對大學生實驗設計過程的觀察與思考

趙建華, 柯德森

(1. 廣州大學 教務處, 廣東 廣州 510006; 2. 廣州大學 生命科學學院, 廣東 廣州 510006)

對大學生實驗設計過程的觀察與思考

趙建華1, 柯德森2

(1. 廣州大學 教務處, 廣東 廣州 510006; 2. 廣州大學 生命科學學院, 廣東 廣州 510006)

以生物工程專業(yè)大三學生為對象,施以綜合應用性實驗測試,對其實驗設計過程進行深度觀察。結果顯示,大學生普遍缺乏實驗設計的程序性知識和策略性知識,在實驗原理的運用方面也存在缺陷。在創(chuàng)新教育的大背景下,通過對大學生實驗設計能力不足的原因進行深入分析,從高校、教師、學生等3個方面提出了改進大學生實驗設計能力狀況的對策和建議。

實驗教學； 實驗設計； 實驗設計能力

大學生實驗設計過程是指大學生根據(jù)一定的實驗目的和要求,運用有關的知識和技能,對實驗的儀器、裝置、步驟和方法在頭腦中進行規(guī)劃并擬定好實驗方案的過程。擬定實驗方案是在思維上解決好實驗活動應該“做什么”、“用什么做”和“怎樣做”等問題,是對未來實驗活動的超前認識[1]。在很多情況下,把實驗設計好是考核理工農(nóng)醫(yī)等專業(yè)大學生高層次能力的重要標尺。長期以來,我國高校受實驗教學培養(yǎng)學生實驗設計能力不足的困擾,大部分學生都缺乏實驗設計的能力[2],很多學生到了研究生學習階段還不會進行實驗設計[3]。創(chuàng)新教育重視學生創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力的培養(yǎng),我們把培養(yǎng)大學生實驗設計能力的工作從高呼口號、傳達文件轉向了對大學生實驗設計過程的觀察和思考。通過組織大學生實驗測試活動,深度觀察大學生實驗設計的過程*以“生物工程下游技術實驗”的2個班62名學生為研究對象，依照3～4人為1組分成20個實驗小組，從每個實驗小組中隨機抽取1名學生，共20人作為被試。被試學生從A、B 2個實驗測試題中隨機抽取后完成實驗設計與實施全過程，實驗結束后再填寫測試感受問卷。研究小組教師根據(jù)被試學生的現(xiàn)場表現(xiàn)給出記錄和評分，每位主試教師負責5位被試學生；同時根據(jù)學生的實驗方案設計書初稿和終稿對“實驗方案設計”進行評分。,推斷他們在實驗設計過程中的困難,分析大學生實驗設計不足的原因,以期為改進大學實驗教學,提升學生實驗設計能力提供一些研究的依據(jù)和積極的建議。

1 大學生實驗設計過程的觀察

為了準確了解大學生在實驗設計過程中的狀態(tài),我們采用實驗活動測試的方式。被試學生不允許帶任何資料,現(xiàn)場抽簽確定測試題,運用所學的知識和技能,獨立思考,自行設計實驗方案,并完成實驗。研究小組對學生實驗設計過程進行深度觀察。

1.1 測試方法與過程

實驗設計是一個持續(xù)的思維操作過程,這個過程一般可分為構思和制訂方案2個階段?！皹嬎紝嶒灧桨浮笔谴髮W生將實驗目的、任務與實驗原理結合起來,根據(jù)現(xiàn)有儀器設備和自身知識水平,考慮實驗所用方法、實驗可能的步驟與有關的一些問題,在頭腦中形成了初步的設計思路；“制訂實驗方案”是對初步的設計思路修改為邏輯上清晰、方法與步驟上可行、預期結果和實驗注意事項明確、可具體實施的實驗活動方案。上述2個階段是前后連續(xù)的。如果被試學生在第一個階段被卡住,我們是無法考核其在第二個階段的表現(xiàn)的。為了全面了解被試學生在實驗設計2個階段的表現(xiàn),本測試先提供一張空白紙,讓被試學生用黑色筆在其上寫出實驗方案的構思過程和設計初稿。20 min后,再向被試學生提供一張正式稿。在正式稿上,對本測試所涉及的實驗原理和設計思路給予了簡單提示。被試學生看了提示后,可以在正式稿上重新設計實驗方案；也可以直接在初始稿上修改實驗方案,但修改內(nèi)容須用紅色筆標注。

