（课程与教学论专业论文）高师物理实验教学中提高实验设计能力的思考与实践.pdf

摘要 物理学是实验的科学。物理概念的建立、物理规律的发现都是以 实验为基础并以实验为试金石。随着科学技术的迅猛发展、各学科间 的相互渗透，物理实验又开拓了很多新的领域。 物理实验及其教学是物理课程和物理教学的一个重要组成部分。 然而现行的物理实验教学并没有取得令人非常满意的成绩，具体体现 在以下几个方面： 1 ) 缺少由学生自己发现问题和提出课题的训练 2 ) 缺少提出猜想和假说，并根据猜想和假说进行实验设计的训练 3 ) 缺少实验后回顾与反思的训练 ? 4 ) 实验过程程序化；实验答案预设化、理想化、唯一化 本研究从多元智能理论、元认识理论的视角对什么是实验设计、 如何提高高师学生实验设计能力、如何进行物理实验设计教学等方面 进行了深入的思考与实践。实践研究表明，在高师院校开设实验设 计课程不仅有助于进一步培养学生的实验能力、养成良好的实验习 惯以及严谨的科学作风，对于拓宽信息渠道、训练学生思维、发展学 生个性、提高实验设计能力和创新能力也起到重要的作用。 关键字：实验设计实验设计教学多元智能理论元认识理论 显性评价隐性评价 a b s t r a c t p h y s i c si s as c i e n c eo fe x p e r i m e n t s t h ee s t a b l i s h m e n to fp h y s i c sc o n c e p t sa n dt h e d i s c o v e r i e so fp h y s i c sl a w sh a v ea l w a y sb e e nb a s e do ne x p e r i m e n t s ，w h i c hi nt u r nh a s b e c o m et h e t o u c h s t o n ef o rt h e m a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g ya n di n c r e a s i n gi n t e r - i n f i l t r a t i o no fs u b j e c t s , p h y s i c se x p e r i m e n t sh a v el e du pt o a n dw i l ll e a du pt oe x p l o r en e wf i e l d s p h y s i c se x p e r i m e n ta sw e l la si t st e a c h i n gp l a y s8 1 1i m p o r t a n tr o l ei np h y s i c sc u r r i c u l u m a n dp h y s i c st e a c h i n g h o w e v e r , t h ec u r r e n tt e a c h i n gm o d e li sn o ts os a t i s f a c t o r y , w h i c hc a n b es h o w ni nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 ) l a c k o f t r a i n i n g f o r s t u d e n t s t o p u t f o r w a r d q u e s t i o n s i n i t i a t i v e l y ； 2 ) l a c ko ft r a i n i n gf o rs t u d e n t st om a k eh y p o t h e s e sa n dp o s t u l a t i o n st od e s i g n c o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t s ； 3 ) l a c ko f t r a i n i n gf o rs t u d e n t st or e v i e wa n dr e f l e c to v e ra ne x p e r i m e n t ； a n d4 ) f o r m a l i z a t i o no fe x p e r i m e n tp r e c e s a , t h a tj s t h ep r e - f i x a t i o n , i d e a l i z a t i o na n d u n i t a r i z a t i o no f e x p e r i m e n tr e x u l l