隨想 物理

專題式學習在大學間漸受歡迎

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撰文者:Toni Feder(譯者:常雲惠)
發文日期:2017-06-18
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  • 專題式學習可以培養大學生在團隊合作、溝通、創業精神,以及解決真實問題的能力。

    當韓海莉(Haley Jane Hancock)剛進入加拿大奎斯特大學(Quest University)就讀時,她的計畫是主修創意寫作(creative writing)。然而,在第一學期的一門必修課「能量與物質」之後,她決定轉修物理學。在這門課裡,學生們被要求獨立設計出,測量聲音速度的方法,以及證明單擺運動能量守恆的方法。她說:「幾乎每天都會有新問題拋給你,而且要求你去弄清楚這些問題。逐漸地,我開始期待更多的問題,而且是更大、更深刻問題。這間實驗室會讓人上癮!」

    位於英屬哥倫比亞卑詩省的奎斯特大學,將於今年秋天創校滿十週年。它屬於一小群但數量卻逐年增加,支持專題式學習的教育機構。專題式學習(Project-Based Learning,以下簡稱PBL)的具體作法雖有差異,但宗旨都是希望能激勵學生,並為他們將來面對社會與工作環境的高度變化需求做好準備。「做中學」(Learning by doing)是所有專題式學習共通點。學生在這個學習的過程中,逐漸成長為可以團隊合作的高效能溝通者。

    任教於歐林工程學院(Olin College)的薩默維爾(Mark Somerville)說:「在教學上,我們比較像是學生的教練,而不是學科專家」。這所校齡才十五年,位於美國麻薩諸塞州(Massachusetts) 尼達姆(Needham)的教育機構,目前是許多希望採用PBL的教育機構觀摩的對象。薩默維爾說,由於學生只有在有需要的時候,才會開始尋找相關資訊,因此,PBL的教學方式傾向於「即時式」(just-in-time)的指導,不同於傳統高等教育裡「預防式」(just-in-case)的教育方式。

    PBL常見的教學特色,例如實際動手操做,跨學科與社會化等,似乎讓愈來愈多的女同學,開始走進向來陽剛氣十足的工程學門。例如,當哈維穆德學院(Harvey Mudd College)於十年前對電腦科學系,以及今年在工程學系的修課要求上,進行改革之後,校長克拉韋(Maria Klawe)說,這二個學系的課程從「學生最痛恨的課,變成最受歡迎的課」。她說,在工程學科上「我們過去二十年的資料顯示,男同學的成績表現遠遠優於女同學」。然而,當課程內容變得貼近真實生活,並以專題式的研究方式進行時,「男學生與女學生都表現得更好,並且沒有性別上的差異」。

     
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    圖1. 加拿大奎斯特大學學生,馬丁(Kyle Martin)設計製造了水面下海洋浮標,用以測量海洋表面與洋面下方水體流動的關係。該項目是他在高年級學習課程的總結,用來回答他之前提出的問題:如何將設計要素融入到機械系統中?(Image Credit:TONY MARTIN)

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    解決現實生活中的問題

    打從一開始,歐林工程學院的創校宗旨便是希望改造工程教育。校長米勒(Rick Miller)回憶道,在籌備期間「我們一群人圍坐一起並自問,對於大學時期還保留有那些記憶?」結果,「我們全部的人對於大四做專題時的一些細節,感覺仍舊是歷歷在目。我甚至還記得當時吃過的東西!為什麼我們非得等到大四才能做專題研究呢?又為什麼只能做一個專題呢?」

    這群教授決定做個測試,看看能否為學生建立一個以解決真實生活問題為主的課綱。於是,他們把新入學的一群高中畢業生分成幾個小組,並給予他們一道挑戰題:以五週的時間,設計並造出一個脈搏血氧儀(pulse oximeter),可以測量一個人的血氧含量。米勒說:「結果實在很難預料!」學生們燒壞了許多電晶體,而製作出來的儀器也相當笨拙。但是,這個結果證實專題研究的作法是可行的。

    他說:「我們從這個測試中學會二件事。首先,學生不需要先花費二年的時間學習微積分跟物理,才能開始做專題。其次,也是更重要的,這個經驗對個人的影響深遠。學生似乎一下子長高了二英尺。他們的態度是『只要是我能想到的,我都可以動手做出來』」。歐林學院的課綱規畫人員反覆進行這項試驗,並且確認自己先前低估了學生的能力。米勒說:「這是一個冒險,一個團隊的冒險,因此團隊合作至關緊要。」

