系統化本科實驗課程提升大學生科學素養之思考

陳耿彪 劉志強

（長沙理工大學 汽車與機械工程學院 工程車輛安全性設計與可靠性技術湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410114）

系統化本科實驗課程提升大學生科學素養之思考

陳耿彪 劉志強

（長沙理工大學 汽車與機械工程學院 工程車輛安全性設計與可靠性技術湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410114）

相比無關聯要素組成的集合，由要素、內在連接和目標構成的系統因具有動態性、適應力、層次性等特性，能取得1+1＞2的效果。作者針對目前大學實驗課程教學改革中存在的“集合”性現象，以層次化的實驗內容遞進為構建系統內在連接的依據，設計了以學生、教師和實驗教學內容為組成要素，以提高大學生科學素養為系統目標的實驗課程教學反饋系統，實驗教學效果證明了本系統化方案的有效性和優越性。

實驗課程 系統化 科學素養

一、引言

當前各高校都在強調素質教育，作為其重要組成部分的科學素養教育受到相應的重視，并為此采取了一系列措施。比如在實驗課程改革方面，增開了實驗課程，增加了實驗課的學時，新增和改造了實驗室，購置了較高檔的儀器設備，實施開放性實驗室建設，開出一些有創意的實驗，等等。所有這些確實起到了一定作用，但它們只是一系列措施的“集合”，沒有系統性，不具有生命力。只有系統思考才有助于我們發現問題的根本原因，看到多種可能性，從而讓我們更好地處理問題。筆者在平時實驗課程的教學實踐與反思過程中，著眼于大學生科學素養的培養，創建了以學生為主體，老師為調節器，教學內容的層次化深入為信息流的實驗課程教學系統，在實踐教學中取得了良好效果。

二、科學素養的內容構建

科學素養是人們在認識自然和應用科學知識的過程中所表現出來的基本素質。科學素養是科學知識、科學能力、科學方法、科學精神四個要素的綜合反映［1］。在實驗教學中，明確科學素養各要素的評價指標對學生相關素養的培養具有非常重要的實現意義。參考有關文獻，結合教學實踐，本文對實驗科學素養各要素進行了如下內涵定義。

科學知識包含三個部分，以實驗現象為代表的經驗知識、以實驗原理為代表的理論知識和實驗運用所獲的新增知識。

科學能力方面，包括實驗動手能力和實驗思維能力。科學上的重大發現和發明創造都是從科學實驗中發掘和提煉出來的，它是產生認識世界和改造世界的新理論和新方法的源泉。可見建立“科學實驗是發現真理的基礎”的實驗理念與傳授實驗技能同等重要。科學實驗思維是科學家群體在長期從事科學實驗的實踐中形成的，其內涵可用實用主義創始人皮爾士所論述的“假如—那么”理論表達［2］：假如動作O施于其上，那么E就將被經驗到。其中的“O”表示實驗者的某項動作或所做的事情，“E”是指實驗者所觀察到或經驗到的某種現象(或體驗)。可見，科學思維可通過“將一個肯定的陳述轉換成假設的形式，再去發掘其實用主義的意義”這一方式培養。

科學方法方面，可借鑒現代原子物理的奠基者歐內斯特·盧瑟福的“實驗—洞察—模型—經驗”研究模式［3］，即在對某些物理現象用數學無法處理的情況下，可根據實驗結果的物理意義進行洞察，找到這些現象產生的主要因素及它們之間的內在聯系，然后構思出一個模型，如果可能則寫出經驗公式，再予以檢驗和修改，隨后將公式定型。在研究過程中，要注意實驗方法與其他兩種常用科學研究方法——理論方法和計算方法的互補［4］：理論方法能指導實驗和計算方法，并將部分實驗結果推廣到一整類沒有做過實驗的現象中；計算方法可以彌補理論方法和實驗方法的不足，對一系列復雜問題進行既快又省的研究工作；唯有實驗方法才能真正檢驗理論結果與計算結果的正確性與可靠性，并提供建立運動規律及理論模型的依據，這是其他兩種方法無法替代的。

