积极解决问题比传统讲座更能理解科学内涵

张章

2015年08月07日   来源：中国科学报

　　美国芝加哥州立理工大学6名学生因出现严重呕吐、腹泻、胃疼、哮喘以及呼吸困难等症状入院，其中几人情况危急。该校卫生中心也接到出现类似症状的学生的几十通电话。

　　这实际上是17位大三和大四学生参与的萨斯克汉那大学生物学家Tammy Tobin领导的创新病毒课程的一部分。这些学生扮演联邦卫生官员，任务是在期末前识别该病毒，并追踪其传播方式和计算应对与治疗方法。

　　Tobin表示，尽管这所学校和案例都是虚构的，但“我们试着让它尽可能真实”。如果学生决定进行验血或遗传分析，Tobin将给他们符合肠道病毒D68的结果。（为了防止学生只是从网上找答案，她将该病毒描述为具有之前未报告症状的急性菌株。）如果他们计划派一组人到芝加哥，那Tobin将让他们查询航班信息，并确定是否有足够的座位。

　　最后，学生们查明了这种病毒，但他们也出现了许多错误：例如，6位患者死亡，原因是学生没有对治疗足够重视。但Tobin表示：“只要他们能表明做了什么、为何奏效或不奏效以及如何尝试不同的方法等，这不会影响他们的成绩。”重要的是学生完全醉心于解决问题，牢记学到的知识和掌握一系列科目。“我们着眼于社会学、政治学、生物学，甚至一些经济学的交叉。”她说。

　　Tobin的教学方案只是当前“横扫”全世界大学科学类课程教学改革的一个类型。除了这种复杂的沉浸式练习外，还有以小组为基础的针对较小问题的练习，也有在大教室内使用便携设备对精心设计的问题进行演练。最后，数以百计的实证研究结果证实，积极应对问题的主动学习比被动听讲能让学生对科学的理解更深刻。

　　开发小组练习法的英国西苏格兰大学计算机科学家Tom Duff说：“我们发现这比传统教学方法可提高大约20%的成绩。”其他主动学习教学法也有类似效果。去年，美国华盛顿大学生物学家Scott Freeman分析了225项关于“科学、技术、工程和数学”（STEM）主动教学法的研究，发现主动学习教学方法能将课程教学失败率减少约1/3。

　　“从这个角度而言，采用其他方法（非主动学习教学法）是不道德的。”大学STEM教育改革发起组织美国国家科学院科学技术联盟共同主席、常青州立大学微生物学家Clarissa Dirks说。

　　主动学习正在赢得大学管理者的支持，他们一直在面对学生和家长的问责：学生和家长希望知道，既然现在网络免费课程随处可见，为什么他们仍然要支付高昂的学费。主动学习也赢得基金会、资助机构和科学团体的支持，他们认为这是一种填补科学教育漏洞的理想办法。

　　在美国，STEM领域的注册学生有大约60%改学非STEM专业或肄业。而对于少数族群和女性而言，这一比例约为80%。

　　难以接受

　　并非每个人都拥护这一理念。在自己学生时代接受传统讲座教育的大学老师们，对这种主动学习表示怀疑。这种教学方法比传统讲座需要更多教学准备工作，这将挤占他们的科研工作时间。

　　理解和克服这一阻力已成为需要解决的主要问题。哈佛大学德里克·博克教学中心主任Robert Lue说，他要消除这样一种错误认识，即科研是一种智力工作，教学只是一种机械劳动。

　　表面上，主动学习教学与传统方法的差别并不大。大学生也一直参加研讨会和进行实验室课程。但Tobin表示，如果深入分析一下，就会发现这些都属于“定制”问题。典型教学过程是让学生阅读和准备讨论设计好的问题，或遵循既定程序获得预期结果。而在主动学习过程中，学生对自己的教育负责，“自己设计问题”。

　　即使是大学一年级的课程也是如此。例如，在关于下肢感觉神经的课程中，传统教学只是介绍这些感觉神经的名称，而马里兰大学神经学家Sarah Leupen设计了主动学习教学场景：当走在街上，外星人破坏了你腿上的感觉神经元后会产生什么后果？你的行走没有明显变化；不能再走；能走但步伐出现变化；能走但十分笨拙。“我们经常会围绕这些问题展开激烈争论。”Leupen说。

