系统化本科实验课程提升大学生科学素养之思考

时间:2022-08-22 08:54:13

系统化本科实验课程提升大学生科学素养之思考

摘 要: 相比无关联要素组成的集合,由要素、内在连接和目标构成的系统因具有动态性、适应力、层次性等特性,能取得1+1>2的效果。作者针对目前大学实验课程教学改革中存在的“集合”性现象,以层次化的实验内容递进为构建系统内在连接的依据,设计了以学生、教师和实验教学内容为组成要素,以提高大学生科学素养为系统目标的实验课程教学反馈系统,实验教学效果证明了本系统化方案的有效性和优越性。

关键词: 实验课程 系统化 科学素养

一、引言

当前各高校都在强调素质教育,作为其重要组成部分的科学素养教育受到相应的重视,并为此采取了一系列措施。比如在实验课程改革方面,增开了实验课程,增加了实验课的学时,新增和改造了实验室,购置了较高档的仪器设备,实施开放性实验室建设,开出一些有创意的实验,等等。所有这些确实起到了一定作用,但它们只是一系列措施的“集合”,没有系统性,不具有生命力。只有系统思考才有助于我们发现问题的根本原因,看到多种可能性,从而让我们更好地处理问题。笔者在平时实验课程的教学实践与反思过程中,着眼于大学生科学素养的培养,创建了以学生为主体,老师为调节器,教学内容的层次化深入为信息流的实验课程教学系统,在实践教学中取得了良好效果。

二、科学素养的内容构建

科学素养是人们在认识自然和应用科学知识的过程中所表现出来的基本素质。科学素养是科学知识、科学能力、科学方法、科学精神四个要素的综合反映[1]。在实验教学中,明确科学素养各要素的评价指标对学生相关素养的培养具有非常重要的实现意义。参考有关文献,结合教学实践,本文对实验科学素养各要素进行了如下内涵定义。

科学知识包含三个部分,以实验现象为代表的经验知识、以实验原理为代表的理论知识和实验运用所获的新增知识。

科学能力方面,包括实验动手能力和实验思维能力。科学上的重大发现和发明创造都是从科学实验中发掘和提炼出来的,它是产生认识世界和改造世界的新理论和新方法的源泉。可见建立“科学实验是发现真理的基础”的实验理念与传授实验技能同等重要。科学实验思维是科学家群体在长期从事科学实验的实践中形成的,其内涵可用实用主义创始人皮尔士所论述的“假如―那么”理论表达[2]:假如动作O施于其上,那么E就将被经验到。其中的“O”表示实验者的某项动作或所做的事情,“E”是指实验者所观察到或经验到的某种现象(或体验)。可见,科学思维可通过“将一个肯定的陈述转换成假设的形式,再去发掘其实用主义的意义”这一方式培养。

科学方法方面,可借鉴现代原子物理的奠基者欧内斯特・卢瑟福的“实验―洞察―模型―经验”研究模式[3],即在对某些物理现象用数学无法处理的情况下,可根据实验结果的物理意义进行洞察,找到这些现象产生的主要因素及它们之间的内在联系,然后构思出一个模型,如果可能则写出经验公式,再予以检验和修改,随后将公式定型。在研究过程中,要注意实验方法与其他两种常用科学研究方法――理论方法和计算方法的互补[4]:理论方法能指导实验和计算方法,并将部分实验结果推广到一整类没有做过实验的现象中;计算方法可以弥补理论方法和实验方法的不足,对一系列复杂问题进行既快又省的研究工作;唯有实验方法才能真正检验理论结果与计算结果的正确性与可靠性,并提供建立运动规律及理论模型的依据,这是其他两种方法无法替代的。

科学精神方面,不仅要培养学生严谨细致的科学作风、实事求是的科学态度,而且要引导学生树立富于创新的科学价值观。

三、实验课程系统化与实施要点

图1 实验课程教学系统方案图

系统并不仅是一些事物的简单集合,而且是一个由一组相互连接的要素构成的、能够实现某个目标的整体,具有适应性、动态性、目的性,并可以自组织、自我保护与演进。因此若能将实验教学设计成一个系统,则会取得事半功倍的教学效果。依据系统的三个构成要件:要素、连接、功能或目标[5],本文设计了如图1所示的实验课程教学系统,其要素包括学生、教师和教学内容;系统之间通过合适的信息流产生连接,而目标则是实现学生的科学素养培养。

上述实验课程教学系统实施的关键之一是,作为调节器的老师要明确所指导实验课程的教学目的,即实验功能指标的设定,具体内容可参照上节所述,务必使其量化,具有可操作性。关键之二是,引导作为学习主体的学生根据现有的科学素养水平对照实验功能指标,找出差距,通过思考、模仿、历练等多种方式[6-7]发挥主观能动性和主体意识不断减少偏差。关键之三是,影响系统决策和行动的信息流的选取与运作。由流量(指一段时间内改变的状况)的定义可知,它是使存量随着时间不断改变的主要原因。流量(包括图1中的流入量和流出量)的运作需要时间,掌握好这一点是理解各种系统行为运作机理的钥匙。通过实践发现,以层次化的实验内容为信息流能较好地实现本系统的目标。因为符合科学发展规律的分级层次化实验课程内容,比如划分为基础性实验、综合性实验、设计性实验及创新性实验四级[8],最能激励学生在自主学习和科技创新的实验过程中向更高水平层次进阶。

四、结语

多级开放性实验室在高校已普遍设立,能否发挥作用,关键看实验教学机制是否适宜。本文依据系统可以自组织,并且常能通过局部瓦解进行自我修复,具有很强的适应性特性,构建了一种能使学生通过自我调节、趋向教师指定目标的实验课程教学系统,指出了教学系统在实施过程中的关键要点。让学生在亲身实践中感悟和领会,对思想、观念进行整理、加工,从而形成可执行的充分反映客观实际的科学创新方案和良好的科学素养。通过本系统培养的学生每年都能获得多项湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目。

参考文献:

[1]黄俊琪.在科学实验教学中对学生科学素养的培养[J].文教资料,2006,4(上旬):67-68.

[2]邹铁军.科学实验思维与皮尔士的实效主义[J].学习与探索,2004(2):9-12.

[3]李炳昌,夏代云,何泌章.卢瑟福科学实验思想的当代意义[J].科技与管理,2011,13(2):63-67.

[4]冯振宇,樊丽俭.课堂教学也应突出科学实验的理念[J].交通高教研究,2002(1):39-41.

[5][美]梅多斯著.邱昭良译.系统之美:决策者的系统思考[M].杭州:浙江人民出版社,2012.

[6]侯晓帆,王以宁.行动学习法在教学中的应用――以数学建模实验教学为例[J].中国电化教育,2011(4):105-108.

[7]蔡月忠.基于开放管理的项目式实验教学――以影视专业人才实验能力培养为例[J].电化教育研究,2011(4):117-120.

[8]丁道一,何焰兰,黄松筠,等.构筑一个完整的金字塔教学体系――教学实验与科学实验接轨[J].高等教育研究学报,2011,34(1):77-79.

基金项目:湖南省普通高等学校教学改革研究项目(湘教通[2014]247号)“学生能力导向的机械类专业工程训练改革与实践”、“回归工程实践的机械类专业工程教育人才培养模式改革与实践”、“独立学院机制专业学生实践能力培养机制及平台建设研究”

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