英国科学教育:网络上的科学教育

     当我们看到一位非常好动,三分钟都坐不住的小孩,却能在计算机萤光幕前静坐数小时,且能保持长久不消灭的注意力时,我们就不得不感佩现代计算机的魅力。有人可能会为这么多小孩个个聚精会神,被他眼前的影像声色吸引而废寝忘食的现象忧心。但在这个信息急速发展的时代,与其想尽办法强把孩子们从计算机的影像管前拉开,因而引起两代之间的冲突与互不信任,倒不如因势利导,把计算机所能提供的信息教学化,使教室也能像「电动游戏场」一样的多采多姿。
   信息网络的流通,以及各类数据库的建立,使得懂得如何游走在网络上的学生,拥有空前的学习潜能。学校的教学必须正视这股潜在的能量,以新的教学方法的概念去引导学生的学习方式,把教学与学习历程的品质都提升到更高的境界。教师要加强个人计算机操作能力,把教材里的知识结构系统化,利用心智模式的概念把它们灌进教学软件中,使学生能利用网络上的多媒体信息,发生主动学习的功效。
    国科会科教处近年来整合了国内外资工、认知心理、科教,各级的教师们共同努力,正在研究如何有效利用网络做为教学的工具。其初期的策略是开发教学的软硬件,鼓励科学专业的学者与研究人员合作,制作适合中小学生在WWW运用的科学素材,让学生们经由网络上的知识库,来从事类似科学的研究。教学的重点是科学证明,而这些证据是由科学家、教师,或学生所发展出来而放在特别设计的网络证据数据库中。在教学过程上,学生除了可以保有自己实验与结果的讨论外,也可以透过WWW浏览器搜寻广大的网络资源,也可以利用其它的软件与其它的学生讨论。学生在合作的社会支持下进行思考和组织众多的证据,以支持或推翻自己的假说。在教学的过程上,学生从认识问题、发表意见、调查证据、组织证据、发展论点、讨论想法等,都可以由教师在网络上加以监控与引导。在电讯化的时代,教师的地位非但没有减低,反而在网络上成为一位专业的指导者。他们在学生与教材之外,还必须考量教学的环境,以随时修订评量的方式。
     上述网络上的科学教育,应该有几个重要的含意:首先,在理论上,网络科学教育的设计是基于认知心理学研究的建构论。我们认为知识的获取必须经由学生在解题活动中,从知识表征(符号、意义)与学生本身的心智模式互动中去建构,并重组其心理的概念结构。也就是说「老师说,学生听」的传统教学法并不能保证学生的学习,二十年来实验的结果也一再证实学生并不是像海绵一样被动的吸收,而是一棵活生生正在成长的树。为了有效的提高学生的理解,网络教学的设计,必须要能提供学生自动自发的机会,使他们能在网络上探索新的想法,调整问题的表征,并试着尝试不同的解题策略和比较不同的结果,使他们从仿真专家的经验中去培养剖解问题,以及据题论述的能力。
    第二,根据建构与重组的理念,网络教学必须提供「中断」(Interruptions)的可能性,让学生在问题解决的过程中,把课程内容的情节做摘要,这些摘要即使引导学生走到岔路,他们也可以在比较专家解题的模式上得到回馈。Cyber Prof(Ilubler,1996)在这一个层面上有相当好的例子。
      第三,网络教学是以学生为中心的教学活动。因此,课程内容的编制,必须配合学生的生活环境,包括地理、文化与社区的考虑。新知识的结构与学生初学时所具备的先前知识之间的结构,必须靠鹰架式的知识整合环境(knowledge Integration Environment)来使学习的成果变成根深蒂固。这种从学生本身的认知结构由下而上的把鹰架搭上去的方式,才是所谓本土化教学的真谛。如下图所示:

 

