对科学细节的关注，不仅使卡尔·威曼（Carl Wieman）获得了诺贝尔物理学奖，而且还将自己的工作重心转移到推进大学本科的科学教育方式的改革上。威曼认为，就全美国而言，大多数研究型大学针对本科生的科学教育方式都是不科学的，而且收效甚微。
威曼于2001年在科罗拉多大学采用主动式学习方式为大学生授课
由物理学教授转身为科学教育改革者的威曼无法理解，为什么美国高等教育会无视数十年来的成果，即以学生为中心的主动式教学模式绝对优于50分钟填鸭式授课。美国高等教育因不能培养出足够的科学毕业生而遭到诟病。威曼认为，目前使用那种过时的教学方法，意味着是在浪费人才。
教学改革的斗士
15年来，威曼一直致力于研究大学本科科学课程的教学方式，从美国科罗拉多大学博尔德分校到加拿大温哥华的英属哥伦比亚大学，在教学方式改革方面取得了卓越的成效，被证明极大地提升了学生的学习效果。
针对大学课程的设置是由学术部门安排的，威曼认为，学术部门通过其雇用、提升和授予任期等权力，以此对大学教师的奖励机制加以界定，因此，大学教学能持续改进的最好方式，就是促使这些部门对其设置的课程进行改革。在温哥华哥伦比亚大学，这些改革已经在推进中。
只有解决了学生流失率这个最大的障碍，才可能培养出更多的科学家和工程师。对于那些志在科学、技术、工程和数学（STEM）领域获得学位的学生的高流失率问题，备受威曼等人的关注。“我认为，在推进大学科学教育改革上，没有人比卡尔做得更好。”今年3月刚辞去美国国家科学基金会（NSF）主任的苏布拉·苏雷什(Subra Suresh)说，“对于大学来说，教学方式的改革并非什么新鲜的事物，但卡尔的努力使这一问题广受关注。”“我非常尊重卡尔，他是个认真钻研的人，坚持不懈地寻找事实证据。”NSF负责本科教育的苏珊·辛格尔（Susan Singer）说，“他是个认真钻研的人。”
在科罗拉多大学和英属哥伦比亚大学，威曼的科学教学改革已初见成效，然而，他的另一个目标，即扭转研究重于教学的校园文化进展不大。同时作为白宫科学技术政策办公室(OSTP)的副主任，威曼事实上是奥巴马政府的科学教育决策者。然而，上任20个月以来，他发觉一时很难改变美国高等教育界的现状。
在OSTP任职以来，威曼提出，全美高校如果想继续获得联邦研究经费，就必须收集、发布关于教学实践方面的信息。他推断，该政策将会促使高校将更多的注意力放在教学上。
“我们将会有一个全新的团队，利用很多相关的影响因素以证明我的研究的重要性。”威曼说，“问题是，如果高校不肯公开关于教学的方方面面，他们自然也就不会花费精力去致力于教学质量的提高，而是将大多数时间和资金用于研究方面。”在众多有政府科技官员或学术带头人参加的会议中，威曼都在努力地推广自己的这一观点。
对此，大多数人担心会出现一项无资金支持的联邦法令（即要求必须进行教学改革的同时，不提供资金支持），他们更倾向于去年开始的由美国大学协会提出的一项“5年计划”，该计划致力于创建一个自愿的框架结构来改进教学实践，各部门可以根据各自的具体情况来实施。“我非常支持改进STEM的本科教学。”美国国立卫生研究院（NIH）主任弗朗西斯·柯林斯（Francis Collins）说，“但要达到预期结果，威曼的提议给人感觉似乎不是一种正确的方式。”
这对威曼来说还不是足够的挑战。去年六月，他突然被诊断为患有多发性骨髓瘤，在NIH接受了治疗，今年一月治疗结束。62岁的他说自己“很健康也很乐观”。目前，威曼已经离开了英属哥伦比亚大学（拒绝透露下一步的去向），开始了他的“理工科教育的科学教学方式”巡回演讲。威曼知道，要达到自己的目标，将是一条漫长而艰难的道路。在他看来，任何改革都值得为之去尝试、去奋斗。今年二月，在波士顿召开的美国科学促进会（AAAs）年会上，威曼在讲话时认为，大学本科的教育改革或已“通过严峻的考验”。
