论物理课堂教学设计的特征和内涵

论物理课堂教学设计的特征和内涵

一、教学设计概述

(一) 教学设计的含义及特征

教学论可以分为两种研究取向:其一是基于哲学和教学实践经验总结的教学论, 其二是基于科学心理学和实证研究的教学论。

基于哲学和教学实践经验总结的教学论可以追溯到夸美纽斯的《大教学论》, 在20世纪影响深远的美国实用主义哲学家杜威主张的教学论和凯洛夫的教学论、巴班斯基最优化教学也都是哲学和经验取向。

巴班斯基在《教学教育过程的最优化》一书中, 概括出十条教学规律, 并由此确定对应的教学原则, 其中如“教学应符合学生的起点能力”、“教学应符合学生学习的速度”、“教学应体现教师„主导‟,学生„主体”‟、“教学应激发学生学习动机”等等。

显然, 基于哲学的教学论提出的一些教学原则或教学规律, 对具体内容的教学安排来说过于宽泛, 比如, 在一节“阿基米德原理”课的设计中如何做到“确定学生的起点能力、确定学生学习速度、选择最佳教学形式、最佳教学方法”等, 对教师来说又构成问题, 因此基于哲学的教学论很难直接指导教师完成一节课的具体教学事件的规划, 只对教学活动的安排具有指导或启示性作用。

基于科学心理学和实证研究的教学论产生于20世纪六七十年代, 源于心理学研究者将心理学原理转化为教育应用技术的努力, 后者也被称为教学设计。

当代着名教学设计理论家赖格卢特指出:教学设计是一门涉及理解与改进教学过程的学科。任何设计活动的宗旨都是提出达到预期目的的最优途径, 因此, 教学设计主要是关于提出最优教学方法的处方的一门学科, 这些最优的教学方法能使学生的知识和技能发生预期的变化。教学设计理论家史密斯和拉甘指出:“教学设计”意味着系统地同时也深思熟虑地将学与教的原理转换成教学材料、教学活动、信息资源和教学评价的计划的过程。[1]

国内有学者认为:“教学设计是以获得优化的教学效果为目的, 以学习理论、教学理论和传

播理论为理论基础, 运用系统方法分析教学问题、确定教学目标、建立解决教学问题的策略方案、试行解决方案、评价试行结果和修改方案的过程”[2]。

从上述教学设计的界定, 可以理解:

1. 教学设计的核心特征:为一类教学问题提供通用的解决方案[3]

教学设计是提供最优教学方案的处方的学科, 医学处方实质上就是一种解决方案, 但只对特定疾病的治疗有效。面对各式各样病情的病人, 医生之所以能够提供有效治疗的处方, 主要是因为能够根据病情特征有效地进行病理的归类, 而医学理论的发展确定了应对不同疾病的有效治疗方案。要为教学提供处方式的解决方案, 就必须将教师面临的教学问题进行合理的分类, 并能够对不同类型的教学问题提出有效的解决方案。现代教学设计理论坚持对教学问题依据其对应的学习规律进行分类, 然后依据不同类型学习所需的条件和过程规划相应的教学方案。

2. 教学设计的核心理论基础:学习心理学

学习心理学研究个体学习的内部机制、内部条件、内部表征, 现代学习理论认同:学习具有不同的类型, 不同类型的学习具有不同的内部过程、需要不同的内部条件、学习后内部的表征不同、外显行为也不同。学习的规律清楚了, 与之对应的、有效的教学就明确了, 凡是与特定类型学习相匹配的教学就是有效的、适合的, 反之就是无效的教学, 教学设计最根本出发点是“以学习的规律制约教学的规律”,真正做到以学定教。

(二) 教学设计的主要工作

沃尔特·迪克(Walter Dick) 与卢·凯里(Lou Carey) 用系统观看待教学设计, 认为“教学过程本身可以视为一个系统, 系统的目的是引发和促进教学”。在《系统化教学设计》一书中, 迪克和凯里提出教学设计模型, 简明而又不失其基本规范。该模型包括以下10个步骤:[4] 确定教学目标、进行教学分析、确定起点行为、编写教学具体目标、设计标准参照试题、开发教学策略、开发与选择教学材料、设计与实施形成性评价、进行教学调整、设计与实施

