面向高階思維訓練的實驗教學模式設計與實踐

摘 要 通過深度學習在課堂教學中來發展學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，對傳統的教學模式進行了改革，增加了激發高階思維產生的最大動力來源———“真實情境問題”為導向的課程內容。以此為核心抓手和發力點，通過引入探索型實驗課題，依托傳統實驗和探索型實驗課題這兩類不同層次實驗教學具有的互補性特性，對大學物理實驗的教學內容和形式進行了合理的重構，將大一新生高階思維能力的培養有機地融入實驗教學過程之中，形成了促進學生快速進入大學探究性深度學習的教學模式。問卷、訪談和成績對比等數據表明該模式在一年級本科生的高階思維能力和研究素養養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具有積極的指導意義，也對于實踐類課程教學具有一定借鑒作用。

關鍵詞 高階思維;深度學習;教學模式;實驗教學;大一新生

信息技術的快速發展使得人們進入學習型社會，社會對人才的需求導向已轉為具有高階思維能力的創新型人才。21世紀教育的核心目標是培養學生適應新時代所必需的創新思維能力、批判性思維能力、解決問題能力、溝通和協作能力等高階思維能力[1]。高階思維發生在完成復雜任務或解決劣構問題的過程中，其發展路徑是高階學習，即在基于真實任務或復雜問題的情境中，積極主動堅持不懈地開展建構性學習活動，與同伴進行協作、交流、分享，不斷反思和調節自己的學習，經歷分析、發現、構想、抉擇、歸納、評價、創造等思維經驗積累的過程[2，3]。開展課堂教學活動發展學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“基礎學科拔尖學生培養試驗計劃”進行基礎學科拔尖人才培養的探索和試點。2018年，教育部等六部門發布《關于實施基礎學科拔尖學生培養計劃2.0的意見》，培養基礎學科拔尖人才被明確為高等教育強國建設的重大戰略任務。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、能力建設、知識探究、人格養成”四位一體的育人理念，致力于培養具有批判性思維能力、知識整合能力、溝通協作能力、多元文化理解和全球化視野的創新型領袖人才。實踐是創新的基礎，為培養拔尖科學創新人才，一個廣泛的呼吁是使學生在課堂期間積極參與學習，并為他們提供真實且有效的科學研究環境，從實踐中探求真知，形成涵蓋批判性思維、創造性思維、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]。學校為此開設研究實踐課程，鼓勵學生進入科研實驗室參與科研項目訓練，為學生攀登學術高峰搭建平臺，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問題，需要較多的專業知識背景和知識自我迭代的能力，且實驗設備貴重又是“放羊式”訓練模式，故不太鼓勵低年級學生獨立動手操作。因此低年級學生易成為實驗室的“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。遵循科學范式研究的課題實踐訓練的效果很大程度上依賴于學生前期的知識能力背景和自主學習能力。而多數高中畢業生已習慣于特定的演繹邏輯框架下的從動學習模式，形成了對固有理論知識的驗證性思維習慣，“盲從”或 “迷信”書本知識，缺乏面對復雜問題的審視辨析能力、歸納總結能力和知識自我迭代能力的深度學習技能[6-8]。當背景知識缺失時，上述因素就使得低年級學生在直接進入科研實驗室參與課題研究培養高階思維能力時，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的效果。由此可見，為有效培養低年級學生高階思維能力，我們不僅需要為其提供真實科學研究訓練的環境，還需進一步降低知識背景門檻，并加強對學生的管理以促進其深度學習技能的養成。

與科研實驗室相比，對剛入校的大一新生而言，物理教學實驗室是為其可提供真實科學經驗訓練、培養高階思維能力的更為理想的場所[9，10]，因為物理實驗教學本身具有深度學習的訓練功能，且它的內容又具有基礎性和實踐性的雙重特點。有研究表明深度學習有助于學生達到高質量的學習成果，是促進學生核心素養發展的重要途徑[11，12]。“拔尖學生”的“深度學習”更被定位為指向“認知進階”兩個層面：“知識的理解和掌握”（基礎性的認知活動）以及“知識的綜合與創新”（高階性的認知活動），分別包含了對知識的“習得與建構”和對知識的“融匯與創生”[13]。

