信息技术与中学实验课程整合 (2)
时间:2015-08-11 09:59
来源:发表吧
作者:刘伟
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3.实验教学课件设计的理论基础
3.1以行为主义学习理论为基础的实验课件设计
行为主义学习理论认为学习是一种行为的变化，它认为人的大脑是一个黑箱，对黑箱的内部我们一无所知，也没有必要去知道。行为主义反对人的大脑内部进行研究，只重视外部的输入和反应，也就是给予一个刺激，人就要作相应的反应，从这些反应中，选出我们所需要的进行强化，从而使学习者形成教育者所希望的行为，所以行为主义认为把学习者置于一个特定的环境里，给他以特别的刺激，当他作出明确反应时学习就发生了，该理论强调刺激、反应和强化。在上面理论指导下，行为主义学习理论为ＣＡＩ课件设计提供的设计原则是：①接近原则，即反应必须在刺激之后立即出现；②重复原则，重复练习能加强学习和促进记忆。③反馈与强化原则。与反应正确性有关的信息可以促进学习。④提示及其衰减原则。在减少提示的情况下，朝着期望的反应引导学生，从而完成学习。
这一类实验课件设计的主要目的是'强化"。在化学课中，以胶体电泳实验现象为例。在教学中，该实验都是以教师为中心的，主要体现在教师的“教".该课程的课件设计也主要是以教师为中心，展开设计。在信息技术与实验的整合条件下，这些疑难实验可以通过CAI课件模拟演示，利用视频信息加以演示，再如钠与水反应的过程，可以放慢现象、并定格实验的各个现象，引导学生从多角度进行观察。利用计算机动画模拟出该实验，引导学生观察现象思考思考的本质。使学生获得“强化”，在这里，很明显课件的作用仅仅停留在对知识的“灌输”，而很少体现学生的主动性。虽然信息技术引入了该实验过程，但最终还是基于行为主义的教学，强调"强化"及“反馈”的重要意义。
目前，单纯以行为主义学习理论为主的课件并不少见，因为这类课件设计相对简单，学生对实验的学习也仅仅停留在“看",教师通常可以采用的做法是一课件为辅助，用语言及其它手段弥补课件本身的不足。
3.2以认知主义学习理论为基础的实验课件设计
认知学习理论认为人类的学习不单是外部刺激产生的结果，也与人脑的内部有关，是人脑与外界刺激相互作用的结果，学习不仅是行为的变化，也包括人的认知结构的变化，它包括人的内部心理过程。认知学习理论将人脑看作灰箱，认为人脑已经具备了一定的认知结构，它是根据人类对信息的处理过程来描述的，根据对人的内部信息处理过程的假设不同，认知学习理论又分为信息加工理论和建构主义理论两大流派。认知理论的信息加工理论是将人脑比作计算机，因为二者之间在功能上相似，然后用计算机对信息的处理过程来解释人脑，从而得出了人对信息加工的模式。在这里是根据信息的意义进行存储，当要求学习者产生行为时，存储的信息和技能必须能被搜索和提取，搜索到的信息从长时记忆提取到短时记忆，与新进来的信息相结合形成新的学习能力，或是通过反应器将信息转换成动作。
这一类的实验课件设计，不再仅仅将学生的学习仅仅看作是实验知识的被动接受过程，而是留给学生适当的“空间”展开思考，发挥自己的智力技能。再水的电解实验中，教师设计课件，模拟实验现象，但是不能把结果直接透露给学生，而是让学生考虑实验结果。其间，教师可以予以提示，如教师将水的化学成分提示给学生，并将该过程同样设计在课件中，这样学生的思考会有的放矢，最终的结果不仅仅是使学生得到答案，还促进了学生积极思考，发展了学生智力技能。
