熱力學模塊教學中能力模型KomM研究

Suanne Staude,Julia Gerber

(1.西魯爾應用科學大學, 德國 波特洛普 46236； 2.科隆應用科學大學，德國 科隆 50678)

0 引 言

新生入學時，他們也把各自不同的文化背景、社會化方式、學習經(jīng)驗等帶到大學。此外，不同學生也有著自己不同的(學習)動機和人生計劃，大學學習只是屬于他們?nèi)松媱澲械囊徊糠帧＿@些因素都造成學習群體(或各個年級和班級)在思考、意見形成和行動方面體現(xiàn)出異質(zhì)性。這種異質(zhì)性特別是在入學階段表現(xiàn)得十分明顯，[1]給教師同時帶來極大的挑戰(zhàn)。另外，大學的許多模塊掛科率很高，特別是工程學的一些基礎課，比如熱力學就被廣泛認為是一個“讓人恐懼的專業(yè)”。

基于對學生群體復雜多樣性的理解，科隆應用科學大學開發(fā)了一個能力模型 KomM，旨在為成功的教學和學習——特別是在工程學較難的一些科目中——制定教學方法策略。本文探討了該模型在西魯爾應用科學大學一個熱力學模塊教學中的實際應用。

1 能力模型KomM

KomM的目的是把大學學習作為學生必須完成的任務從四個層級展示出來。[2]

位于最上面的第一個層級(見圖 1)是專業(yè)知識。專業(yè)知識可以通過考試和其他問題性的任務進行檢驗。該層級涉及的是學生獲得的或應該獲得的知識，學生的認知表現(xiàn)在此是關(guān)鍵。在這個層級，教師主要扮演教練的角色，給學生發(fā)出指示。[3]在實際教學實踐中，專業(yè)知識的傳授作為教學活動的重要組成部分占主導地位。除了以專業(yè)內(nèi)容為導向的學習、考試規(guī)章以及模塊描述這么要求以外，可能也是由于教師覺得自己作為專業(yè)領(lǐng)域的“行家”，很愿意并相對來說也能較容易地扮演傳輸知識的中介角色。但是，這個層級與其他層級之間的相關(guān)性不得被忽視。

圖1 能力模型 (從塔尖到塔基：知識、工作方法、自我認識、心理/身體上的承壓能力)

第二個層級下面是適合該學科的工作方法。學生借助適當?shù)墓ぷ鞣椒梢垣@取知識并實施他們的學習策略。教師在課堂上要么期待學生已掌握了一定的工作方法，要么就要給他們提供不同的方法。例如，教師在上課時，一方面期望學生集中注意力聽講，另一方面也期待他們積極過濾聽到的信息并記錄重要內(nèi)容。為了做到這一點，學生需要一個方法，根據(jù)這個方法，他們可以在“重要”和“不重要”的信息之間做出決定。在這個層級可以提出一些關(guān)鍵問題來促進學習過程、知識的獲取并牢固專業(yè)知識。這些問題列舉如下：“我怎么學習？”“是否還可以更好，如果可以，怎么實現(xiàn)？”“我應該在什么背景下實施什么學習策略？”“團隊/小組學習怎么進行，我在其中起什么作用？”

第三個層級是自我認識。這個層面更加難以識別、難以對其施加影響。一般來說，它涉及的是學生的價值觀、規(guī)范、態(tài)度和動機：學生如何評價自己和學習、他們追求的目標和原因。在此特別關(guān)乎的是促使學生或多或少地去上課、為通過考試(或其他目的)而學習以及成功完成學業(yè)的動機。教師通常不會認為自己有責任跟學生探討他們對學生所扮演角色的自我認識。但是，教師希望學生在處理學習內(nèi)容時有認同感，因為將來在職業(yè)中正是要求他們掌握了這些內(nèi)容和與之適當?shù)墓ぷ鞣椒?。并且，學生正是在反思的過程中，在把自我認識和自己的目標做比較時往往會對專業(yè)內(nèi)容產(chǎn)生認同感。