给改革一次机会
在选择科学生涯之前，威曼对象棋和网球的喜好程度，曾一度占据了他所有的时间，“用‘偏执狂’这个词形容我再恰当不过了。”2007年在接受采访时，威曼这样说，“我认为，任何事情都是这样，只要你专心致志地去做，就一定能做好。”他最后说：“科学，现在已经成为我专心致力去做的事情。”
正是威曼的顽强、坚持不懈，使他获得了诺贝尔物理学奖。1925年，在印度物理学家萨特延德拉·纳特·玻色（Satyendra Nath Bose）研究的基础上，爱因斯坦将玻色对光子(粒子数不守恒)的统计方法推广到原子(粒子数守恒)，并预言当这类原子的温度足够低时，会有新的物质状态产生。这样一个物质波被称为玻色-爱因斯坦凝聚态。大约70年之后，在由美国国家标准与技术研究所(NIST)和科罗拉多大学博尔德分校运作的天体物理联合实验室，威曼和埃里克·康奈尔（Eric Cornell）分别通过激光冷却和蒸发冷却用铷元素气体实现了玻色-爱因斯坦凝聚。4个月后，麻省理工学院的沃尔夫冈·克特勒（Wolfgang Ketterle）用钠-23也实现了玻色-爱因斯坦凝聚。为此，2001年，康奈尔、威曼和克特勒共同获得了诺贝尔物理学奖。
在实现玻色-爱因斯坦凝聚之前，威曼和康奈尔至少有这样的优势，即了解该凝聚的大致形态。相比之下，很多大学教师也许从来没有这方面的经历，因此无法提升以学生为中心的高质量的教学方式。威曼坦承，一方面，许多著名的科学家都是在传统教学模式下成长起来的；另一方面，大学当前所运行的机制也束缚了教师们无暇或不愿对教学模式做出任何新的尝试。
“当然，我并不是说研究工作就不重要。”威曼说，“但我们需要意识到的是，鉴于目前的大学运行机制，很多教师的想法是‘我本来可以花更多的时间去改进教学效果，但这不是我份内的事。’正是目前的机制使他们存有这样的想法。所以必须找到一种方式，即在改善教学质量的同时，又不会影响研究工作。”
让威曼感到纳闷地是，在本科教学过程中，当他讲授了学生需要了解的知识后，为什么学生的成绩普遍不太理想，甚至还出现倒退？而很多研究生在他的实验室工作几年之后，就成为了颇有建树的科学家？通过对文学的探讨，威曼有了一些见解。他意识到，在一位负责任的科学家的指导下，研究生在实验室从事的是真正的研究工作，学会了像科学家一般去思考问题。
“‘学徒模式’教学在研究生院运作得非常好。当学生如何构建一个激光系统，写一篇论文，或做一个专业报告时，导师都可以清楚地了解到。”博尔德分校的STEM教学中心主任、物理学家诺亚·芬克尔斯坦（Noah Finkelstein）说，“那些都是我们真正想让他们做的事情，或是他们自己愿意做的事。在此过程中，双方都有沟通。但这种教学模式对于本科教育来说，成本太高了。”
而大学本科的教学模式，通常是在大教室里由一位教师以讲授的方式和数百名学生互动。事实上，很多学生在一堂精彩的授课之后还是会继续他们的片面或错误理解。有研究认为，改进这种授课作业模式，将学生按兴趣分成诺干小组，由指导教师帮助他们把一些基本概念应用到现实生活中去。实现以学生为中心的、主动式教学的最佳方式是什么？威曼认为，答案是将主动式教学与刻意练习结合起来。
