在史丹福大學,威曼基於興趣教授物理學導論,協助那些中學物理學基礎薄弱的學生。(Stanford University)

作為諾貝爾物理學獎的得獎者,卡爾‧威曼不可能是一個平庸的教授,可是,他竟然投放了不少時間在自己的課堂內,並在多所大學校園進行偉大的實驗,以改善大學的科學教學。

作者﹕黃顯華 (2020年11月21日於《灼見名家》發表)

2001年,卡爾‧威曼(Carl Wieman)獲得諾貝爾物理學獎;2020年他又獲得一丹教育學獎,是第一位同時獲得這兩個獎項的學者。

作為諾貝爾物理學獎的得獎者,威曼不可能是一個平庸的教授,可是,他竟然投放了不少時間在自己的課堂內,並在多所大學校園進行偉大的實驗,以改善大學的科學教學。多年以來,他同時進行兩類研究:一類是物理學,以激光來爆破原子,觀察它們被爆破後的行為;另一類是了解人類對物理學的思考過程,然後找出更好的講解和教學方法。

在史丹福大學,威曼基於興趣教授物理學導論,協助那些中學物理學基礎薄弱的學生。

由被動變為主動的學習

威曼從大量科學教育的文獻總結出:面對一個如此複雜的科學學術範疇,沒有人能夠單單通過被動的聽講,可以獲得真正的理解;取而代之,他們一定要採取主動,通過整理以往所得的知識和思考,建構他們自己的科學觀。作為未來的專家,他們需要的不應該只是陳述性的知識,而是通過心智的組織能力和解難能力,以及元認知能力去評估和修訂他們的思考過程。

科學的學習不應該停留於背誦一些和世界無關的事實和過程,而應該裝備學生把科學應用於處理公共政策決定上。

實際上應該怎麼辦呢?威曼設計了一個六年計劃,希望令大眾接受這樣的主動學習。他作出多方面的努力,包括和國家級的組織合作、改善大學物理學教學、發展出對學生有用的創新計劃。由於他的努力,這些科目大部分都變成為不是科學主修生的入門課程。

在科羅拉多大學和英屬哥倫比亞大學每一個參加的學系,威曼均安排了一個科學教育專家,以協助計劃的推進。

學習的關鍵性質

威曼提倡拋掉講義,正在萌芽的準科學家應該通過嘗試去學習,也要從錯誤中不斷作出調整。學習的出現源自於一個人發現自己的思考中的某些錯誤,嘗試找出錯誤的原因,再思考怎樣去糾正這個錯誤。

他要求學生在獲得知識基礎進行分析前,嘗試預測特定題目的答案。威曼指出,如果學生們的猜測是錯誤的話,他們在學習正確解決方法的過程中會更為投入。

上述計劃的核心部分是課程轉變的過程,這個過程由四個問題帶領:

1. 學生應該學些什麼?
2. (通過科學方法了解)學生實際上學習了些什麼?
3. 為求達到理想的學習成果,應該調整哪些課程設計和教學法?又應該引入哪些有效的科技和教學法的研究?
4. 哪些可行、有效的課程設計和教學法,適合廣為傳播和採用?

教育專家主張的主動學習方案包括:以工作紙為本的活動;即時回答問題的答題器;整班的討論以及個人的、配對的工作。但是最重要的是以進行科學研究的方法和態度處理去促進學習。

威曼一開始展示下列有趣的實驗:把學生分為三組,第一組學生在上課時只是抄筆記,第二組不用抄,第三組自行去學習有關筆記。和學生的直覺相反,在一般典型的考試方法下,第三組的學生表現最好;第一組最差。原因可能是抄筆記影響學生的注意力,而自行學習筆記則需要更多的思考過程。

但這是不是表示在現實世界的情境中,第一組學生的解難能力是最差的呢?典型的客觀測試的測驗結果,又是不是和有效學習有關的呢?威曼的答案是否定的。他把在考試得到高分的人和科學專家區分得很清楚。認知科學研究指出:專家的能力包括對事實知識具有一個有組織架構的認知能力,並有能力去控制自己的思想和學習。

從一個教育家的角度看,什麼教學法能夠最有效地培育學生專業呢?威曼批評一些不好的教學法,例如,在一個傳統的課室內,教師開始便用上形式的方法、解釋定義、說明方程式,然後應用這些去解決問題。這種方法只能提供零碎的知識,並不能引起學生的學習興趣。一些教師用了超過90%的時間去講授,學生完全沒有時間作出智性的思考。

怎樣避免這些不好的教學方法呢?他提出下列的課堂教學設計:在上課之前,學生收到所需要閱讀的資料,這些資料提供所需要學習問題的背景。在上課時,絕大部分的時間是用來解決問題,學生使用答題器或在工作紙記錄他們的回應。七個史丹福大學的物理學課程採用了這種設計,結果學生更投入於學習,而90%的學生給予正面的回應。他們的意見是:所有史丹福大學的科目均應該應用這種方法進行教學。

威曼進行的各項計劃

為了全面向學生傳授物理學,他從事各種研究,構思不同的教育革新,其中包括物理學教育科技計劃(http://www.colorado.edu/physics/phet)。這項計劃創造了多個網上的教學互動模擬系統,並探討這些模擬系統的成效。他還研究學生對物理學的看法和解題技巧。他是美國國家科學院院士,並擔任該院科學教育委員會主席。

為了改進大學學位課程的STEM 教學,他創辦並主持「科學教育倡議」方案,2017年,基於推行這個方案的經驗,他出版了《改進大學科學教學的方法》(Improving How Unversities Teach Science)一書。

一丹獎同時肯定了他成立PhET計劃的貢獻。2002年,他在科羅拉多大學(University of Colorado Boulder)波德分校成立了一個互動模擬計劃,這個計劃提供動畫的、遊戲式的環境,有助於數學和科學等多個範疇的教學。PhET在網上是免費提供的,被翻譯成為85種語言,每天的點擊率超過1百萬。

在PhET發明之前,教學的動畫化大部分是在一個有限制的環境下,由學生設定變量,按鈕把場景動畫化。威曼把科學動畫化、重新概念化、重新設計,並重新創造環境,使學生自由地、好像科學家地,去探索其中的因果關係。

在新冠肺炎疫情之下,他計劃把一丹獎的款項用來支持PhET作更大的發展。

努力的成果

2011年在《科學》(Science)所發表的一篇文章,採用在英屬哥倫比亞大學計劃內所收集到的數據,發現在新課程下學生的投入程度是傳統學生的一倍。學生在新課程的測驗成績,比傳統的學生高差不多一倍,分別是74%和41%。前者和後者的不及格率分別是8%和20%。

參加這個計劃的教學人員達300個,他們在235個科目內任教,這些科目涉及20萬個學分。在參與計劃的學系中,大部分的教員都積極推動新課程,而他們的教學均有實質性的轉變。

 

參考文獻

https://ed.stanford.edu/news/stanford-professor-awarded-4-million-prize-education-research

http://www.colorado.edu/physics/phet

https://www.insidehighered.com/news/2017/06/27/carl-wieman-makes-evidence-based-plea-better-science-instruction-new-book

https://hub.jhu.edu/2018/04/12/carl-wieman-cue2-science-learning/

https://openlearning.mit.edu/news/reflections-carl-wiemans-new-approach-teaching-learning-undergraduate-science-and-engineering

https://www.globallearningcouncil.org/publications/carl-wieman-science-education-initiative-at-the-university-of-british-columbia-ubc

 

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