系統(tǒng)化本科實(shí)驗(yàn)課程提升大學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)之思考

陳耿彪 劉志強(qiáng)

（長(zhǎng)沙理工大學(xué) 汽車與機(jī)械工程學(xué)院 工程車輛安全性設(shè)計(jì)與可靠性技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410114）

系統(tǒng)化本科實(shí)驗(yàn)課程提升大學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)之思考

陳耿彪 劉志強(qiáng)

（長(zhǎng)沙理工大學(xué) 汽車與機(jī)械工程學(xué)院 工程車輛安全性設(shè)計(jì)與可靠性技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410114）

相比無(wú)關(guān)聯(lián)要素組成的集合，由要素、內(nèi)在連接和目標(biāo)構(gòu)成的系統(tǒng)因具有動(dòng)態(tài)性、適應(yīng)力、層次性等特性，能取得1+1＞2的效果。作者針對(duì)目前大學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革中存在的“集合”性現(xiàn)象，以層次化的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容遞進(jìn)為構(gòu)建系統(tǒng)內(nèi)在連接的依據(jù)，設(shè)計(jì)了以學(xué)生、教師和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容為組成要素，以提高大學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)為系統(tǒng)目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)反饋系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果證明了本系統(tǒng)化方案的有效性和優(yōu)越性。

實(shí)驗(yàn)課程 系統(tǒng)化 科學(xué)素養(yǎng)

一、引言

當(dāng)前各高校都在強(qiáng)調(diào)素質(zhì)教育，作為其重要組成部分的科學(xué)素養(yǎng)教育受到相應(yīng)的重視，并為此采取了一系列措施。比如在實(shí)驗(yàn)課程改革方面，增開了實(shí)驗(yàn)課程，增加了實(shí)驗(yàn)課的學(xué)時(shí)，新增和改造了實(shí)驗(yàn)室，購(gòu)置了較高檔的儀器設(shè)備，實(shí)施開放性實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，開出一些有創(chuàng)意的實(shí)驗(yàn)，等等。所有這些確實(shí)起到了一定作用，但它們只是一系列措施的“集合”，沒有系統(tǒng)性，不具有生命力。只有系統(tǒng)思考才有助于我們發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的根本原因，看到多種可能性，從而讓我們更好地處理問(wèn)題。筆者在平時(shí)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)實(shí)踐與反思過(guò)程中，著眼于大學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，創(chuàng)建了以學(xué)生為主體，老師為調(diào)節(jié)器，教學(xué)內(nèi)容的層次化深入為信息流的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)系統(tǒng)，在實(shí)踐教學(xué)中取得了良好效果。

二、科學(xué)素養(yǎng)的內(nèi)容構(gòu)建

科學(xué)素養(yǎng)是人們?cè)谡J(rèn)識(shí)自然和應(yīng)用科學(xué)知識(shí)的過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的基本素質(zhì)?？茖W(xué)素養(yǎng)是科學(xué)知識(shí)、科學(xué)能力、科學(xué)方法、科學(xué)精神四個(gè)要素的綜合反映［1］。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，明確科學(xué)素養(yǎng)各要素的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)學(xué)生相關(guān)素養(yǎng)的培養(yǎng)具有非常重要的實(shí)現(xiàn)意義。參考有關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，本文對(duì)實(shí)驗(yàn)科學(xué)素養(yǎng)各要素進(jìn)行了如下內(nèi)涵定義。

科學(xué)知識(shí)包含三個(gè)部分，以實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為代表的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、以實(shí)驗(yàn)原理為代表的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)運(yùn)用所獲的新增知識(shí)。

