì)量隨時間的變化圖”等，3個題與知識的運用相關(guān)，如判斷物塊投放次序并說明原因。上課前教師將題目拋出給學(xué)生進行自由分析討論，講解時進一步將問題和實驗聯(lián)系起來引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)分析討論。從學(xué)生反饋來看，自由分析討論后大部分學(xué)生對熱交換過程具有初步的理解（能完成2～3道題目），但在教師引導(dǎo)下討論后能夠進一步理解熱交換過程（能完成4～5道題目）并應(yīng)用基本知識來設(shè)計完善實驗步驟和過程。從實驗過程來看，學(xué)生在問題的引導(dǎo)下會自主分析實驗細(xì)節(jié)和對應(yīng)現(xiàn)象，并嘗試探索更多的物理參量（如投放熱量的速率、投放時間等）以探究背后的物理機理，實驗探索時間明顯增長（平均時長增加0.5小時）。從實驗結(jié)果來看，采用問題引導(dǎo)下的教學(xué)過程，實驗測量結(jié)果的準(zhǔn)確度明顯提高，80%以上同學(xué)比汽化熱測量結(jié)果的誤差控制在5%之內(nèi)，遠高于常規(guī)教學(xué)方式下的統(tǒng)計結(jié)果（～40%）。問卷調(diào)研也表明絕大部分學(xué)生認(rèn)為這些問題對其理解并進一步探索實驗有較大的幫助和啟示作用，更好地融合了實際實驗和理論所學(xué)。

2.3 以“問題探索”為導(dǎo)向的探索型實驗課題引進的效果

以“問題探索”為導(dǎo)向的探索型實驗課題是知識和能力的綜合運用舞臺，重在培養(yǎng)學(xué)生成果展示、總結(jié)反思、發(fā)現(xiàn)問題、討論問題、解決問題和識別潛在問題的能力。學(xué)生強烈的學(xué)習(xí)取向和主動的投入是探索型實驗教學(xué)能否成功的核心關(guān)鍵。圖4給出探索型實驗教學(xué)對學(xué)生的吸引力來源分布圖。從圖中來看，大多數(shù)同學(xué)的共識是改變自己的學(xué)習(xí)模式，在做一個有趣的團體合作項目基礎(chǔ)上多學(xué)一些東西。這清晰表明剛進入大學(xué)的一年級學(xué)生有著改變和提升自己能力的強烈主觀意愿，更愿意追求真實的挑戰(zhàn)性任務(wù)，在這個時期從教學(xué)上給他們合適的規(guī)劃引導(dǎo)有助于引導(dǎo)他們深度學(xué)習(xí)并培養(yǎng)高階思維能力。

圖5給出學(xué)生在探索型實驗中各個教學(xué)活動領(lǐng)域的參與度，可以看出大多數(shù)同學(xué)在探索型實驗中承擔(dān)了實驗方案設(shè)計、具體實驗、結(jié)果分析和匯報展示的工作，近一半的同學(xué)參與了課題解析、文獻調(diào)研、理論計算和報告總結(jié)的工作，表明他們充分融入探索型實驗課題中高階思維能力培養(yǎng)活動，實現(xiàn)教學(xué)改革中重能力培養(yǎng)的設(shè)計目標(biāo)。

3 教學(xué)模式改革的影響

3.1 教學(xué)模式改革對傳統(tǒng)實驗項目的影響

值得指出的是，教學(xué)模式改革同時也提升了傳統(tǒng)實驗的教學(xué)效果。表2給出在第1學(xué)期參與教改的學(xué)生（教改組）和非參與教改的學(xué)生（對照組）在第1和第2學(xué)期物理實驗課程中傳統(tǒng)實驗項目的成績變化，二組學(xué)生均為同級物理專業(yè)非拔尖計劃學(xué)生，每組31人。需要說明的是，一年級課程中每一個傳統(tǒng)實驗項目的上課教師是固定的，因此可以進行學(xué)生之間的成績比較。表2從左到右按時間前后順序排列，包含了演示實驗成績、緒論課作業(yè)成績、導(dǎo)論課和物理實驗1中傳統(tǒng)實驗的成績，其中上面一排是教改組學(xué)生成績統(tǒng)計，下面一排是對照組學(xué)生成績統(tǒng)計。從圖中可以看出，在第1學(xué)期，兩組學(xué)生成績基本差不多，對照組學(xué)生的表現(xiàn)還略好一些，其演示實驗和緒論課作業(yè)成績總體要強于教改組學(xué)生。但在這之后，教改組學(xué)生的成績開始得到提高，其第1學(xué)期導(dǎo)論課中傳統(tǒng)實驗成績基本與對照組相同、成績的離散度略高于對照組，隨著時間的推移，他們的表現(xiàn)強于對照組，第2學(xué)期物理實驗1中傳統(tǒng)實驗成績明顯高于對照組、成績的離散度也明顯降低，進一步展現(xiàn)教學(xué)組織改革的效果。