f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fm u l t i p l ei n t e l l i g e n c et h e o r ya n dm e t a c o g n i t i o nt h e o r yt h e r e s e a r c h e rh a ss p e n tc a r e f u lt h o u g h ta n dc o n s i d e r a b l ep r a c t i c eo nw h a te x p e r i m e n t a ld e s i g n i s , h o wt ou p g r a d es t u d e n t s a b i l i t i e so fe x p e r i m e n t a ld e s i g ni nn o r m a lu n i v e r s i t i e sa n dh o w t ot e a c he x p e r i m e n t a ld e s i g nc u r r i c u l u m t h er e s u l to ft h i sr e s e a r c hh a sp r o v e nt h a tt h e d e v e l o p m e n to fe x p e r i m e n t a ld e s i g nc u r r i c u l u mi nn o r m a lu n i v e r s i t i e si sn o to n l yh e l p f u l f o rs t u d e n t st od e v e l o pt h e i ra b i l i t i e st om a k ee x p e r i m e n t s ，m a i n t a i ng o o de x p e r i m e n t a l h a b i t sa n ds e r i o u ss c i e n t i f i cs t y l e , b u tc o n d u c i v et ot h ee x p a n s i o no fi n f o r m a t i o ns o u r c e s , t h e i m p r o v e m e n to ft h e i rw a y so ft h i n k i n g , t h ed e v e l o p m e n to ft h e i ri n d i v i d u a l i t ya n dt h e p r o m o t i o no ft h e i ra b i l i t i e st od e s i g ne x p e r i m e n t sa n dt h e i ri n n o v a t o r ys p i r i t s ! k e yw o r d s ： e x p e r i m e n t a ld e s i g n ；t e a c h i n go fe x p e r i m e n t a ld e s i g n ；m u l t i p l ei n t e l l i g e n c et h e o r y ； m e t a c o g n i t i o nt h e o r y ；m a n i f e s te v a l u a t i o n ；h i d d e ne v a l u a t i o n i i 高师物理实验教学中提高实验设计能力的思考与实践 前言 回顾我国物理实验教学的发展史，可以看出物理实验教学经历了两个阶段。第一阶段： 物理实验教学是物理课程教学的一个组成部分，它的目的主要是验证物理规律、帮助学生理 解物理概念和传授实验技能。第二阶段，实验作为培养学生科学实验能力的手段，独立设课。 实验教学的重点从传授知识转向培养能力，这种教学模式更多地培养了学生观察实验的能 力、理解原理的能力、动手操作的能力和数据处理的能力，对学生实验设计的能力和实验后 的反思能力关注甚少。 1 9 4 5 年国际2 1 世纪教育委员会主席雅克德洛尔向联合国教科文组织提交的报告 教育财富蕴藏其中哪中指出：。教育的任务是毫无例外地使所有人的创造才能和创 造潜力都能结出丰硕的果实，这就要求每个人都有自我负责和实现个人计划的能力。”美国 哈佛大学发展心理学家霍华德加德纳在多元智能一书中也指出。这些人( 评估专家， 本人注) 的工作和职责，是尽可能敏锐地，全面地理解和认识学校中学生的能力和兴趣”、 “学校不但寻求和每个学生相匹配的课程安捧，也寻求与这些课程相适应的教学方法。