威曼曾在《科学与技术问题》杂志中写道：刻意练习“涉及到学习者解决或完成一系列问题和任务，这些任务或问题往往具有挑战性，涉及到学习者的专业思维和能力表现。”在其过程中，指导老师的鼓励对学生掌握必要的技能非常关键，或提供反馈信息帮助学生完成任务。如同体育运动，威曼指出：“要想有非常出色的表现，通常需要数千小时的刻意练习。”
围绕主动式教学与刻意练习推进的本科科学教育的改革，在2011年发表于《科学》杂志的一篇文章中，威曼和同事对其作了描述：在英属哥伦比亚大学，将理工科本科生分为两组，一组进行主动式教学和刻意练习，另一组则进行通常的填鸭式授课。在覆盖相关内容的多项选择测试中，前者的得分高出后者两倍多。“结果显示，差距非常明显，使整个物理系一下子恍然大悟。”该校科学部主任西蒙·皮考克（Simon Peacock）说，“实际上我们可以教得更好。”
目前在英属哥伦比亚大学，采用主动式教学和刻意练习的教学方式有99门课程，涉及3.12万名学生，很多是面向大一、大二学生的导入性课程（这些学生对自己的主要研究领域仍不确定）。威曼说：“在课程设置上我们已经进行了实质性的教学改革，理工科学生前两年要花一半以上时间学习数学和科学课程。”威曼还对他于2007年在地球和海洋科学部推出的科学教育计划引以为豪：“对于地球和海洋科学的教学，我们已经取得了卓有成效的成绩。”
“卡尔坚持不懈地努力，使我们看到该停止对STEM的人才选择，这将是彻底的改变。”辛格尔曾是明尼苏达州卡尔顿学院的一名生物学教授，“问题是如何营造教学环境，卡尔的努力向我们证明了，主动式教学模式或许更为有效。”
探寻最有效方法
如何对大学本科科学课程进行改革？威曼周围有一群志同道合的博士后专家团队。在科罗拉多大学推进科学教学计划时，有一个12人团队；在英属哥伦比亚大学，人数达20多位。这些专家都接受过相关的训练，科罗拉多大学科学教学负责人凯瑟琳·帕金斯（Katherine Perkins）称他们是“改革的发动机”。
原科罗拉多大学计算机科学部科学教学专家、现加州大学圣地亚哥分校教学中心主任贝丝·西蒙（Beth Simon）说，当与大学教师初次会面时，专家们首先会问，当课程结束时，你想让学生知道什么、做些什么，或怎样去做。一旦教师阐明该课程真正的目标，就应当将其转化为学生的学习目标――通常是技能的实现。下一步就是编写“多项选择题”，旨在帮助学生分阶段实现其学习目标。多项选择题，通常关注的是学生对于一些概念经常出现的错误或片面理解。
然而，要将技能以多项选择题的形式出现，恐怕并非易事。西蒙认为，期末考试可以提供一些有用的指导性信息，以了解学生期待学到的东西。但实际情况并非如此，一方面，一些教师并不了解某些测试题究竟是衡量学生对哪些概念的掌握；另一方面，有些测试题中覆盖的概念知识也并非课程的主要议题。
应该说，经过改革的课程其教学方式不应是填鸭式的，而是多项选择题：学生们自由结组讨论，负责该课程的专家周旋于各个小组之间指导。当学生们给出了各自的答案时，专家会安排一堂“微课程”，目的在于纠正学生的错误，填补其知识的空白，然后再进入下一个多项选择题。尽管这种教学方式更为有效，但还是会有一些学生不太适应。
与接受填鸭式教学的学生相比，接受改革课程教学的学生往往表现得更积极主动。西蒙说，不再进行填鸭式教学的同时，教师需要向学生解释同侪互助教学法的重要性（即教师担任促进者和指导者的角色。由教师挑选班中年龄相近的学生，结成一对一互动模式，指导他们增进知识、提升沟通技巧和发展人际关系）。为使学生从课堂教学中最大化受益，学生还有课外阅读课业，并以作业形式上交，教师以学生阅读材料的理解程度对其评估作业。