第四個層級是心理上和身體上的承壓能力。這個層級位于KomM 模型的最底層，在教學活動中往往被邊緣化或被完全忽視。因為這個層級就像第三層級一樣不被視為或被拒絕視為老師的責任。[3]學生在學習之外面臨哪些困難？在來到大學之前，學生都走了哪些路、克服了哪些障礙？哪些個人問題會影響學生的認知力？這些和其他尚未提及的問題對教師來說是不容易識別和處理的；然而，它們對于學生取得學業(yè)成功很重要。影響學習的另一個重要因素是壓力。壓力一方面由時間壓力、過度要求、沖突或缺錢等外部因素引發(fā)，另一方面，由個人內(nèi)在因素引起的壓力無處不在，這些都屬于第四個層級：對局勢的主觀判斷和自己對行動方案的制定，包括對自身能力的判斷，都受到其影響。例如，當學生自己無法對自我以及自身的學習過程做出客觀評價，并產(chǎn)生對失敗的恐懼感時，就會出現(xiàn)考試焦慮。如果學生意識到對學業(yè)的成功可以作出積極影響，而不是必須 “聽天由命”，就會積極地認為，他們能夠通過一定的努力來克服某些情況下的困難并處理好問題。[4]所以這個層面的主要問題是：“作為一名學生，我都擁有什么資源可以讓我能夠很好地處理日常的學習生活？”

以上四個層級都直接相關(guān)并相互影響。通常來說，學生需要不斷地在所有四個層級上實現(xiàn)一種平衡，從而形成全面的“學習能力”。

KomM模型的觀點是，首先，教師能夠并且也應當在教學中，以及通過教學幫助學生形成學習能力，因為只有這樣，來自不同教育背景和生活環(huán)境的學生構(gòu)成的多樣性才會成為學生成功完成學業(yè)的一個機遇。以下將通過示例來分析如何在教學中應用該模型以及這對學生和教師產(chǎn)生什么影響。

2 KomM的實際應用的報告

作為一名教授以及KomM的應用者，筆者首先面臨的一個巨大挑戰(zhàn)是如何具體地把模型的理念融入到模塊教學中。即：如何在我的課程中兼顧學生不同的承壓能力？怎么樣在有90名學生上課的課堂上兼顧每個人的自我認識？

本文在下面將逐步說明如何把KomM模型的理念應用于具體的模塊教學。在此以“熱力學”模塊為例進行詳細描述，該案例是本文作者Staude與科隆應用科學大學教學發(fā)展中心[注]Julia Gerber, Susanne Gotzen, Birgit Szczyrba 博士。以及波鴻新教應用科學大學的心理學教授Alexandra Lehmann合作開發(fā)的。

2.1 背景介紹

熱力學模塊是西魯爾應用科學大學(Bottrop)本科專業(yè)“經(jīng)濟工程—能源系統(tǒng)”第二學期的一個模塊。當時約有90名學生參加該模塊的學習。該模塊的教學活動包括每周2個課時的大課、2課時的練習課以及2次實驗。 實驗由每5名學生組成一組進行，并由科學助理指導。

只有少數(shù)學生喜歡學“熱力學”。大多數(shù)學生覺得這個學科很難理解，因為熱力學中涉及的許多概念非常抽象也很難想象。

但同時，熱力學尤其是在能源技術(shù)領(lǐng)域里是重要的基礎學科之一。因此，學生應該真正理解熱力學的核心思想——而不是“僅僅”能夠正確應用相關(guān)公式。

2.2 把職業(yè)中的典型任務作為學習情境

為了在一個模塊中確定KomM模型的不同層級， 首先必須重新考慮哪些是學生的學習目標。 到目前為止，只為該模塊在第一層級(知識)和第二層級(工作方法)確定了學習目標。因此需要補充其他兩個層級的目標(自我認識和心理/身體上的承壓能力)。

