面向高階思維訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式設(shè)計(jì)與實(shí)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(gè)重點(diǎn)。我們?cè)诿嫦虮究埔荒昙?jí)新生的物理實(shí)驗(yàn)課程中，對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)模式進(jìn)行了改革，增加了激發(fā)高階思維產(chǎn)生的最大動(dòng)力來源———“真實(shí)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(diǎn)，通過引入探索型實(shí)驗(yàn)課題，依托傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和探索型實(shí)驗(yàn)課題這兩類不同層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有的互補(bǔ)性特性，對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容和形式進(jìn)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(jī)地融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程之中，形成了促進(jìn)學(xué)生快速進(jìn)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(jī)對(duì)比等數(shù)據(jù)表明該模式在一年級(jí)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(shì)下對(duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有積極的指導(dǎo)意義，也對(duì)于實(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué);大一新生

信息技術(shù)的快速發(fā)展使得人們進(jìn)入學(xué)習(xí)型社會(huì)，社會(huì)對(duì)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(shí)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(shí)任務(wù)或復(fù)雜問題的情境中，積極主動(dòng)堅(jiān)持不懈地開展建構(gòu)性學(xué)習(xí)活動(dòng)，與同伴進(jìn)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(píng)價(jià)、創(chuàng)造等思維經(jīng)驗(yàn)積累的過程[2，3]。開展課堂教學(xué)活動(dòng)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(diǎn)[4]。

2009年，教育部啟動(dòng)國家“基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)試驗(yàn)計(jì)劃”進(jìn)行基礎(chǔ)學(xué)科拔尖人才培養(yǎng)的探索和試點(diǎn)。2018年，教育部等六部門發(fā)布《關(guān)于實(shí)施基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)計(jì)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(qiáng)國建設(shè)的重大戰(zhàn)略任務(wù)。我校自2009年正式啟動(dòng)“上海交大理科班”項(xiàng)目。該項(xiàng)目始終堅(jiān)持“價(jià)值引領(lǐng)、能力建設(shè)、知識(shí)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(shí)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(shí)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(gè)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(shí)且有效的科學(xué)研究環(huán)境，從實(shí)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(shí)踐課程，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)入科研實(shí)驗(yàn)室參與科研項(xiàng)目訓(xùn)練，為學(xué)生攀登學(xué)術(shù)高峰搭建平臺(tái)，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(shí)踐也表明，科研實(shí)驗(yàn)室的實(shí)踐項(xiàng)目主要面向最前沿的科學(xué)問題，需要較多的專業(yè)知識(shí)背景和知識(shí)自我迭代的能力，且實(shí)驗(yàn)設(shè)備貴重又是“放羊式”訓(xùn)練模式，故不太鼓勵(lì)低年級(jí)學(xué)生獨(dú)立動(dòng)手操作。因此低年級(jí)學(xué)生易成為實(shí)驗(yàn)室的“看客”，很難參與實(shí)踐項(xiàng)目的核心工作，誤認(rèn)為自己是實(shí)驗(yàn)室的“螺絲釘”和“搬運(yùn)工”，積極性易被挫傷，實(shí)踐效果有待提高。遵循科學(xué)范式研究的課題實(shí)踐訓(xùn)練的效果很大程度上依賴于學(xué)生前期的知識(shí)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(dòng)學(xué)習(xí)模式，形成了對(duì)固有理論知識(shí)的驗(yàn)證性思維習(xí)慣，“盲從”或 “迷信”書本知識(shí)，缺乏面對(duì)復(fù)雜問題的審視辨析能力、歸納總結(jié)能力和知識(shí)自我迭代能力的深度學(xué)習(xí)技能[6-8]。當(dāng)背景知識(shí)缺失時(shí)，上述因素就使得低年級(jí)學(xué)生在直接進(jìn)入科研實(shí)驗(yàn)室參與課題研究培養(yǎng)高階思維能力時(shí)，會(huì)遇到不小的阻力和不少的障礙，從而降低了高價(jià)思維能力培養(yǎng)的效果。由此可見，為有效培養(yǎng)低年級(jí)學(xué)生高階思維能力，我們不僅需要為其提供真實(shí)科學(xué)研究訓(xùn)練的環(huán)境，還需進(jìn)一步降低知識(shí)背景門檻，并加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的管理以促進(jìn)其深度學(xué)習(xí)技能的養(yǎng)成。