第四,现在的科学越来越重视科技整合的工作,因而网络上的科学教育也必须强调问题取向(Pro-blem-oriented),而不是学科取向(Discipline-oriented)的观点,而且问题的选择越有生活的真实性,则越能激起学生的关怀与求知的动机。目前国外的几个有名的网络教学方案(如White,1993年的Thinker Tool; Songer, 1993年的Kids as Global Scientists;OISE的CSILE;Edelson及O'Neill 1994年的CoVis;Linn的KIE以及CLP等)都尝试以合作研究与对问题的探索活动为课程内容的两大主轴。他们努力把计算机技术、教育理念,以及知识结构的认知系统结合在一起,以期透过网络去创造一个仿真科学研究过程的教室。

在这样的情况之下,我们要怎么样来设课程、改变教材,怎么样来训练一个老师去监控学生的整个情势,我觉得科学的概念与写作是一样的,而不是学文学的人写作跟学科学的人写作就完全不一样。在写作的时候你也在表达意念,在表达意念之间的比较,在批判、在寻找证据,在最后完成一个argument去讲述你要写作的东西,这个跟科学家作研究有什么不一样吗?其实这整个思路的过程都是一样的,所以,在网络上提供的就是知识整合环境。也就是把一个知识,因为环绕一个主题,变成一个故事,然后再从故事中去寻找证据,到哪里去找呢。我们在教材、教法中要去设计,让他们在寻找的时候可以找到不同树的叉枝,然后,学生再由此建立他自己的故事,例如科学的故事、或者是数学的故事,建立他自己的态度、或者是兴趣、嗜好,学生可以在网络上写这些东西,而这些东西就是学生与老师之间交流过程的记录。于是,老师们就要开始provide cognitive guidance,在认知上、在主题上到底学生会遭遇到什么困难,从他在计算机上问问题,在计算机上click、click....究竟click了多少次,这个架构都会告诉老师这个学生遭遇到某一些困难,老师就可以在里面加以帮忙,当然,老师也不是什么都知道,他可以在网络上搜寻证据来协助学生。

我想用一个故事将这个概念点出来,学生对于目前学习很多科学概念,最大的一个问题在于,他们认为科学的知识都是课本上一条一件、一项一项的,挑出来时每一点都懂,但是却不知道如何联结,所以,我们提供一个知识整合的环境,学生由这个环境中去学习科学是不停的进步的,我怎么去跟别人argue,别人响应之后,我如何反驳,怎么从这样一来一往的辩证中往前走。举一个例子来说,一个自闭症的小孩,他不喜欢与人有眼神上的接触,他甚至于把他所有的漫画书,只要上面有动物的、或人的眼睛,他都把他们涂掉,因为他不喜欢与他们接触,这是一个很严重的自闭症儿童。从1950年左右,我们就开始对他作研究,目前的进步状况可以说停顿了非常久,由于在行为上,我们掌握他相当多的特征,行为科学家就慢慢提出他可能有这样的一个行为,一个变态的行为,所以,我们就去追问医生、以及佛洛伊德学派的学者们,当你们碰到这样的问题时,你们是给他什么样的药物?

对于这样的小孩,我们现在已经发现他有三个最基本的行为上的问题,一个是他们强制性的行为(compulsive behavior),也就是如我刚刚讲的,将书上所有的眼睛都涂掉,你叫他不要这样子,他还是无法停下来的,而有些小孩手不停的翻书,没有办法强制他停下来。第二个是给他看不同的脸部表情,他无法分辨那个表情代表的是喜怒哀乐或是其它的情绪,也就是他没有办法察言观色。另外一点是,这些小孩子大部份有social phobia,因为他不想、也不喜欢与人接触,所以他与人之间有一些距离,有一些恐惧感。当我们把这些研究成果放入网络中之后,学生们就可以在网络上面找到究竟某一个特征的显现,可能在脑里面是缺少了什么东西。像刚刚我所提到的,第一个强制的行为,我们知道它与serotonin有关,假如我们在市面上买一种药叫做prozac,这种药注射之后,自闭症儿童的强制行为就减低了。所以,我们就可以和学生在网络上一起讨论问题。接着我们来讨论phobia,他们害怕与人在一起、害怕单独在房间里,这种害怕、恐惧是怎么来的呢?我们知道佛洛伊德在他一连串的研究中多次提到,这是因为脑里面缺乏某一种oxytocin,而如果我们注射入oxytocin之后,他们的那一种害怕、不与人接触的情形会不会减轻呢?果然,减低了,而且开始讲话。再来,我们就问为什么他们的oxytocin 会减少?可以叫学生开始去寻找每一个自闭症儿童的背景。因为我们知道在分娩过程中,如果小孩生不出来,为了使labor加速,为了缩短分娩的过程,就会打一种催生针,几乎自闭症儿童的母亲在生产的过程时都打过那一种针,因此,我们会猜想可能是那样的因素造成的…。