总结性评价。

如果将编写目标视为确定目标的结果; 将确定起点行为视为教学任务分析的一个结果; 且将教学调整和总结性评价视为其后的补充, 不是课堂教学目标实现的主要环节。我们将课堂教学设计活动的主要工作简化如下:

第一:确定学习内容对应的学习结果类型, 陈述教学目标; 要求用可观察、可测量的术语精确表达学习目标, 这是教学设计的一项基本要求。

第二:教学任务分析。通过任务分析, 揭示出习得该学习结果的内部过程及条件; 这部分工作主要运用学习心理学理论完成。

第三:规划教学活动。依据分析出的内部过程与条件, 合理规划教学事件, 选择教学媒体和方法。

第四:制定测评项目。依据学习结果类型及相应学习者外显行为, 制定测评项目。

教学设计者必须针对具体类型的学习进行设计, 因此应首先了解特定学习类型的学习规律, 一旦某一学习对应的学习类型被确定, 教学设计者就可以根据该学习类型学习的内部过程和条件, 合理规划教学的过程和活动, 依据学习后学生表现的外显行为, 对教学目标的达成与否进行检测, 实现“学有定律, 教有优法”。

显然, 教学任务分析实质上是教学设计的核心环节, 其目标是揭示学习特定结果时, 学习者经历的内部过程及需要的内部条件, 从而为规划教学事件、选择教学媒体和方法提供依据。如何完成教学任务分析? 需要教师对当代学习心理学的基本理论有初步理解。本文以信息加工心理学的研究为例阐述学习者内部机制及对教学设计的作用。

二、信息加工心理学研究

信息加工心理学认为包括人和计算机都是信息加工系统, 系统由感受器、效应器、记忆和加工器组成, 系统都是操纵符号的。符号是模式, 如语言、标记和记号等。信息加工系统可以概括为输入、输出、贮存、复制、建立符号结构和条件性迁移。这样以符号操作为基础的信息加工系统就具有对环境的适应能力, 表现出目的性行为。

(一) 信息和信息加工系统

1. 信息

信息是事物现象及其属性标识的集合。一个信息单位就是对个体而言的一个意义单元, 认知心理学以命题来表示。命题这一术语来自逻辑学, 指表达判断的语言形式, 心理学借用这一术语作为心理表征的一种形式, 主要强调如下研究事实:人一般记住的是句子表达的意义, 而不是具体的词句。命题表征的一个例子如图1, 命题一般由论题和关系项组成, 例中“小明”和“书”是论题,“买”是关系项。

通常一句话中往往包含多个信息单元, 如“一个苹果放在托盘中”,实质包含两个信息单元, 即从数量关系上“苹果是一个”、从空间位置关系上“苹果在托盘中”。每一个这样的论断, 都包含两个论题及其间关系, 个体可以在头脑中形成两个对象间关系的表象, 如果需要也可在行为上正确地呈现。上述论断对个体来说就构成一个信息单元, 或也可称为个体具有上述命题的意义。而对一个咿呀学语的婴儿, 尚不能区分苹果或梨等水果、不能区分数量、也不能区分托盘或碟子等概念意义, 那么“一个苹果放在托盘中”对他而言就是9个音节, 也就是9个信息单位。

同样, 物理概念和规律的表述中都包含多个信息单元, 如:

动量定理:物体在一段时间内的动量变化, 等于物体受到的冲量。

实质包含三个信息单元:“物体受到冲量”、“冲量等于动量的变化”、“动量的变化是在一段时间内的”。

【案例一】 在“电阻影响因素”教学中实验如图2:

从上述实验中可以识别出与本节教学结论相关的信息有:“A、B 、C 是镍铬丝”、“A比B 长”、“A和B 一样粗”、当“A和B 分别接入时,(接入B) 灯泡比(接入A) 灯泡亮”等等。

