[论文解读] Secret objectives: promoting inquiry and tackling preconceptions in teaching laboratories

Paul A. Bartlett, K. Dunnett|arXiv (Cornell University)|May 17, 2019

Experimental Learning in Engineering被引用 5

一句话总结

本文引入了“隐秘目标”——在教学实验中故意制造理论预测与实验现实之间的不一致，以促进真正的探究性学习并挑战学生的先验观念。通过在实验中嵌入细微的缺陷（例如单摆中未提及的阻尼），并让学生识别这些缺陷，该方法在不依赖复杂设备或放弃结构化实验形式的前提下，培养了学生的批判性思维、数据分析能力以及对科学过程的主动掌控感。

ABSTRACT

In its most general form, a `secret objective' is any inconsistency between the experimental reality and the information provided to students prior to starting work on an experiment. Students are challenged to identify the secret objectives and then given freedom to explore and understand the experiment, thus encouraging and facilitating genuine inquiry elements in introductory laboratory courses. Damping of a simple pendulum is used as a concrete example to demonstrate how secret objectives can be included. We also discuss the implications of the secret objectives method and how this can provide a link between the concepts of problem based learning and inquiry style labs.

研究动机与目标

• 解决传统“照本宣科”式实验课程的局限性，这类课程过于强调程序性遵守，而忽视了批判性思维与探究能力的培养。
• 识别如何利用实验设置中的隐藏不一致性，以促进入门级物理实验中的真实科学探究。
• 通过嵌入开放式探究挑战，弥合结构化实验教学与探究式学习或问题本位学习（PBL）之间的差距。
• 通过鼓励学生质疑假设并分析差异，支持其发展类似专家的科学实验信念。
• 提供一种低门槛、可扩展的方法，将探究性学习整合到标准实验课程中，而无需对设备或课程结构进行重大调整。

提出的方法

• 引入“隐秘目标”——即理想化理论与实际实验结果之间的故意差异，例如在简单单摆中未提及的阻尼。
• 修改标准实验手册，省略对已知实验缺陷（如空气阻力、非理想转轴摩擦）的讨论，同时仍保留通往正确结果的路径。
• 通过开放式探索与批判性分析，挑战学生识别预测数据与观测数据之间的不一致。
• 安排每项实验包含多个实验时段，以支持深入探究和假设的迭代优化。
• 通过学生主导的讨论与协作，探讨理论模型的局限性及假设的有效性（例如小角度近似）。
• 将评估标准与探究行为对齐，而非任务完成或数据记录，以奖励批判性思维与问题识别能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不进行大规模课程结构调整的前提下，有效将探究式学习整合到入门级物理实验课程中？
• RQ2 故意制造的实验不一致性（即隐秘目标）在多大程度上能促进批判性思维，并挑战学生对科学实验的先验观念？
• RQ3 隐秘目标在多大程度上可作为传统“照本宣科”式实验与问题本位学习（PBL）之间的桥梁？
• RQ4 隐秘目标如何影响学生对科学探究本质及数据解读的专家型信念的发展？
• RQ5 在现有实验中嵌入隐秘目标的实际实施策略是什么？这些策略是否仅需极少设备或程序变更？

主要发现

• 隐秘目标成功地将常规实验转变为富含探究性的活动，通过嵌入故意的不一致来挑战理论假设。
• 学生被激励去识别如单摆运动中未计入的阻尼等差异，从而更深入地参与数据分析与模型局限性的探讨。
• 该方法通过确保数据与理想化理论保持一致，保障了学生的成功，同时仍鼓励对实验偏差进行批判性评估。
• 该方法通过强调检验假设的重要性及理解模型边界的必要性，支持学生发展类似专家的科学信念。
• 隐秘目标可仅通过微小调整即可嵌入现有实验设置，使用如简单单摆等常见设备，因此具有高度可扩展性与可及性。
• 评估标准与探究行为对齐（而非任务完成）显著提升了该方法在培养学生科学推理能力方面的有效性。