論學生實驗能力與實驗教學類型間的相關性

趙建華

(廣州大學 教務處，廣州 510006)

論學生實驗能力與實驗教學類型間的相關性

趙建華

(廣州大學 教務處，廣州 510006)

大學生實驗能力與本科教學實驗類型之間存在明顯的相關對應關系：基礎型實驗只能達到低層次實驗能力目標，設計型實驗和探究型實驗是實現(xiàn)高層次實驗能力目標所必需的實驗類型。因此，在教學實踐中應注意并把握它們之間的對應與匹配：不能僅用基礎型實驗去實現(xiàn)高層次實驗能力目標；根據(jù)大學生實驗能力發(fā)展要求選擇合適的實驗類型；在班級授課制體制下，可以將同一個實驗對象設置成不同的類型，以實驗過程的差異去調(diào)節(jié)學生的個體差異。

實驗教學；大學生實驗能力；教學實驗類型；相關性

教學實驗是實現(xiàn)實驗教學目標的載體，大學生實驗能力是高校實驗教學目標的核心。大學生實驗能力的結構具有多層次，本科教學實驗亦有多種類型。不同類型的教學實驗為大學生提供了不同行為和思維的經(jīng)驗，而多層次的實驗能力目標需要不同類型的教學實驗來實現(xiàn)。目前，我們一方面呼吁要通過實驗教學培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新精神和實踐能力；另一方面在教學實踐中又未真正開設出高層次的實驗類型。教育實踐表明，低層次的實驗類型難以實現(xiàn)高級的實驗能力目標。研究大學生實驗能力與本科教學實驗類型之間的相關對應關系，有利于教師在教學實踐中根據(jù)實驗能力發(fā)展目標選擇相應的實驗類型及其教學策略，以促進本科實驗教學目標的達成和大學生科學素養(yǎng)的發(fā)展。要落實以創(chuàng)新精神和探究能力的重點的高層次的本科實驗能力目標，就應該逐步地、有針對性地開展有助于實現(xiàn)這種目標的教學實驗。

1 大學生實驗能力的層次

本科實驗教學介于中小學實驗教學和研究生實驗教學之間，體現(xiàn)“學習科學真理的認識過程”到“發(fā)現(xiàn)科學真理的認識過程”的過渡，是實驗教學從“教”到“不需要教”的中間過程。

本科實驗教學目標是一個多維度、多層次的系統(tǒng)。筆者曾經(jīng)從現(xiàn)代大學人才培養(yǎng)目標出發(fā)，將本科實驗教學目標劃分為實驗方法、實驗能力、科學態(tài)度三個維度，并運用布盧姆、加涅等人的目標行為表現(xiàn)層次累積思想，對實驗能力進行了層次上的分析[1]。大學生的實驗能力可劃分為以下三個層次：(1)較低層次。能操作實驗。即按照他人制訂的實驗方案，能運用實驗儀器設備，控制一定的實驗條件，使實驗對象發(fā)生某種預期的變化。(2)較高層次。能設計實驗。即根據(jù)一定的實驗目的和要求，能運用有關的知識和技能，對實驗的儀器、裝置、步驟和方法在頭腦中進行規(guī)劃，并形成真正具體實施的實驗方案。(3)理想層次。能用實驗手段創(chuàng)造性解決具體問題。理想層次的大學生實驗能力目標是在其下兩個層次實驗能力目標的基礎上形成和發(fā)展的，并在發(fā)展的過程中對其下的兩個層次實驗能力目標產(chǎn)生影響。實驗能力由低級向高級演變的過程正是反映了大學生的動態(tài)發(fā)展過程。

2 本科教學實驗的類型

教學實驗簡稱實驗或實驗項目，它們是實驗教學的載體。由于人們對實驗的屬性、內(nèi)容、活動方式等進行了多角度的解讀，目前我國高校面向本科生開設的實驗項目的名稱有13種之多[2]，常見的實驗類型有基礎性實驗、綜合性實驗、設計性實驗、創(chuàng)新性實驗，但是這種分類存在兩個方面的問題：分類標準存在著一定的含糊性和按這種分類在實踐中難以操作。

