尽管付出了大量时间和各种努力，诺贝尔物理奖得主 Carl Wieman 教授仍然在无法将知识有效地传授给学生这件事情上感受到越来越多的困扰。
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我第一次涉足物理教学时，我还是一名助教。我采用了一种大家都认同的的教学方法。首先，我把一个主题在我的脑子里搞懂，然后，我将其解释给学生们，我认为这样做，他们就会和我一样的清晰地理解这个主题。
至少在理论层面应该是这样的。由于我是一名实验方法论的虔诚信徒，因此，我总会测量一下结果。无论我如何测量学生们的学习质量，结果总是告诉我，这种教学方法是行不通的。学生们偶尔会在一些地方理解得和我一样好，但是绝大多数的学生并不能完全理解我所教授的内容。
在传统的课堂上，老师站在教室的前面，将其认为已经清晰理解的知识解释给一群处于被动学习状态的学生。
但是这种教学策略不能主动地影响到课堂知识的记忆，改进对于基本概念的理解，或者，影响到学生个人的信念（新知识是否会改变你对一个事物运行机制的看法）。
加州大学伯克利分校心理学教授 Alison Gopnik 曾经说过，“我不觉得有哪一位科学家认为我们在大学中采用的教学方法真的可以帮助学生更好地学习。”
实际上，我们只是将课堂讲座设想为一种一对多的传授知识方式。显而易见，我们需要确保学生们能够将这些接触到的知识在自己的大脑中有效地保留下来。
Wieman 曾经提及三个案例，其中最后一个案例几乎完美地凸显了被动式课堂讲座不能有效发挥作用的困惑点。
在最后一个案例中，Kathy Perkins 和我有几次故意在讲座中呈现了几个不那么显而易见的事实性知识，在大约15分钟之后，我们做了一下测试，结果显示，通常大约有10%的学生仍然记得这部分知识。这种现象不仅表现在学生身上。我曾经将这个实验在一次由美国顶尖大学物理系教授和研究生参加的研讨会上进行了重现，其结果是一样 - 也是大约10%。
Wieman 认为，如果我们将其与人类的短期记忆结合来看，这些结果就具有了普遍的意义。
这项研究告诉我们，人类大脑能够短期记忆的不同“东西”的数量大约是七项，能够同时处理的“idea”大约不超过四项。但是在现实中，我们的学生需要在一个课时内记忆和处理的“东西”的数量远远超过了这个极限。
事实上，我们的课堂式教学方法不仅没有更好地帮助学生从一名新手变成一位专家，相反，数据显示，学生们的思维方式，在完成一门课程之后，变得更像一名初学者，起码在思维上就是如此。
关于教学，我们依然有一个困惑没有解决。老师，无疑是他（她）们所在领域的专家，但是无法有效地改进学生们的学习效果，这到底是怎么回事？
一些研究为我们提供了部分答案。
认知科学领域的研究人员针对各个领域专家特有的能力进行了研究。他们发现了几个基本的要素。第一，领域专家知道很多领域相关的事实性知识。第二，专家具备有效获取和运用已有知识的智力结构。第三，至少在他们精通的领域，专家具有自我监控思考（元认知）的能力。他们经常会反问自己，“我是否理解这个东西？我怎样才能检验我的理解程度？”
一名传统意义上的理工科领域的指导老师往往专注于讲授事实性知识，似乎觉得专家特有的思考模式就会随之产生，或者，伴随其一起出现。但是认知科学却发现帮助学生开发新的思维方式（专家思维）才是作为重要的。新的思维方式建立取决于学生已有的思维。因此，如果希望成功地传授知识，你需要将关注的焦点放在学生们已有思维模式上。
这是基本的生物学理论。真正意义上的“理解科学”和“按照科学模式思考”取决于长期记忆。而长期记忆开发是通过创建和合成复合蛋白质而完成的。因此，一个人，如果不能扩展其心理或智力能力，就无法获得专家思维并且完全掌握一门知识或技能。
这让我们想起了 Charlie Munger 曾经在心理模型 那篇文章中说过的一些话：
什么是基本且通用的智慧呢？首要原则就是，你不可能真得了解任何你只能记住一些支离破碎事实的事情。如果这些事实没有被正确的放置在一套理论体系（latticework of theory）之中，你就没有把它们变成真正有用的形式。
