探究式教学模式对本科生科学推理能力培养的效果分析

王萌萌 赵 敏 方 恺

(同济大学物理科学与工程学院，上海 200092)

科学推理能力是进行科学探究的必要条件，培养科学推理能力是培养学生探究能力的基础。国内外已有大量关于科学推理能力培养的有益尝试[1-7]，早在20世纪五六十年代，施瓦布就提出教师应该用探究的方式展示科学知识，学生应该用探究的方式学习科学知识。国内关于探究式教学的研究起步稍晚，目前国内在此方面的研究主要集中于在实际教学中推广应用探究式教学。伴随着探究式教学的应用，如何对学生探究能力进行有效测评，进而更加有效地推动探究式教学的深入发展，逐渐发展成为当前教育领域的研究热点之一[8,9]。然而，探究式学习作为动态的学习过程，反映了学生知识、能力增长的变化过程，这使得探究过程往往随着学习者个体、学习环境等不确定因素而呈现显著差异，这就增加了探究式学习评价的难度。

针对以上情况，本文从教学效果测评的角度，对探究式教学模式与传统教学模式的教学效果进行了对比分析，重点讨论了探究式教学对学生科学推理能力的影响。此外，本文还对不同年级本科学生的科学推理能力进行了比较。

1 探究式教学的设计与实施

传统课堂教学以教师为中心，以课本等资源为主要学习内容，教学知识只单向通过教师传递给学生，学生被动地接受教师讲解的知识。以高校物理课程为例，在传统的面向本科生的物理基础教学中，一般通过物理基础理论课程与物理基础实验课程，分别对学生进行理论与动手实验两方面的训练。其中，物理基础理论课程主要注重物理理论知识的完整性、系统性，教学以讲解、推导、演绎为主，测验主要考核学生对物理相关知识点及解题能力的掌握程度；而物理基础实验课程则偏重实验的基本规范、基本技巧以及物理规律的验证，其测验主要考核学生对有关实验数据处理、实验操作技能、实验方法的掌握程度。这显然满足不了高校培养创新型人才的要求。

相比传统课堂教学，探究式教学的基本模式是在教学过程中，要求学生在教师指导下，通过以“自主、探究、合作”为特征的学习方式开展学习活动。具体地说，就是在教学过程中，模拟科学研究的过程，依循“问题—假设—验证—结论”的流程，通过在课堂上及课外活动中展开自主学习、深入探究、讨论交流，对学生进行科学研究能力的训练。

近年来，同济大学演示物理实验室在探究式教学方面开展了一些富有意义的尝试。我们自2010年起至今，面向全校本科生开设了“物理现象探索”课程，配合同济大学本科生创新实践计划项目、大学生物理学术竞赛，引导学生针对各种演示物理实验现象，展开科学研究。在课程中开展小班化教学，每个班级学生不超过50人。我们为学生提供研究课题，要求学生以自由组合方式，在小组内通过课题分工、猜想假设、理论分析、实验探究、合作讨论、课题总结的研究过程，完成课题任务。教学模式如图1所示：

图1 探究式教学模式

2 探究式教学对于本科生科学推理能力培养的分析

为了解探究式学习对于本科生科学推理能力的培养，我们采用加利福利亚大学Anton E. Lawson教授设计的科学推理能力测试卷作为测试工具，开展本文的研究分析。该问卷共24道题，每两道题为一组，按照测试题目反映的科学推理能力的不同侧面，可以将测试内容分为6个维度，如表1所示。

我们的测试样本来自本校一、二、三年级物理专业本科生，共计187人。其中，一年级学生97人，其中探究式学习组28人，传统学习组69人；二年级学生46人，其中探究式学习组5人，传统学习组41人；三年级学生44人，其中探究式学习组13人，传统学习组31人。

2.1 探究式教学效果的统计分析

选取参加探究式教学的学生作为实验组(以下称探究式教学组)，选取参加传统教学的学生作为对照组(以下称传统学习组)。将学生分为大一探究式学习组、大一传统学习组、大一学生组、大二探究式学习组、大二传统学习组、大二学生组、大三探究式学习组、大三传统学习组、大三学生组共9个分组团体，进行各维度的相关性分析。

