收稿日期：2011-11-10
作者简介：吴锵(1960—)，男，江苏靖江人，南京理工大学材料学院教授；研究方向：材料学、大学课程理论。
基金项目：本文系南京理工大学教改资助项目“材料专业基础课概念－问题－探究教学模式研究”阶段性成果之一。
摘要：通过对探究式教学目的的反思，以及理工科基础课特点的总结，摸索出适用于理工科基础课的“概念-问题-探究”教学新模式。
关键词：探究式教学；理工科；基础课；核心知识
中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1008-2646（2012）01-0082-05
研究型大学的建设对研究性教学提出了日益迫切的要求。在研究性教学的实践中，源于西方的探究式教学受到广泛重视，这种以讨论课(也称Seminar)为载体的课程模式提倡知识学习的自主性与面对未知的探索性，因此从理论上讲与研究型大学的科学研究精神相契合，故近年来相关的研究文章较多，在教改立项中也成为了热门课题。
但是，当我们在实践中真正落实探究式教学时，当这种模式与具体的课程结合时，就会发现探究式教学从理论研究到实际操作，都存在不小的问题，因此需要进一步的反思，以便清除形形色色的认识误区，从而把握其精神实质，为实践操作奠定坚实的理论基础。
从方法论的角度看，具体问题具体分析是教育研究不二的法则。因此，我们将探究式教学聚焦在理工科基础课上，也就是高等数学、大学物理、大学化学，以及各工程学科的主干基础课，如化工学科的物理化学、化工原理，材料学科的固体物理、材料科学基础，控制学科的电工学、自动控制原理，等等。这些课程是理工科课程体系的真正精髓，对后续课程从知识结构到认知方法都会产生深远影响。因此，探究式教学的真正落脚点应该放在这些课程上。
一、探究式教学的目的与反思
所谓探究式教学(也称探究式学习，Inquiry Learning)通常指从学科领域或现实生活中选择和确立主题，在教学中创设类似于学术研究的情境，学生通过独立自主地发现问题、操作实验、收集与处理信息、表达与交流等探索活动，获得知识，培养能力，发展情感与态度，特别是发展探索精神与创新能力。它倡导学生的主动参与，是一种积极的学习过程。［1］
不难看出，探究式教学以自主与探索为目的，重视学生能力与素质的培养，从理论上完全符合现代教育理念。但是，理论上的完备不等于实践操作的可行，因为理论往往源于具体对象，一旦对象发生变化，理论(特别是教育理论)通常要做出相应的调整，有时甚至是重大调整。以探究式教学为例，目前国内更多地在基础教育中采用这种形式，而理工科基础课中却很难操作。之所以这样，与理工科基础课的特点(见本文第二部分)有关，其中知识的坚实性、系统性与深奥性对传统意义的探究产生了重大影响。因此，应该在理工科基础课的背景下重新审视探究式教学的目的。从知识的坚实性看，现行探究式教学中对于新知识的诉求是不可行的。面对基础课中的核心知识，主要任务是接受、理解，以及理解基础上的应用，而与新知识发现关系不大。从知识的系统性与深奥性看，也与现行探究式教学的目的格格不入，因为深奥、抽象及知识关系复杂，意味着凭借学生自身的认知能力，是无法理解与掌握这些知识的，故老师的作用相对彰显，而这又与现行探究式教学强调学生自主性的诉求相矛盾。如果进一步考虑到大学生都是高中应试教育的“产品”，则探究式教学更是难上加难。这样一来，似乎根本颠覆了传统意义上的探究式教学，因为探索性与自主性都已落空。正因为如此，探究式教学尽管研究得热火朝天，但在高校中真正操作却很少，在理工科基础课中更是如此。
那么，是不是要根本放弃探究式教学的理念呢？理工科基础课中探究式教学是不是真的没有了空间？结论当然是否定的！而新的探究式教学，主要取决于通过反思达成的观念转化，特别是对一系列相关教育教学理念的重新认识。