測試題是以被試大二學期曾做過的驗證性實驗為基礎的綜合應用性實驗,要求被試學生設計并實施一個實驗方案,證明溫度變化對唾液淀粉酶活力有影響(A題),或證明酶的不穩(wěn)定性(B題)。測試過程如下:被試抽取測試題→在初始稿上寫出設計實驗方案的思考過程和實驗方案初稿→完成實驗方案正式稿→根據(jù)自己的實驗方案獨立完成實驗→分析實驗結果→填寫測試感受問卷。

對被試學生實驗設計過程的觀察采取現(xiàn)場觀察與卷面觀察相結合的方式。現(xiàn)場觀察是系統(tǒng)化的、非參與式的,主試教師觀察學生實驗測試全過程,看清學生在哪里被卡住,并根據(jù)學生的狀態(tài)、情緒以及思考時間等推斷并記錄學生在實驗設計過程中的困難。主試教師在觀測記錄的過程中,如果需要了解學生的思維過程及采取的策略,可以向被試學生提問,但不能給任何暗示。卷面觀察是研究小組教師將被試學生實驗方案的初稿與正稿進行比對并評分的記錄。

1.2 觀察結果

在未給出提示前,20個被試學生中有2人清晰表述了構思實驗方案的過程且設計思路正確,其余18人均被卡住。其中，有5人在此階段停留許久,不知從何著手；有4人停頓一會兒后直接寫實驗步驟,而沒有描述其設計思路。在給出提示后,18位被試學生補充或糾正了實驗原理,7位重新整理了設計思路,6位修改了實驗方法,2位仍不能完成實驗方案的設計。觀察結果表明,近90%被試學生的實驗設計能力不足,“構思實驗方案”階段存在的問題比“制訂實驗方案”階段更突出。他們普遍缺少實驗設計的程序性知識和策略性知識,學習遷移能力也很有限。

觀察顯示,絕大多數(shù)被試學生對實驗設計沒有基本的程序性知識。一是有4位被試學生從一開始就沒有理解實驗設計的程序,他們跳過“構思實驗方案”階段,直接進入“制訂實驗方案”階段,在還沒有明確實驗原理和技術路線時就直接寫出了實驗步驟；二是多數(shù)被試學生不理解“制定實驗方案”的內(nèi)容要求,把操作步驟當成是實驗方案,他們只是理所當然地認為先做什么,后做什么；三是18位被試學生必須在提示后才能設計對照實驗,或增加平行實驗,有6人沒有保持對照組與實驗組的一致性,7人沒有設計對照實驗和平行實驗。

被試學生普遍缺失實驗設計的策略性知識。設計實驗方案時要求實驗現(xiàn)象明顯,溫度是本測試的一個重要影響因素,實驗室有冰箱,可以使用冰箱來增加溫度的差距,從而增強實驗效果,但沒有一個被試學生采取此方法。被試學生在實驗操作中表現(xiàn)出來的問題也印證出他們沒有實驗設計的策略。比如,沒有意識到實驗控制反應時間的重要性,不清楚實驗時間的控制與控制反應程度的相關性；對照組與實驗組沒有保持反應時間的一致性:在取出對照組進行顯色時,實驗組沒有同時取出等。

被試學生的學習遷移也存在缺陷。本次測試所用的實驗原理為：先進行酶促水解反應,再用碘試劑檢驗水解程度,以此判斷酶的活力。對于這個實驗原理,被試學生都已經(jīng)在理論課中學習過,也曾在大二的一個實驗中運用過。本次測試這樣設計的目的,主要是檢驗被試學生在面對真實問題時使用實驗原理的能力,即學習遷移能力。觀察顯示,在給出提示后,18位被試學生補充或糾正了實驗原理。對于曾經(jīng)做過的實驗,有近一半的被試學生在大腦里并沒有留下痕跡。在本次測試感受問卷中,有一項“對測試實驗的印象”時,只有50%的被試學生表示肯定做過,另一半人表示不能確定,其中有3人明確表示沒有印象。觀察實驗方案實施過程還發(fā)現(xiàn),被試學生對實驗原理的理解也不正確,如有2人將淀粉與碘加在一起,然后進行保溫,導致結果無法顯示。4人在失活淀粉酶時,將酶與淀粉混合然后再用100 ℃溫度失活酶,導致在失活之前的淀粉水解。還有3人被試對顏色與酶活力的關系不清楚,致使判斷失誤等。