科學精神方面，不僅要培養學生嚴謹細致的科學作風、實事求是的科學態度，而且要引導學生樹立富于創新的科學價值觀。

三、實驗課程系統化與實施要點

圖1 實驗課程教學系統方案圖

系統并不僅是一些事物的簡單集合，而且是一個由一組相互連接的要素構成的、能夠實現某個目標的整體，具有適應性、動態性、目的性，并可以自組織、自我保護與演進。因此若能將實驗教學設計成一個系統，則會取得事半功倍的教學效果。依據系統的三個構成要件：要素、連接、功能或目標［5］，本文設計了如圖1所示的實驗課程教學系統，其要素包括學生、教師和教學內容；系統之間通過合適的信息流產生連接，而目標則是實現學生的科學素養培養。

上述實驗課程教學系統實施的關鍵之一是，作為調節器的老師要明確所指導實驗課程的教學目的，即實驗功能指標的設定，具體內容可參照上節所述，務必使其量化，具有可操作性。關鍵之二是，引導作為學習主體的學生根據現有的科學素養水平對照實驗功能指標，找出差距，通過思考、模仿、歷練等多種方式［6-7］發揮主觀能動性和主體意識不斷減少偏差。關鍵之三是，影響系統決策和行動的信息流的選取與運作。由流量（指一段時間內改變的狀況）的定義可知，它是使存量隨著時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）的運作需要時間，掌握好這一點是理解各種系統行為運作機理的鑰匙。通過實踐發現，以層次化的實驗內容為信息流能較好地實現本系統的目標。因為符合科學發展規律的分級層次化實驗課程內容，比如劃分為基礎性實驗、綜合性實驗、設計性實驗及創新性實驗四級［8］，最能激勵學生在自主學習和科技創新的實驗過程中向更高水平層次進階。

四、結語

多級開放性實驗室在高校已普遍設立，能否發揮作用，關鍵看實驗教學機制是否適宜。本文依據系統可以自組織，并且常能通過局部瓦解進行自我修復，具有很強的適應性特性，構建了一種能使學生通過自我調節、趨向教師指定目標的實驗課程教學系統，指出了教學系統在實施過程中的關鍵要點。讓學生在親身實踐中感悟和領會，對思想、觀念進行整理、加工，從而形成可執行的充分反映客觀實際的科學創新方案和良好的科學素養。通過本系統培養的學生每年都能獲得多項湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃項目。

［1］黃俊琪.在科學實驗教學中對學生科學素養的培養［J］.文教資料，2006，4（上旬）：67-68.

［2］鄒鐵軍.科學實驗思維與皮爾士的實效主義［J］.學習與探索，2004（2）：9-12.

［3］李炳昌，夏代云，何泌章.盧瑟福科學實驗思想的當代意義［J］.科技與管理，2011，13（2）：63-67.

［4］馮振宇，樊麗儉.課堂教學也應突出科學實驗的理念［J］.交通高教研究，2002（1）：39-41.

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

［6］侯曉帆，王以寧.行動學習法在教學中的應用——以數學建模實驗教學為例［J］.中國電化教育，2011（4）：105-108.

［7］蔡月忠.基于開放管理的項目式實驗教學——以影視專業人才實驗能力培養為例［J］.電化教育研究，2011（4）：117-120.

［8］丁道一，何焰蘭，黃松筠，等.構筑一個完整的金字塔教學體系——教學實驗與科學實驗接軌［J］.高等教育研究學報，2011，34（1）：77-79.

湖南省普通高等學校教學改革研究項目（湘教通［2014］247號）“學生能力導向的機械類專業工程訓練改革與實踐”、“回歸工程實踐的機械類專業工程教育人才培養模式改革與實踐”、“獨立學院機制專業學生實踐能力培養機制及平臺建設研究”