首先，什么是新知识？一般来说，新旧是有相对性的，但传统教学观念却把新知识当成绝对的事物，即那些从未被人们认识到的知识才是新知识，而相对于学生而言的新知识却不在其中。以热力学第二定律与熵概念为例，一方面它们已经产生了100多年，是耳熟能详的知识；但另一方面，对学生而言它们又是新事物，是需要学习的新知识。对于具有相对性的“新知识”，客观上不存在探索与发现的问题，因为它们都清清楚楚地展现在教材中。因此，探究必须赋予新的含义，即根据知识对于学生的相对新颖性，以及由此产生的认知过程的不完备性，将发现式的探究转变为澄清式的探索，使学生的知识认识由模糊、理解不深，逐步达到较高的认识水平，并最终获得运用知识于具体问题的能力。以高等数学的极限理论为例，学生不是见过极限的定义、学习了几个例题，就能把握该理论的核心，真正认识与理解需要漫长的探究过程，需要学生自主地提出与极限相关的问题，试探性地运用极限理论到其他领域，如物理学、化学，甚至是生活领域，从而在提问、反思、质疑、具体运用中，逐步加深认识。
其次，探究的方向。传统观点认为，探究式教学总是向外的，向着未知的外部世界，特别是自然界。但是，还有一种向内的探究方向，即面向我们自身，面向人的头脑与思想，去探究其中未知，甚至是构建其中的空白。改革开放30年来，人们已经习惯于对外开放，热衷于面对外部世界，特别是西方发达国家，这一点在教育中尤其明显。但是，30年带来的思维惯性使我们忽视了向内这个重要的方向，忽视了自我改造，特别是自身思想观念深层次问题的解决。2008年爆发的金融危机已经从思想方向(注意：不是思想方法)上给我们敲响了警钟，也进一步启发我们在教学中眼睛向内，在探究式教学中努力解决自身的问题，而不是一味地眼睛向外。
最后，探索的自主性。事实上，自主也是一个相对的概念，因此不能绝对化。在传统的探究式教学中，过于强调学生的自主性，老师似乎已经失去了基本地位而变得可有可无。我们认为，至少在理工科基础课中，老师的地位绝不能动摇，知识的基本传承不能因为强调自主探究而丧失。当然，这不是说回归到满堂灌的老路上，而是根据理工科基础课知识深奥、系统等特点，充分发挥老师的作用，特别是在新式探究下的作用，以便调动学生的探究积极性，引领探究的方向，把握探究的尺度(因为过度探究容易钻牛角尖)，使探究式教学真正落实到理工科基础课中。
不难看出，观念转换后的探究式教学获得了新的意义，探究式教学的自主性与探索性诉求有了新的生存空间，这为它的实践操作奠定了基础。
二、理工科基础课教学的特点分析
如果要在理工科基础课中真正实践探究式教学，必须对其特点有深入的认识。尽管理工科基础课的重要性不言而喻，但它们的特点，特别是面向探究式教学时表现出的特点，却并不清楚。根据经典的课程理论，课程是由教材、教师与学生构成的，故分析课程特点也要从这三个维度展开。
1. 理工科基础课教材
教材是学科知识体系的代名词。对于理工科基础课，知识体系往往有以下特征：
(1)核心知识的坚实性
每一门理工科基础课中，都有一批核心知识。它们经历了长期的实践检验，得到了反复的证实，因此不可动摇。例如，高等数学中的极限理论、函数理论，大学物理中的牛顿定律、电学基本公式，物理化学中的热力学定律与动力学理论，材料科学中的结构与缺陷理论、相变理论等等。这些核心知识的坚实性特点对探究式教学会产生重要影响。
(2)知识的系统性
理工科基础课的另一个特点是，其知识经过长期的发展与演化，已经形成了逻辑关系复杂的较为庞大的体系。知识系统性的显性含义是知识庞杂，知识点众多；其隐性含义是，知识结构复杂，具体就是知识点之间的关系众多，而“关系众多”相比于“知识点众多”会带来更大的教学难度。
(3)知识的深奥性
大学知识有着固有的深奥性，而理工科基础课中，知识深奥性表现得更加突出。相对论、量子力学、极限理论、热力学原理、控制理论等一系列理论，量子化、相对性、极限、函数、内能、熵等一系列概念，无一不显示出深奥的品性，它们中的绝大多数远离人们的日常感知，具有极为抽象的特征。
2. 基础课教师
从教师的角度考察理工科基础课的特点是新概念，这方面很少有人涉及。但是，教师毕竟是课程三要素之一，有着举足轻重的作用，因此全面考察教师是很有必要的。