2 大學生實驗設計能力不足的原因

大學生對實驗設計感到困難,造成這一結果的原因主要有以下3點。

2.1 針對實驗設計的訓練太少

被試學生雖然知道實驗的目的是“做什么”,但不曉得“用什么材料做”和“怎樣做”。雖然大學生在學校做了不少的實驗,但絕大多數(shù)還是以訓練操作技能為主的基礎型實驗。以被試學生所在的專業(yè)為例,前3年共開設了9門實驗課,有92個實驗項目,其中設計型實驗5個。目前幾乎所有的高校都不同程度地開設了一些設計型、研究型實驗,但即使是開設了,也由于招生規(guī)模的擴大、班級人數(shù)的增多,同時為了保證全體學生在規(guī)定的時間內(nèi)完成,教師都不同程度地將實驗內(nèi)容和過程進行了簡化,對實驗方案設計的要求一降再降。由于實驗設計的訓練嚴重不足,大學生缺少實驗方案設計的經(jīng)歷、經(jīng)驗,頭腦中實驗方案原型太少,在面對真實的實驗問題時,他們不清楚實驗設計的基本程序,不了解這些程序所涉及的內(nèi)容。本次測試感受問卷顯示,在實驗的實施階段,73.68%的被試學生認為自己不知道確定實驗最佳對比時機,36.8%的被試學生說自己忘了做平行實驗,這些都是平時實驗設計訓練不足的表現(xiàn)。

當下的實驗競賽、創(chuàng)新實驗項目評審等活動都從不同的側面反映了大學生實驗設計方面的訓練太少。在創(chuàng)新實驗項目評審中,“有些學生對自己所做的項目不理解,或者理解得不夠,只是簡單地完成指導教師布置的工作；有些學生思考不夠,沒有接觸完整的實驗過程,只是完成實驗項目中的一個步驟”[4]。在一些全國性的實驗競賽中,有些優(yōu)秀大學生的表現(xiàn)亦令人擔憂:不會合理安排實驗、實驗效率不高[5]。

2.2 大學生使用實驗設計案例學習策略欠佳

案例即范例、例子。案例學習又叫從例中學,是指學習者通過研習案例而習得專家對問題解決方法的一種學習方式[6]。實驗設計案例是指蘊含了實驗設計思想、實驗設計的一般程序或步驟及其關聯(lián)性,以及這些程序或步驟中應表述的要點的例子?！皩嶒炘O計”是實驗教學中難度較大的環(huán)節(jié),為了減輕學生學習時的認知負荷,教師經(jīng)常會提供一些實驗設計案例,讓學生從案例中進行學習。但目前大學生已經(jīng)習慣了教師提供的資料并過分依賴它,普遍缺乏實驗設計案例學習策略。本次測試不讓被試學生帶任何資料進場,致使有些被試學生茫然不知所措。大學生缺乏實驗設計案例學習策略,主要表現(xiàn)在以下2個方面:一是在實驗設計前不認真鉆研案例，對實驗設計案例不能做自我解釋,不能對閱讀實驗設計案例時所獲得的知識進行演繹；二是在實驗設計過程中盲目參照案例，學生往往是只要一發(fā)現(xiàn)某一案例與他們的實驗設計問題有關,便去參照案例,并盡可能地照搬案例的做法。