我們發(fā)現(xiàn)，描述“職業(yè)中的典型任務”在此能夠起非常大的幫助作用?！奥殬I(yè)中的典型任務”是指在一個典型的職業(yè)情境下產(chǎn)生的問題或任務，而學生正是要為此做好準備。從這樣的任務中就可以推導出學生應具備的、借此來戰(zhàn)勝挑戰(zhàn)或成功完成任務所需的能力。

以此為入手點，同時對KomM模型的解釋也可以得到擴展。各個層級涉及的不再僅僅是學習的不同維度，而是從一開始就被理解為今后職業(yè)工作的各個維度。通過在大學學習中考慮并涉及這些不同的層級，也就同時使學生在各個層級都能為將來的職業(yè)工作做好準備。

如果涉及的不是一個模塊，而是整個專業(yè)，那么可以描述三到四個完全不同的職業(yè)中的典型任務，從中就可以推導出這個專業(yè)應設定的各個學習目標。 然后可以對這些學習目標進一步細化，下分適配至不同模塊。

這種通過職業(yè)中的典型任務來構(gòu)建專業(yè)的方式同時也使對專業(yè)進行以能力為導向的設計成為可能。

在專業(yè)層面描述職業(yè)中的典型任務對教學從兩個方面來說十分有價值：一方面，基于非常具體(可以從第一學期開始適用)的任務，可以更容易地體現(xiàn)出基礎科目(例如數(shù)學、物理等)的重要性。另一方面，通過精準描述職業(yè)中的典型任務，并從中展示完成任務所需的能力，教師可以幫助學生直觀地理解獨立存在的各個模塊之間的相互聯(lián)系。

2.3 學習目標的定義

如前所述，描述一個職業(yè)中的典型任務，最初的目的是為了定義“熱力學”模塊的學習目標以及要培養(yǎng)的能力。因此，筆者首先嘗試描述了一個與“熱力學”模塊的內(nèi)容有緊密相關(guān)性的任務，具體如下：

客戶帶著以下問題來找您：“我們必須不斷地把我們廢棄的采礦坑中的水抽空。 抽出來的礦井水呈現(xiàn)出約為45°C恒溫的特征?？梢杂眠@些水來發(fā)電嗎？”

接下來，筆者思考了學生應具備哪些能力才能解答這個問題，然后把這些能力歸納到KomM模型的四個層級(見表 1)。

表1 KomM 模型4個層級上的學習目標

在制定這些目標時，筆者很快就發(fā)現(xiàn)，在采用跨學科系統(tǒng)性工作方法、自我認識和承壓能力層級的目標實際上并不新鮮。我們一直都對學生提出在時間壓力下工作、能夠充分論述所提觀點的要求(例如參考文獻)，或者是要求他們學會如何系統(tǒng)性地解決問題。但到目前為止，還沒有在任何模塊說明中提及這些目標！因此，這些目標一方面對學生來說是不透明的，另一方面，這些教學目標在教學中經(jīng)常容易被忽視，因為學校根本沒有有意識地想過學生應該如何達到這些學習目標。換句話說，如果不告訴學生他們要學什么，也不給他們指引怎么去學，那么就不能期望他們會學到我們想讓他們學的東西。