要對教學實驗進行正確的分類，目前尚比較困難。但是，依據(jù)科學實驗的基本規(guī)范和學生知識增長、能力發(fā)展的規(guī)律，并按照解決同一個實驗問題時學生在其中參與的過程的不同，可以把教學實驗劃分為基礎型、設計型、探究型三種類型[3]。三種類型實驗的差別在“提出實驗問題”和“擬定實驗方案”兩個環(huán)節(jié)上，教師參與的成分越來越少而學生參與的成分越來越多。在設計型實驗中，學生仍會經(jīng)歷基礎型實驗的過程，但還參與“擬定實驗方案”環(huán)節(jié)。同理，學生在探究型實驗中不僅經(jīng)歷設計型實驗的過程，而且還完成“提出實驗問題”步驟?；A型、設計型、探究型三種實驗類型，是一個在認識和能力發(fā)展上不斷提升、在科學素養(yǎng)上由掌握具體操作方法到形成科學思維方式的實踐培養(yǎng)過程。

3 大學生實驗能力與本科實驗類型的相關對應關系

大學生實驗能力與本科實驗類型之間存在明顯的相關對應關系。

3.1 基礎型實驗只能達到低層次實驗能力目標

基礎型實驗無論是實驗內(nèi)容還是實驗過程都是三種類型實驗中簡化程度最高的。

1)從實驗過程看，學生主要完成實驗操作、數(shù)據(jù)收集與處理、得出結論等步驟，而其實驗方案則是由實驗設計者或教師給出的。學生通過操作儀器設備，對實驗對象進行控制或干預，使實驗對象產(chǎn)生實驗現(xiàn)象，并通過實驗測量儀器接受實驗對象所表現(xiàn)出的事實、現(xiàn)象和數(shù)據(jù)等信息，獲得一定直觀、真實的感性認識材料。在此基礎上，運用理論思維，對實驗中搜集到的信息進行思考，經(jīng)過比較、分析、綜合、抽象和概括，形成理性認識。

2)在實驗內(nèi)容方面：(1)如果從實驗所涉及的學科和要素的角度看，基礎型實驗多為單一學科、單一要素的實驗。多為研究物質(zhì)運動中某些單一物理現(xiàn)象、工作原理或測定某些特定參數(shù)。例如，力學中的“拉伸破壞實驗”，主要是測金屬材料拉伸時機械性能參數(shù)。(2)假如從繼承知識和發(fā)展知識的角度看，基礎型實驗多為驗證性的，其特點是通過人為地創(chuàng)造一定的環(huán)境、條件，再現(xiàn)某些物理現(xiàn)象中的定理、定律、工作原理、工作特性或某些物理現(xiàn)象。例如，物理實驗中“光電效應實驗”，主要是驗證愛因斯坦光電效應方程。(3)倘若從培養(yǎng)學生的能力來看，基礎型實驗多為熟悉實驗設備、學習基本測試方法的操作訓練實驗。例如，基礎化學實驗中酸堿滴定實驗，主要內(nèi)容是要求學生掌握移液管正確的操作方法和滴定操作。因此，在基礎型實驗的學習中，學生主要就是通過操作、觀察來獲得來自實驗對象的信息，以及對這些信息的處理，實現(xiàn)由感性認識向理性認識的跨越。