2.3 對大學生實驗設計學習關注不夠

實驗設計能力是大學生實驗能力的重要組成部分,是一種高層次的能力要求,營造優(yōu)良實驗設計學習氛圍也是提升大學生實驗能力的重要途徑,然而無論是高校還是理論屆對大學生實驗設計學習關注不夠。首先,教育行政部門和高校對實驗設計在開發(fā)大學生智能方面的要求不明確,對實驗課教學質(zhì)量缺乏檢查,沒有形成實驗教學質(zhì)量保障機制,對設計型實驗長期不能有效開出沒有引起足夠的重視；其次,理論界對實驗設計學習過程研究不足，在有關實驗設計與方法的著作或教科書上,也很少有相關材料,即使有,也僅限于介紹實驗設計的步驟、實驗方案的內(nèi)容，查閱中國知網(wǎng),我們很難發(fā)現(xiàn)有與實驗設計學習相關的理論研究論文。當然,由于人們對一般程序性知識獲得理解的進展一直很緩慢,我們深知對實驗設計學習的研究還有很長的路要走。

3 提高大學生實驗設計能力的途徑

在對已有的關于學生實驗能力與實驗教學類型間的相關性的研究表明[7],大學生實驗能力與教學實驗類型之間是存在明顯的相關對應關系的,在教學實踐中,我們應根據(jù)具體的實驗能力培養(yǎng)目標選擇最有針對性的實驗活動,使學生有機會具有實踐這個目標所隱含的那種行為的經(jīng)驗。大學生實驗設計能力是在實驗設計活動中形成和發(fā)展的,而提高大學生實驗設計能力主要屬于高校的內(nèi)部問題。雖然取決于高校內(nèi)部諸多復雜的因素,但歸根結底要依靠高校的意志、教師的素質(zhì)和學生的努力。

3.1 高校要樹立不斷提高大學生實驗設計能力的意志

高校致力于不斷提高學生實驗設計能力的意志,首先表現(xiàn)在對實驗設計工作的高度重視和對學生進行實驗設計正規(guī)訓練的持續(xù)努力。提高大學生實驗設計能力不僅僅是提升實驗能力的必需,還應該上升到培養(yǎng)創(chuàng)新人才的高度。高校要明確實驗設計在開發(fā)大學生智能方面的要求,形成實驗教學質(zhì)量保障機制,并借鑒西方大學的經(jīng)驗對大學生進行實驗設計的正規(guī)訓練。在英國,自Toothacker在1983年的一次物理思想研討會上提出開設實驗思維課程的想法后[8],有不少大學相繼進行實踐,如,伯明翰大學和曼徹斯特大學在工程生產(chǎn)與管理系機械學科開設了“實驗方法”課程,向學生系統(tǒng)介紹各種實驗方法。曼徹斯特大學物理系還開設有36學時的“數(shù)值分析的統(tǒng)計”和24學時的“近似方法”等課程,讓學生認識實驗誤差分析的重要性及如何用實驗設計來減少這些誤差,學會應用不同的數(shù)學近似方法來解決復雜的問題?！敖鼛啄陙?在美國對實驗設計的興趣又重新流行起來,因為很多工業(yè)界發(fā)現(xiàn),他們的海外競爭者已經(jīng)應用設計的實驗很多年,并且這是他們競爭成功的一個重要因素。所有的工程師接受實驗設計的正規(guī)訓練作為他們大學教育的一部分的日子已為期不遠了。”[9]其次,通過組織開展大學生創(chuàng)新實驗訓練項目、實驗設計競賽等課外活動,讓大學生把所學的知識技能運用到解決具體的問題中去,特別是利用設計方案的論證答辯,為大學生搭建實驗設計交流平臺,引導大學生對實驗思想的理解和對創(chuàng)新點的認識。

3.2 教師要提高實驗設計的教學策略

“教學策略是指教師在課堂上為達到課程教學目標而采取的一套特定的方式和方法?！盵10]教是以學為基礎的。現(xiàn)代學習論的研究結果認為,每類學習結果都需要特殊的過程和條件,對于智慧技能類的學習結果,最重要條件是構成規(guī)則的有關概念被學生預先掌握,規(guī)則一旦習得后還需要在變式條件下反復運用才能達到自動化程度[11]。實驗設計屬于典型的智慧技能類學習結果,宜采取“在掌握規(guī)則基礎上的變式訓練”的教學策略。首先,教師要讓學生學習實驗設計程序或步驟、實驗方案結構、實驗設計方法等規(guī)則?！皩嵺`證明,學生通常很難自己總結出系統(tǒng)的設計實驗的方法,而方法的獲取一般源于教師的講授；且只有在以科學方法訓練為基礎的探究性學習中,學生設計實驗的能力才能較快地形成和發(fā)展?！盵12]其次,教師要針對大學生實驗設計學習的不同階段,并考慮不同的實驗目的和多種情境,提供一些可變的問題讓學生進行變式訓練。在學生實驗設計的基礎較差時,宜采取“學生在教師的引導下完成”的方式?？梢允墙處熖岢鱿嚓P的問題,借助于這些引導性問題,為學生提供思維支撐,促使學生逐一解決實驗設計中的每一個細節(jié)。也可以是教師給出一部分實驗設計的方案,即提供給學生實驗方案的“半成品”,引導學生完成實驗設計。在學生具有解決實驗設計的相關問題基本能力后,再轉入“學生自行完成”,教師放手讓學生自主設計。

