教學科學原理視域下利用信息技術優(yōu)化課堂教學
——“單分子油膜測分子大小”的課例分析

徐蓓蓓

上海市松江二中

提起信息技術與課堂教學的整合，我們會聯(lián)想到公開課所展示的“平板課堂”、“MR 輔助教學”、網絡教學錄播課、直播課等最新的應用案例。而從日常教學來看，一般意義上的信息化教學環(huán)境是以單機為主流，多媒體計算機+投影儀+實物展臺，或者電子白板等資源環(huán)境。無論是先進的設備還是日常的資源，都應該在改善教與學環(huán)境的“形式”層面的基礎上，實現(xiàn)信息技術與教育的深度融合。以學生為中心，構建出主導和主體“雙主互動”的課堂，也是《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020 年）》［1］所倡導的基本出發(fā)點。

理查德·E.梅耶在《應用學習科學》一書中闡述了學習科學、教學科學和評價科學的基本理念。其中“教學科學”是關于如何幫助人學習的科學研究，關注的是辨別教學方法，決定是否運用、何時運用以及如何運用這些教學方法［2］51。

本文以物理教學中的傳統(tǒng)學生實驗“單分子油膜測分子大小”為例，采用幻燈片類的演示課件為主，輔以手機、實物投影等設備，操作便捷。所有技術都是“教具”，沒有孰優(yōu)孰劣之分，把教具用好，提高教學效益才是我們追求的目標。如果能根據(jù)教學科學的教學設計原理，注重學生的認知規(guī)律，提升學生的科學思維，以教學為出發(fā)點，讓信息技術真正服務課堂、優(yōu)化課堂，那么，簡單的信息技術應用也能發(fā)揮巨大的作用。

一、 導入問題：采用“明確目標”和“前置問題”的教學策略，促進“選擇”

學習科學認為，意義學習的三種認知過程包括信息的選擇、組織和整合。根據(jù)教學科學中促進“選擇”的教學策略，情景引入階段采用“明確目標”和“前置問題”的教學策略。注重生活的聯(lián)系，注重新知識與原有知識的銜接。表1 所示為“單分子油膜測分子大小”引入環(huán)節(jié)的實施過程。

通過不斷放大的系列圖片的直觀展示，以及對過往范例的回顧，知道物體是由大量分子組成的，感受分子數(shù)量之“多”，從而突出分子的微“小”，并引出課堂學習任務——估測分子大小。這采用了“明確目標”教學策略，促進信息的選擇和組織，學生會關注有助于實現(xiàn)教學目標的信息。

表1 引入環(huán)節(jié)的實施過程

這個實驗用到了很多物理思想，課堂小結時問學生，學生只能說出“累積法”。如果期望學生不僅參與學習活動，而且能實現(xiàn)思維進階，就可以在設計學習任務單時，前置“請總結這節(jié)課所用的物理思想”這個問題。改進后的教學實踐發(fā)現(xiàn)，學生能在實驗過程中，選擇更相關的學習內容，更有效地進行組織和精細加工，基本上能把用到的物理思想總結全面，即建立模型法、間接測量法、估算法、累積放大法。當本節(jié)課采用“前置問題”策略時，學生關注有助于回答這些問題的課程信息［2］76。

二、類比建模：根據(jù)“拋錨式”和“多媒體”原則，促進生成認知加工

根據(jù)教學科學中“拋錨式”和“多媒體”的實證教學原則，促進學生的生成認知加工。表2所示為在“單分子油膜測分子大小”建模環(huán)節(jié)的實施過程。

表2 建模環(huán)節(jié)的實施過程

（續(xù)表）

學生由于第一次進入微觀領域的抽象學習和定量分析，用間接測量的方法來設計實驗原理，往往感到無從下手。根據(jù)“拋錨式”教學原則，學習者在熟悉的學習情景中的學習，效果更佳［2］70。所以需要教師通過資源的創(chuàng)設來引導思維活動，搭建實驗設計的“腳手架”。但是拋錨式原則的運用也需要有效類比。如果用乒乓球、彈珠或者小鋼球作為啟發(fā)，學生設計的方案多為直接測、用頭發(fā)絲將小球繞一圈后測周長等方法，適用于宏觀物體的測量。而此處的類比為：用“一袋里面的大量種子”來體現(xiàn)“一滴里面的大量分子”，“一袋”對應“一滴”，小顆粒的“種子”對應“分子”。這樣的類比更有效，不容易出現(xiàn)拿一顆種子研究的情況。從課堂反饋來看，這樣的類比能有效促進學生將方法遷移到微觀的測量中。