当学 生进入高年级后，学校还力求为每个学生选择适合他们文化背景的方式和工作岗位”田 基于以上认识，本人认为物理实验教学应该在全民教育( e d u c a t i o nf o r a l l ) ) 的基础上 同时侧重于作为发展学生智能的手段，为对实验设计感兴趣和有实验设计天赋的学生发挥自 己的潜能提供机会实验设计课程由此诞生。 0 1 论文内容介绍 本论文包括六个部分。第一部分，当前基础物理课程标准对学生实验设计能力已做出高 的要求、高考考查学生实验设计能力已成趋势，然而调查表明中学生物理实验设计能力的现 状不尽人意，值得注意的是广大中学物理教师实验设计整体水平也不高学生实验设计水平 不高，教师难咎其责。然而教师自身水平不高，责任又在谁呢? 本人编制了相应闯卷及量化 标准对高师学生进行了调研，发现当前高师物理教育专业学生实验设计能力不容乐观物 理实验教学改革势在必行 论文的第二部分从统计学术语“实验设计”出发闭，首先对实验设计的概念进行了物理 解读，然后在此基础上将物理实验设计划分为原理性实验设计、方法性实验设计、操作性实 验设计和制作性实验设计；接着提出了实验设计的四项操作原则，即科学创新原则、人机工 程原则、简约价值原则和安全可靠原则。如何进行实验设计能力的培养呢? 本人从实验设计 能力培养的维度、教育原则以及理论基础等方面进行了深入地思考。 在论文的第三部分，本人首先对实验设计的教学过程进行了设计，然后对实验设计教学 模式进行了介绍与探讨，并提出实验设计教学模式的流程图。接着介绍了实施实验设计教学 的实施保障普通物理实验教学改革和实验设计课程的开设。最后简单介绍了实验设 计教学过程中提高实验设计能力的六种途径。 论文的第四部分为实践部分。该部分首先介绍了实践背景、对象，然后以范例的形式介 绍了实验设计学习指南的设计思想，为教师进行实验设计教学、学生进行实验设计学习提供 了“热身运动”。最后介绍了在本校本院学生中进行实践教学的过程。 论文的第五部分对本学期的教学过程从显性和隐性两个方面进行了评价，评价表明实 验设计课程的开设取得了初步的成效。 实验设计能力的培养与提高并非是一朝一夕的事情，论文的第六部分对实验设计教学进 行了总结与思考，同时也指出了论文中存在的问题和不足，为继续研究本课题指明的方向。 0 2 课题研究方法与研究成果 0 2 1 课题的研究方法 高师物理实验教学中提高实验设计能力的思考与实践 本课题思考与实践相结合，通过问卷调查法、访谈法和实验法对中学生、中学物理教师 和高师学生的实验设计能力进行了调研。 o 2 2 课题的研究成果 1 、本人研读了综合大学物理学专业( 四年制) 普通物理实验教学基本要求1 、 p 木且 1 6 高师物理实验教学中提高实验设计能力的思考与实践 质量的测量要求精确到0 1 克) ? 如果能说出实验的方案；如果不能说明你需要的器材和补 充器材后实验的方案。 拓展理由题目提供“已知质量的砝码若干个”并没有交代各个砝码的质量都相同、也 没有说明各个砝码的质量都不同，如果认为每个砝码都是1 克( 即砝码的质量“量子化”了) ， 而且要求精确剑0 1 克( 量子化了砝码的质量仍是1 克) ，对于这种情形，能否测量固体物 质的密度呢? 解决办法将待测固体用细线系在两个定滑轮的中问( 图2 - 2 0 ) ，向托盘中加入适当个 数的砝码，使整个装置处于平衡。用刻度尺量出x 、y 的大小，此时再用前面的方法就可以 计算出待测固体的密度了。因此，要完成该实验，还需添加刻度尺。 2 2 实验设计能力培养 2 2 1 实验设计能力培养的维度 借鉴了教育心理学关于学习的理论，对实验设计进行了思考后，本人认为实验设计能力 的培养应该从以下三个维度着手 堆度一l 意识、情感与效能。该维度包括实验设计自我意识的激发，成就动机的形成、 执着信念的坚定以及自我效能的内化在实验设计进行前，最初的意识和动机形成于活动主 体对实验设计意义的认识、对实验要求的知觉、对个人控制能力的知觉以及对活动结果和效 能的预测；在实验过程中，动机的维持源于相关策略和策略效用、价值的知觉以及对个人控 制的再评价，而此阶段实验设计的意识已开始向实验设计的习惯转化；在实验结束时，个体 根据他们内在的标准、他人的操作或外部的标准，进行成功与失败归因，进而影响到主体对 自我效能的判断和情感体验 堆皮二：知识与技能。知识是一种经验，是人类认识世界、改造世界的经验总结；技能 是人们按照某种规则或程式掌握专门技术的运动方式，它是在一定生理条件的基础上，在心 理活动支配下，按照某种要求，通过反复练习形成，并通过人外在的比较固定的活动方式一 规定动作表现出来的，它可视可辨；能力是以一定生理和心理素质为基础，在认识和 实践活动中形成、发展并能表现出来的能动力量。 实验设计能力的培养离不开实验设计基本知识、基本技能的掌握，掌握了实验设计的基 本知识、基本技能，又有助于实验设计能力的培养，这就这体现了实验设计教学的寓于原则 ( 见实验设计能力培养的教育原则之三寓于原则) 堆友三：操作、反馈与调节。