实验教学的教学设计

艾 伦

实验教学的教学设计

艾 伦

实验教学的教学设计是能力本位的教学设计。通过对传统课堂教学设计的分析，根据能力本位的要求，建立了实验教学设计的模式、内容与模板；并用一个实施案例对该教学设计进行说明。

教学设计；实验教学；能力本位

教学设计（instructional design）就是在进行教学前对即将进行的教学活动做计划。18世纪法国哲学家、教育家卢梭认为：“对于任何计划，都有两种事情要考虑：第一，计划要绝对的好；第二，实行起来要容易。”［1］笔者将要以这两点作为原则，对中小学实验教学的教学设计（以下简称“实验教学设计”）内容与方法进行详细说明。

思维导图：知识本位的教学设计

思维导图：能力本位的教学设计

一、传统教学设计内容分析

这里所谓的传统教学设计即通常课堂教学的教学设计。这种教学设计是中小学教师最为熟悉、最为津津乐道的，是现代课程与教学论中重点研究与推广的模式。在这里分析它的目的是借鉴其建立我们的实验教学设计。

1.传统教学设计模式

传统的、知识本位的教学设计是针对一节课或一门课程的课堂教学编制的，比较科学和经典的结构是分为7个层次（或方面）的教学设计，分别为：了解教学需求、分析教学对象、制定教学目标、确定教学内容、选择教学策略、配置教学媒体、进行教学评价。一些教学设计的内容是在这个基础上做个别增删，但是大同小异。例如：有些教学设计内容增加了教学重点与难点，有些则增加了教学过程，还有些增加了板书设计、习题设计等内容。分析后会发现，重点与难点应属于教学目标的内容，教学过程设计应该体现的是教学策略问题，而板书设计和习题设计也都在教学策略的范围内。

还有一种被称为ASSURE的教学设计模式，在1989年出版的《Instructional Media and Technologies for Learning》（教学媒体与学习技术）一书中被提出。［2］其中ASSURE是6个教学设计内容的英文缩写，分别表示为：A——分析学习者（Analyze learners）；S——阐明目标（State objectives）；S——选择方法、媒体与材料（Select methods ，media and materials）；U——运用媒体与材料（Utilize media and materials）；R——要求学习者参与（Requires learner participation）；E——评估与修正（Evaluate and revise）。分析这些内容可以发现，由于该书主要介绍教学媒体的作用，所以在教学设计中表现出来对教学媒体与材料的特别关注。但是其内容基本都被涵盖在上述7个层次之中。

2.传统教学设计逻辑关系

认为7层结构的教学设计比较科学，是因为它的内容具有严格的逻辑关系。

（1）了解教学需求

教学需求即社会需求，社会发展到目前阶段，作为该社会、该年龄段的学生应该具备什么样的知识必须明确。这是社会赋予学生的任务，是社会的需求，当然也就是我们教学的需求。

（2）分析教学对象

学生应该具备什么样的知识已经明确，但是我们所面对的学生对这些知识掌握的程度如何呢？这就必须对具体的学生进行通常说的“学情分析”，找出学习需求提出的知识与学生已经掌握的知识之间的差距。同时，还要分析学生的学习特点、方法取向、性格特征等情况。

（3）制定教学目标

根据教学对象分析中找出的学习需求与学生掌握知识之间的差距制定教学目标。教学目标的制定过程就是要求把这些差距明确地表述出来，把它设定为本次教学要解决的问题。并且确定这些目标中针对我们面对的具体学生来说，哪些知识是重点内容，哪些又是难点内容。教学目标应该是定量的、可测量的，最后需要得到教学评价的检验。

（4）确定教学内容

应该根据制定的教学目标和知识的重点与难点选择教学内容，但是由于目前我国中小学的教学内容是被教材规定好的，所以确定教学内容的工作就变成了补充教学内容的工作。补充教学内容与下面的选择教学策略是息息相关的，因为它们都遵循“最临近发展区理论”的原则。

（5）选择教学策略

一般研究认为教学策略仅仅“是为了达到一定的教学目标和教学效果”而制定或选择的［3］，其实教师必须根据教学对象的具体情况（已掌握的知识）和教学内容特点，再根据教学目标要求确定教学策略。“最临近发展区理论”是一个基本原则，就是根据学生已经具备的知识和认知取向，将新知识在原有知识的基础上逐渐呈现出来，以便学生获取新知识。课堂教学经常采用的教学策略有：脚手架式教学策略、抛锚式教学策略、十字交叉教学策略等。