由于基础课在理工科课程体系中的重要地位，基础课教师通常是一个学校教师队伍的中坚力量。他们常年从事教学工作，理论水平较高，教学经验丰富，作风严谨，责任心强。因此，作为传承式的教学，这些教师是完全胜任的。但是，从探究式教学的要求看，基础课教师又存在一些不足。首先，经验丰富与作风严谨使得易于墨守成规，而不敢积极探索教学中的新事物；其次，由于基础课教学任务重，工作量大，这部分教师的科研项目较少，与生产实际的接触远不如专业课教师，加之基础课教师教育理论水平不高，使得基础课中大胆改革的精神不足，教学改革的活力不够。在探究式教学中，必须注意到教师的上述特点，有针对性地做好教师的工作，特别是思想观念的转化工作。
3. 基础课学生
在教学三要素中，最容易忽略的恰恰是学生！从某种意义上讲，学生是三要素中最重要的。尽管学生的作用至关重要，但遗憾的是，学生很可能是探究式教学实际操作中的主要障碍。
理工科基础课通常在第一、二个学年开设，此时学生刚刚从高中考入大学，他们的学习目的、认知习惯、知识结构主要来源于中学，而且以应试教育为主要特点，造成大一、大二学生在面对探究式教学时全方位的不适应。首先，从知识传承的角度看，学生不知道知识以概念为核心，理工科学生往往热衷于公式与计算，因为公式记忆与计算娴熟是应试之本，但这恰恰从根本上偏离了知识的核心；其次，学生普遍缺乏主动意识，且这种缺乏贯穿于学习的全过程，如知识寻找、问题生成、探究讨论，而这些都是探究式教学不可或缺的；最后，学生普遍惧怕不确定，惧怕改变现状，习惯于固守以往的模式。根据我们多年的观察，一些好学生反而在变革时表现得相对保守。
学生状况的不如人意恰恰反衬出教学改革的必要性，以及在理工科基础课中实施探究式教学的迫切性。
三、探究式教学的操作之道
综合以上分析不难看出，在理工科基础课中实践探究式教学，将面临巨大的困难与挑战。从另一方面讲，困难与挑战也意味着其中蕴涵着巨大的价值。正是由于这种巨大的价值牵引，我们通过多年的实践，逐步摸索出一套基础课中探究式教学的操作方法，其核心就是：概念问题探究。
1. 概念
教学中强调概念是老生常谈。但将概念置于理工科基础课的背景下，特别结合探究式教学的要求，则概念的教育意义与教学操作就需要重新认识。前已述及，基础课知识体系具有坚实性，这一特性反映在概念上就是基础性，即这些课程中有一批基本概念。概念的基础性意味着其内涵小而外延大，因此意义深奥，影响深远。从探究式教学的角度看，概念的基础性为新式探究提供了巨大的空间，因为深奥意味着学生不可能马上领悟，他们必须通过不断的思考(即探究)才能逐渐明白概念的深刻内涵；而影响深远意味着基础概念可以与许多事物相结合，从而为概念的反复认知提供大量机会。以物理化学中的系统概念为例，它不仅仅属于物理化学课程，也是控制原理、信号与系统，甚至是高等数学等课程的核心概念。同时，系统也广泛存在于社会科学领域，如经济系统、社会系统、教育系统等。通过系统概念在各个学科领域的广泛应用，学生会逐渐明白系统的层次性，明白系统的物质属性是最为重要的(即唯物主义的基础)，明白系统与环境的相互作用决定了系统发展的外在方向性，等等。这样，对系统概念的认识得到不断深化，属于学生的系统概念的外延逐渐扩大，最终形成一个关于系统的概念体系，从而基本完成对系统概念的认识。
上述概念认知过程启示我们在探究式教学中注意概念建立之初的简洁与形象化。基础课中概念的基础性与深奥性，及这些特性衍伸出的特点(如外延广大)，使得概念的建立不可能一蹴而就。因此，在概念建立之初，就应该努力使概念简洁，即教师通过典型事例展示概念最基本的内涵，而不能面面俱到。我们发现，中国教材在概念引入时，有从一般到特殊的普遍习惯，在理工科基础课中更是如此，似乎先给出了概念的一般定义，就能包罗万象、一劳永逸。但是，无论从学生的认知能力还是实际教学效果看，从一般到特殊并不是概念教学的万能形式，对于基本概念更是如此。以熵概念为例，即使告诉学生它与混乱度有关，即使让学生记住熵S的经典公式，甚至是通过该式做了一些题目，学生对熵概念还是不甚了了。因此，对这类基本概念的认识就应该另辟蹊径，即从特殊到一般，而这里的特殊要求教学中使基本概念变得简洁(尽管这会一定程度影响普遍性)，因为简洁的东西才易于把握；同时，使概念更加形象化，因为形象化是应对基本概念深奥性(从而具有抽象性)的法宝。不难看出，我们主张初学时全力建立简洁清晰的概念，这样能够在学生的头脑中留下鲜明的印象，这为概念的后续学习奠定了坚实的基础。