    現在,每位歐林畢業生都會完成二,三十個專題。專題研究涵蓋範圍甚廣,從製作機電元件,到提供一些社會問題的解決方案,而且都是可以落實或創業的想法。最近的研究項目更是延伸到針對家庭煮夫,陪產婦,老人家,無家可歸者以及冬季衝浪人的產品與服務。薩默維爾說:「這來想法,源自於對特定族群及其需求的關心與理解,之後才能設計出可以解決問題的產品」。他指出,學生是帶著同理心來設計這些產品的。

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    無以倫比的深度學習

    奎斯特是一所博雅教育(liberal arts and sciences)的文理大學,與歐林工程學院分享同樣的教育哲學。它與歐林工程學院一樣,以專題式學習與跨領、跨學科的方式,賦予學生信任和責任感。這二個學院都屬於小型的私立教育機構。奎斯特每年招收200位學生,而歐林只有招收84名學生。二校唯一的不同是,奎斯特把一學年分做八個區塊,每個區塊為三週半的時間;每個區塊上一門課,全年共計八門課。此外,該校沒有提供一般大學具體的專業主修,因此學生畢業時均授予文理學士學位。

    學生在前二年需修習十六門課程,選擇的主題涵蓋人文,社會科學以及數學等課題。初入學時,學生多從修辭、寫作與溝通等課程開始。在第二學年結束時,學生需要制定出在最後兩年希望探討的問題,以及相關的學習計劃。

    韓海莉從零開始,打造出一台氣相色譜儀,來回答她所提出「實驗如何提高對物理宇宙的理解?」的問題。透過這個專題,她向大家展示如何利用現成的物品進行深度研究。另一位學生則鑽研哲學、量子力學以及社會的關聯,以分析她所提出「真實宇宙與我們所見到的宇宙有何不同?」其它近來提出的問題包含:科幻小說如何幫助科學進展?橄欖油的物理和化學性質為何?以及形塑地球表面的作用力為何等等。

    在奎斯特創校後的前八年擔任校長的哥倫比亞大學天文學家赫爾方(David Helfand)說:「相對於同時修幾門課,學生在這種以時間分段的課程裡,可以有更多的學習時間。而且,少了許多時間上的限制。」因應課程的需要,老師可以規劃合適的田野調查,例如飛到貝里斯(Belize)考察當地的經濟發展,用幾天時間到野外觀察地質現象,或是旅行到外地學習不同的語言或參加學術會議等。

    赫爾方說:「我是一位典型的學者,並且認為這種時間分段系統在物理系是行不通的。我的英文同事也說,這在他們的領域也是行不通的。」他警告說,這需要捨棄你大部分既有的教學工作(例如講課、板書、批改試卷等),但是「當你看到學生所達到的學習深度時,那種喜悅真是無與倫比」。
    他舉外行星為例。「在哥倫比亞大學教課時,我在黑板上寫下方程式,畫出圖表。講台下的學生們,把我寫在黑板上的內容抄在筆記本裡。而在奎斯特大學,我只需要給他們一個有些變數的電腦模擬:望遠鏡的大小、軌道傾角、質量、距離。接著,就放手讓學生自行操作」。幾個鐘頭之後,就會有學生站到講台上,在黑板寫下克卜勒(Kepler)的三大行星定律。「這就是我所謂的建構的知識,而非轉移的知識」。

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    混合型的學習方案
     
    逐漸有些大學開始推行小規模的專題式學習。例如,伊利諾大學厄巴納一香檳分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)的工學院,從一個單一的課程開始,在既有的教育環境中每週見面二次。伊利諾工學院榮譽教授戈德堡(David Goldberg)說:「相對於歐林的完整課程,這就像是把玩具槍。我們既有的教育典範是以服從為本的。我們希望經由適度的開放,來平衡一下原有的模式。然而,我萬萬沒想到,就這麼一點點的改變,竟然可以在伊利諾產生『歐林效應』。但是,我們真的做到了!這種校園文化的改變,真的很叫人激動!」
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    圖2. 建校於十年前的奎斯特大學,將博雅教育帶入這個國家。該校座落於英屬哥倫比亞省斯的溫哥華以北70公里處。該校著重從操作中學習。(Image:QUEST UNIVERSITY CANADA)