3.2 設計型實驗和探究型實驗是實現(xiàn)高層次實驗能力目標所必需的實驗類型

與基礎性實驗相比，設計型實驗要求學生多完成一個環(huán)節(jié)——“擬定實驗方案”?！皵M定實驗方案”是實驗者先在頭腦中、在觀念上對實驗過程進行具體化，再以文字說明、實驗用語、專用符號、圖與表等外在形式感性化地體現(xiàn)在書面上。在形成書面的設計方案前，要對實驗所涉及的一系列具體問題進行認真的分析和思考。在設計型實驗的學習中，學生首先要對指導實驗的理論有較全面、較深入的了解和認識。其次，要根據(jù)實驗原理、實驗對象、實驗條件的控制來預選實驗方法和手段，思考實驗過程由哪些環(huán)節(jié)構成、每個環(huán)節(jié)上各有什么樣的工作，并根據(jù)實驗原理進一步作出邏輯推理，預測可能遇到的困難，事先考慮好如何創(chuàng)造條件去克服它。探究型實驗是比設計型實驗更高級的實驗類型，學生要提出一個探究的問題、同時針對這個問題設計實驗方案并實施方案。提出一個探究的問題是探究型實驗教學中的一個重要環(huán)節(jié)。愛因斯坦說過，提出一個問題往往比解決一個問題更重要，因為解決一個問題也許僅是一個數(shù)學上的或實驗上的技能而已。而提出新的問題、新的可能性，從新的角度去看舊的問題，卻需要有創(chuàng)造性的想象力，而且標志著科學的真正進步。在探究型實驗學習中，學生要對未知、獨特或矛盾的實驗情景產(chǎn)生新的理解，嘗試一種超越固定規(guī)則的行動中反映。雖然學生在設計型實驗中“擬定實驗方案”和在探究型實驗中“提出實驗問題”是有老師指導的，要比實驗工作者的科研活動簡單得多。但是，在再現(xiàn)或重演科學發(fā)現(xiàn)的過程中其高階思維同樣是會呈現(xiàn)出來的。

本科教學實驗類型與大學生實驗能力之所以存在相關對應關系，主要是因為：1)不同類型的實驗中，學生參與的具體實驗過程是不同的。在基礎型實驗中，學生主要是進行實驗操作、觀察、記錄等活動；在設計型實驗中，學生首先要著手擬定實驗方案，然后才進行實驗方案的實施過程；在探究型實驗中，從提出實驗問題到實驗方案的設計與實施，幾乎全部實驗活動都由學生完成。正因為學生參與實驗活動過程的差異，導致了在不同的實驗類型中學生主體的行為經(jīng)驗的不同。2)對應于不同的實驗類型，學生主體在頭腦中所運用的表征實驗活動過程的思維方式是有區(qū)別的。在基礎型實驗中，學生要實現(xiàn)從感性認識向理性認識的跨越，其思維方式表現(xiàn)為認知思維方式。認知思維方式是對已存在事物的認識，它關注的是對已存在事物的解釋，解決的是“是什么”“為什么”的問題。擬定實驗方案是對未來實驗活動的超前認識，是以實驗目的為指導，在頭腦中預演實驗活動的程序和確定實驗活動的觀念模型的過程。擬定實驗方案的思維方式是設計思維方式，解決的是“做什么”“用什么做”和“怎樣做”的問題[4]。探究型實驗中學生要提出的問題，不純粹是一個有疑問詞的問句，而是一個學生自己還不確定對還是不對的實驗“假說”。這假說是學生對實驗因果關系的一種想法或一個判斷，能較大限度地激發(fā)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維。3)由于在不同類型實驗中學生參與的實驗過程不同，以及他們在頭腦中對實驗活動過程思維方式不一樣，所以對于不同類型的實驗學習，學生所要運用的身心力量在內(nèi)容上是不同的，因而導致不同類型的實驗活動對學生預期身心發(fā)展產(chǎn)生的效應是不一樣的。