实验操作是实验设计付诸于实践的重要环节，实验者根据 实验设计过程中反馈的信息，不断地 调节影响实验的因素，使之尽可能按 预期的情况进行。在此过程中借助实 验系统采集并处理实验数据。实验后 对实验的过程、实验前的预想与实验 后的结果对比进行反思与内化，以提 高实验设计能力。该维度包括实验仪 器的搭建与制作、实验因素的监察与 控制、实验数据的采集与处理、实验 过程的反思与内化等四个方面。 以上三个维度可以用图2 - 2 1 来 表示。 实验设讣的惰璐体验 寓于l l 产生 l 实验设计的过挫i 磋努穗勿 - - j 前提和蕈础l 一 1 7 图2 2 1 高师物理实验教学中提高实验设计能力的思考与实践 2 2 2 实验设计能力培养的教育原则 2 2 2 1 主体原则 主体原则是教育中的根本原则，它牵涉到教育的核心问题教师睁教”与学生的“学” 之间的关系。建构主义师生观认为：“教师应该从知识的权威转变为学生学习的组织者、协 调者、设计者、开发者、社会文化的诠译者，教育的研究者和学生的合作伙伴，教师自己也 是一个学习者；学生不再是知识接受的容器，应该是主动建构知识的主宰、教学活动的积极 参与者，学生应该是待点燃的火把，应该以平等、开放的心态与教师互动、交往，在和 谐、民主，平等的师生关系中，形成积极、丰富的人生态度和情感体验，形成丰富的知识和 解决问题的能力”在实验设计能力培养中，强调这一原则尤为重要，遵循这一原则也是提 高学生实验设计能力的出发点和立足点 主体原则既是提高学生实验设计能力的目标性原则，又是方法性原则。首先，提高学生 实验设计能力是对个体主体性的充分肯定，也是对个体主体性的必然要求。其次，实验设计 能力的培养必须建立在个体的积极主动性和能动性充分发挥的基础上，以达到探讨发挥个体 主体性的途径和方法。 2 2 2 2 内化原则 实验设计能力的内化原则是指实验设计的主体不断实践实验设计的各种策略和技能，逐 步将这种策略和技能内化为自己的实验设计能力，并在新的条件和环境下灵活运用这些策略 和技能进行实验设计 实验设计能力的培养必须经过由。教师指导下的设计”到“自我设计”的转化，这一转 化需要经过一个将外在的指导加以内化的过程。实践表明，如果教师一味地向学生讲授实验 设计的方法和策略，学生常常只能将其作为僵死的教条记下来，却不能灵活运用，不能提高 学生的实验设计能力。此外，实验设计能力的提高常常表现出延迟效应，这也从侧面证实了 内化过程的必然性。 2 2 2 3 寓于原则 实验设计知识的获得、实验设计认知图式的建构、实验设计能力的培养以及实验设计情 感的体验都不是一些状态参量，必须依附于一定的活动，这就是实验设计能力的寓于原则。 学生需要在实验设计活动过程中将新知识和已有的知识进行整合与过滤，试图重新构建 新的认知图式，以提高实验设计的能力。因此实验设计能力的提高必须基于一定知识的积累、 花费一定的时间并寓于一定的活动之中 2 2 2 4 反馈原则 根据作用性质的不同可把反馈划分为正反馈和负反馈。凡是通过反馈使事物原来的运动 发展得到保持或增强的控制称为正反馈；通过反馈使事物原来的运动发展有所减少或方向发 生改变的控制称为负反馈。 实验设计的过程是一系列不断试验的过程，因此必须不断地、及时地收集活动主体、客 体以及各要素变化情况的相关信息，审视和检查有关过瞿和效果，并据此及时调节活动的各 个环节和方面。如果缺乏必要的反馈，实验设计的过稃就有可能走上“不回路”，从而迷失 方向。 2 2 2 5 开放原则 普利高津( 1 9 6 1 ) 将热力学系统分为二种：孤立系统( 既不交换能量也不交换物质) 、 封闭系统( 只交换能鼙但不交换物质) 和开放系统( 既交换能量也交换物质) 。人类的本质 是生态系统，而生态系统本质上是开放的系统。教育的本质是培养人的活动，因此必须走向 一1 8 高师物理实验教学中提高实验设计能力的思考与实践 开放。 传统的课程都采用封闭的观念，“一种传递和传输知识的观念”后现代课程观提倡“课 程应该具有适量的不确定性、异常性、无效性、模糊性、不平衡性、耗散性与生动的经 验。“后现代课程观对我们实验设计课程给予了很大的启示，即课程应该摆脱封闭的束缚， 力显开放原则 实验设计课程不应该是先验的“跑道”，而应强调“跑步”的过程，它并不是“文 本课程”，而是“体验课程”它的开放性可以体现在以下几个方厩：课程教育观念的开放、 课程目标的开放，课程内容的开放、课程实施手段的开放和课程评价的开放等。 2 2 3 实验设计能力培养的理论基础 2 2 3 1 多元智能理论f m lt h e o r y ) ( 一) 多元智能理论的提出与内容 1 9 0 5 年法国心理学家阿尔弗莱德比奈和西蒙等人编制了世界上第一个智力测量量表， 从此人类的智力水平被量化了，任何人现实的或潜在的智力的高低都可以被准确测量。