ACM通信
SIGCSE 2010: Carl E. Wieman主题演讲
中国科学院高级编辑杰克·罗森伯格
物理学家卡尔曼的主题演讲SIGCSE 2010《21世纪的科学教育:利用科学的洞察力来教与学科学》，重点讨论了所有科学的教与学的科学方法，并以讨论两种科学教学模式及其各自的优缺点开始。
威曼指出，在第一种模式中，也就是美国教育中最普遍的模式，学生被鼓励努力思考这个主题并把它弄清楚。通常，老师会告诉她或他的学生如何理解一个话题，然后给他们一个问题来解决。如果学生解决了问题，没问题。如果一个学生没有解决问题，很明显这个学生有问题，威曼开玩笑说。如果老师很“刻薄”，就会给学生不及格;如果老师很好，就像我一样，韦曼说，老师会提高声音重复材料，希望这样能奏效。
维曼说，这种模式对于准备充分的大脑的基础知识的教授非常有效。此外，这是一种简单的教学方法，并提供有效的反馈。然而，怀曼指出，当涉及复杂分析或判断以及组织大量信息的主题时，这种模式的弱点就会明显显现出来。对于如此复杂的学习，这个模型经常失败。
第二种模式是威曼喜欢的，它基于科学教育的科学方法。它的方法是建立在对学生学习的仔细测量的基础上，因此可以达到预期的专家般的表现。
威曼说，在过去20年里，在课堂研究、大脑研究和认知心理学的输入下，对学生学习方式的理解取得了重大进展。这些进步教会了我们如何:1)确定专业知识的组成部分(即科学学习)和专业知识是如何发展的，2)如何衡量有效学习的组成部分。
专家们如何学习
许多专家能力研究都来自于研究杰出的历史学家、科学家、棋手和其他人是如何学习和掌握各自领域的(引用:剑桥专业知识和专家表现手册)．与非专家(即许多学生)不同，专家拥有事实知识;一个组织框架(他们理解模式、关联和科学概念，并且能够有效地检索和应用这些信息);以及监控自己思维和学习的能力(“我理解了吗?我怎么检查呢?”)。
评估学生知识的一种方法是在学期开始和结束时测试他们学到了什么。威曼引用了1998年的一项研究，该研究发现，无论讲师质量、班级规模和机构如何，学生平均只学习不到30%他们不知道的概念。然而，他报告说，通过科学的教学方法，学生的学习能力提高了40%-60%。
这在很大程度上得益于理解专家和新手对知识的认知。在理解内容方面，专家将内容视为概念的连贯结构，而新手则将内容视为需要记忆的孤立信息片段。同样，专家理解概念描述自然，是通过实验建立起来的，而新手则认为概念是权威流传下来的，与世界无关。在解决问题方面，专家广泛应用系统的、基于概念的策略，而新手则倾向于根据背诵的公式进行模式匹配。
威曼指出，通过在课程开始和结束时进行的调查(如《物理学导论》)，对学生对课程材料的感知进行测量，往往表明学生在课程结束时的感知更像新手。威曼说，在化学和生物学方面的研究也显示出类似的结果。
有效的科学教与学包括:动机;与事先的想法相联系并建立在事先的想法之上;运用已知的记忆知识;真正练习专家式的思考。
记忆&专家思维
为了达到主题演讲的目的，威曼将重点放在了记忆和专家式思维上。在获得长期记忆保持方面，威曼指出，这需要不断地重复检索和应用新信息。(关于这一主题的研究摘要，他参考了罗伯特·比约克.）怀曼说，与记忆有关的一个常见的教学错误是，教师倾向于把学生的成绩主要建立在考试表现上。这鼓励了为了考试而死记硬背，虽然它最大化了考试成绩，但却不利于长期记忆。
此外，认知科学中一个经常被忽视的发现是，新手的工作记忆能力是极其有限的。威曼说，通常情况下，他们处理和记住讲课信息的能力是非常小的，而这正是大多数教师的教学方式。
据威曼说，一个常见的教学错误是给学生必要的背景知识，并向他们展示如何应用这些信息。然后，老师提出一个相关的问题，并演示如何将所有的部分组合在一起来解决问题。这种方法的缺点是，学生通常对学科不够了解，工作记忆有限。对于这样的学生来说，所有的信息都被认为是一组不相关的事实，必须记住，这需要大量的工作记忆，对学生来说可能很无聊。
Wieman建议，更好的方法是提出一个有趣的问题，然后引入背景知识和过程作为解决方案的一部分。这降低了对学生工作记忆的要求，更能激励他们。
在教授学生如何以专家的方式学习和思考方面，威曼建议给他们一些具有挑战性但可行的作业，然后像专家一样教授他们如何掌握和理解概念和思维模式;识别相关和不相关的信息;进行自我检查，理清思路，进行认真的反思。
教师可以通过提供及时和具体的有效反馈来帮助这种学习方式。但研究表明，光有时间和精力是不够的——新手和专家一样，必须知道练习什么和如何练习。
对于那些想要了解软件设计专业知识组成部分的计算机科学家，Wieman推荐了《剑桥专业知识和专家性能手册》的第21章。他观察到，他认为CS教学中最缺乏的是关于调试和测试以及沟通和协作重要性的足够的指导。(他说，最好的软件测试人员拥有高度的沟通和协作能力。)
科学学习与教学应用
为了应用科学的学习和教学，威曼建议对一门关于电流的假想课采取以下步骤:让学生阅读关于电流的一章，学习基本事实和术语。然后给他们一个快速测试，检查他们的知识，并奖励成功的学习者。2.让课堂围绕一系列问题展开，并为学生提供点击器，这样他们就可以测试自己的知识，这样老师就可以评估全班的理解(点击器还创建了个人问责制，鼓励学生学习)。3.把班级分成几个小组，让每个小组通过点击器重新回答问题，然后讨论和争论答案，而老师则在教室里漫游并倾听小组的讨论。4.教师应该引出学生的推理并展示他们的反应，然后进行讨论，回顾正确和不正确的思维，并扩展想法。
威曼强调，要让学生获得专家的思维方式，课堂时间是不够的。学生需要在课堂之外练习专家式的思维，适当地使用家庭作业有助于这方面的努力。他说，就像运动员锻炼肌肉一样，学生必须锻炼大脑。
资源
关于更多的信息，威曼建议:
NAS出版社，《人们如何学习》
Redish”,“教物理
现在,“科学教”
曼,改变杂志， 2007年10月，carnegiefoundation.org/change/
Cwsei.ubc.ca:有效使用点击器指南
班级信念:class.colorado.edu班级
“模拟:phet.colorado.edu
杰克·罗森伯格是新闻的高级编辑ACM通信．
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