由上面所说的这个故事中,我们可以看到,学生们就是在这样一个科学的架构下,在网络上跟我们讨论、跟同学讨论,而一些不认识的人也加入了讨论,如此的讨论在网络上热烈的进行着。最后,学生会渐渐了解,为什么是基因突变的结果?为什么脑里面会缺乏这两种荷尔蒙?经过一番论证之后,我们就发现原来这些小孩子与佛洛伊德研究中提到的病人不一样,那些病人虽然是变态,可是不是自闭症。那么,为什么这些小孩子会变成自闭症?刚刚已经有给大家一个提示,他不能读脸部的表情,而不能办别脸部的表情与右脑受到破坏有关,因此右脑伤变成一个基本的架构,然后荷尔蒙的因素加上去之后,就是我们看到的自闭症,最后我们完成了这个研究,就形同学生在做作业一般,反过来问,我们如何知道这个结论是真的,学生回去开始讨论、找证据,所以,整个网络的系统让学生可以engage science composition over the net,然后,学生可以reflect他们的理解,也可以写出他们evidences来与他人讨论,而且学生之间相互讨论的不一定是同班的同学,这整个过程都可以在网络上进行。还有,学生们也可以在网络上表达他们个人,例如把自己的相中放进网络中,这时候,我们可以看到一些很有趣的社会的、族群的反应,有的人不愿意把脸摆上去,他就放一个空空的空格。当我在Vanderbilt大学的时候,我就去注意没有把脸放出来的是哪些人,Vanderbilt大学是在美国南部的田纳西州,有很多黑人,他们几乎都不愿意表达「我」就是那个作者,他们缺乏自信心。

所以,在网络上,可以看到合作的、自我表现的,个人社会地位的种种现象,老师就必须由这些现象去了解一个学生,他对于一个project在进行时所产生的社会问题。另外,我们也有看到一些老师写出的东西,在网络上被学生猛烈的批评。有时在课堂上很少说话的学生,可是一出现在网络上话就特别多,因为面对网络时,别人看不见你的脸。我们常说,「上网络,没人性」,而实际上,一上网络他反而把自己的人性都表达出来了,因此,我们了解一个事情的结果不是么简单。

我们在网络的监控下,看到学生们讨论、写作,把它写成研究报告后,先把草稿传送回来给老师批改,老师改完再送回去给学生。这样的结果报告,可以从其中观察到学生思路的改变、以及他们如何改变了他们的写作语法、写作方式等等,甚至改变了整个故事架构,老师可以根据在网络上的所有记录给多予学生一个评论。至于「怎么样检定?」、「怎么样评论?」将会是一个重要的问题。