在 “思考” 的學習目標中，筆者特別清楚地看到了對學生的期望缺乏透明度。至少在大學，本人不是唯一一個抱怨學生似乎不會思考的教師，這特別體現(xiàn)于：在實習報告中記錄明顯不現(xiàn)實的測量值，同時不做任何注解；從互聯(lián)網(wǎng)上照抄相關(guān)內(nèi)容；做練習題或考試題得出無法令人置信的結(jié)果。然而，在任何模塊中也都沒有把“思考”作為學習目標確定下來，甚至也沒有像“學生質(zhì)疑自己的結(jié)果并檢驗其是否成立”這樣的表述。因此，首先要明確定義一個學習目標，即“學生思考他們的結(jié)果并會注意到不切實際的地方”，接下來，便可以開始思考如何幫助學生實現(xiàn)這一學習目標。在這一點上應該注意，學習目標的透明化并不意味著在模塊教學期間或結(jié)束時會直接考核所有列出的目標的達標情況，因為在考試時只會考核那些在不同層級間接包含或提到的專業(yè)上的學習成果 (Learning Outcome)。但是，所有學習目標都會在進行教學設計時被充分考慮，并在教學活動中與學生一起涉及并進行反思。

2.4 對實施方法所做的思考

就在教學中的具體實施而言，筆者做了如下思考：可以采用哪些方法來支持學生達到在KomM模型各個層級上的新學習目標？如何在這樣一個大課上實施？在對表 1進行了擴展的基礎上添加了有關(guān)實施的一列，這樣就可以確保在教學中涉及了每一個學習目標。具體如表 2展示：

表2 學習目標和可以實施的措施

在做這些思考時，筆者意識到，用已經(jīng)使用過的方法就會取得很多成就，但通常缺少的是與學生交流對他們的期望。

除了已經(jīng)使用過的方法外，筆者還引入了新的元素。一方面，設計了一些強化思考訓練的練習和考試題。這些題目的目的并不在于為相當難的問題找到答案，也不在于解很多的方程式。相反，這些題目涉及更多的是對熱力學基礎知識的歸納和應用。

比如：

(1)我可以在夏天把冰箱門打開來冷卻辦公室嗎？

(2)使用45°C的溫水發(fā)電是否可行且是否有意義？

在熱力學模塊中涉及到一章關(guān)于“穩(wěn)定傳熱導論”教學內(nèi)容。 筆者把這一部分設計為學生自主學習的內(nèi)容，從多本教科書中選出了相關(guān)章節(jié)并復印給學生。這些教科書以不同的方式對同樣的專業(yè)知識(第1層級)進行了不同的講解。因此沒有在大課上講授這個主題，但給學生布置了一些相關(guān)的練習題，并在練習課上討論了這些題。通過這種方式，學生能夠?qū)W習到如何從教科書中獲取專業(yè)知識。通過給學生復印具體部分的內(nèi)容，可以確保他們學到了正確的東西(也就是我期望他們學習的東西)。特別是對那些尚未有豐富自學經(jīng)驗的學生來說，他們往往很難從廣泛的教科書中過濾出相關(guān)信息，所以很快就會被淹沒在大量信息中，進而失去探索的勇氣并最終放棄。

筆者之所以把“不怕不熟悉的技術(shù)” 也列入學習目標，是因為觀察到許多學生在做一個新實驗，或者是需要用一項不熟悉的技術(shù)來完成一個任務時，往往做出“我們上課還沒學過”的反應。學生在此產(chǎn)生一種條件反射式的防衛(wèi)，主要是因為對新事物產(chǎn)生不確定性。 為了減少這種不確定性，我發(fā)現(xiàn)，給學生以正面的反饋和鼓勵非常有效：例如學生在做練習時使用了正確的方法就明確指出并給與肯定；在檢查學生的實驗報告時給他們以書面形式的積極反饋，要強調(diào)哪些地方做得好，而不是僅僅給出一個分數(shù)；在上課討論時對即使是不是十分恰當?shù)陌l(fā)言也指出其中有正確的思路或者有趣的想法并給與好評，另外還要感謝所有發(fā)言人的參與。

2.5 反 思

學期結(jié)束時，筆者在表2中又擴加了一列，即下學期的改進措施。通過學期結(jié)束時的練習、實驗報告和學生的考試，筆者意識到，有一些學習目標只有很少一部分學生達標了。此外，在上課的過程中還發(fā)現(xiàn)了其他一些新的學習目標。 因此，反思是把KomM模型應用于具體模塊的一個非常重要的步驟。