（6）配置教学媒体

教学媒体是教学信息的载体，它的配置应该与教学内容和教学策略相关，针对不同的教学内容与教学策略将会选择完全不同教学媒体辅助教学。

（7）进行教学评价

教学评价必须是与前面的教学目标一一对应的，评价内容和目的就是要测量和判断通过课堂教学先前制定的教学目标是否达成。所以，教学评价的内容应该是以判断学生掌握知识情况为主，这样的评价才是客观、量化的科学评价方式。

二、实验教学设计内容分析

能力本位的实验教学设计不同于知识本位的传统课堂教学的教学设计，它们的目的不同，关注的对象不同，考虑的内容不同，解决的问题也不同。

1.实验教学设计模式

实验教学设计主要具有6个层次，分别为：分析实验内容、了解学生特点、设计实验方法、预演实验操作、组织实验过程、小结实验结果。可见，教学设计内容与传统课堂教学设计的内容并不是一一对应，这是从我国中小学实际教学特点出发而得出的结果。ASSURE的教学设计模式可能适用于全世界的教学，但这里介绍的实验教学设计不是通用型的教学设计，它是针对中国的中小学教学现状提出的，只对中国的中小学实验教学有效。

2.实验教学设计逻辑关系

实验教学设计的6个层次也具有很强的逻辑关系，它们必定不能是零散且之间毫无关系的简单排列，因为它们需要共同围绕一个十分明确的目标——学生能力的提高。

（1）分析实验内容

实验教学的实验内容不能由教师自行决定，因为它是被课程标准和现行教材规定的，这是中小学的教学现状。其实，教师也没有必要选择其他的实验内容，任何的实验内容都是对学生能力提高有益的。但是，考虑到针对性，仍然需要对实验内容进行认真的分析。中小学实验的内容多是不同的，其对学生的要求也不尽相同，有的实验注重学生观察能力，有的则注重动手能力，有的侧重逻辑分析能力，有的则侧重协作能力。所以，对实验内容的分析主要是研究该实验在哪些方面有利于学生能力的提高。

（2）了解学生特点

此处所说的是了解学生的能力特点，学生各种能力程度如何可以从日常教学和生活中观察出来或粗略地分析出来。了解学生能力，而不是精确测量出学生能力是一般教师都能够做到的。了解学生的能力情况对通过实验教学训练而有目的的提高其能力是非常必要的，也是为下面的设计实验方法提供依据与参考。对于相同的实验内容，为了满足培养、提高学生某些方面能力的需求，可以设计出完全不同的实验方法。

（3）设计实验方法

与分析过程（归纳过程，结论具有唯一性）相反，设计过程是一个演绎过程，它的结果具有多样性的特点，这就从理论上保证了对于任何一个实验内容而设计出的实验方法必然是多种多样的。课程标准与现行教材中的实验内容往往是为了验证一个被分析归纳出的科学结论，多表现为一系列数学表达式的形式。从这些表达式出发，便可以演绎出许多不同的实验方法。例如，典型物理实验测量重力加速度传统的方法是使用单摆，但是当我们将含有重力加速度的所有表达式写成显式形式时，不同的测量方法就呈现出来（详见笔者著《探究性实验教学与数字化实验》［4］一文）。同时，一个显式形式的表达式又有不同的书写方式，于是就又会在原来的基础上产生出更多的测量方法（详见“实验教学设计案例”部分）。根据学生能力特点选择一种实验方法，其目的是通过该方法使学生得到有效训练，提高相关能力。当然也可以针对不同的学生选择不同实验方法，但这会使得实验课程的准备工作和组织工作复杂化。

（4）预演实验操作

确定了实验方法后，应该对每种方法进行预演，也就是用这些方法将实验做一下，从中发现问题。预演实验操作对准备实验仪器设备、确定实验过程、找出实验难点、组织实验教学都是十分必要的。预演过程发现的问题应该返回“（3）设计实验方法”对实验方法进行调整。

（5）组织实验过程

这是常规的学生分组实验教学过程的组织工作，这个过程的教学设计应该充分考虑针对不同能力目标与实验方法要采取的组织形式。例如，对于注重协作能力提高的实验过程组织，学生分组形式（同质分组或异质分组）的确定就是十分重要教学策略问题。同时，应将学生具体的实验操作过程详细地描述出来，以便教学指导。组织实验过程发现的问题也应该返回“（3）设计实验方法”对实验方法进行调整。