然而，傳統的大學物理教學實驗室主要提供經典的物理實驗內容供學生學習，它側重引導學生進行分析和討論物理內容，培養學生分析問題、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性認知活動層面的深度學習。現已有高校也在嘗試依托物理教學實驗室提圖1 教學組織改革設計供獨立于課程的進階式探究型實驗課題，來實現高階性認知活動層面的深度學習訓練，以期做到培訓學生高階思維能力[10，14，15]。但與傳統實驗課程分離的進階式培訓，也同樣面臨低年級學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內容的同時，又能再做一些高階性認知活動層面的深度學習訓練，提升其批判性思維能力、解決復雜問題能力、協同合作能力及使用科學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”本身就是激發高階思維產生的最大動力來源[6]。那么通過“問題”搭橋，就能構建這個方式，令設想成真。

本工作提出以“發現問題→提出問題→分析問題→討論問題→解決問題→成果展示→總結反思→發現新問題” 這一科學研究范式中的“問題”為教學組織中循環訓練的抓手和著力點，通過在大學物理實驗教學中引入包含高階思維能力培養的探索型實驗課題，對教學內容和教學形式進行合理優化重構，建立強化深度學習提升高階思維能力培養效能的創新實驗教學模式，以適應培養理科低年級學生高階思維能力的新需求。本工作對今后如何有效地培養新生高階思維能力的研究將有著重要的參考價值。

1 教學模式改革

1.1 教學組織改革的構建

教學組織的構建是實現教學效果的手段，我們在傳統的實驗教學模式基礎上引入了探索型實驗課題，同時針對傳統實驗項目中的“問題解析”部分進行了強化和提升，形成了以“問題解析”為中心的傳統實驗教學與以“問題探索”為導向的探索型實驗教學相結合的全新課程教學模式，構成內容更加完善的教學組織形式，如圖1所示。以“問題”為核心抓手和發力點，圍繞科學研究范式的循環訓練主線，針對課程構建了兩類需要深度學習技能來培養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為主旨的傳統經典物理實驗（基礎性的認知活動），及以知識綜合和創新能力培養為要務的探索型實驗課題（高階性的認知活動）。二者同步執行，訓練側重不同，相互協同配合。通過傳統實驗教學與探索型實驗課題教學這兩類不同層次但有互補性的實驗的有機結合，最終實現培養大一新生高階思維能力，并促進其快速進入大學探究性深度學習模式。

具體來說，作為基本知識技能傳授和訓練的基礎平臺，傳統物理實驗選自力、熱、聲、光、電和數據采集領域。其特點是原理簡單，問題主要由教師根據實驗內容總結提出并引導學生分析討論，注重知識的理解和掌握，著重培養學生分析問題、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布題目，學生組隊（2～4人/組）合作完成，注重知識的運用和創新，教師著重引導學生總結反思實驗結果，提出新的問題并進行分析討論，學生在課后運用傳統實驗培養的解決問題能力來自行更新完善實驗，重在培養學生成果展示、總結反思、發現問題、討論問題和識別潛在問題的能力。學生組隊合作完成的方式則有助于實現“生生互動”，在加強新生間交流的基礎上提高學生的溝通交流和團隊協作能力。

全新教學組織改革的設計，可提高探索型實驗課題對高階思維能力的培養效果。我們選擇面向中學生設置的國際青年科學家錦標賽（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。題目都產生于學科研究性期刊的論文，其中不少問題源自《科學》（Science）、《自然》（Nature）這樣的旗艦綜合期刊，以及《物理評論快報》（PRL）、《現代物理評論》（RMP）這樣的物理學頂級雜志。與之對應的是，這些問題與真實情境密切聯系，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低年級的學生通過實驗進行建模研究，還能增強和促進學生在理論課程學習中的好奇心和主動性，是在一年級本科生知識框架領域內可用來培養其研究實踐和高階思維能力的很好課題。同時，在學生選好感興趣的課題后，我們將教學流程設置為“課題解析→文獻調研→方案設計→系統搭建→探究實踐→歸納總結→科學匯報→溝通交流→反思拓展”。表1給出了學生在探索型實驗中會參與的具體教學活動（行）和范式訓練（列）。具體教學活動包括課題解析、文獻調研、理論計算、實驗設計、具體實驗、結果分析、總結反思和匯報展示，他們對應的范式訓練內容有（再）發現問題、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重培養的能力，如課題解析實質是一個發現問題和提出問題的過程，蘊含了批判性思維和創造性思維的培養。整體上來看，每一項教學活動都對應著不同的科研范式訓練內容，涵蓋著高階思維和深度學習能力的培養。