科學(xué)能力方面，包括實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)思維能力?？茖W(xué)上的重大發(fā)現(xiàn)和發(fā)明創(chuàng)造都是從科學(xué)實(shí)驗(yàn)中發(fā)掘和提煉出來(lái)的，它是產(chǎn)生認(rèn)識(shí)世界和改造世界的新理論和新方法的源泉?？梢娊ⅰ翱茖W(xué)實(shí)驗(yàn)是發(fā)現(xiàn)真理的基礎(chǔ)”的實(shí)驗(yàn)理念與傳授實(shí)驗(yàn)技能同等重要。科學(xué)實(shí)驗(yàn)思維是科學(xué)家群體在長(zhǎng)期從事科學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐中形成的，其內(nèi)涵可用實(shí)用主義創(chuàng)始人皮爾士所論述的“假如—那么”理論表達(dá)［2］：假如動(dòng)作O施于其上，那么E就將被經(jīng)驗(yàn)到。其中的“O”表示實(shí)驗(yàn)者的某項(xiàng)動(dòng)作或所做的事情，“E”是指實(shí)驗(yàn)者所觀察到或經(jīng)驗(yàn)到的某種現(xiàn)象(或體驗(yàn))?？梢?，科學(xué)思維可通過(guò)“將一個(gè)肯定的陳述轉(zhuǎn)換成假設(shè)的形式，再去發(fā)掘其實(shí)用主義的意義”這一方式培養(yǎng)。

科學(xué)方法方面，可借鑒現(xiàn)代原子物理的奠基者歐內(nèi)斯特·盧瑟福的“實(shí)驗(yàn)—洞察—模型—經(jīng)驗(yàn)”研究模式［3］，即在對(duì)某些物理現(xiàn)象用數(shù)學(xué)無(wú)法處理的情況下，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的物理意義進(jìn)行洞察，找到這些現(xiàn)象產(chǎn)生的主要因素及它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，然后構(gòu)思出一個(gè)模型，如果可能則寫出經(jīng)驗(yàn)公式，再予以檢驗(yàn)和修改，隨后將公式定型。在研究過(guò)程中，要注意實(shí)驗(yàn)方法與其他兩種常用科學(xué)研究方法——理論方法和計(jì)算方法的互補(bǔ)［4］：理論方法能指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算方法，并將部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果推廣到一整類沒有做過(guò)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象中；計(jì)算方法可以彌補(bǔ)理論方法和實(shí)驗(yàn)方法的不足，對(duì)一系列復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行既快又省的研究工作；唯有實(shí)驗(yàn)方法才能真正檢驗(yàn)理論結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的正確性與可靠性，并提供建立運(yùn)動(dòng)規(guī)律及理論模型的依據(jù)，這是其他兩種方法無(wú)法替代的。

科學(xué)精神方面，不僅要培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的科學(xué)作風(fēng)、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，而且要引導(dǎo)學(xué)生樹立富于創(chuàng)新的科學(xué)價(jià)值觀。

三、實(shí)驗(yàn)課程系統(tǒng)化與實(shí)施要點(diǎn)

圖1 實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)系統(tǒng)方案圖

系統(tǒng)并不僅是一些事物的簡(jiǎn)單集合，而且是一個(gè)由一組相互連接的要素構(gòu)成的、能夠?qū)崿F(xiàn)某個(gè)目標(biāo)的整體，具有適應(yīng)性、動(dòng)態(tài)性、目的性，并可以自組織、自我保護(hù)與演進(jìn)。因此若能將實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)成一個(gè)系統(tǒng)，則會(huì)取得事半功倍的教學(xué)效果。依據(jù)系統(tǒng)的三個(gè)構(gòu)成要件：要素、連接、功能或目標(biāo)［5］，本文設(shè)計(jì)了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)系統(tǒng)，其要素包括學(xué)生、教師和教學(xué)內(nèi)容；系統(tǒng)之間通過(guò)合適的信息流產(chǎn)生連接，而目標(biāo)則是實(shí)現(xiàn)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)。