    最近,位於德克薩斯大學艾爾帕索分校(University of Texas at El Paso,即UTEP)以及多倫多約克大學(York University)的工學院,都在傳統的大學環境中注入了「做中學」等新元素。五月,UTEP的工程領導(Engineering Leadership)學程的有了第一屆的畢業生。學程創始人阿薩雷斯(Roger Gonzalez)指出,歐林是教學上的一個典範,「但是,你可以想見,我們和他們完全不一樣。他們錄取了頂尖的學生,而且師生比又低。對UTEP而言,我們是一所公立大學,學生有選擇的自由。我們所展現的是,你可以很有效地改變學習文化,但不需要大刀闊斧地更動課綱裡的每一門課。」

    在UTEP,研修工程領導學程的學生,除了每學期修一門專題課程之外,其餘便是選讀校園內的其它課程。這個新的學程的女同學比例約占40-45%,相較於整個工學院15-20%的女學生比例,對女同學而言,這門新學程顯然更具有卻吸引力。阿薩雷斯補充說:「我們所招募到的學生並非書呆子。他們會希望帶著工程上的訓練與專業知識,投身到音樂,政治或者是商業等領域。」

    數年前,科津斯基(Janusz Kozinski)及其同事改造了約克大學的工學院。他說:「我們想要改變課綱,讓人們可以進行橫向的學習,而非類似坐井觀天,只能以縱向的方式學習。此外,我們也希望能吸引更多的女性進軍工程行列。」因此,工程、商業以及法律等三大領域交織在一起,形成拉松德工學院(Lassonde School of Engineering)獨有的特色。科津斯基說,僅僅三年的時間,註冊進入該學院就讀的學生,增加幾近十倍之多。他又說,其課程內容仍舊受到傳承下來的學系結構以及內部人員的限制,不過,「我們提升了原有的課程,而且,它仍在持續進步中。但是,我們現在正在英國進行的改革,可以說是絕對地走在最尖端。」

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    在英國的起始階段

    科津斯基所說的是指,位於威爾什(Welsh)近郊,赫瑞福(Hereford)市外的一處工業區,今年春天剛收到政府補助,成立的新型科技與工程大學(New Model in Technology & Engineering,簡稱NMiTE)。NMiTE的創始人科津斯基說:「與拉松德學院不同的是,這是一所從無到有的全新的大學,我們有充分的授權與空間,而且沒有傳統包袱的限制。」
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    圖3 . 歐林工學院的學生,設計出一個表面覆蓋LED燈,由音樂點亮的立方體。(Image:LEISE JONES PHOTOGRAPHY)
     
    NMiTE會與歐林工學院一樣,成為一所「博雅工程」(liberal engineering)學院,並採用與奎斯特大學一樣,根據時間分段的授課系統。此外,如同前述二所學院一般,授課教師並非終身制,而是以數年一聘的合約制度。受雇教師的職責包含教學,服務,以及不必是原創性的知識活動。一年四十六週的課程,除了讓學生體驗職場工作時間規律之外,也可以提前完成學業。與NMiTE搭檔的華威大學(Warwick University)則負責監控其學術成績,並共同合作發展難以在傳統大學推展的新型教學模式。

    科津斯基說:「進入NMiTE的學生,會從一個叫做『熱情專題』(passion project)開始」。這個專題的學習目標,是在幫助學生體認到自己在材料科學、數學、物理以及化學等科目上,還需要多加學習。科津斯基說,一旦他們開始了這個專題,「他們便會了解到這些基礎科目並不抽象、單調,且有助於他們想要改變世界,或是開創成功企業的雄心壯志」。

    NMiTE有四個主要領域:製造業,綠色可再生能源和智能城市,農業工程,大數據與資源安全。而領導、溝通、衝突決議、政治脈絡、財務及營銷等軟實力的指導與培養,將透過整個工程課程中進行。

    MNiTE預計在2018年秋季,先招募一群學雜費全免的學生,針對課程與教學方法進行測試。第一屆正式學生,將於2019年秋季入學。

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    物理學與專題式學習能否契合?