（6）小结实验结果

小结实验不仅仅是学生记录实验结果和完成实验报告，它既有学生的小结内容也有教师的小结内容，参考内容详见表5（表中除注明的部分外，全部由学生自主填写）。记录下的实验过程与结果是今后对学生能力水平提高程度评价的依据，必须加以重视并认真填写。

3.与传统教学设计的差异

实验教学设计与传统教学设计之间最大的两个差别是：实验教学设计没有制定教学目标和进行教学评价这两个内容（层次），这是由能力的特点决定的。本文讨论的教学设计是一节课的教学设计，而能力的提高是一个长期而缓慢的过程，并且能力属于隐性知识，其提高的过程与程度也都具有隐形的特征，不可能通过一节课就能够解决这个问题。所以针对每一节课的能力提高设定目标与进行测量评价都是不现实的。显性知识与此不同，一个知识点往往通过几句话就能够使学生了解或掌握，所以短期目标的制定与目标达成的评价都是可行的。

三、实验教学设计案例

实验教学设计以初中物理实验“测量小灯泡的电功率”为例。

1.分析实验内容

测量小灯泡功率是初中物理课程标准中规定的第二十个实验，一般教材上也都将本实验设定为必做实验。实验方法是测量出小灯泡被点亮时它两端的电压U和它通过的电流强度I，用P = UI计算其电功率。该实验操作较为简单，但是测量仪表的选择比较复杂。测量仪表主要是电压表与电流表，类型上可采用指针式（模拟式），也可采用数字式；但根据数据处理的要求，电压表与电流表须选用类型与精度一致的。指针式电压表与电流表的量程由被测小灯泡的额定工作电压与额定工作电流决定，测量仪表的量程应该选择使得被测小灯泡额定工作电压、电流值在满量程的1/3至2/3处为好，即测量仪表的量程应该为被测小灯泡额定工作电压、电流值1.5倍到3倍。这些情况应让学生了解，并让学生参与这些分析，以重点提高学生的分析能力。小灯泡的额定工作电压Ur与额定工作电流Ir这两项参数值在成品小灯泡上都有标明，这些参数没有必要打磨掉，保留下来让学生进行分析是十分有益的。

2.了解学生特点

因为需要根据学生具体情况对学生能力特点进行分析，所以此部分内容略。

3.设计实验方法

实验仪器设备包括学生电源、电压表、电流表、滑线变阻器、固定电阻、小灯泡、绝缘导线若干。实验方法设计如下。

（1）方法1：P = UI 测量法

从表达式中可见有2个待测量的变量：U和I。于是使用1个直流电压表和1个直流电流表，分别测量小灯泡正常工作时两端的电压和通过的电流。

①测量电路1（如图1所示）。该电路在［电压表内阻/小灯泡电阻］＞［小灯泡电阻/电流表内阻］时使用。

图1

②测量电路2（如图2所示）。该电路在［电压表内阻/小灯泡电阻］＜［小灯泡电阻/电流表内阻］时使用。

图2

（2）方法2：P = U2/R测量法

此表达式中有2个待测变量：U和R（小灯泡工作电阻），测量仪表应采用电压表和电阻表。但是，小灯泡工作电阻R无法用电阻表直接测量，必须将表达式进行调整：P = U2/R = U·（U/R），其U/R即为通过小灯泡的电流。在小灯泡电路中串联一个已知阻值的电阻器R1，小灯泡与该电阻器中通过的电流相等，所以有U/R = U1/R1。于是只需分别测得U和U1即可，有P = U2/R = U·（U/R） = U·（U1/R1）。测量电路如图3和图4所示。电阻器R1阻值的选取应与小灯泡工作时的电阻相当，一般约为几十欧姆。

图3

图4

（3）方法3：P = I2R 测量法

此表达式中有2个待测变量：I和R（小灯泡工作电阻），测量仪表应采用电流表和电阻表。但是，小灯泡工作电阻R无法用电阻表直接测量，必须将表达式进行调整：P = I2R = I·（IR），其中IR即为通过小灯泡两端的电压。在小灯泡电路的两端并联一个已知阻值的电阻器R1，小灯泡两端的电压与电阻器两端的电压相等，所以有IR = I1R1。于是只需分别测得I和I1即可，有P = I2R = I·（IR） = I·（I1R1）。测量电路如图5和图6所示。电阻器R1阻值的选取应与小灯泡工作时的电阻相当，一般约为几十欧姆。