強調(diào)本科教學實驗類型與大學生實驗能力之間的相關對應關系，并不是否定基礎型實驗在大學生實驗能力發(fā)展中的促進作用。實際上，基礎型實驗對于學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)亦有著重要作用。通過教師的正確引導和啟發(fā)，學生在基礎型實驗的操作過程中，是能夠體會到實驗方案設計的精巧與嚴格的，也是有可能為他們今后獨立進行實驗方案設計時提供間接指導和借鑒的。筆者在此強調(diào)的是，基礎型實驗對學生主體在實驗智慧發(fā)展中的間接的作用不能代替學生主體直接的實驗智慧發(fā)展。對于學生的發(fā)展來講，高層次實驗由于要求他們完成“提出實驗問題”“擬定實驗方案”環(huán)節(jié)，在培養(yǎng)其實驗智慧方面所起的作用更直接、也更重要。

4 研究大學生實驗能力與本科實驗類型相關性的意義

反思我國本科實驗教學就會發(fā)現(xiàn)，我們并沒有處理好大學生實驗能力發(fā)展與教學實驗類型之間的對應關系問題?，F(xiàn)在人們基本上都認可實驗教學在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力方面具有獨特作用，但在教育實踐中卻嚴重弱化實驗的探索性、不確定性，包括高度簡化實驗條件、直接給出實驗方案、儀器設備“傻瓜化”等。即便是近些年來大力提倡的綜合性和設計性實驗，也多為驗證性質(zhì)，如“設計……實驗裝置來測定……的量值”“設計……實驗來驗證……定律”等。一些所謂的探究性、研究性實驗，受到學生人數(shù)、實驗學時等因素的制約，與基礎實驗的水平相差甚微。實驗教學的理想與現(xiàn)實包含著一個深刻的矛盾，即教學實驗的設置與組織與大學生實驗能力目標之間的不對應、不匹配的問題。

上述問題的存在與我國實驗教學的歷史、人們的觀念和教學體制密切相關。我國高校實驗教學是舶來的。20世紀20年代開始的實驗教學，大體上采用的是當時美國大學的模式，即班級制體制下學生對照實驗講義做實驗的“依葫蘆畫瓢”模式。新中國成立后，我們雖然采取前蘇聯(lián)的做法，但這種實驗教學模式并沒有什么改變。加之儀器設備、經(jīng)費等條件限制，我們已經(jīng)習慣了開設一些驗證性的教學實驗項目。人們往往對實驗教育理解不全面，甚至僅僅理解為教學輔助手段。在過去很長一段時間里，我國高校實驗教學的目標停留在“三基”層面，即要求學生掌握實驗基本原理、基本知識和基本操作，規(guī)范操作得出正確的數(shù)據(jù)和結論。隨著招生規(guī)模的擴大，班級人數(shù)越來越多。為了保證全體學生在規(guī)定的時間內(nèi)完成，教師們不僅在實驗內(nèi)容和過程上進行簡化，而且在選擇一些簡單、便宜的儀器上花費較多的心思。在這種情況下，大學生實驗能力長期停留在只能操作實驗的低層次階段。

