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教育觀察

實驗課只為重複流程,或是科學精神?─大學的藝術24

人類什麼時候開始學會做實驗,大概就在什麼時候,科學開始突飛猛進。實驗和科學之間的關係密不可分,我們都知道。因此,大學幾乎都會開設實驗課,許多理工院生,攤開課表可以發現至少整整兩三個下午是在實驗課中度過。

但是,這些實驗課有什麼樣的成效?學生從中學到多少的科學精神?學校和老師用多少心力經營實驗課程?

假造數據,實驗何益?

我曾經訪問一位在台灣頂尖大學學生,他這樣描述他在實驗課中的觀察與收穫:流體力學的助教是一個碩士,不是物理系畢業,對於流體力學的實際內容非常不懂。他手上有標準的數據及理想的實驗結果。如果我們做出來的數據,和標準版本不相符,助教就叫我們調參數、調結果,或是重作,總而言之就是要做出和預期差不多的結果。我覺得這對科學精神是很大的殺傷,不相信自己的數據分析,還談什麼實驗精神?

做有機化學實驗的時候明明每個步驟都跟著指示進行,但結果時常和預期有所出入。常常因為時間不夠但必須交報告,所以觀察一下同學的結果,修改自己的報告內容。

如果說科學精神蘊涵的是質疑、探究、求真求實,以系統性方法找到答案,這樣的實驗課,顯然對學生來說缺乏實際收穫,而且在實際操作中鼓勵非常錯誤的態度,科學精神根本上相反。例如:一、沒有主動提出問題;二、沒有自發設計方法解答問題;三、只重複程序,但很少不討論操作程序設計的有效性;四、姑息假造,或是根本誘使學生為結果而調整數據。

我沒有完整的調查,但是用這樣的方式上實驗課,在台灣的大學、科大、高中,例子屢見不鮮。甚至聽到不少人和我說過,他們的高中幾乎不排實驗課,但實驗手冊要背要考。

多數台灣的大學,甚至高中和科大,實驗課的規劃和執行有大量改善空間。

做實驗,到底為什麼?

在多數大學,實驗是給定固定的操作流程,學生照程序演練,目標是驗證一個有標準數值的常數(例如重力加速度),或是一個學理上已有定論的公式。

該好好想想這個問題:到底我們安排實驗課,讓學生為了一學分,耗費18個下午,究竟是為什麼?是為了練習操作嗎?是為了測出一套數值證明他在課本上學到的東西是對的嗎?(事實上,他也不可能基於實驗結果說課本上是錯的)

其實,學習「做實驗」最大的功用與目標,應該是:
一、 對外界事物產生好奇並且化為問題。

二、對於可以實驗求解的問題,設計合適的實驗方法與流程──其中牽涉了大量基於可行性、成本(金錢與時間)、精準度與有效度的取捨與巧思。

三、精準的操作執行。

四、誠實、完整而深入的分析。

其實,在大部分真實的科學研究情境下,並沒有必然的「正確實驗流程和方法」,也不會有「已知的正確結果」。設計實驗流程和方法是一個研究人員的重要能力,不亞於實驗操作技巧。

(圖片來源:作者提供)

實驗課流程重新省思規劃

台灣主流的實驗課,進行模式大概是:預習內容→操作實驗→撰寫報告。這個過程中,學生發問、思考、創造、思辨的程度相當低。如果我們開放學生獨立設計部分實驗程序,將有更多可以討論、思辨的可能性。可能的方式是:
一、每一個實驗專案,都要求學生分組,針對某一個問題,找到答案。每一個實驗專案,都提供實驗室的各種器具(不一定都用得到),但(至少有一部分)不給學生必然要依循的步驟。

二、在實驗進行前,讓學生設計實驗程序,並上台報告。每組報告完後,帶領學生討論什麼樣的實驗程序和方式可以最省時、省錢、省力氣、最安全、最能精準有效地回答設定的問題?

三、在實驗後可討論,各組結果有沒有不同?哪些組答案相近,哪些組答案歧異較大?哪些組的數據、結果可能比較有意義、比較準確、比較接近真實?為什麼?

四、在實驗後可討論,實驗過程中有沒有發生、發現什麼事,是他們在設計流程中沒預想到的?

五、在最後,應該帶領同學們討論:如果要再次進行同一個實驗,他們會做什麼樣的改進,讓他們得到更具意義的結果,而可以用更少的時間、力氣、成本?

實驗做得深,勝過做得多

按照現在的實驗課上法,每次實驗課上一項實驗,每次表訂三節課上完,其實無可避免地,都會流於只能依樣劃葫蘆。因為時間根本太短,不可能發生思考、規劃、交流、辯證、討論、反思等最有意義的學習環節。用15次上課做15項實驗,每項實驗都沒有學習到思維與精神,這是沒有意義的。如果要深刻的學習,就要花時間。

如果要依照上一段落建議部分進行實驗課改革,可能改成三次上課(三星期)做一項實驗,例如,用15次上課做五項實驗,每項實驗都能帶來深刻學習。每項實驗的三次上課,分別做的事項如下:

●在上課前,應該要就當次的實驗進行草案規劃。

●實驗第一階段:各組呈現與討論規劃的實驗程序,教授(或受過培訓的資深助教)帶領同學討論實驗程序是否有不安全、不精確、不合理之處,是否在效益部分有改進空間。之後,學生進行修改。

●實驗第二階段:進行實驗,記錄結果。

●實驗第二階段:各組比對成果,討論各組成果的得與失,為什麼有差異,誰的較準確,各組各有何改進空間等問題。

(圖片來源:作者提供)

實驗不須與時俱進?

在許多大學,實驗課的內容長年不換。這是為什麼?是因為這樣的內容和方法已經達到最好的教育效果?或者,實驗課效果不佳,對學生的啟發性不高,甚至有誤導之嫌,仍然不構思改善,根本就意味著學校教授並不很在意實驗?

為實驗課設計不同的形式,客觀測知學習成果,找出最合適的方式──這本身就是個大實驗。如果理程領域的教授們願意展示一下對科學的熱忱和深度理解,期待他們能將更多些心力用在實驗課的設計與優化。


(本文反映專家作者意見,不代表本站立場)


★圖文由想想論壇同意授權轉載,原文請見:【學與業壯遊】實驗課,為了重複流程,或是科學精神?──大學的藝術之二十四



文:謝宇程