在有老师参与网络教学的情形下,而这个问题是有标准答案「是」或者「非」时,我们才不会惧怕学生给的答案会很特定。我们想鼓励的是在学生与老师互动之后,会出现一些模棱两可的答案,甚至鼓励学生出错。在整个网络架构设计的考量上,就是要诱使学生出错,这与传统的教育方式大不相同,传统的教育是要去增强正确的行为,而且消除不正确的行为。但是,我们认为「不正确」的行为也有很多意义,学生从错误的答案或不正确的概念中,才能去思考不同的alternative,才能激发不同的想法出现。我们现在来谈谈其中的一个检定工具,在伊利诺大学发展的叫做Cyber Prof。Cyber Prof是由一个极为优秀的物理学家所设计,他为了让学生了解一般的问题通常不是定义的非常清楚的,尤其在科学上碰到的问题常常是error defined,而在文学上、或社会科学上碰到的问题经常是模棱两可的,当你遇到上述的情况时,你如何去检定呢?我们中Cyber Prof看到他所采取的方法是non-linear mathematics、是complex system,这个方法是全世界第一个将复杂数学的整个fuzzy logical 概念在网络上用出来,学生的问题一表达以后,即使非常模棱两可,你怎么样以alter-native的答案来响应,所以,他们必须建立庞大的数据库,数据库必须与学生产生互动,如果显示学生的答案错误,学生可以在旁边马上问「为什么?」,然后,计算机会针对「为什么?」回答「因为,你太重视表面的现象,没有看到后面的一些原理…」。还有,他常跟学生讲,作为一个科学家对于原理的掌握,不要一直神游在表面现象。而应该让自己浸酝在其中,这与写作时的心境是一样的。在写作时,对于一个经验的描述不要把自己当作客体,而是让自己身历其境的融入经验中。所以呢,一些数学,一些fuzzy logic 都在帮忙我们定义(define)学生的答案,然后再给学生一个检定或定位,告诉学生「你的位置在哪里」。

因此,我们就要问「未来老师所要扮演的角色是什么呢?」,我们要训练的老师,他必须要能体认到,学生学习的情形不是像海绵一般,只是吸收东西;学生的学习过程就像一棵树,由树苗渐渐长大。所以,学生就像「tree」而不是「sponge」,但是这棵树的长成是在一个有规范的环境下,不是随随便便的。从这个意义上,我们必须清楚了解,未来的教学对象,他们的智能发展是多元化的,而不是只有我们以往所定义的:「一元化的智能」,因此,所有的教材、教法都必须在一个主题之下,有发展成各种不同智能的可能性。我们知道有语言的智能,逻辑、数学的智能,空间的智能,内存运作的智能,音乐的智能,交际的智能以及自给的智能等等,这些就是Gardner所认为的七种智力的种类,而我不想把它们当作是智力的分类,当成是小孩子成长过程中所能找到的智力发展空间的可能性。假如,我们已深深的体认到这样子的概念,那么,将来在培育老师的时候,要让老师去了解这些智能、语言在三万多年前的洞穴,就已经留有书写的符号,已经有图画,而且这些图画已具有表意的、有创造力的。另外一方面,我们也知道,逻辑、数学很早就有了,小孩子经由各个层面的学习而发展这样能力(此种能力是经由演化过来的)。

从这上面所说的,我们会看到有关七种智能的教学方法。由儿童的语言能力中,可以由文字、阅读、写作和讲故事等方面来看,他们需要各种各样的讯息,我们可以利用网络来架构这些东西,以供应小孩子的需求。在逻辑、数学、推理、空间及内存等方面,我们可以在网络上输入各种东西,我们也可以藉由网络给学生作很多不同的测验。比如说,我现在教学生写作文的主题是「什么叫发明?」,所以,我在教育小孩子的时候,在脑海中就必须先想到这个关于「发明」的主题在语言、数学、科学、阅读、写作、社会科学等各方面,都有一些跟「发明」有关的东西,在逻辑上可以架构的出来,然后,在内容方面也可以写出来。所以,就这么一个主题概念,我要去整合学生可能具有的七种能力,包括他们所要接触的内存、音乐及人际关系等等,这些都是在「发明」的主题之下,我们所能提供的,最后将搜集到的资料输入数据库中。在学生这一方面,透过网络的整合,学生所得到的对于「发明」这个信息,在写作时并非每一个方向都要包括,他要经过筛选,要经过自我的评论,要经过互动的论证之后所选出的令人信服的证据,而后才能完成一篇文章。上面我所说的这个架构,目前在美国的伊利诺大学所附属的一些小学、中学里面,其课程的设计完全就是这个样子的在网络上进行。所以,在这种教育下成长的学生,觉得学习非常有趣。