與科研實(shí)驗(yàn)室相比，對(duì)剛?cè)胄５拇笠恍律?，物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)室是為其可提供真實(shí)科學(xué)經(jīng)驗(yàn)訓(xùn)練、培養(yǎng)高階思維能力的更為理想的場(chǎng)所[9，10]，因?yàn)槲锢韺?shí)驗(yàn)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(shí)踐性的雙重特點(diǎn)。有研究表明深度學(xué)習(xí)有助于學(xué)生達(dá)到高質(zhì)量的學(xué)習(xí)成果，是促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的重要途徑[11，12]?！鞍渭鈱W(xué)生”的“深度學(xué)習(xí)”更被定位為指向“認(rèn)知進(jìn)階”兩個(gè)層面：“知識(shí)的理解和掌握”（基礎(chǔ)性的認(rèn)知活動(dòng)）以及“知識(shí)的綜合與創(chuàng)新”（高階性的認(rèn)知活動(dòng)），分別包含了對(duì)知識(shí)的“習(xí)得與建構(gòu)”和對(duì)知識(shí)的“融匯與創(chuàng)生”[13]。

然而，傳統(tǒng)的大學(xué)物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)室主要提供經(jīng)典的物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容供學(xué)生學(xué)習(xí)，它側(cè)重引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)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(shí)的理解和掌握。故而，它更多提供的是基礎(chǔ)性認(rèn)知活動(dòng)層面的深度學(xué)習(xí)?，F(xiàn)已有高校也在嘗試依托物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)室提圖1 教學(xué)組織改革設(shè)計(jì)供獨(dú)立于課程的進(jìn)階式探究型實(shí)驗(yàn)課題，來實(shí)現(xiàn)高階性認(rèn)知活動(dòng)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(shí)驗(yàn)課程分離的進(jìn)階式培訓(xùn)，也同樣面臨低年級(jí)學(xué)生的知識(shí)背景和實(shí)驗(yàn)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(jí)本科生的物理實(shí)驗(yàn)課程，讓大一新生在掌握課業(yè)內(nèi)容的同時(shí)，又能再做一些高階性認(rèn)知活動(dòng)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(píng)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(dòng)力來源[6]。那么通過“問題”搭橋，就能構(gòu)建這個(gè)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(diǎn)，通過在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入包含高階思維能力培養(yǎng)的探索型實(shí)驗(yàn)課題，對(duì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)形式進(jìn)行合理優(yōu)化重構(gòu)，建立強(qiáng)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(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，以適應(yīng)培養(yǎng)理科低年級(jí)學(xué)生高階思維能力的新需求。本工作對(duì)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(jià)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(shí)現(xiàn)教學(xué)效果的手段，我們?cè)趥鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式基礎(chǔ)上引入了探索型實(shí)驗(yàn)課題，同時(shí)針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的“問題解析”部分進(jìn)行了強(qiáng)化和提升，形成了以“問題解析”為中心的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與以“問題探索”為導(dǎo)向的探索型實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，圍繞科學(xué)研究范式的循環(huán)訓(xùn)練主線，針對(duì)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(bǔ)性實(shí)驗(yàn)，分別是以知識(shí)理解和掌握技能培養(yǎng)為主旨的傳統(tǒng)經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)（基礎(chǔ)性的認(rèn)知活動(dòng)），及以知識(shí)綜合和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為要?jiǎng)?wù)的探索型實(shí)驗(yàn)課題（高階性的認(rèn)知活動(dòng)）。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(shí)驗(yàn)教學(xué)與探索型實(shí)驗(yàn)課題教學(xué)這兩類不同層次但有互補(bǔ)性的實(shí)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)大一新生高階思維能力，并促進(jìn)其快速進(jìn)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(shí)技能傳授和訓(xùn)練的基礎(chǔ)平臺(tái)，傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)選自力、熱、聲、光、電和數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域。其特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，問題主要由教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容總結(jié)提出并引導(dǎo)學(xué)生分析討論，注重知識(shí)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(shí)和能力的綜合運(yùn)用舞臺(tái)，探索型實(shí)驗(yàn)課題由教師發(fā)布題目，學(xué)生組隊(duì)（2～4人/組）合作完成，注重知識(shí)的運(yùn)用和創(chuàng)新，教師著重引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)反思實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出新的問題并進(jìn)行分析討論，學(xué)生在課后運(yùn)用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)的解決問題能力來自行更新完善實(shí)驗(yàn)，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(shí)別潛在問題的能力。學(xué)生組隊(duì)合作完成的方式則有助于實(shí)現(xiàn)“生生互動(dòng)”，在加強(qiáng)新生間交流的基礎(chǔ)上提高學(xué)生的溝通交流和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