图5

图6

（4）方法4：数字化实验直接测量法

使用微功率计可直接测量小灯泡的功率和电阻。

①用数字化微型电功率传感器，可以对小灯泡的功率进行动态测量，实时检测出小灯泡的瞬时功率。微型电功率传感器可同时测得小灯泡的供电电压与电流，通过单片机及外围电路对采集到的数据进行处理，最终通过计算机软件或液晶显示装置，显示出小灯泡的功率值。测量电路如图7所示。

图7

②用数字化电阻传感器，可以对小灯泡的在变亮过程中电阻的变化进行动态测量。电阻传感器与传统的电阻表不同，用于测量闭合电路中电阻类器件的阻值，如小灯泡、二极管、电阻等器件。传感器的工作原理是同时测得被测器件的供电电压与电流，通过单片机及外围电路对采集到的数据进行处理，最终通过计算机软件或液晶显示装置，显示出被测器件的电阻值。测量电路如图8所示。

图8

4.预演实验操作

此部分内容略。

5.组织实验过程

（1）P = UI 测量法实验过程

①按图1或图2连接电路。注意不要打开稳压电源开关，使用电池组时注意使开关K成断开状态。连接完电路，小组成员间应相互检查电路连接是否正确。

②将滑线变阻器的滑臂滑向图中a侧一端，打开稳压电源开关，闭合开关K，使小灯泡处于不亮或微亮状态。

③慢慢推动滑线变阻器的滑臂向b侧一端，小灯泡逐渐发亮，观察小灯泡亮度，当达到正常发光亮度时，停止滑线变阻器的滑动。

④读取电压表和电流表上的示数，记录数据到实验数据记录表中（见表1）。计算与分析实验结果，填写实验报告书。

表1 实验数据记录表1

（2）P = U2/R测量法实验过程

①按图3连接电路。测量小灯泡两端的电压。

②按图4连接电路。测量电阻两端的电压。

③读取两次电压表上的示数，记录数据到实验数据记录表中（见表2）。计算与分析实验结果，填写实验报告书。

表2 实验数据记录表2

（3）P = I2R 测量法实验过程

①按图5连接电路。测量通过小灯泡的电流。

②按图6连接电路。测量通过电阻的电流。

③读取两次电流表上的示数，记录数据到实验数据记录表中（见表3）。计算与分析实验结果，填写实验报告书。

表3 实验数据记录表3

（4）直接测量法实验过程

【电功率测量】

①将微型功率传感器、小灯泡、学生电源、滑动变阻器、开关等按图7所示搭建实验电路。

②微型电功率传感器接入数据采集器，数据采集器与计算机连接。

③打开测量软件。

④闭合实验电路中的开关，从计算机屏幕上，即可观察到此时小灯泡的电功率。

⑤调节滑动变阻器的滑片，小灯泡逐渐变亮，观测并记录小灯泡的实时功率，对比小灯泡发亮过程中功率的变化。

【电阻测量】

①将电阻传感器、小灯泡、学生电源、滑动变阻器、开关等按图8所示搭建实验电路。

②电阻传感器接入数据采集器，数据采集器与计算机连接。

③打开测量软件。

④闭合实验电路中的开关，从计算机屏幕上，即可观察到此时小灯泡的电阻值。

⑤调节滑动变阻器的滑片，小灯泡逐渐变亮，观测并记录小灯泡的实时电阻值，对比小灯泡发亮过程中电阻值的变化。

表4 实验数据记录表4

6.小结实验结果

认真填写表5所示内容。

表5 实验过程记录表

［1］ 卢梭.爱弥儿：论教育［M］.李平沤译.北京：商务印书馆，1996：4.

［2］ Robert Heinich， Michael molendajamesd，russellsharonE， smaldino.教学媒体与技术［M］.第七版影印版.北京：高等教育出版社，2003.

［3］ 教学策略［OL］.http：//baike.haosou.com/doc/31050-32381.html.

［4］ 艾伦，李立文.探究性实验教学与数字化实验［J］.中国教育技术装备，2011（9）：3.

作者信息

艾伦，教授，本刊特约撰稿人。首都师范大学，100048

A Discussion of the Ability of Experimental Teaching in Primary and Middle School

Ai Lun

Instructional design of experiment teaching is the instructional design of ability standard. In this paper， through the analysis of the traditional classroom instructional design， according to the requirement of ability standard established experimental instructional design mode， content and form； and an example of theinstructional design is described.

instructional design； experiment teaching； ability standard