再比如物理实验关于浮力现象的教学中，我们设计课件时不仅仅是简单的呈现实验现象，如：当物体浸没在水中，如果F浮＞G，则物体上浮，若物体开始露出水面，则F浮减小；随着物体露出水面的体积增大，F浮减小，直到F浮＝G，物体就飘浮在水面上了。这是一个动态的变化过程，十分抽象，对于学生学习来说，既重要，又难于理解。教师通过多媒体画面，就能很好地突破了这一难点，但是我们设计的重点却并不仅仅是现象的呈现，否则直接用现实的实验更能显性说明问题。我们更应该关注教学的系统性问题，不仅是呈现现象，更应该设计学生思考的空间，在课件中加入假如结论思考，现象描述等让学生主动参与思考的部分，也可以引入根课程相关的课外思考，将平时见到的现象引入其中，作为引导学生发散思维的成分，从中可体现以认知主义学习理论为基础的课件设计的优点。
这类课件设计相对困难，但是相对行为主义为基础理论的课件来说，显然更利于学生创造性思维发展。
3.3以建构主义学习理论为基础的实验课件设计
建构主义理论也是把人脑看成一个灰箱。它假定，人们在与周围环境相互作用的过程中，逐步建构起关于外部世界的知识，这些知识在大脑中的动态结构我们把它叫做图式。人们又是在与环境的相互作用中使图式得到发展的。图式的发展有两个基本过程；认为对知识分为“同化”与“顺应”。认知个体就是通过“同化"与"顺应"这两种形式来达到与周围环境的平衡：当个体能用现有图式去同化新信息时，他是处于一种平衡的认知状态，而当现有图式不能同化新信息时，平衡即被破坏，而修改或创造新图式（即顺应）的过程是寻找新的平衡的过程，个体的认知结构就是通过"同化"与"顺应"过程逐步建构起来，并在“平衡—不平衡—新的平衡"的结构中实现知识的重新建构。
建构主义学习理论认为，学习是学生主动获取知识的过程。建构主义认为，知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定的情境即社会文化背景下，借助其他人（包括教师和学习伙伴）的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得。由于学习是在一定情境即社会文化背景下，借助其他人的帮助即通过人际间的协作活动而实现的意义建构过程，因此建构主义学习理论认为“情境”、“协作”，“会话”和“意义建构”是学习环境中四大要素或四大属性。
从建构主义基础理论可以看出，以此为基础的实验教学更能体现开放性，师生，学生的交互性，更充分体现学生的主体作用。这类课件要求较高的技术含量。让学生自己动手，是一种极好的学习方法。以物理课程中关于“单摆"运动规律实验为例。在计算机上用《几何画板》作力的分解、单摆及运动的合成和分解三个实验，把平时费尽口舌学生还一知半解的教学难点，在这个虚拟的实验环境下，通过学生的主动探究而尽释疑难。用计算机做单摆实验我是这样进行的：
首先，在教学中利用实物教具演示，单摆概念．得出了单摆的振动规律。学生当堂在计算机上利用《几何画板》软件．按以下步骤操作：
(1)作一个较大的圆．并在圆的下端对称地取两点A、B，连结AB并作其垂直平分线．选取垂直平分线与圆的交点标为O'作为平衡点。
(2)在圆弧AB上作一自由点，标为E点．选中E点和弧AB，让自由点E在弧AB上作往返运动。把E点向下平移2厘米，并连接E点与平移点作为重力G。
(3)把重力G进行分解，得到回复力，并度量回复力的大小。
(4)连接O'E，作为位移S，并度量它的大小。
(5)利用“几何画板”的计算功能，并根据机械能守恒定律，求出速度和加速度的大小，并且计算机能够在运动中即时计算更新速度和加速度的值。最后可以用效果图。
手动拖动B点进行演示，让学生在实验中可以一目了然地观察到：1．单摆在振动过程中的位移、回复力的大小和方向的变化，及位移与回复力变化关系。2．从拖动过程中，计算机不断计算且即时演示出速度和加速度的数值变化，很直观地反映了速度和加速度的变化关系。最后，可以双击“自动演示”按钮，让计算机自动演示，学生体验在整个振动过程中位移与回复力、速度与加速度间的变化关系。