此外,我还看到在伊利诺大学正进行另外一项实验,师范学院学生的实习,不是在整个学业完成毕业之后再去作,他们在刚入学的前一、两年,例如,上到关于数学教材、教法的课程时,任课老师就希望他们赶快去实习两堂的时间到当(practice),所以,在一周的课程中就要抽出一、地的小学(以后,他们可能会去任教的小学),在课堂上假装成学生回答上课老师的一些问题,而且要与那个班级的学生在网络上(可能自己家里原来就有计算机,或者由学校供应计算机)交流。我们以前的教学实习,都需要老师与实习老师同时在课堂上指导学生,现在不需要了。他们可以在小学里当那位老师的助教把问题提出来输入网络中,然后,对于学生在网络中的一些问题,也可以去搜寻答案来回答。我们访问了一个接受实验的实习老师(师范学院的学生),在经过一年体验之后,最大的感想是什么。他说,以前在上教材、教法的课程时,例如生物的教材、教法,就是一些硬梆梆的教材、教法课本,而现在的情形大不相同,因为,他由实习的课堂中知道些学生会问什么问题,他也知道怎么会有这些问题,因此,将来毕业之后真正的去教书时,当他面对学生时,这种种的问题或状况,他大部份都已经处理过了,他自己觉得整个理解的层次提高、素质提高,非常多的课以此方the quality of understanding 非常的进步。这个结果可能会造成式进行。我回来台湾(偷偷的起床,到办公室上5 月 20 日)以后, 因为时差的关系,半夜无法入眠就了网络,就连接到伊利诺大学的工作站去看他们的课程表,发现他们已经有二十五个课程在网络上进行,而这些课程多是由中、小学的任课老师跟大学里的教授建议,希望改变以往用 lectures 方式,转而利用 Cyber Prof 来教,可是在内容上我却不知如何设计。那么,在大学里各种学科的教授与中、小的老师就搭配起来,在网络上创造出各种学科的教材,其中包括心理学,在高中设置的心理学实验室。

于是,我们可以想象到在二十一世纪的时候,学生的学习概念将会完全的不一样。第一个改变是非常的active;第二个改变是suspend engaging,也就是说他们进去网络以后,就不想放弃;第三个是insynchronous,在没有时间的限制下,他们可以非常自由的学习,即使半夜起来也可以上网络去看老师储存在「信箱」里的回答;最重要的是,他们可以看到同学的回答,看到他们与朋友合作的(cooperative)一些projects。所以,这种方式,既是个人化的(personalized)学习;又是社区化的学习,比如说,老师在设计问题时,可以涵盖有关他们生活的环境。举个例子来说,谈有关河流的污染,在田纳西的Vanderbilt大学附近,他们的整个主题都围绕着怎么样找到河流的污染来源,学生就根据这个主题去了解「什么叫污染?」,甚至可以计划一个view trip循着河流去看、去了解河流的生态,以及去实地观察污染的来源。他们捡拾垃圾、捡拾并登录农药的罐子,也曾追溯到在上游有某一家工厂直接将未处里的废水在夜晚时偷偷的排入河流里(这种情形和台湾很相像),后来学生们组成一个守夜团捉到了这个厂商的恶行....。到最后,学生会觉自己的project很重要,觉得自己对自己的学校、家乡很有贡献,所以,教学不再只是一个认知的(cognitive)domain,它还有情感的部份、个人的部份、以及文化的部份,我觉得在二十一世纪我们所要培育的教学法,也就是在网络上可以帮我们很多忙的教学法,就是像我上面所说明的一般。