全新教學(xué)組織改革的設(shè)計(jì)，可提高探索型實(shí)驗(yàn)課題對(duì)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(shí)驗(yàn)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(píng)論快報(bào)》（PRL）、《現(xiàn)代物理評(píng)論》（RMP）這樣的物理學(xué)頂級(jí)雜志。與之對(duì)應(yīng)的是，這些問題與真實(shí)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(jí)的學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行建模研究，還能增強(qiáng)和促進(jìn)學(xué)生在理論課程學(xué)習(xí)中的好奇心和主動(dòng)性，是在一年級(jí)本科生知識(shí)框架領(lǐng)域內(nèi)可用來培養(yǎng)其研究實(shí)踐和高階思維能力的很好課題。同時(shí)，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(xiàn)調(diào)研→方案設(shè)計(jì)→系統(tǒng)搭建→探究實(shí)踐→歸納總結(jié)→科學(xué)匯報(bào)→溝通交流→反思拓展”。表1給出了學(xué)生在探索型實(shí)驗(yàn)中會(huì)參與的具體教學(xué)活動(dòng)（行）和范式訓(xùn)練（列）。具體教學(xué)活動(dòng)包括課題解析、文獻(xiàn)調(diào)研、理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、具體實(shí)驗(yàn)、結(jié)果分析、總結(jié)反思和匯報(bào)展示，他們對(duì)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(shí)質(zhì)是一個(gè)發(fā)現(xiàn)問題和提出問題的過程，蘊(yùn)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(xiàng)教學(xué)活動(dòng)都對(duì)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(píng)價(jià)體系改革的構(gòu)建