在进行科学教育改革的同时，教师势必也要接受相应的培训，这就需要部门的支持，以推进教学改革的顺利进行。一般而言，以一项5年的教学计划为例，应拿出部门预算的5%来推进课程的教学改革。例如，在科罗拉多大学，威曼将其所在物理部的教学改革奖励经费翻了一番。最近，斯坦福大学计算机学教授戴维·切瑞顿（David Cheriton）捐献了200万美金，用于推动数学和计算机科学部门的改革。
威曼并不是孤军作战。在科罗拉多大学的STEM教学中心，由NSF计划资助的项目与校内大约75项STEM教学活动相关。帕金斯希望，这些经费将用于相关的网站建设，在帮助教师开发物理教育技术仿真程序的同时，分析该程序对科学教育的影响。
然而，由于缺乏同行评议的出版物，使得一些科学家开始质疑：威曼的改革究竟取得了什么成果。“当有人问我们做了什么时，”芬克尔斯坦说，“我说，我们已经改变了机构的定位和内涵。其中一半人可能会认同，另一半人则持以怀疑的目光。”
当有人问道，英属哥伦比亚大学的改革能否坚持下去，威曼的回答很坦率：“这正是我做这项研究的原因。与一年前相比，我乐观了很多。”他补充道，“过去我们认为对此丝毫不感兴趣的人，现在会说，‘快看，我已经做出了改变，而且我还想做得更多。’至于十年内能否一直坚持下去的机率有多大，我觉得现在还很难说。”
奖励抑或是惩罚？
2010年，威曼决定到华盛顿寻找机会，设想在全国范围内对本科的科学教育产生影响。他说：“在白宫科学技术政策办公室任职期间，我的首要任务就是推进本科教育改革。”期间，威曼推出的第一个步骤是：要求各高校编辑并发布其教学改革方法的相关数据，以此作为获得联邦研究基金的条件。当时他推断，当学生开始以高校发布的数据作为参考选择就读院校时，高校则不得不改善教学实践，来吸引最好的学生。“如果每个被授予研究资金的高校提供此类信息，那么第二年教学实践会有很大的改观。”
在由政府教育官员及研究型大学校长参与的会议中，威曼不知疲倦地陈述着自己的观点，并认为这是推动改革的一种较容易的方式。但威曼的观点遭到与会者强烈的反对。他们认为，教学实践是很难界定的，自我编辑的报告其数据不可靠。另外，收集此类数据也将是一个负担。去年四月，几位著名大学的校长甚至联名上书白宫，试图阻止威曼建议的实施。
几个月后，威曼辞职，但他丝毫没有改变自己的想法。威曼说，在英属哥伦比亚大学或科罗拉多大学进行数据收集（问卷调查形式）工作，如果由一个部门做的话，可能仅需几个小时。“与一次大学教师会议的时间相比，这根本微不足道。”他认为，各高校之所以不愿收集公布此类信息，是因为他们的教学现状不佳，但又无法作假，担心学生会将提交虚假信息的高校公布于众。
柯林斯更倾向于一种自愿的方式。“我知道，对于高校是否会自愿进行教学改革，卡尔是持有怀疑态度的。”他说，“我不能断定，是否所有的大学都愿参与其中。但我想总有一些大学会说，‘是的，我们相信这是正确的事情，应该去做。’”
对于联邦政府资助研究项目的价值，政府官员和高校通常会强调它对经济的推动力。对于生物医学研究，他们也会强调其拯救生命的潜能。但威曼认为，上述言论无法应对公众和政治家日益增长的呼声――高等教育水平要与其不断上涨的学费匹配，甚至引发了很多州的立法机构数十年对一流公立大学的抨击。
威曼认为，对于大学校长来说，一个更有效的回应就是强调研究工作可以更好地指导教学工作。“我认为，解决办法就是要显示出，你确实通过相关研究改善或提升了教学工作。刻意练习和其他教学方式要求，教师应该具备研究的专业技术知识。如果能做到这一点，就可以将一所一流的研究型大学转化为对学生而言的最佳教育场所。这还没有成为事实，所以现在还不值得投资，但总有一天会实现的。”
资料来源Science
责任编辑 则 鸣