在概念建立中，特别是概念建立之初，教师的作用是不可或缺的。此时不宜将任务主要交给学生，而是应该以教师为主导，快速高效地建立概念。我们反对在探究式教学中弱化、甚至忽略教师作用，因为这相当于否定知识传承。教师的知识理解、认知水平、思想方法，以及这些背后的态度与精神，对后辈学生都是宝贵的财富，因此绝不能轻易放弃。此外，强调快速高效，是为后续以学生为主体的教学过程预留了时间。
2. 问题
不难看出，上述过程仅仅是教学的初级阶段，要想使学生的概念深化、理解加深，还必须进一步展开教学，而这一阶段的核心是问题的生成。在传统的灌输教学模式中，教学的进一步展开是通过例题，特别是各种各样的计算题目，其目的主要指向公式的记忆与计算的娴熟。但是，概念的认识与理解，特别是概念的应用，有着不同于公式-计算的模式。例如，函数概念的深入理解不可能只通过函数的计算、证明，它必须通过问题，如函数的要素到底是3个还是2个？矢性函数、矩阵函数与普通的函数的异同何在？函数空间与尺度空间的差异是什么？等等。又如，内能的概念不可能仅凭热力学第一定律(即)就能掌握。对于内能，还要进一步区分动能与势能，区分各种场景下动能与势能的具体组成；要追问凝聚态与气态间内能的差异，搞清楚进一步细分成液态与固态时内能的差异；要明确内能在凝聚态化学势中的作用，明确内能是有层次性的，及这种层次性在转变、相变、化学反应诸过程中的体现。不难看出，对于概念的认识及其深化，是以问题为教学手段的，通过问题实现对概念加深认识，因此问题的形成至关重要。
问题的来源分为三种：老师、学生和师生互动。当概念初步建立后，为深化概念认识而生成的首批问题理所当然的来源于老师，因为此时学生还没有入门，还不会提问，特别是结合所学概念的具体问题，这方面的能力缺陷与长期的中学应试教育有很大关系。因此，教师应该首先提出一批问题供学生思考、探索，从而引导学习的方向(以免重蹈公式、计算的覆辙)，特别是通过这些问题诱发学生自身的问题，这一点非常重要，它是探究式教学自主精神在基础课教学中的核心。随着(教师)问题的思考，学生逐渐形成了自己的疑惑、问题，这些问题带有学生认知结构上的缺陷，因此是个性化的，是鲜活的，也是学生最感兴趣的。不难看出，教师问题的真正作用不是拾遗补缺以完善学生的认识不足，而是激发学生在所学概念框架下的思考。由于理工科基础课中概念的基础性、深奥性及系统性等特点，所以学生在思考中一定会想不通、看不透或讲不清，因此能够产生大量属于学生自己的新问题。根据心理学原理，学生对于自己的问题是非常认真的，总是希望解决这些问题，这就给自我探究奠定了基础。另一方面，学生的新问题从相对的角度讲，也算是未知，探索这种未知对提升学生的思维水平与认知能力具有重要意义。问题的最高形式源于师生互动，此时已经无法区分问题的归属到底属于谁，它形成于师生间的讨论过程，是相互启发的产物，这就是所谓的教学相长。
顺带指出，现有理工科教材在提问方面是不符合探究式教学的，因为现行的做法是概念定义之后，马上将教学引向公式与计算。而真正围绕概念，以概念深化理解为宗旨的问题却很少，也缺乏时效性，具体就是没有在概念初步建立后立即提出有利于深化理解的问题，使得学生错误地以为概念的认知状态已经达到要求，殊不知实际差距非常大。
3. 探究
事实上，探究与问题是相互融合的，之所以分开讨论无非是强调同一过程的不同侧重。当概念初步建立后，随着教师问题传递给学生，真正意义的探究正式开始。学生开始思考，学生有了问题，学生需要解惑，凡此种种都离不开探究，它是学生自主参与的思考过程。根据认知心理学，思考过程分为分析、综合、推理、判断，其中分析既是思考中首先进行的过程，也是现代大学生最为缺乏的能力之一，因此理工科基础课探究式教学首先应该重视分析能力的培养。下面用一个实例说明如何通过提升分析能力来强化概念的理解。