為增強(qiáng)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(duì)評(píng)價(jià)體系中最重要的學(xué)生成績(jī)的組成，進(jìn)行了更加全面的重構(gòu)，在注重綜合性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上增加過程性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。對(duì)一學(xué)年課程64學(xué)時(shí)的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課堂進(jìn)行了如下重建，將其中傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的課堂學(xué)時(shí)安排為48學(xué)時(shí)，探索型課題實(shí)驗(yàn)的課堂學(xué)時(shí)安排為16學(xué)時(shí)（包括開題、中期和期末匯報(bào)）。我們考慮到學(xué)生會(huì)在課外花更多的時(shí)間精力去完成探索型實(shí)驗(yàn)課題，采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)成績(jī)占總成績(jī)65%，探索型實(shí)驗(yàn)課題成績(jī)占總成績(jī)的35%的綜合成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)模式。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分?jǐn)?shù)由預(yù)習(xí)、操作、報(bào)告和問答這四部分構(gòu)成，在實(shí)驗(yàn)操作之外，關(guān)注學(xué)生的分析總結(jié)能力，包括對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解析和數(shù)據(jù)處理能力等;探索型實(shí)驗(yàn)課題不僅僅關(guān)注學(xué)生的匯報(bào)成績(jī)，同時(shí)將出勤、團(tuán)隊(duì)參與、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與記錄、課題討論等多個(gè)方面納入評(píng)價(jià)考核體系中，全方位調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和團(tuán)隊(duì)合作精神。此外，探索型實(shí)驗(yàn)課題采用動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，將開題報(bào)告、中期報(bào)告、期末匯報(bào)和平時(shí)討論相結(jié)合，關(guān)注學(xué)生實(shí)驗(yàn)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(jìn)展，總結(jié)反思課題成敗原因并推動(dòng)課題有序前進(jìn)。具體來說，結(jié)合開題匯報(bào)來培養(yǎng)考核學(xué)生查閱資料和實(shí)驗(yàn)課題解析提取關(guān)鍵參量的能力，通過平時(shí)實(shí)驗(yàn)和討論著重培養(yǎng)學(xué)生分析總結(jié)、識(shí)別發(fā)現(xiàn)問題的能力，采用中期報(bào)告培養(yǎng)學(xué)生反思評(píng)估實(shí)驗(yàn)、處理爭(zhēng)論問題并作規(guī)劃設(shè)計(jì)的能力，利用期末匯報(bào)培養(yǎng)學(xué)生總結(jié)匯報(bào)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(shí)驗(yàn)的資料預(yù)習(xí)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)操作成績(jī)、總結(jié)報(bào)告成績(jī)、問題回答成績(jī)，還包括探索型實(shí)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)活動(dòng)參與成績(jī)、實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)成績(jī)、總結(jié)報(bào)告和討論成績(jī)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(duì)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(duì)課程的總體評(píng)價(jià)，包括難度、收獲度等信息，其中10代表難度等級(jí)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目難度適中，探索型實(shí)驗(yàn)課題的難度等級(jí)明顯提高。同時(shí)，學(xué)生認(rèn)為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中學(xué)到的知識(shí)和技能，如基本的實(shí)驗(yàn)方法、儀器使用、數(shù)據(jù)處理對(duì)探索型實(shí)驗(yàn)課題的進(jìn)行是有幫助的。這表明多數(shù)學(xué)生在第二個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)中確實(shí)綜合運(yùn)用了第一個(gè)層次實(shí)驗(yàn)中學(xué)到的知識(shí)和技能，教學(xué)組織改革中設(shè)計(jì)不同層次兩類實(shí)驗(yàn)的目的已基本達(dá)到。此外，盡管學(xué)生對(duì)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(dòng)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(shí)驗(yàn)總體的流程設(shè)計(jì)后，更關(guān)注具體實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和完成過程，學(xué)生在探索型實(shí)驗(yàn)中關(guān)注的內(nèi)容，明顯有別于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的關(guān)注對(duì)象（如設(shè)計(jì)好的知識(shí)理解和技能掌握）。很明顯，探索型實(shí)驗(yàn)的教學(xué)主體內(nèi)容有效補(bǔ)充了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，教學(xué)組織改革中設(shè)計(jì)不同層次兩類互為補(bǔ)充的實(shí)驗(yàn)的目的也基本達(dá)到。

2.2 以“問題解析”為中心的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目改進(jìn)的效果

以“問題解析”為中心的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已不僅僅是教師向?qū)W生傳授知識(shí)技能和培養(yǎng)分析解決問題能力的課堂，同時(shí)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(chǎng)所。以“液氮比汽化熱的測(cè)量”這一實(shí)驗(yàn)為例，其基本原理簡(jiǎn)單，只需要測(cè)量單位質(zhì)量液氮汽化時(shí)吸收的熱量，但實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的熱量和質(zhì)量測(cè)量依賴于學(xué)生對(duì)熱交換過程的理解，以及實(shí)驗(yàn)中對(duì)測(cè)量環(huán)境的仔細(xì)優(yōu)化以滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和理論近似要求（測(cè)試過程中液氮與環(huán)境熱交換速率等）。實(shí)驗(yàn)前教師總結(jié)了5個(gè)有關(guān)熱交換過程的問題，其中2個(gè)題包含對(duì)基本知識(shí)的理解，如“畫出液氮質(zhì)量隨時(shí)間的變化圖”等，3個(gè)題與知識(shí)的運(yùn)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(jìn)行自由分析討論，講解時(shí)進(jìn)一步將問題和實(shí)驗(yàn)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(duì)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(jìn)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(shí)來設(shè)計(jì)完善實(shí)驗(yàn)步驟和過程。從實(shí)驗(yàn)過程來看，學(xué)生在問題的引導(dǎo)下會(huì)自主分析實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)和對(duì)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(shí)間等）以探究背后的物理機(jī)理，實(shí)驗(yàn)探索時(shí)間明顯增長(zhǎng)（平均時(shí)長(zhǎng)增加0.5小時(shí)）。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，采用問題引導(dǎo)下的教學(xué)過程，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度明顯提高，80%以上同學(xué)比汽化熱測(cè)量結(jié)果的誤差控制在5%之內(nèi)，遠(yuǎn)高于常規(guī)教學(xué)方式下的統(tǒng)計(jì)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(duì)其理解并進(jìn)一步探索實(shí)驗(yàn)有較大的幫助和啟示作用，更好地融合了實(shí)際實(shí)驗(yàn)和理論所學(xué)。