根據(jù)“多媒體”原則，使用相關圖片等資料效果更佳。學生在交流方案時，無線實物投影設備放在發(fā)言學生的課桌上，其他同學能夠一邊聽方案一邊從大屏幕觀察到畫面，“可視化”能幫助學生快速理解交流的方案，對“平攤”成“一層”的種子也有了形象直觀的了解。并且從水珠和油花的圖片或者實物投影中理解展開成“一層”的必要性，從而建立單分子油膜的物理模型。

三、 設計方案：根據(jù)“切塊呈現(xiàn)”和“指導發(fā)現(xiàn)”原則，調節(jié)基礎認知加工

教學設計有兩個相互矛盾的目標：既鼓勵學生進行適當?shù)恼J知加工，又要在加工過程中不出現(xiàn)認知負荷超載。當一個比較復雜的實驗設計方案任務出現(xiàn)時，學生容易沒有頭緒，無關認知加工和基礎認知加工占據(jù)了很多“內存”。根據(jù)“切塊呈現(xiàn)”的實證教學原則，來調節(jié)學生的基礎認知加工。當一堂有難度的課被分割成學生可以掌握的若干小段時，學習效果會更佳。學習者認知加工的容量有限，所以需要劃分探究環(huán)節(jié)，有效分解難點。比如單分子油膜實驗的設計過程，如表3 所示的教學片段劃分成3 塊：①實驗原理；②體積的測量方法；③面積的測量方法。善用基礎加工，才能促進生成加工過程。另外，根據(jù)“指導發(fā)現(xiàn)”原則，如果學習者在完成任務時得到示范、輔助和提供支架等幫助，而非單純的發(fā)現(xiàn)，那么其學習效果更佳。

行為活動和認知活動是兩種主動學習的方式，但是高認知活動才能促進學生進行意義學習。而高行為活動未必能比低行為活動更好地促進意義學習。所以實驗方案的設計與探究過程是課堂教學的重點，同時也為實驗的

動手操作奠定理論基礎，雖然學生在行為上沒有“熱鬧”地操作，但積極地認知加工。從課堂實錄來看，充足的準備和思維活動，使學生用6 分鐘時間就高效地完成實驗操作。

表3 實驗設計的實施過程

用數(shù)格子的方法來估測面積，學生沒有接觸過。有研究表明，根據(jù)“提供樣例原則”，有助于調節(jié)學習者的認知加工。所以PPT 上以真實的實驗為例，快速地呈現(xiàn)數(shù)格子的方法，既可靠又高效。但是，數(shù)格子時教師故意有遺漏，讓學生檢查核對。根據(jù)“設問質疑”原則，當學習者提出問題并做出回答時，促進生成認知加工，學習效果更好。

四、 學生實驗：根據(jù)“空間鄰近”和“精細加工”原則，減少無關認知加工，促進生成認知

根據(jù)精細加工原則，當學習者列出提綱、總結或者詳細闡釋所學知識時，學習效果更好，可促進深層次的認知加工過程。所以，如表4 所示的教學環(huán)節(jié)，實驗操作步驟、實驗方案以及課堂小結都建議以學生為主體來完成。

表4 學生實驗環(huán)節(jié)的實施過程

信息化教學環(huán)境是教學信息化的基礎條件，是信息技術在課堂中應用的基礎。但是設備需要教學的合理使用，如果學生只注意信息設備而沒有跟隨課堂教學的節(jié)奏，注意力沒有關注知識的整合，就無法有意義地學習。若教師只是將黑板上粉筆書寫的內容替換成電子文檔、圖片、視頻等豐富的教學素材，只是增加趣味性，或者把“滿堂灌”演化為加快速度的“電灌”，則在課堂上仍然達不到真正的學習。所以，要在用信息技術為課堂教學增加可視化、形象化和直觀化［3］的基礎上，促進意義學習。依托教學科學，哪怕用最基礎的資源——多媒體計算機+投影儀+實物投影，應用得當，也能有助于直觀形象地呈現(xiàn)信息，生動地理解抽象概念，呈現(xiàn)知識邏輯體系，幫助學生深層次地認知加工?；谏鲜鰧嵺`，筆者認為傳統(tǒng)實驗的課堂教學，可以基于教學科學的多項實證教學原則，利用信息技術，改變學生認知方式，優(yōu)化課堂教學，只有這樣才能適應時代對教育的要求。