接着我们要问「怎么样才是最好的老师呢?」,好老师大概有三种,第一种好老师,花了很多时间准备课本的内容,上课很认真的教,「我教你学」,成效好不好我们不知道,但至少这是认真尽责的好老师。第二种老师是一般我们常常提到的好老师,他们自我充实、自己设计教材,鼓励学生参与、鼓励学生发问,甚至创造了一种新的教材、教法,在激发学生的潜能与发挥学生的长处等等各方面,这种老师都尽量做到了。这两种好老师在二十一世纪都会继续存在。但是,我们更期待在二十一世纪时会有第三种好老师,他们能透过网络或其它的方式,将原来由老师去激发学生知识体的工作,经由前面我们所提到的方式让学生自己去作,这种好老师与第二种不太一样,他们只在一开始的时候去触发(activate)、去输入一些起始的资料,接下来的作业就由学生自己主动去完成。这种老师可能是将来我们会看到的非常好的老师,因为学生就是active learning、suspend engaging、personalized、affact(具有情操、情感的),学生本身会全心的投入,在英文叫做hang on,我想在这一方面我们的起步要快一点。

最后,我们必须重新界定教师的角色。他们除了必须是搭鹰架的高手,也要具有把这样编出来的教材灌入网络教学软件的本事。此外,他们必须能以异步的方式监控学生们的进展。他们的专业训练更为必要。过去的好老师是功课准备充分、说话清晰,能够使学生安静听课,但这种以作业为主体(Task-based)的教学成效不彰。现在一般所谓的好老师,是以知识为主体(Knowledge-based),其责任在制定教学目标,激发学生的先前知识,引导学生学习,并监控学生的理解程度。这种教学活动,老师仍居「主控」的地位,而且确能保教学品质,但是问题就出在老师「主控」一切,学生没有机会体会参与教学目标的制定与规画。所以,将来在网络上的优良科教教师,必须把掌控与规画的重责转交到学生手中,使学生们练习自订目标,自己去激发先前知识,自已提出探索问题核心的各项质疑,并能自我监控学业进展。能做到这些,才能算是廿一世纪的好老师。

综合以上各点,我想对时下有关远距网络教学的一些似是而非的看法,必须有所澄清。远距教学不只是影像传输而已(这只是第一步),它必须在教学内容及教学活动上,设计新的软件,以突显「教室」(包括家中的PC,以及虚拟教室)的动态历程。编制教材,了解学生的背景,选用适当的教学软件,这些都是教师的「分内」之事。因此,教师的专业训练格外重要。所谓因远距教学而使老师数量的需求减低的观念是绝对错误的。那种以为远距教学就是把明星老师的授课以现场直播的方式传送到各个不同学校的教室去,像看录像带一样,也是绝对错误的。记住,远距教学一定要脱离assembly line的错误概念。

网络教学的好处是它可以利用广大的计算机知识库,透过教师的线上监控,使得教学「个别化」(Customize),根据学生程度的不同,从知识库中提取适合他程度的教材教法的人性化教育。今天的计算机化结果是使我们更有choice,而不是使我们一致化。人性化的关键在于customize,老师在计算机化教学的地位是比以前更吃重,因为他要利用计算机的知识库实施个别差异的教学,做到真正的因材施教。

国内目前科学学习方面的基础研究还要更加强,尤其在project-based和problem-based 的科教基础研究更是凤毛麟角,这些都可能是发展优良计算机学习的困难之处,但国科会科教处的前瞻作法值得重视。这几年在人力、物力上的投资,方能为廿一世纪的科教,提供更适合台湾本土文化的网络教学,使下一代的菁英在科技上发挥潜力,对国家的竞争力,将有无远弗届的影响!

转引自台湾彰化师范大学理学院科学教育研究所《建构与教学》第十期