从以上介绍可知，教学过程完全让计算机做了单摆实验，在单摆振动过程中直观地体现了各个物理量间的变化关系。而学生不仅自己可以设计实验，也利用课件亲自动手实践，探索实验规律。同时也可以进行实验过程的自由讨论，并与教师形成教与学的相互，达到极好的学习效果。
建构主义学习环境下的教学设计原则，也是ＣＡＩ课件的设计的重要原则。原则包括：强调以学生为中心。强调“情境”对意义建构的重要作用。强调“协作学习”对意义建构的重要作用。强调对学习环境（而非教学环境的设计）。强调利用各种信息资源来支持“学”（而非支持“教”）；强调学习过程的最终目的是完成意义建构（而非完成教学目标）。
3.4对三种实验课件设计模式的研究思路和方法的评价
我们发现三个实验课件设计模式的不同在于它们各自选择的学习理论不同，从而对学习机制的看法不同，这种看法的不同来源于其对应的心理理论不同。由不同的理论基础从而导致的不同的研究思路和方法。由上可知，不同模式的差异关键在于其采用的研究方法和手段不同，其核心是在三个设计模式的不同在于它们各自选择的学习理论不同，从而对学习机制的看法不同，这种看法的不同来源于其对应的心理理论不同。由不同的理论基础从而导致的不同的研究思路和方法。
研究实验课程课件开发时，当行为主义盛行时，人们都在研究行为主义的CAI实现模式；当认知理论产生以后，人们又开始研究认知理论的CAI实现模式，而忽略对行为主义研究；当现在建构主义比较盛行的时候，再加上教学改革正强调以学习者为中心，加强素质教育，于是人们又去研究建构主义的CAI实现模式，从而忽略了认知理论的CAI模式。为了更加科学的解决这个问题，我们主张在以一种理论为主要理论基础时，同时需要兼顾其它的理论，以完成更好的实验课件设计。
4.以信息技术为基础的实验课程开发系统探究
信息技术对实验课程的影响，简单地说就是计算机实时综合地处理文字、声音、图像等各种媒体信息的系统技术。在实验课程学习中，多媒体网络系统，把多媒体技术与网络通信技术紧密结合起来，它具有各种媒体信息处理和人机交互功能，更重要的是，它代表了实验教学最新发展和必然趋势。
4.1信息技术条件下，实验课程系统开发的可行性分析
基于实验的课程开发系统，它的开发周期一般偏短，所以我们就需要考虑一系列问题：课件制作的时间期限、课程开发关键技术的实现难度等。
第一个要考虑问题是实验课件制作时间期限。因为某个课件一般是为某一次实验课设计的，又由于教师的教学进度是比较固定的，所以这个课件的制作时间是有限的，在某些实验的实验可行性研究时，例如化学中硫酸的制取，实验任务量较大，所以课件耗费时间较多，应根据课程安排考虑一些其它的问题解决方法。
第二个问题是课件关键技术的实现难度。可以想象，一个在技术上不能实现的课件，不管它的设想有多么好，其最终的结果还是“流产”。只有可以实现的设想才是一个好的设想。用以上实验为事例，要考虑课件中关键技术实现的难度、课件信息量的大小、信息搜集输入的时间、课件修改维护的时间等等。这是实现课程开发的关键要素，在这里它的重要性我就不举例说明了。可投入的制作时间直接和人员数量、人员素质、人员对制作工具的熟练程度有关。
4.2信息技术条件下，实验课程开发的系统设计
实验课的开发过程首先分析教学对象，课程最终是通过计算机表现出来的，在制作之前应首先明确教学目的，进行教学对象分析。先了解一下课件的使用者是哪些人，他们目的是什么？了解的信息越多，设计的计划就越完善。其次要认真分析教学内容，确定是解决重点、难点问题，还是扩大知识面的介绍；是激发学习兴趣、调动积极性，还是培养技能技巧、加深学生对抽象理论的理解等。当掌握了这些关键信息以后，就可以在纸上大致勾画出网页的样式，这个过程可能要画很多草图，最后从中选择一种比较理想的设计方案进行具体的制作，从而获得最优化的教学效果。在此，我将信息技术条件下实验课程的开发看作是一项软件开发，那么它的设计包括两个步骤：总体设计、详细设计。