在你的大脑里，你必须预先准备好一些模型。就是说你需要将你的经验和经历相互连接起来，而且要把它们形成一套体系。你或许注意到了，那些试图仅仅记住一些事实的学生，无论在学校，还是生活中经常会遭遇各种困境和困难。
关于模型，最重要的是你必须具备多个模型。如果你只有一到两个模型可以使用的话，根据人类心理的自然状态，你就有可能曲解现实世界，甚至让现实世界适应你的模型 ……
就像人们常常说起的那样，“如果你只有一把榔头，每一个问题对你来说，看起来都像一枚钉子。”
Wieman 认为，学生们需要改进获取和应用知识的思维模式。“学生并没有学会像专家那样的思考方式，他们之所以能够通过考试，只是依赖了死记硬背和一些解决给定问题的技巧。”
改进教学和学习的策略
许多教育和认知研究成果显示，我们是通过构建自己的理解来进行学习的。但这并不是说，我们不需要任何帮助。有效的教学活动可以让学生们深入到一个主题的内部，站在一定的层次上思考，然后，反思自己的学习过程，并且能够指导自己逐渐变得具有专家那样的思考问题的方式。
那么到底有哪些有效教学策略，以及怎样才能提高学生们的理解性认知水平呢？
降低认知负担
第一种可以改进课堂教学的方法就是处理短期有效记忆的问题。真正卓有成效的老师都应该为此做出一些努力。每次讲述一个概念，学生们就可以学得很快。如果你在一节课中，讲述内容过多，他们就无法做到有效理解，甚至不会学到任何东西。
因此，作为一名老师，你能够做的就是通过各种办法降低每次呈现的知识点的数量。有一些好的办法，比如，将讲课速度降下来，清晰地呈现一堂课的逻辑关系和核心内容等等。适当的使用图形图像呈现信息，而不是仅仅依赖于口头描述，而且注意最小化技术术语的使用。所有这些都可以有效地降低不必要的认知负担，并且能够取得很好的学习效果。
处理自信/信念
第二种办法就是，老师们可以通过重新认识学生对待科学的观念的重要性来改进学习指导。我们发现学生们看待一个专业或者领域的态度和观念，会直接或间接地影响到他们对于其主修专业的选择。而且，老师特有的教学方式可以影响到学生的理念。即使是指导老师的一点点微小的干预，都会帮助学生们避免其对一个专业或主题的兴趣的衰减。
这种帮助学生处理理念的特定干预活动可以通过讨论一个主题的内容进行，为什么这个主题值得学习，这个主题在现实世界中如何被实际应用，其重要意义是什么，如何将其与学生已有的知识连接起来。实际测量的结果表明，进行这方面的活动，可以很好地提高学生对一个主题或专业的兴趣，而兴趣和实际的教学结果又是紧密相关的。
激发和指导思考
第三个改进教学和学习的方法就是吸引，监控学生们的思维变化并获得有效的反馈。在现实中，师生互动在绝大多数的大学中主要体现在课堂教学这个环节。这就意味着老师必须持续地关注课堂上发生的事情。
为了有效地开展教学，老师必须首先了解学生们是如何看待这个主题的。这样的话，老师们就能以此为基础。接下来，老师应该组织相应的教学/学习活动，确保学生们主动地思考和处理这个领域的重要思想。最后，老师应该建立一种机制，探究和指导学生们在实际学习过程中的思维变化 - 也就是学生们的知识形成过程。
辩论是为了学习，不是争取荣誉
另外，将辩论作为学习的一种手段，也是一种很好的尝试。
在上课的第一天，我将学生划分成组。一般情况下，三到四个学生一组，并且让他们坐在一下。课程设计围绕七到十个涉及当天主要学习目标的问题展开。我告诉这些小组，他们必须得出一个可统计的答案（利用答题器），而且，他们还需要为他们的选择提供必要的解释。这些将用在学生们处理新的思路和解决问题的时候采用的一对一辩论中。相互评价彼此想法这个流程不仅是为了取得一项统计结果，而且可以改进学生们科学辩论的能力，测试学生们自己的理解程度。
感谢 annie 补充这个好主意。
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感谢：Happy 帮助推敲本文标题译法
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