筆者所描述的任務不能涵蓋之前作為模塊教學內(nèi)容定義的所有專業(yè)知識。因此現(xiàn)在可以在此描述一個更為全面的實際工作中會遇到的任務，或者也可以描述跟該模塊教學內(nèi)容相關(guān)幾個小任務。

關(guān)于模型的最底層，即承壓能力，筆者為下一學期確定了一個新目標：即使在很困難也十分具有挑戰(zhàn)性的情況下，學生仍應該保持他們的學習能力。有很多對自我效能沒有信心的學生，我們觀察到他們在上一個學期的態(tài)度發(fā)生了變化。特別是有些學習比較弱的學生，后來就不再參加練習課，也不申請考試。就熱力學而言，由于這些學生感覺無法理解專業(yè)內(nèi)容或感到學不下去，就失去了“學習能力”。

在實驗報告中，學生們首先表現(xiàn)出了一系列的能力缺陷：讀不懂狀態(tài)圖、不會自主學習、難以提出理由充分的觀點并進行權(quán)衡和思考、難以在時間壓力下工作、不知道如何毫無恐懼地面對新技術(shù)。當然不能指望所有學生在第一次做實驗時就馬上能夠達到這些目標。與此同時，許多學生也不確定老師對實驗報告的要求是什么——盡管教師認為已經(jīng)清楚地傳達了這一點。

因此，在下一學期，筆者考慮了以下策略。首先，將以學生能夠理解的語言為他們制作一份有關(guān)實驗報告評價標準的材料，然后給學生們發(fā)兩到三份實驗報告，讓他們根據(jù)評估標準先自己評價這幾份報告。必須注意的是，在此所列出的每個評價標準至少在一份報告中都可以被評為“非常好”，這樣就可以為每個標準提供一個正面例子。

通過這種方法要達到幾個目標：首先，實驗報告的總體水平應該提高，更符合老師的期望。此外，學生們要學會自己評價實驗報告，從而學會批判性地反思以及如何提出理由充分的觀點。

關(guān)于其它學習目標，筆者在反思的過程中還注意到哪些沒有能夠清楚地向?qū)W生傳達的期望。另外要考慮的是，學生 (至少對第二學期的學生來說) 通常只會認真對待那些會被考核的學習目標。

為了幫助學生保持學習能力，讓他們定期取得小的成就感很有必要。在這一點上，可以想象，將來設計一些小型的(在線)測試或問答題，希望通過這種小規(guī)模、低門檻和非傳統(tǒng)的措施能夠鼓勵那些容易受挫的學生，激起他們對熱力學的學習興趣并獲得成就感。

3 結(jié) 論

就許多學習目標而言，筆者意識到，還沒有足夠地調(diào)整教學方式方法以實現(xiàn)這些學習目標。常規(guī)的“熱力學”講授課不太會促使學生反思或質(zhì)疑；對大多數(shù)學生來說，光是理解授課內(nèi)容就足夠他們忙了。因此，在下一學期，筆者會更多地向?qū)W生提出那些挑戰(zhàn)學生思考、質(zhì)疑和評價的問題。

與此同時，筆者也清楚地意識到，學生不可能全部學生都可以達到老師在模型最下面一層制定的學習目標。如果學生還沒有質(zhì)疑過他們 (在某個地方) 讀到過的書，或者以前也從沒有自主學習過知識，那么通過一個模塊 (對應6 個歐洲學分) 是不足以實現(xiàn)這些目標的。由此得出了兩個基本認識：

(1)盡管老師已經(jīng)為自己的模塊在各個層面定義了學習目標，但也不能指望所有學生都能100%達到所有目標。但是，100%中的一部分能達到就比以前好多了。

(2)如果學習目標，特別是較低層級的學習目標也被專業(yè)里的其他教師所采用，那么KomM模型的應用就會產(chǎn)生很大效果。