4.2.1以信息技术为基础的实验课程开发总体设计
总体设计时，目标在于形成软件的一种层次的可对底层节点交叉引用的模块化结构。设计者应采用自顶向下的方法，即从一个大的功能为出发点，将它分为若干个具有独立功能的小模块，如此这般，将模块一直分化到最基本、最容易实现的基础模块。设计者在设计时，应该尽可能的重用已经设计的底层小模块（包括交叉引用，即从A模块引用B模块中的小模块）。总体设计就是考虑如何将实验的具体教学内容分解成一个合理的层次模块结构，
实验课程开发过程中，采用自顶向下的总体设计就是在实验的具体目标确定情况下，将实验的过程分成几个部分，分别编写相应的课件组成部分。对于总体设计的要求、准则如下：
(1)通过模块的分解和合并，以求减小模块间联系为目标，增大块内联系。
(2)一个模块的作用范围应处在这个模块的控制范围以内。
(3)降低模块出口的复杂性，以便使个模块拥有更科学的链接
(4)力求设计单入口、单出口的模块。
以物理实验"动量守恒定律"的实验为例，在足够光滑的地面上，两个学生互相推了一下，实验要证明的是质量大的同学运动速度慢，而质量小的同学运动速度快。实验总体设计如下：
（1)实验目标设计（2）实验内容设计（3）实验评价设计（4）实验总结设计。
以上四部分在设计时，可以作为并列的模块，设计出块内最大的联系，而减少四个部分彼此间的联系复杂性，并采用非线性的超文本结构，以达到较好的课程设计效果。
4.2.2以信息技术为基础的实验课程开发详细设计
详细设计的具体工作就是计算机的程序编码。基于信息技术的实验课程开发，可以使用多种软件平台，但有的多媒体课件要依托于网络传输，在网上运行，一方面要求网络带宽要大，另一方面它也受到技术支持及文件容量的制约。另外，由于某些模块的流程设计并不确定，每个教学模块呈现的教学信息也不确定，所以以多都是非线性的超文本结构。以多媒体技术为基础的实验课程结构分为线性结构，树状结构，网状结构和混合结构。
课件设计通常有以下特点：图片与动画比例较大，并配以说明性文字。即使用图片与动画也要文件的容量小，对图片来说一般用JPG格式。动画尽量使用二维动画，像GIF动画或Flash动画，这能更能节省空间。一个显示页面文件最大不要超过40KB。从选择要看页面算起到经网上下载完于浏览器看到该页为止最好不要超过30秒钟。图形文件尽量使用颜色少的图形格式以减小文件大小。
在遵循以上原则基础上，该实验具体设计过程如下：
实验目标设计：将该实验的具体学习目标(动量定理的掌握）用文字形式加以叙述,并展示给学生。目标设计较为简单，但是要注意言辞的准确表达。占课件比例也不大，一般的工具软件均可实现。
实验内容设计：将实验现象（两个人互推过程）加以呈现，这是课程开发的主要部分。选择以多媒体制作软件或者编程语言予以实现，以此呈现易于学习者观察的学习内容。在内容的设计中，我们更应该注重学习内容的形象表达。
实验评价设计：主要是测试题目的编制（如该例中可以将动量定理公式），用课件加以实现，并可以借助网络，展示给学习者，实现在线评价。若教学过程中采用其它的教学方法，比如小组学习模式，则可以将小组成员彼此间的评价作为评价体系的一部分。
实验总结设计：对整个学习过程予以总结，此过程一般有教师和学生共同参与，可以借助网络的即时通讯功能，在线讨论，也可以通过BBS系统，由教师搜集学生的相关意见，加以总结，以对实验过程各个方面进行全面总结。也可以建立实验学习过程及评价体系数据库，多用网络SQL编程语言实现，以促进已有学习经验的再利用。
4.3以信息技术为基础的实验课程开发设计案例
案例：中学生课外训练实验“中国电子工业如何应对WTO”探索。
4.3.1总体设计