热力学第二定律的核心思想是通过如下的克劳修斯不等式表达的dSδQT教材中给出的标准解释是：δQ是实际过程的热效应，T是环境温度(对于可逆过程，环境温度等于系统温度)，dS是伴随过程的熵变，等于号对应可逆过程，大于号对应不可逆过程。记住了这个式子及其条件，熟练地用该式(通过计算)判断具体过程的可逆性，这样是否就算完成了对热力学第二定律的认识？答案显然是否定的，因为如此深奥的物理定律不可能一蹴而就。我们因此设计了这样的问题：dS到底与过程有无关系？由于答案较为复杂也非常专业，因此只介绍答案与分析的关系，该答案主要借助对过程概念的进一步分析，即学生应该将过程分解为：起点、中间过程和终点，这样一来就能分清上式两侧的性质，其左侧只与起点和终点有关，因为dS是状态函数；而右侧只与过程有关，因为δQ/T只与中间过程有关。故克劳修斯不等式的真正含义是，比较同一过程不同侧面的性质，当表示状态性质的dS等于过程性质δQ/T时，该过程就是可逆的，大于时是不可逆的。更进一步，学生们明白了起点与终点固定的前提下，过程是多种多样的，其中有一类过程(可逆过程)是特殊的，其δQ/T=dS，而任何其他过程的都不具备可逆性。显然，不可逆过程不是一类，而许许多多，但可逆只是一类过程，这个概念对于后续的非平衡热力学至关重要。对克劳修斯不等式认识的加深，会促进学生回过头来认识热力学第一定律，它也是起点与终点的状态函数差与中间的过程量之间的关系，只不过此时是与能量有关的诸量，如内能、热与功。这样就从更高层次统一了两大热力学定律。如果延伸这个概念，还能进一步联想到数学中的积分，其中导函数(中间过程)的积分，等于原函数的端点差值！由此可见，真正的概念认识与理解有着强大的“辐射”作用，这为概念应用提供了广阔的空间。
不难看出，我们的教学目的是提升学生的概念认识水平，因为概念是学生今后学习、科研的真正出发点，故概念的认识水平与应用能力至关重要。在概念深化的探究过程中，分析、综合等思考能力随之加强。而上述水平与能力的综合就可以达成理工科基础课探究式教学的主要目的。
参考文献
［1］任长松. 探究式学习［M］. 北京：教育科学出版社，2005：25.（责任编辑、校对：臧莉娟）Reflections on Inquiry-Oriented Teaching of Basic Technical Courses
WU Qiang，GUO Yu
(1. School of Material, Nanjing University of Science and Technology，Nanjing, Jiangsu, 210094;
2.School of Automation，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing, Jiangsu, 210094)
Abstract：This paper first reflects on the purpose of inquiry-oriented instructions, and on the characteristics of basic technological courses. Based on “concepts-questions-inquiry” procedures, a new instruction model is advanced to adapt to new teaching requirements of basic technological courses.
Key words: inquiry learning；technological majors；basic courses；key knowledge