表2为各年级本科生分别经过传统式教学与探究式教学后的测试特征量统计结果。由表可见，探究式教学组学生在控制变量维度得分为73.5，传统式教学组学生在此维度的得分为67.16；探究式教学组学生在假设演绎推理维度得分为72.5，传统式教学组学生在此维度的得分为59.75；探究式教学组学生在相关性推理维度得分为89.5，传统式教学组学生在此维度的得分为73.5。我们知道，控制变量推理、假设演绎推理、相关性推理是科学推理能力的重要特征。这说明采用探究式教学后，学生的科学推理能力得到明显提高。

表1 科学推理能力测试的维度划分

表2 不同教学模式下的物理专业本科生测试特征量统计结果

由表2还发现，采用探究式教学的学生与采用传统式教学的学生，在质量与体积守恒概念能力、比例推理、概率思维能力上的得分基本持平。结合学生在高中以及大学本科期间的课程设置，我们发现，在基础课程中已将动量守恒、机械能守恒和能量守恒、电荷守恒等相关知识的讲授融入日常课程教学，即无论传统式教学还是探究式教学都能保证学生对相关知识的掌握，两种模式的教学在这些方面的教学效果相当，因此在此3个维度上两类学生的得分差别很小。

结合两种教学模式的教学活动过程与统计结果，可以发现，以设置疑问为出发点、以学生为中心的探究式教学模式，偏向于从问题出发，通过体验科学研究的过程，寻求证据，推理出合理可靠的答案。在此过程中，学生需要主动提出假设，分析哪些因素或条件会影响这种结果，并通过理论或实验变量探究各条件参数如何影响结果。在此过程中，学生的控制变量推理、相关性推理、以及假设演绎推理等科学推理能力得到强化训练，科学探究能力得到培养。

2.2 不同年级学生科学推理能力的统计分析：

为了解不同年级本科学生的科学推理能力是否有区别，我们将3个年级的学生按照探究式学习组、传统学习组、全体组3种分组方式，对科学推理能力的任意两维度进行相关性分析。

表3为一、二、三年级本科生测试特征量对比统计结果。由于二年级本科生中参加探究式学习的人数少，所以我们在分析中着重对比了一年级及三年级本科生。由表3可见，一、三年级探究式学习组本科生在守恒推理分析能力的平均得分分别为82.14、96.15，在比例推理能力的平均得分分别为81.25、86.54，在控制变量分析能力的平均得分分别为69.64、83.33，在概率推理能力的平均得分分别为31.25、57.69，在相关性推理能力的平均得分分别为67.86、69.23，在假设演绎推理的平均得分分别为72.32、82.69。这说明，随着年级的增长，参加探究式学习学生的科学推理能力有显著提高。与此同时，一、二、三年级传统学习组本科生也表现出了学生的科学推理能力随着年级的增长有明显提高的趋势。这与其它文章中提到的科学推理能力与年级无关的结论有明显不同。

我们认为，这是由于在我校的学生培养中，大力引入创新教育所致。笔者所在的学校并非仅仅以传统的方式教授学生，而是大力提倡学生在校期间参与各种探究式创新活动。在大学一年级，学生刚刚步入大学，基本处于适应阶段，高速的课程学习进度使学生不得不把主要精力放在知识的掌握上，就学习方法而言还基本处于传统式阶段，大多数学生并未从思想上真正接受探究式教学的模式。而步入大学二、三年级，学生已经初步适应大学生活，部分学生开始涉猎挑战杯等各种创新活动。这些探究式创新活动，很大程度上促进了学生科学推理能力的提高。这就解释了我们在统计结果上的不同，即物理专业高年级本科学生的科学推理能力明显高于低年级本科生。

表3 一、二、三年级本科生测试特征量对比统计结果

3 结论

本文分析了探究式教学模式对本科学生科学推理能力的影响。研究表明，经过探究式教学训练的本科生，其科学推理能力明显优于传统学习组的学生，其在控制变量推理、相关性推理、假设演绎推理能力等方面均表现突出。研究还发现，高年级本科学生的科学推理能力明显优于低年级学生，他们表现出了更加倾向于做出合理的假设、演绎推理能力更强的特点。由此可见，探究式学习对本科生科学推理能力的培养，具有显著的作用。