依據(jù)實驗類型與大學生實驗能力對應關系，教學管理者和教師們在教學實踐中應特別注意實驗教學目標與實驗類型對應與匹配的問題。1)不能僅用基礎型實驗去實現(xiàn)高層次的實驗能力目標。基礎型實驗是很重要的，我們強調(diào)培養(yǎng)創(chuàng)新人才，不要忘記和淡化基礎型實驗。因為沒有基礎或基礎不牢，就談不上綜合，更談不上創(chuàng)新?；A型實驗的教學對鍛煉學生的動手能力和掌握基本儀器的使用，以及加深對科學原理的理解方面有一定的作用，但具有明顯的局限性。它只提供了實驗操作、觀察、記錄、數(shù)據(jù)處理等實驗學習的經(jīng)驗，而沒有給學生提供機會來經(jīng)歷科學實驗中的“提出實驗問題”、“設計實驗方案”等基本步驟，學生不了解這些步驟所涉及的內(nèi)容，也不能夠熟練運用這些步驟?；A型實驗只能達到低層次實驗能力目標，單靠基礎型實驗的教學不可能培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力。2)根據(jù)大學生實驗能力培養(yǎng)要求，選擇合適的實驗類型。在教育實踐中，我們應根據(jù)具體的實驗能力培養(yǎng)目標選擇最有針對性的實驗活動，使學生有機會具有實踐這個目標所隱含的那種行為的經(jīng)驗。比如，如果目標是要培養(yǎng)學生設計實驗方案的能力，就應讓學生自己進行實驗方案設計活動，而不能僅僅完成老師給定的方案。正如泰勒所說，“為了實現(xiàn)既定目標，學生必須有這種經(jīng)驗：它提供機會讓學生去實踐該目標所隱含的行為。這就是說，如果其中一項目標是培養(yǎng)解決問題的技能，那么除非學習經(jīng)驗能給予學生充足的機會去解決問題，否則這個目標是難以達成的”[5]。3)在班級授課制體制下，以實驗過程差異調(diào)節(jié)學生個體差異。學生的個體差異是客觀存在的，每個學生的知識水平、思維方法、性格特點以及受到的訓練都是不同的，面對紛繁的實驗現(xiàn)象、復雜的操作、測試，從預習、操作、觀察、分析到得出正確的結論，所需時間，即所付出的勞動，也是有所不同的。教師可以根據(jù)學生的差異，將同一個實驗對象設置成實驗的不同類型，允許每個學生從他自己的起點出發(fā)，根據(jù)自己的實際情況完成不同實驗過程，以滿足不同學生的需求。

5 結束語

教學實驗是實驗教學的基本教學單元，大學生實驗能力的發(fā)展要借助教學實驗來實現(xiàn)。為了促進大學生實驗能力的不斷提升，本科教學實驗要按照由簡單到復雜、由部分到整體、由以感性為主到以理性為主、由簡化情境到較復雜情境的順序加以排列?；A型的實驗只能達到低層次實驗能力目標，設計型實驗和探究型實驗是實現(xiàn)高層次實驗能力目標所必需的實驗類型。在教學實踐中，教師們不能僅僅選擇一些簡單易做的實驗，還應該根據(jù)學生發(fā)展水平提供那些有一定挑戰(zhàn)性的實驗。

[1] 趙建華. 高校實驗教學目標探析[J]. 高教探索，2012(4)：71-73.

[2]陸國棟.實驗教學改革的思考與實驗分類研究[J].中國大學教學，2010(9)： 72-74.

[3] 趙建華.本科教學實驗的分類研究[J].中國大學教學，2012(1) ：71-73.

[4] 王桂山.技術理性的認識論研究[M]，沈陽：東北大學出版社，2006：74.

[5] 【美】Ralph Tyler.課程與教學的基本原理[M].施良方，譯. 北京:人民教育出版社，1994.51.

Correlation between Undergraduates’ Experimental Ability and Experimental Teaching Types

ZHAO Jianhua

( Office of Academic Affairs，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China)

There is an obvious correlative correspondence between experimental ability of undergraduates and experimental teaching types. Base-mode experiment could only help achieve low level of experimental ability goals, while design-mode and inquiry-mode are indispensable approaches to higher level of experimental ability. Therefore, attention should be paid to such correspondence and matching during the teaching practices: 1) higher level goals of experimental ability cannot be achieved by the base-mode experiment alone, 2) appropriate experimental types should be chosen in accordance with the training requirement of undergraduates’ experimental ability, 3) under the current system of class teaching, one experimental subject could be set into different experimental types, in order to adjust the individual difference of undergraduates by means of difference of experimental process.

experimental teaching; undergraduates’ experimental ability; experimental type; correlation

2013-09-06；修改日期：2013-11-07

2012年度廣東省高等教育教學改革項目：文科跨專業(yè)實驗教學運行機制探索(2012317)。

趙建華(1963—)，女，博士，研究員，從事高校教學研究與管理工作。

G642.0；G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.04.043