当然还可以识别与本节教学结论无关的信息, 如“有三节电池”、“电池被固定在木板上”、“灯泡发出黄光”等等。

2. 信息加工系统

心理学家加涅(Robert M.Gagné) 在吸取信息加工心理学研究成果的基础上, 提出了一次学习活动所包含的过程模型, 如图3, 这一模型包括:操作或加工系统、执行控制系统、预期系统等三个系统。

其中操作系统包含三个记忆结构, 感觉登记一般以视觉编码, 记忆时间为毫秒级; 工作记忆(又称为短时记忆), 记忆时间约为数十秒, 实验证明, 如果记忆数字, 在复述一次的条件下, 能保持20秒左右, 记忆正确率在80%;长时记忆, 以语义、听觉编码, 信息根据其意义而贮存, 可保持很长时间, 甚至终生。

(二) 信息加工特点

1. 信息加工容量限制

个体在某一时刻能意识到的东西存储在短时记忆中, 与意识大致对应。短时记忆也称为工作记忆, 就是进行信息加工的部分; 研究表明, 短时记忆中的容量是有限制的, 一般为7±2个信息单元, 也就是说7±2个对个体有意义的单元。能够提取出的数字数量约为7±2。但对美国人来说上述这组数字对应3个历史时期, 前四个数字对应哥伦布首行美洲的年份、中间六个数字对应独立宣言发表的年月日, 后六个数字对应日本偷袭珍珠港的日期。

那么对美国人来说, 上述16个数字构成三个信息单元; 如果用同样这组材料测试, 美国人可能就可以提取出较多的数字, 但这并不是代表美国人的短时记忆就比我们广, 因为他在短时间记忆只需三个信息单元, 假如再增加同类的测试项目, 如“美国最高峰的高度”、“最深湖泊的深度”、“高速公路的里程”等等十余个单位, 让美国人只读一遍, 能提取出的项目也只有7±2个。

为了解释这一现象, 米勒提出“组块”(chunk)的概念, 认为组块是对个体有意义的信息单元, 一个组块就是一个对个体有意义的项目, 而不管这个单元的物理单位是什么。心理学家西蒙研究表明:被试者能够正确再现单或双音节词都是7个, 三音节词是6个, 但由两个词组成的短语, 则只能记住4个, 而更长一些的短语, 则只能记住3个。

2. 信息加工的方式

个体识别出的信息存储于短时记忆中, 通过运用一定加工机制形成新的联系, 也就是习得新的知识。形成新联系的机制主要是逻辑的;19世纪英国逻辑学家穆勒提出探求因果联系时使用的五种推理方法, 在逻辑学中称为穆勒五法, 包括求同法、差异法、共变法、求同求异法和剩余法。着名认知心理学家斯腾伯格(R. J. Sternberg)通过实验证实个体确实可以根据可能原因和可能结果同时出现(求同) 、可能原因与结果同时消失(差异或共变) 现象来确认某一事件是原因事件[5]。

(1)求同法及结构

求同法是通过考察被研究现象出现的若干场合确定在各个场合先行情况中是否只有另外一个情况是共同的, 如果是, 那么这个共同情况与被研究的现象之间有因果联系。

其结构可以如下表示:

(2)共变法及结构

共变法是通过考察被研究现象发生变化的若干场合中, 确定是否只有一个情况发生相应变化, 如果是, 那么这个发生了相应变化的情况与被研究现象之间存在联系。

其结构可以如下表示:

(3)演绎推理

演绎推理策略是由反映一般性知识的前提得出有关特殊性知识的结论的一种推理, 其最基本的形式是三段论, 三段论也是我们日常生活及教学中最常运用的。三段论由三个命题构成, 这三个命题分别称为大前提、小前提、结论。如下, 为充分条件假言推理中肯定前件式推理。

【案例一分析】

案例一的学习中需要得出如下三个结论:

(1)电阻大小与导线长度有关;

(2)电阻大小与导线横截面积有关;

(3)电阻大小与导线材料有关。

分析可知, 三个结论获得均是运用归纳法中的共变法实现的, 如“导电物质的电阻大小跟导线长度有关”结论获得的逻辑过程如表1所示:

3. 信息加工的特征

许多认知加工的区别在于它们是否需要意识控制, 受到意识控制的加工称为控制加工, 反之则称为自动加工。对于控制加工, 需要意志努力、消耗许多注意资源, 更重要的是其中的加工是按序列加工的, 即每次加工一步, 花费时间较长。[6]学生在学习新知识的过程中, 显然是需要控制加工, 应满足序列加工。

在案例一实验后, 教师如下陈述.