    物理學諾貝爾獎得主,也是史丹佛大學的教育研究員威曼(Carl Wieman)認為:對大多數的教學實驗課程而言,以專題研究的型態來進行,應該有助於大幅提升教學品質。但是他擔心,若想把這樣的教學形態應用到整個物理教學上,恐怕是不切實際。此外,他還指出,到目前為止,或許有些對於PBL的讚美之詞,以及一些個別的證詞。但是,對於足以支持其在物理教學應用上的統計資料,仍顯不足。

    任教於羅格斯大學(Rutgers University),專長物理與天文教育的艾金娜(Eugenia Etkina)說:「在複雜的科目如物理與數學,其思維環環相扣,陳陳相因,因而不利於全面實施專題式學習。」然而,在她的課程改革研究計畫中發現,即使只有小部分的課程運用了PBL的教學模式,類似伊利諾、UTEP 及約克等大學的作法,對物理系的同學而言,便有相當的助益。艾金娜已經發展出與傳統大學部相異,旨在提供學生更多的獨立性,以及更多從失敗中學習的教學實驗室。她說,在理想的情況下,解決問題的需求,或是完成計畫的成就感,都是學生學習動機的重要來源。

    對於赫爾方而言,他贊成主修工程與非科學主修的課程,以「做中學」為學習途徑,因為那是教學上的「革命」。但是對於物理主修,他則保持中立。他說:「專題研究的方式有其價值,因為它關乎提問與解答。」但是這種以專題為主,時間密集的教學方式,恐怕難以覆蓋物理學家需要處理的大量素材。「我已經看到它在工程、地質、醫藥及商業上的應用。但是,我還無法確定這個方法是否適用於物理學。」

    哈佛大學物理學家瑪祖爾(Eric Mazur)是物理教育改革的先驅。在針對非物理主修學生的物理課堂上,他常以實際生活的問題為切入點。他說:「過去二十七年來,為了讓學生產生更多的互動,而不至於大夢周公,我所做的就是把某個壞掉的東西帶進課堂,並嘗試修補它。然而,我仍舊無法解決學生缺乏內在學習動機的狀況。」

    受到歐林工學院的啟發,他把授課方式換成專題式教學,並遵從來自哈佛商業學院的三項原則:測試相關技能、與真實世界相關的專題,並將同理心或社會正義納入其中。「起初,我只受限於我自己的想像」,他說:「產生同理心與社會正義並不困難。結果,學生們開始產生興趣,因為他們發現學習物理的同時,還可以對社會做出有意義的貢獻」。

    瑪祖爾說:「若是對非物理主修的學生有用,對主修物理的學生就一定會有用。因為非物理主修生是更難引發學習動機的一群」。「我們需要重新思考的並非某個單一科目,而是整個課綱。這樣一來,就不難重組出可以激發學生內在學習動機的課綱,乃至於持續學習的動機」。

    以PBL為基礎的哲學,在NMiTE、歐林工學院以及奎斯特大學,旨在培養學生進入現代工作場所的技能。其深度有時候可能以犧牲傳統課綱的廣度為代價。不出所料的是,許多選擇繼續深造的畢業生了解到,有些學科知識上的空白,必須填補。但是,他們也說到,自己比其他同儕更擅長解決開放式的問題。

    例如,韓海莉承認,她的非傳統教育使她在選擇其它學校的物理課程時,銜接上有些困難。但是。她仍舊認為專題式學習「培養學生更有能力承擔新的,以及不斷變化的現場問題」。她畢業之後,在一家生創公司擔任實驗室經理。
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    圖4. 德克薩斯大學艾爾帕索分校,第一屆完成工程領導學程的畢業生,與創辦人阿薩雷斯(照片中間,橘色恤衫)一同慶祝。(Image:UTEP COMMUNICATIONS)
     

    本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, June/2017 雜誌內(Physics Today 70, 6, 28 (2017); doi: http://dx.doi.org/10.1063/PT.3.3589);原文作者:Toni Feder。譯者:常雲惠

    Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates that Physics Today (American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin.  The article is contributed by Toni Feder and is published on Physics Today 70, 6, 28 (2017); doi: http://dx.doi.org/10.1063/PT.3.3589. The article in Mandarin is translated by Ms. Marleen Charng.
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