3.2 教學(xué)模式改革對提高學(xué)生深度學(xué)習(xí)能力的影響。

從學(xué)生對課程的評價上來看，課程的教學(xué)改革措施受到學(xué)生的歡迎，評教成績一直在全校的前20%之內(nèi)。我們也對參與教改的學(xué)生進行了訪談，絕大部分學(xué)生認(rèn)為教學(xué)改革后的大一物理實驗課程對后續(xù)學(xué)習(xí)有非常積極的影響，特別是在實踐能力、思維能力和綜合匯報的能力上，并認(rèn)為對實驗結(jié)果進行及時的反思和匯報，特別鍛煉總結(jié)分析和溝通表達能力。學(xué)生們紛紛表示：盡管當(dāng)時參加教改覺得感覺很累，但是回過頭來看，卻也真正學(xué)到了很多東西（包括主動式的學(xué)習(xí)方法，大量的編程技術(shù)，科學(xué)的研究方法和溝通交流的能力），特別是非常有用的物理思維與研究方式。當(dāng)按探索型實驗課題的要求，把相對復(fù)雜的東西用簡單的物理實驗做出來，并以清晰圖像展現(xiàn)出其中的核心物理量和一般參量時，他們就會積極主動地去學(xué)習(xí)原本短期內(nèi)不太可能去接觸的理論課程知識，這也無形中拓寬了他們的知識領(lǐng)域。整個過程使得他們能從物理實驗研究的視角窺探到科研之徑，更好地適應(yīng)了高年級的研究實踐活動，更順利地融入專業(yè)課題組的研究工作中。

3.3 教學(xué)模式改革對學(xué)生培養(yǎng)高階思維能力的影響

教學(xué)模式改革自2017年開始實施，通過融合傳統(tǒng)實驗項目和探索型實驗課題，逐步摸索出一條改變大一新生思維習(xí)慣和培養(yǎng)學(xué)生批判性思維能力、知識整合能力、溝通協(xié)作能力、動手創(chuàng)新能力和表達闡述能力的新途徑，課程評價優(yōu)良。完成探索型實驗課題的大一新生在上海市和全國的物理學(xué)術(shù)競賽中屢創(chuàng)佳績，特別是在2019年，他們獲得華東地區(qū)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽特等獎，在2021年，又榮獲全國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽一等獎。為此，我們也統(tǒng)計了自2009年設(shè)立“拔尖計劃”以來，“拔尖計劃”物理專業(yè)歷屆本科畢業(yè)生在校期間發(fā)表科研論文情況，具體如下：2013屆1篇（1作），2015屆7篇（1作5篇），2016屆2篇（1作1篇），2017 屆1 篇（1 作），2018 屆5 篇（1 作2篇），2019屆2篇，2020屆5篇（1作1篇），2021屆6篇（1作2篇）。值得注意的是，2012年設(shè)立研究實踐課程以來，物理專業(yè)拔尖學(xué)生在學(xué)術(shù)研究論文上開始呈現(xiàn)出良好的表現(xiàn)，而到2017年新教學(xué)改革開始實施后，2021屆（2017級）學(xué)生在科學(xué)研究上有著更好的表現(xiàn)。他們在發(fā)表的論文數(shù)保持的同時，論文質(zhì)量也提高明顯，2篇1作論文均發(fā)表在物理學(xué)頂級期刊《物理評論快報》（PRL）上。很顯然，一年級物理實驗的教學(xué)改革已有效地啟迪了學(xué)生的批判性思維、創(chuàng)新性思維和科學(xué)研究素養(yǎng)。正如學(xué)生所言，這樣的教學(xué)改革使他們能更好地融入高年級的研究實踐活動中。

4 教學(xué)模式改革探索反思

參與該改革課程的歷屆學(xué)生，對實驗教學(xué)改革給出了相當(dāng)正面的評價，但在教學(xué)實施過程中，我們發(fā)現(xiàn)依舊有一些問題需要進一步解決。首先，學(xué)生理論基礎(chǔ)和探索型實驗課題間的差異。盡管探索型實驗課題非常易理解，且適合高中生和大學(xué)低年級的學(xué)生通過實驗進行建模研究，但實際建模計算時，大一新生依舊會發(fā)現(xiàn)自己理論基礎(chǔ)較弱，需要進一步學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)物理方法、分析力學(xué)、編程軟件等領(lǐng)域知識才能完善自己的課題研究。后期我們擬邀請專業(yè)教師和高年級本科生同學(xué)共同參與課程建設(shè)和探索型實驗課題指導(dǎo)，依托師生、生生互動進一步提高深度學(xué)習(xí)效果。其次，科學(xué)研究范式訓(xùn)練的規(guī)范化問題。部分學(xué)生尚不理解規(guī)范化對科學(xué)研究的重要性，在做實驗記錄時不太有規(guī)范化的意識，電腦保存實驗數(shù)據(jù)時沒有分類存放意識，命名規(guī)則混亂且日期不明52確。后期我們擬進行實驗記錄每次教師審核和學(xué)生間相互審核的模式，盡早培養(yǎng)學(xué)生規(guī)范化的科學(xué)工作習(xí)慣。最后，資源和交流平臺的進一步構(gòu)建問題。考慮到溝通交流的便利性，目前線上我們主要用使用微信實時交流，后續(xù)需要建立資源平臺來加強信息的溝通和獲取，以提升人才培養(yǎng)效果。

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