立己達人：一位同時獲得諾貝爾獎和一丹獎學者的貢獻

2001年，卡爾‧威曼（Carl Wieman）獲得諾貝爾物理學獎；2020年他又獲得一丹教育學獎，是第一位同時獲得這兩個獎項的學者。

作為諾貝爾物理學獎的得獎者，威曼不可能是一個平庸的教授，可是，他竟然投放了不少時間在自己的課堂內，並在多所大學校園進行偉大的實驗，以改善大學的科學教學。多年以來，他同時進行兩類研究：一類是物理學，以激光來爆破原子，觀察它們被爆破後的行為；另一類是了解人類對物理學的思考過程，然後找出更好的講解和教學方法。

在史丹福大學，威曼基於興趣教授物理學導論，協助那些中學物理學基礎薄弱的學生。

由被動變為主動的學習

威曼從大量科學教育的文獻總結出：面對一個如此複雜的科學學術範疇，沒有人能夠單單通過被動的聽講，可以獲得真正的理解；取而代之，他們一定要採取主動，通過整理以往所得的知識和思考，建構他們自己的科學觀。作為未來的專家，他們需要的不應該只是陳述性的知識，而是通過心智的組織能力和解難能力，以及元認知能力去評估和修訂他們的思考過程。

科學的學習不應該停留於背誦一些和世界無關的事實和過程，而應該裝備學生把科學應用於處理公共政策決定上。

實際上應該怎麼辦呢？威曼設計了一個六年計劃，希望令大眾接受這樣的主動學習。他作出多方面的努力，包括和國家級的組織合作、改善大學物理學教學、發展出對學生有用的創新計劃。由於他的努力，這些科目大部分都變成為不是科學主修生的入門課程。

在科羅拉多大學和英屬哥倫比亞大學每一個參加的學系，威曼均安排了一個科學教育專家，以協助計劃的推進。

學習的關鍵性質

威曼提倡拋掉講義，正在萌芽的準科學家應該通過嘗試去學習，也要從錯誤中不斷作出調整。學習的出現源自於一個人發現自己的思考中的某些錯誤，嘗試找出錯誤的原因，再思考怎樣去糾正這個錯誤。

他要求學生在獲得知識基礎進行分析前，嘗試預測特定題目的答案。威曼指出，如果學生們的猜測是錯誤的話，他們在學習正確解決方法的過程中會更為投入。

上述計劃的核心部分是課程轉變的過程，這個過程由四個問題帶領：

學生應該學些什麼？
（通過科學方法了解）學生實際上學習了些什麼？
為求達到理想的學習成果，應該調整哪些課程設計和教學法？又應該引入哪些有效的科技和教學法的研究？
哪些可行、有效的課程設計和教學法，適合廣為傳播和採用？

教育專家主張的主動學習方案包括：以工作紙為本的活動；即時回答問題的答題器；整班的討論以及個人的、配對的工作。但是最重要的是以進行科學研究的方法和態度處理去促進學習。

威曼一開始展示下列有趣的實驗：把學生分為三組，第一組學生在上課時只是抄筆記，第二組不用抄，第三組自行去學習有關筆記。和學生的直覺相反，在一般典型的考試方法下，第三組的學生表現最好；第一組最差。原因可能是抄筆記影響學生的注意力，而自行學習筆記則需要更多的思考過程。

但這是不是表示在現實世界的情境中，第一組學生的解難能力是最差的呢？典型的客觀測試的測驗結果，又是不是和有效學習有關的呢？威曼的答案是否定的。他把在考試得到高分的人和科學專家區分得很清楚。認知科學研究指出：專家的能力包括對事實知識具有一個有組織架構的認知能力，並有能力去控制自己的思想和學習。

從一個教育家的角度看，什麼教學法能夠最有效地培育學生專業呢？威曼批評一些不好的教學法，例如，在一個傳統的課室內，教師開始便用上形式的方法、解釋定義、說明方程式，然後應用這些去解決問題。這種方法只能提供零碎的知識，並不能引起學生的學習興趣。一些教師用了超過90%的時間去講授，學生完全沒有時間作出智性的思考。

怎樣避免這些不好的教學方法呢？他提出下列的課堂教學設計：在上課之前，學生收到所需要閱讀的資料，這些資料提供所需要學習問題的背景。在上課時，絕大部分的時間是用來解決問題，學生使用答題器或在工作紙記錄他們的回應。七個史丹福大學的物理學課程採用了這種設計，結果學生更投入於學習，而90%的學生給予正面的回應。他們的意見是：所有史丹福大學的科目均應該應用這種方法進行教學。

威曼進行的各項計劃

為了全面向學生傳授物理學，他從事各種研究，構思不同的教育革新，其中包括物理學教育科技計劃（http://www.colorado.edu/physics/phet）。這項計劃創造了多個網上的教學互動模擬系統，並探討這些模擬系統的成效。他還研究學生對物理學的看法和解題技巧。他是美國國家科學院院士，並擔任該院科學教育委員會主席。

為了改進大學學位課程的STEM 教學，他創辦並主持「科學教育倡議」方案，2017年，基於推行這個方案的經驗，他出版了《改進大學科學教學的方法》（Improving How Unversities Teach Science）一書。

一丹獎同時肯定了他成立PhET計劃的貢獻。2002年，他在科羅拉多大學（University of Colorado Boulder）波德分校成立了一個互動模擬計劃，這個計劃提供動畫的、遊戲式的環境，有助於數學和科學等多個範疇的教學。PhET在網上是免費提供的，被翻譯成為85種語言，每天的點擊率超過1百萬。

在PhET發明之前，教學的動畫化大部分是在一個有限制的環境下，由學生設定變量，按鈕把場景動畫化。威曼把科學動畫化、重新概念化、重新設計，並重新創造環境，使學生自由地、好像科學家地，去探索其中的因果關係。

在新冠肺炎疫情之下，他計劃把一丹獎的款項用來支持PhET作更大的發展。