　　通过简单阅读参考书无法获得答案。相反，学生们必须应用所学知识，经过分组反复讨论，最终获得正确答案。如果小组讨论的答案出错，Leupen认为是好事，因为犯错能让学生记忆更深刻。

　　摸索前进

　　大量证据表明，主动学习能让学生比被动学习保持更长的记忆时间，也能更好更全面地应用所学知识。但这一事实在本世纪初才引起广泛关注，这多亏Carl Wieman。2001年，Wieman因为玻色－爱因斯坦凝聚态物理学研究分享了诺贝尔物理学奖，他也是主动学习教学法运动的领导者。现任斯坦福大学教授的Wieman表示，在获得诺贝尔奖前自己就积极倡导主动学习教学法，只是那时候没有人注意他。

　　在上世纪80年代，Wieman注意到原子物理实验室的一些研究生在大学期间很优秀，但不会科研。他表示，他们一直学习成为一个好的科学家，但是在大学学习期间，几乎没有任何这方面的培养。

　　为找出原因，Wieman开始研究教学，这些内容对科学家来说大多比较生疏。最让他惊讶的研究成果是，他发现了问题的原因：传统教学中，学生能通过考试，但并没有掌握课程的精髓。

　　其他科学家也开始得出类似结论，他们开始研究其他教学方式。而Wieman获得诺贝尔奖让他们的努力变得更受瞩目。许多科目以学科为基础的教育研究：调查针对每个学科分支的特定教学观点。

　　其他主动学习教学法的强烈支持者还包括美国科学院前院长、生物学家Bruce Alberts。2004年，Alberts将几个学会委员会合并为科学教育委员会—— 一个资深科学家团体，Wieman担任首任主席。该委员会先后发布了一系列关于教育改革的报告。

　　“对主动学习教学法仍有很多质疑。”生物化学家、马里兰大学教师发展中心主任Linda Hodges说。她表示，一个主要原因是，对许多科学家来说，主动学习与他们的教学理念相差甚远。

　　科学家经常认为教师职业是简单的知识传递。而且主动学习法因为需要大量小组讨论时间，这些老师认为这是浪费教学时间。负责生态学和进化课程教学的马里兰大学遗传学家Jeff Leips认为：“你必须承认，不可能同时覆盖所有内容。”最好是能让学生掌握更多知识，而且能真正学会应用这些知识。

　　另外，Hodges表示，许多教授认为必须主导和控制学生。“主动学习教育法需要老师放弃一些控制权，并将这些权利交给一群学生，对很多教员来说，这听起来无法理解。”她说。Leips也表示，这需要教员掌握完全不同的教学技巧。“课堂教学类似表演，你知道剧本。”但主动学习教学法更像是即兴表演，“你必须根据现场情况随时调整，随时应对各种问题，这对许多老师是比较大的挑战”。

　　打破现状

　　支持者认为，只有当大学系统的各个层次均出现创新时，现状才可能发生变化。为了提高有兴趣的生物老师的主动学习教学能力，自2004年开始，美国科学院举办了多次为期5天的夏季培训班。“大约1000名大学老师参加了这一培训。”该项目负责人之一、科罗拉多大学生物学家William Wood说。

屏蔽此推广内容

　　他表示，一个重要课程是让老师掌握用科研实验的设计方法设计教学计划。与按照教材不同，他们必须有一个清晰的目标，就是让学生掌握他们希望学生学到的概念、知识和技能，然后选择能实现这一目标的指导方法以及评估学生学习效果的方法。

　　Leupen表示，夏季培训班无疑提高了人们的认识，但只参加学习班仍然不够。“如果这些老师回到学校，周围老师仍然都采用传统教学方法，这些老师会回到老一套的教学方法。”Lue表示，给予后续支持也是重要的。Lue说：“科学是团队项目。如果你是神经科学家或软物质物理学家，你会去听报告、参加座谈会和午餐会，在这里你将遇到志趣相投的人。”

　　许多科学家表示，优秀教学方法越来越受重视。很多大学开始将其作为雇佣员工和提升职位的重要部分。“在我们部门，除非你在一直创新，否则不能得到任期决策中的教学分数。”Leupen说。