2.3 以“問題探索”為導(dǎo)向的探索型實(shí)驗(yàn)課題引進(jìn)的效果

以“問題探索”為導(dǎo)向的探索型實(shí)驗(yàn)課題是知識(shí)和能力的綜合運(yùn)用舞臺(tái)，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(shí)別潛在問題的能力。學(xué)生強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)取向和主動(dòng)的投入是探索型實(shí)驗(yàn)教學(xué)能否成功的核心關(guān)鍵。圖4給出探索型實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)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(shí)是改變自己的學(xué)習(xí)模式，在做一個(gè)有趣的團(tuán)體合作項(xiàng)目基礎(chǔ)上多學(xué)一些東西。這清晰表明剛進(jìn)入大學(xué)的一年級(jí)學(xué)生有著改變和提升自己能力的強(qiáng)烈主觀意愿，更愿意追求真實(shí)的挑戰(zhàn)性任務(wù)，在這個(gè)時(shí)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(shí)驗(yàn)中各個(gè)教學(xué)活動(dòng)領(lǐng)域的參與度，可以看出大多數(shù)同學(xué)在探索型實(shí)驗(yàn)中承擔(dān)了實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、具體實(shí)驗(yàn)、結(jié)果分析和匯報(bào)展示的工作，近一半的同學(xué)參與了課題解析、文獻(xiàn)調(diào)研、理論計(jì)算和報(bào)告總結(jié)的工作，表明他們充分融入探索型實(shí)驗(yàn)課題中高階思維能力培養(yǎng)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)改革中重能力培養(yǎng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3 教學(xué)模式改革的影響

3.1 教學(xué)模式改革對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的影響

值得指出的是，教學(xué)模式改革同時(shí)也提升了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(duì)照組）在第1和第2學(xué)期物理實(shí)驗(yàn)課程中傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的成績(jī)變化，二組學(xué)生均為同級(jí)物理專業(yè)非拔尖計(jì)劃學(xué)生，每組31人。需要說明的是，一年級(jí)課程中每一個(gè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的上課教師是固定的，因此可以進(jìn)行學(xué)生之間的成績(jī)比較。表2從左到右按時(shí)間前后順序排列，包含了演示實(shí)驗(yàn)成績(jī)、緒論課作業(yè)成績(jī)、導(dǎo)論課和物理實(shí)驗(yàn)1中傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的成績(jī)，其中上面一排是教改組學(xué)生成績(jī)統(tǒng)計(jì)，下面一排是對(duì)照組學(xué)生成績(jī)統(tǒng)計(jì)。從圖中可以看出，在第1學(xué)期，兩組學(xué)生成績(jī)基本差不多，對(duì)照組學(xué)生的表現(xiàn)還略好一些，其演示實(shí)驗(yàn)和緒論課作業(yè)成績(jī)總體要強(qiáng)于教改組學(xué)生。但在這之后，教改組學(xué)生的成績(jī)開始得到提高，其第1學(xué)期導(dǎo)論課中傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)成績(jī)基本與對(duì)照組相同、成績(jī)的離散度略高于對(duì)照組，隨著時(shí)間的推移，他們的表現(xiàn)強(qiáng)于對(duì)照組，第2學(xué)期物理實(shí)驗(yàn)1中傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)成績(jī)明顯高于對(duì)照組、成績(jī)的離散度也明顯降低，進(jìn)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(duì)提高學(xué)生深度學(xué)習(xí)能力的影響。