分为教学目标，教学准备，教学过程，教学总结等阶段，分成不同模块，分别设计，并且尽量减少模块间的联系。
4.3.2详细设计
教学目标:本节课的教学目标是培养学生准确筛选信息的能力；培养学生利用网上资源构建意义的能力；培养学生对课外知识掌握的能力；了解中国入关的一些基本知识。
教学准备:
（1）搜索有关WTO专题的主要网站，如《羊城晚报》，《人民时报》和新加坡《联合早报》等。
（2）准备相关素材，如有关《中美签署入关协议》录像或图片资料，也可以从图书，期刊杂志等寻找相关文字资料。
教学过程:
（1）创设情境，提出问题，引起思考。
播放教学录像《中美签署入关协议》，教师提出问题：如：中国入关指日可待，作为一个学生，应怎么办？
（2）提出假设，角色扮演，思考感受
教师提出假设，假如你是一名（A酒店服务员、B电子电器经销商、C企业管理人员），在得知中美签署有关协议的那一天（1999.11.15）感受如何？你看到了哪些有关情形？请以此为内容写一篇300字左右的短文，文体不限，题目自拟，以表达你的感受及相关看法。
（3）资源利用，协商讨论
教师可以自己做示范，并引导学生上网查阅资料，搜集相关主题材料，也可以分小组交流讨论。
（4）网上作文，教师监控
确立了观点并准备好了写作素材，学生进入留言板进行写作。这是整个过程中最重要的一个环节，学生运用从电脑网络搜集到的材料证明观点，实际上是建构意义的过程。与此同时，教师通过控制平台观察学生的进展，了解他们的作文速度，获得讲评作文的第一手资料
（5）发布展示、交流点评
学生通过网络留言发表作文，并自由浏览其他同学作品，进行分析、讨论、点评，并打分。教师也挑出质量不一的学生作业组织学生口头评议并阐明理由，鼓励学生提出相反意见，展开争论。
（6）教师总结
教师针对作文中出现的问题，在学生讨论评析基础上概括总结，说明写作的主要方面：主题是否明确；论据是否得当；语言是否精练、流畅。
4.3.3课程剖析
这个课外实验较好的利用了信息技术条件下课程设计的基本思路，严格按照总体设计和详细设计的思路进行，课堂教学的详细设计工作利用了信息技术的优势，发展了学生利用信息技术的能力，引导了学生的创造思维的发展。
5.网络是实验课程发展的新阶段
5.1基于网络的实验教学新特点
实验教学要培养创新人才，培养学生探索知识、发现知识的能力。同样实验课堂的教学不仅要让学生学到一定的知识，更重要的是要让学生能够自己去探索知识、发现知识，具有自我教育的能力，具有分析问题、解决问题的能力，让他们在不断尝试，不断错误和不断修正错误的过程中进行知识的探索。网络则恰好提供了这样一个探索的空间。布鲁纳认为：“学习者自己发现的东西才是最重要的和最富于独特的个人特色的知识”。
信息技术与实验的整合要体现这一趋势。
多媒体网络中的实验教学有很大的灵活性和可选择性，有利于开展实验设计的个别化教学，也有利于学生展开小组教学。使教学真正作到尊重学生的个性差异，因材施教。在实验具体教学过程中，教师可以达到对实验更加科学的展开教学目标设计的目的。学习者可以根据自己的不同实验开展个性十足的教学，而且能方便地查阅与正在学习的内容相关的知识，因此可以极大地提高学习效率和学习效果。
基于多媒体网络的实验教学包含的媒体数量多，信息量大，覆盖面广，能面向全体学生，使媒体资料能得到充分共享，从而使实验教学优化。不仅扩展了原有的实验教学空间，使教学摆脱了以实验室中心、课本为中心和教师为中心的束缚，让学生徜徉在知识的海洋里，拥有自由遨游的学习空间。理科类型的过程演示实验，如以上4.2.1中的动量定理，以及对化学实验现象进行的“增速“，“减速”等，都是对多媒体技术的应用体现。
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