上述實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)系統(tǒng)實(shí)施的關(guān)鍵之一是，作為調(diào)節(jié)器的老師要明確所指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)目的，即實(shí)驗(yàn)功能指標(biāo)的設(shè)定，具體內(nèi)容可參照上節(jié)所述，務(wù)必使其量化，具有可操作性。關(guān)鍵之二是，引導(dǎo)作為學(xué)習(xí)主體的學(xué)生根據(jù)現(xiàn)有的科學(xué)素養(yǎng)水平對(duì)照實(shí)驗(yàn)功能指標(biāo)，找出差距，通過(guò)思考、模仿、歷練等多種方式［6-7］發(fā)揮主觀能動(dòng)性和主體意識(shí)不斷減少偏差。關(guān)鍵之三是，影響系統(tǒng)決策和行動(dòng)的信息流的選取與運(yùn)作。由流量（指一段時(shí)間內(nèi)改變的狀況）的定義可知，它是使存量隨著時(shí)間不斷改變的主要原因。流量（包括圖1中的流入量和流出量）的運(yùn)作需要時(shí)間，掌握好這一點(diǎn)是理解各種系統(tǒng)行為運(yùn)作機(jī)理的鑰匙。通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，以層次化的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為信息流能較好地實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的目標(biāo)。因?yàn)榉峡茖W(xué)發(fā)展規(guī)律的分級(jí)層次化實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，比如劃分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)及創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)四級(jí)［8］，最能激勵(lì)學(xué)生在自主學(xué)習(xí)和科技創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中向更高水平層次進(jìn)階。

四、結(jié)語(yǔ)

多級(jí)開放性實(shí)驗(yàn)室在高校已普遍設(shè)立，能否發(fā)揮作用，關(guān)鍵看實(shí)驗(yàn)教學(xué)機(jī)制是否適宜。本文依據(jù)系統(tǒng)可以自組織，并且常能通過(guò)局部瓦解進(jìn)行自我修復(fù)，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性特性，構(gòu)建了一種能使學(xué)生通過(guò)自我調(diào)節(jié)、趨向教師指定目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)系統(tǒng)，指出了教學(xué)系統(tǒng)在實(shí)施過(guò)程中的關(guān)鍵要點(diǎn)。讓學(xué)生在親身實(shí)踐中感悟和領(lǐng)會(huì)，對(duì)思想、觀念進(jìn)行整理、加工，從而形成可執(zhí)行的充分反映客觀實(shí)際的科學(xué)創(chuàng)新方案和良好的科學(xué)素養(yǎng)。通過(guò)本系統(tǒng)培養(yǎng)的學(xué)生每年都能獲得多項(xiàng)湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目。

［1］黃俊琪.在科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對(duì)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)［J］.文教資料，2006，4（上旬）：67-68.

［2］鄒鐵軍.科學(xué)實(shí)驗(yàn)思維與皮爾士的實(shí)效主義［J］.學(xué)習(xí)與探索，2004（2）：9-12.

［3］李炳昌，夏代云，何泌章.盧瑟?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)思想的當(dāng)代意義［J］.科技與管理，2011，13（2）：63-67.

［4］馮振宇，樊麗儉.課堂教學(xué)也應(yīng)突出科學(xué)實(shí)驗(yàn)的理念［J］.交通高教研究，2002（1）：39-41.

［5］［美］梅多斯著.邱昭良譯.系統(tǒng)之美：決策者的系統(tǒng)思考［M］.杭州：浙江人民出版社，2012.

［6］侯曉帆，王以寧.行動(dòng)學(xué)習(xí)法在教學(xué)中的應(yīng)用——以數(shù)學(xué)建模實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例［J］.中國(guó)電化教育，2011（4）：105-108.

［7］蔡月忠.基于開放管理的項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)——以影視專業(yè)人才實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)為例［J］.電化教育研究，2011（4）：117-120.

［8］丁道一，何焰蘭，黃松筠，等.構(gòu)筑一個(gè)完整的金字塔教學(xué)體系——教學(xué)實(shí)驗(yàn)與科學(xué)實(shí)驗(yàn)接軌［J］.高等教育研究學(xué)報(bào)，2011，34（1）：77-79.

湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目（湘教通［2014］247號(hào)）“學(xué)生能力導(dǎo)向的機(jī)械類專業(yè)工程訓(xùn)練改革與實(shí)踐”、“回歸工程實(shí)踐的機(jī)械類專業(yè)工程教育人才培養(yǎng)模式改革與實(shí)踐”、“獨(dú)立學(xué)院機(jī)制專業(yè)學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)機(jī)制及平臺(tái)建設(shè)研究”