1.2 教學評價體系改革的構建

為增強學生學習積極性、提升其深度學習和高階思維的能力、提高人才培養質量，我們對評價體系中最重要的學生成績的組成，進行了更加全面的重構，在注重綜合性評價的基礎上增加過程性動態評價。對一學年課程64學時的傳統實驗課堂進行了如下重建，將其中傳統實驗項目的課堂學時安排為48學時，探索型課題實驗的課堂學時安排為16學時（包括開題、中期和期末匯報）。我們考慮到學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。傳統實驗項目分數由預習、操作、報告和問答這四部分構成，在實驗操作之外，關注學生的分析總結能力，包括對實驗現象的解析和數據處理能力等;探索型實驗課題不僅僅關注學生的匯報成績，同時將出勤、團隊參與、實驗設計與記錄、課題討論等多個方面納入評價考核體系中，全方位調動學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評價，將開題報告、中期報告、期末匯報和平時討論相結合，關注學生實驗探究和總結反思發現問題的過程，引導學生關注課題的進展，總結反思課題成敗原因并推動課題有序前進。具體來說，結合開題匯報來培養考核學生查閱資料和實驗課題解析提取關鍵參量的能力，通過平時實驗和討論著重培養學生分析總結、識別發現問題的能力，采用中期報告培養學生反思評估實驗、處理爭論問題并作規劃設計的能力，利用期末匯報培養學生總結匯報和反思提出新問題的能力。整體而言，構成學生綜合得分的既包括傳統實驗的資料預習成績、實驗操作成績、總結報告成績、問題回答成績，還包括探索型實驗的團隊活動參與成績、實驗表現成績、總結報告和討論成績等。

2 教學模式改革效果

2.1 教學組織改革的效果

通過對學生發放問卷的方式調研教學組織改革的效果，圖2給出問卷中學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，學生普遍認為傳統實驗項目難度適中，探索型實驗課題的難度等級明顯提高。同時，學生認為傳統實驗中學到的知識和技能，如基本的實驗方法、儀器使用、數據處理對探索型實驗課題的進行是有幫助的。這表明多數學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到的知識和技能，教學組織改革中設計不同層次兩類實驗的目的已基本達到。此外，盡管學生對自己探索型課題完成效果并不特別滿意，但他們普遍認為在探索型課題的執行過程中，包括和指導教師的溝通討論中，都收獲很多。

圖3給出學生主動和指導教師溝通的內容的頻度分布，從圖中來看，在執行過程中，學生在明確探索型實驗總體的流程設計后，更關注具體實驗的設計和完成過程，學生在探索型實驗中關注的內容，明顯有別于傳統實驗的關注對象（如設計好的知識理解和技能掌握）。很明顯，探索型實驗的教學主體內容有效補充了傳統實驗的不足，教學組織改革中設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”為中心的傳統實驗項目改進的效果

以“問題解析”為中心的傳統實驗項目已不僅僅是教師向學生傳授知識技能和培養分析解決問題能力的課堂，同時也是教師引導學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，只需要測量單位質量液氮汽化時吸收的熱量，但實時準確的熱量和質量測量依賴于學生對熱交換過程的理解，以及實驗中對測量環境的仔細優化以滿足實驗設計和理論近似要求（測試過程中液氮與環境熱交換速率等）。實驗前教師總結了5個有關熱交換過程的問題，其中2個題包含對基本知識的理解，如“畫出液氮質量隨時間的變化圖”等，3個題與知識的運用相關，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生進行自由分析討論，講解時進一步將問題和實驗聯系起來引導學生總結分析討論。從學生反饋來看，自由分析討論后大部分學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）并應用基本知識來設計完善實驗步驟和過程。從實驗過程來看，學生在問題的引導下會自主分析實驗細節和對應現象，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）。從實驗結果來看，采用問題引導下的教學過程，實驗測量結果的準確度明顯提高，80%以上同學比汽化熱測量結果的誤差控制在5%之內，遠高于常規教學方式下的統計結果（～40%）。問卷調研也表明絕大部分學生認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。