從學(xué)生對(duì)課程的評(píng)價(jià)上來看，課程的教學(xué)改革措施受到學(xué)生的歡迎，評(píng)教成績(jī)一直在全校的前20%之內(nèi)。我們也對(duì)參與教改的學(xué)生進(jìn)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(shí)驗(yàn)課程對(duì)后續(xù)學(xué)習(xí)有非常積極的影響，特別是在實(shí)踐能力、思維能力和綜合匯報(bào)的能力上，并認(rèn)為對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行及時(shí)的反思和匯報(bào)，特別鍛煉總結(jié)分析和溝通表達(dá)能力。學(xué)生們紛紛表示：盡管當(dāng)時(shí)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(dòng)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(shí)驗(yàn)課題的要求，把相對(duì)復(fù)雜的東西用簡(jiǎn)單的物理實(shí)驗(yàn)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(shí)，他們就會(huì)積極主動(dòng)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(shí)，這也無形中拓寬了他們的知識(shí)領(lǐng)域。整個(gè)過程使得他們能從物理實(shí)驗(yàn)研究的視角窺探到科研之徑，更好地適應(yīng)了高年級(jí)的研究實(shí)踐活動(dòng)，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(duì)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(shí)施，通過融合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和探索型實(shí)驗(yàn)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(shí)整合能力、溝通協(xié)作能力、動(dòng)手創(chuàng)新能力和表達(dá)闡述能力的新途徑，課程評(píng)價(jià)優(yōu)良。完成探索型實(shí)驗(yàn)課題的大一新生在上海市和全國的物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽中屢創(chuàng)佳績(jī)，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(jìng)賽特等獎(jiǎng)，在2021年，又榮獲全國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽一等獎(jiǎng)。為此，我們也統(tǒng)計(jì)了自2009年設(shè)立“拔尖計(jì)劃”以來，“拔尖計(jì)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(shí)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(shí)施后，2021屆（2017級(jí)）學(xué)生在科學(xué)研究上有著更好的表現(xiàn)。他們?cè)诎l(fā)表的論文數(shù)保持的同時(shí)，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(jí)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（PRL）上。很顯然，一年級(jí)物理實(shí)驗(yàn)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(jí)的研究實(shí)踐活動(dòng)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(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革給出了相當(dāng)正面的評(píng)價(jià)，但在教學(xué)實(shí)施過程中，我們發(fā)現(xiàn)依舊有一些問題需要進(jìn)一步解決。首先，學(xué)生理論基礎(chǔ)和探索型實(shí)驗(yàn)課題間的差異。盡管探索型實(shí)驗(yàn)課題非常易理解，且適合高中生和大學(xué)低年級(jí)的學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行建模研究，但實(shí)際建模計(jì)算時(shí)，大一新生依舊會(huì)發(fā)現(xiàn)自己理論基礎(chǔ)較弱，需要進(jìn)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(shí)才能完善自己的課題研究。后期我們擬邀請(qǐng)專業(yè)教師和高年級(jí)本科生同學(xué)共同參與課程建設(shè)和探索型實(shí)驗(yàn)課題指導(dǎo)，依托師生、生生互動(dòng)進(jìn)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(duì)科學(xué)研究的重要性，在做實(shí)驗(yàn)記錄時(shí)不太有規(guī)范化的意識(shí)，電腦保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)沒有分類存放意識(shí)，命名規(guī)則混亂且日期不明52確。后期我們擬進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(tái)的進(jìn)一步構(gòu)建問題?？紤]到溝通交流的便利性，目前線上我們主要用使用微信實(shí)時(shí)交流，后續(xù)需要建立資源平臺(tái)來加強(qiáng)信息的溝通和獲取，以提升人才培養(yǎng)效果。

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