师:在刚才的实验中, 我们发现“A、B 、C 是镍铬丝”、(1)“A比B 长”、(2)“A和B 一样粗”、

(3)“B和C 长度一样”、(4)“B比C 横截面积小”、(5)“D是铜丝”、(6)D和B 长度一样”、(7)“D和C 横截面积一样”、(8)当“A和B 分别接入时,(接入B) 灯泡比(接入A) 灯泡亮”、(9)“C和B 分别接入时,(接入C) 灯泡比(接入B) 灯泡亮”、(10)“D和B 分别接入时,(接入D) 灯泡比(接入

B) 灯泡亮”、(11)从上述实验中, 你可以获得什么结论?

从教师的陈述中, 学习者将信息(11个) 依次识别存储在短时记忆中, 但学生不可能由这11个信息同时加工出上述三个结论。

学习者在头脑中会对这些信息梳理排列, 如将信息(1)、(2)、(3)、(9)视为一组, 启动共变法机制加工得出结论“导体电阻与导体长度有关”。

也就是新结论一定是一个一个加工形成的。

三、信息加工机制对教学设计的要求

(一) 信息加工机制对教学设计的要求

根据信息加工机制, 有效的教学设计应满足:

1. 容量限制要求:教学中提供给学生、获得结论所需的信息, 应保持在适度范围, 减少干扰信息;

2. 序列加工要求:教学中提供信息的方式应满足呈现一次加工所需的信息, 获得一个新的结论;

3. 信息加工方式要求:教学中信息呈现应符合特定结论获得的加工方式。

要实现上述目标, 教师应分析教学结论的内容及数量, 并通过追踪每一教学结论获得的信息流程, 确定新结论建立的必要信息及加工方式, 由此对教学活动做出合理安排。

(二) 教学设计案例分析

教学设计的具体产物是教学活动方案, 教材呈现的是各种方案中的一种, 应该也是比较优质、可以常态实施的方案。现在提倡一纲多本, 不同教材对同一教学内容处理的方案不同, 在一次物理教研活动中, 对同一教学内容不同教材的编写, 参与研讨的老师给出不同的意见如下:

【案例二】

[实验][7]

如图(见本文图2) 是一块接有电池、电键和灯泡的电路板,a 、b 两接线柱上各连接一根导线。左侧有A 、B 、C 、D 四根金属丝。A 、B 、C 三根都是镍铬丝,A 与B 横截面积相同, 长度不同,A 比B 长;B 与C 长度相同, 横截面积不同,C 比B 横截面积大;D 是铜丝, 它的长度和横截面积都跟C 相同。实验时, 将这四根金属丝分别接入电路的a 、b 两接线柱之间后发现: 接入A 时比接入B 时灯泡暗, 说明金属线越长电阻越大; 接入B 时比接入C 时灯泡暗, 说明金属线横截面积越小电阻越大; 接入C 时比接入D 时灯泡暗, 说明材料种类不同电阻不同。 实验表明, 导电物体的电阻大小跟导线的长度、横截面积和材料种类有关。电阻是导电物体本身的一种性质。

【案例三】

观察和描述[8]

观察电阻的大小跟哪些因素有关的演示实验。

(1)在导体的材料和横截面积相同的情况下, 观察到导体的长度越长, 电流表的示数越________。由此可得出的初步结论是:导体的电阻与导体长度________(选填“有关”或“无关”),导体越长, 电阻________。

(2)在导体的材料和长度相同的情况下, 观察到导体的横截面积越大, 电流表的示数越________。由此可得出的初步结论是:导体的电阻与导体横截面积________(选填“有关”或“无关”),导体横截面积越大, 电阻________。