3.3 大學生要努力使自己學得更多更好

實驗設計旨在訓練大學生綜合運用所學理論知識和實驗技能,培養(yǎng)大學生獨立思考勇于創(chuàng)新的精神。當前大學生實驗設計學習還存在諸多“缺陷”:一是相比于陳述性知識,實驗設計知識的獲得速度是比較慢的；二是實驗設計需要使用大量規(guī)則,而教科書中僅提及其中部分規(guī)則；三是實驗學時少而學生人數(shù)多,教師指導有限。大學生在學會實驗方法、實驗設計程序或步驟等必要的前提知識基礎上,要通過鉆研案例、向教師或同伴學習,多給自己實驗設計訓練的機會,以糾正在實驗設計學習中存在的“缺陷”。實驗設計學習過程中要努力鉆研案例,因為任何一個成功實驗都有各自的設計思想,特別是那些經(jīng)典實驗的設計思想,更是凝結著科學家辛勤的勞動、審慎的思維和高超的智慧,其設計往往巧妙而又獨到、簡單而又優(yōu)雅。通過從案例中學習,挖掘、繼承前人的實驗設計思想。努力發(fā)現(xiàn)自己實驗設計學習中的不足,向教師請教或向同學學習。在接受教師和同學的反饋意見之后,不僅只是改變自己的答案,而且要知道自己錯在哪兒,進一步分析自己產(chǎn)生錯誤的原因。在每完成一個實驗設計之后都要進行反思,將現(xiàn)在的設計與早先一些設計進行比較,嘗試從中抽取出某些一般的東西。

4 結束語

培養(yǎng)學生學會實驗設計的方法和提高實驗設計的能力，是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要環(huán)節(jié)。通過實際的測試和分析，掌握了學生缺乏實驗設計能力的實際情況和造成的原因，有針對性地提出了增強學生實驗設計能力的措施，取得了可喜的效果。本文所提的措施可供同行參考。

References)

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[10] 施良方.課程的基礎、原理與問題[M].北京:教育科學出版社,1996.

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[12] 畢曉白,張志文.方法訓練與設計實驗能力的培養(yǎng)[J].課程教材教法,2007,27(9):88-91.

Observation and reflection on process of experimental design for college students

Zhao Jianhua1, Ke Desen2

(1. Academic Affairs Office, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China; 2. School of Life Science, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China)

A comprehensive design experiment was applied to test the relevant ability for Biological Engineering Junior in a university, and the experimental design process was in-depth observed. The results show that the procedural knowledge and strategic knowledge for experimental design are generally lacked in current college students, as well as, some problems are also found in the use of the experiment principle. Based on the above observation and the background of current innovation education, the reasons of the ability lack of experimental design in college students are thorough discussed, and the countermeasures are suggested to improve the college students’ ability for experimental design from the following three aspects: the school management, the teachers and the students.

experimental teaching; experimental design; ability of experimental design

2015- 11- 04

廣東省2013年高等學校教學質(zhì)量與教學改革工程項目“生物工程專業(yè)綜合改革”(粵教高函[2013]113)；廣州大學2012年教育教學研究項目“生物工程設計性實驗教學模式探討”(廣大辦[2012]3號)

趙建華( 1963- ) ,女,湖南常德,博士,研究員,教務處副處長,主要從事高校教學研究與管理工作.

E-mail：zhaojianhua839@126.com

G642.423;G642.0

A

1002-4956(2015)8- 0027- 04