2.3 以“問題探索”為導向的探索型實驗課題引進的效果

以“問題探索”為導向的探索型實驗課題是知識和能力的綜合運用舞臺，重在培養學生成果展示、總結反思、發現問題、討論問題、解決問題和識別潛在問題的能力。學生強烈的學習取向和主動的投入是探索型實驗教學能否成功的核心關鍵。圖4給出探索型實驗教學對學生的吸引力來源分布圖。從圖中來看，大多數同學的共識是改變自己的學習模式，在做一個有趣的團體合作項目基礎上多學一些東西。這清晰表明剛進入大學的一年級學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性任務，在這個時期從教學上給他們合適的規劃引導有助于引導他們深度學習并培養高階思維能力。

圖5給出學生在探索型實驗中各個教學活動領域的參與度，可以看出大多數同學在探索型實驗中承擔了實驗方案設計、具體實驗、結果分析和匯報展示的工作，近一半的同學參與了課題解析、文獻調研、理論計算和報告總結的工作，表明他們充分融入探索型實驗課題中高階思維能力培養活動，實現教學改革中重能力培養的設計目標。

3 教學模式改革的影響

3.1 教學模式改革對傳統實驗項目的影響

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

3.2 教學模式改革對提高學生深度學習能力的影響。

從學生對課程的評價上來看，課程的教學改革措施受到學生的歡迎，評教成績一直在全校的前20%之內。我們也對參與教改的學生進行了訪談，絕大部分學生認為教學改革后的大一物理實驗課程對后續學習有非常積極的影響，特別是在實踐能力、思維能力和綜合匯報的能力上，并認為對實驗結果進行及時的反思和匯報，特別鍛煉總結分析和溝通表達能力。學生們紛紛表示：盡管當時參加教改覺得感覺很累，但是回過頭來看，卻也真正學到了很多東西（包括主動式的學習方法，大量的編程技術，科學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。當按探索型實驗課題的要求，把相對復雜的東西用簡單的物理實驗做出來，并以清晰圖像展現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習原本短期內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，更好地適應了高年級的研究實踐活動，更順利地融入專業課題組的研究工作中。

3.3 教學模式改革對學生培養高階思維能力的影響

教學模式改革自2017年開始實施，通過融合傳統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慣和培養學生批判性思維能力、知識整合能力、溝通協作能力、動手創新能力和表達闡述能力的新途徑，課程評價優良。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術競賽中屢創佳績，特別是在2019年，他們獲得華東地區大學生物理學術競賽特等獎，在2021年，又榮獲全國大學生物理學術競賽一等獎。為此，我們也統計了自2009年設立“拔尖計劃”以來，“拔尖計劃”物理專業歷屆本科畢業生在校期間發表科研論文情況，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年設立研究實踐課程以來，物理專業拔尖學生在學術研究論文上開始呈現出良好的表現，而到2017年新教學改革開始實施后，2021屆（2017級）學生在科學研究上有著更好的表現。他們在發表的論文數保持的同時，論文質量也提高明顯，2篇1作論文均發表在物理學頂級期刊《物理評論快報》（PRL）上。很顯然，一年級物理實驗的教學改革已有效地啟迪了學生的批判性思維、創新性思維和科學研究素養。正如學生所言，這樣的教學改革使他們能更好地融入高年級的研究實踐活動中。

4 教學模式改革探索反思

參與該改革課程的歷屆學生，對實驗教學改革給出了相當正面的評價，但在教學實施過程中，我們發現依舊有一些問題需要進一步解決。首先，學生理論基礎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低年級的學生通過實驗進行建模研究，但實際建模計算時，大一新生依舊會發現自己理論基礎較弱，需要進一步學習數學物理方法、分析力學、編程軟件等領域知識才能完善自己的課題研究。后期我們擬邀請專業教師和高年級本科生同學共同參與課程建設和探索型實驗課題指導，依托師生、生生互動進一步提高深度學習效果。其次，科學研究范式訓練的規范化問題。部分學生尚不理解規范化對科學研究的重要性，在做實驗記錄時不太有規范化的意識，電腦保存實驗數據時沒有分類存放意識，命名規則混亂且日期不明52確。后期我們擬進行實驗記錄每次教師審核和學生間相互審核的模式，盡早培養學生規范化的科學工作習慣。最后，資源和交流平臺的進一步構建問題。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，以提升人才培養效果。

參 考 文 獻

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基金項目： 教育部高等教育司2021年度基礎學科拔尖學生培養計劃2.0研究課題（20212031），上海市教委2020年上海高校本科重點研究課題（No.30）。