(3)在导体的长度和横截面积相同的情况下, 观察到导体的材料不同, 电流表的示数________。由此可得出的初步结论是:导体的电阻与导体材料________(选填“有关”或“无关”)。

【教师研讨】有的教师认为案例一较好,“表述简洁明了, 综合程度高, 需要学生相对丰富的思维活动”;而案例二“按部就班, 虽然有活动, 但活动单一”。

有的教师认为案例二较好,“层次清晰, 问题具体、指向性好, 学生能够有效地反应”。而案例一中“教学没有体现学生的自主性, 情景设置单一, 没有给学生足够的时间思考和尝试机会”。

就理论基础来说, 教师提出案例一编写符合巴班斯基最优化教学理论要求,“在形成知识、技能和技巧的过程中……取得的最大成果; 同时师生用时最少、花费精力最少”。

案例二编写符合建构主义理论要求,“强调复杂学习环境和真实的学习任务。鼓励学生面对复杂的学习环境……以学生为中心的教学”。

上述评判都有相应理论和教学经验的支撑, 也有一定的合理性, 由于缺乏统一致的评判标准, 对于教学设计方案的优劣, 就会出现众说纷纭, 难以达成共识情况。那么, 教学设计方案, 其有效性的判定是否存在相对统一的标准? 标准究竟如何来确定?

判定教学有效性的唯一依据就是:学习者是否习得新的知识, 方式是否合理, 教学活动若有助于学生识别、加工习得新知识所需的必要信息, 其活动就是有效的, 反之就是有待改进的。因此, 可以从目标达成需要的信息成分、信息加工的流程和条件等角度审视教学方案的合理性。

【基于信息加工心理学评判】

1. 案例一中, 学习者在阅读过程中, 先后识别出:“A、B 、C 是镍铬丝”、“A比B 长”、“A和B 一样粗”、“B和C 长度一样”、……、“(接入B) 灯泡比(接入A) 灯泡亮”等一系列信息。

(1)根据表1, 学生只有在短时记忆中将信息“A、B 、C 是镍铬丝”、“A比B 长”、“A和B 一样粗”、“(接入A) 灯泡比(接入B) 灯泡亮”,依次存储, 才能够启动共变法加工方式获得结论“导电物质的电阻大小跟导线长度有关”;而在此案例中“C比B 横截面积大”、“D是铜丝”、“D和B 长度一样”、“D和C 横截面积一样”等三个信息通过学生阅读亦存储在短时记忆中, 且穿插在获取上述结论所需必要信息之间, 信息的呈现不符合特定结论信息加工方式的要求。

(2)编写中不是依次呈现一组必要信息, 获得一个结论, 而是将三个结论获得所需的必要信息综合在一起呈现, 并同时呈现三个结论, 故编写不满足信息加序列加工要求; 此教材中编写方式, 对已习得这部分知识的个体来说, 阅读起来不会构成问题, 还显得比较综合、精练, 而对于刚学习这部分知识的学生来说, 由于呈现的信息不符合信息加工机制的要求, 因此是不适合的。

2. 案例二中:

(1)三个结论一一分别获得, 符合信息加工序列要求;

(2)每一结论不变条件、变化条件、变化的结果依次呈现, 符合信息加工机制要求, 且在个体信息加工容量范围内。

因此, 就信息加工方式来看, 案例二的编写较好。

案例二存在的问题在于, 相关信息要求学生填写, 一旦学生由于各种原因没有填写或填写不太正确, 那么在复习这部分内容时, 就会遭遇到困难。

由上讨论可见, 通过对教学结论的信息加工过程的微观解剖, 教师就能够对学生习得结论所需的信息、信息呈现方式等进行合理有据的分析, 并依据分析的结果合理地安排教学活动事件, 分析的结果也可为教学有效性提供统一一致的评判标准。

教学设计理论追求教学问题分类并提供一致的应对方案, 应分析不同类型学习中学习的条件和机制, 理解各具体学习过程需要学生识别的信息及加工方式, 并遵循信息加工的要求呈现信息, 由此将教学建立在可靠的学习理论基础上, 可以为有效教学提供稳定一致的标准, 帮助教学走出纷繁理论所造成的困境