但现 实社会中也的确存在这种现象按照这种智力测试方法被认为是高智商的人在步入成年 后未必有所建树；而有些被认为是“低能儿”却取得了重大成就，于是人们开始对传统的智 力理论提出了质疑。与此同时，脑科学的研究成果也强化了人们对传统智能理论的挑战。 神经科学研究表明人的神经系统经过长期的演变已经形成了相对独立的多种智能，每 个正常的人都在一定程度上同时拥有其中的多种智能，人类伞体的不同在于各种智能组合不 同于是人们认识到传统的智能和智能测试主要侧重于语言智能和薮学逻辑智能，而忽略了 对人类个体生存和发展智能的培养，如空间智能、人际关系智能、自我认识智能等。 鉴于此，1 9 8 3 年美国哈佛大学发展心理学教授、零点项目共同主持人霍华德加德 纳( h a w a r dg a r d n e r ) 发表了智力的结构：多元智能理论) ( f r a m e so f m i n d s ：t h e o r yo f m u l t i p l e i n t e l l i g e n c e s ) 的著作，将智能定义为： 在实际生活中解决所面临的实际问题的能力； 提出并解决问题的能力； 对自己所属文化提供有价值的制造和服务的能力。 在该书中加德纳教授将智能分成八种，即： ( 1 ) 语言智能( 1 i n g u i s t i ci n t e l l i g e n c e ) ( 2 ) 逻辑- 数学智能o o g i c a l - m a t h e m a t i c a li n t e l l i g e n c e ) ( 3 ) 空间智能( s p a t i a li n t e l l i g e n c e ) ( 4 ) 身体一运动智能0 x ) d i l y - k i n e s t h e t i ei n t e l l i g e n c e ) ( 5 ，音乐智能( m u s i c a li n t e l l i g e n c e ) ( 6 ) 人际关系智能( i n t e r p e r s o n a li n t e l l i g e n c e ) f 7 ) 自我认识智能( i n t r a p e r s o n a li n t e l l i g e n c e ) ( 8 ) 自然观察者智能( n a t u r a l i s ti n t e l l i g e n c e ) ， ( - - ) 多元智能理论的多重属性 加德纳教授的多元智能理论认为“人类之所以不同，在于各种潜能的组合不同”并且“每 一种智能都具有独特的发展顺序，在人生的不同阶段萌芽、开花”等，这些话折射出智能的 多重属性。 ( 1 ) 智能具有多样性。 加德纳教授从遗传学、生物学的角度对智能进行了研究，他认为，任何智能必须有一定 的生物学基础，以人脑的生理机制为依据，各种智能彼此相互独立具体体现在传中“人类 。1 9 高师物理实验教学中提高实验设计能力的思考与实践 之所以不同，在于各种智能的组合不同”这句话。以前的考试侧重于考查学生的语言智能和 逻辑数学智能，似乎这两门学科就代表了学习的全部。在这种教育体制下，只有一部分学生 在学习上是成功的，而很大一部分学生的学习是失败的。即使成功的学生也只能说明他们在 语言智能和逻辑数学智能方面具有优势而己。几乎不为众人重视的实验教学更是“雪上加 霜”，即过分侧重于实验基本知识的考查和实验基本操作能力的考核，对于实验前的设计、 实验时的监控和实验后的反思都做得不够。 ( 2 ) 智能具有差异性 “人类之所以不同。在于各种智能的组合不同”，即“智能光谱”不同，这句话同时也 说明了智能的差异性。不同的人具有不同的智能配比，因此，教育的本质就是要帮助学生发 现自己身上的潜在智能并给所有的学生提供一个潜在智能能够得以最大限度发挥的机会。 实验设计课程正是为那些对实验设计感兴趣和有实验设计潜在智能的学生而开设的。 ( 3 ) 智能具有发展性 。每一种智能都具有独特的发展顺序，在人生的不同阶段萌芽、开花”，这句话说明智 能具有发展性智能并不是出生就有终生不变的某种固有特质，多种不同的智能都于幼年时 期萌芽，而后随着年岁和经历的增长在不同的时期得到不同的发展，并因年迈而衰退，只是 由于多重因素的影响，各种智能衰退的速度不同罢了。多元智能理论既是实验设计教学追求 的重要目标，也是实验设计教学进行的行动指南。正所谓“为多元智能而教，用多元智能来 教，围绕多元智能来教。” 1 9 1 ( 4 ) 智能具有文化性 加德纳教授将智能界定为。在实际生活中解决所面临的实际问题的能力”和“对自己所 属文化提供有价值的制造和服务的能力”，这句话说明智能和智能行为并不是由智能测试成 绩的好坏和智商的高低来确定的，而是由人类文化的最高成就表现出来的。智能取决于一个 人是否能解决实际问题或创造出具有文化价值的产品。因此，智能具有文化性，同时这也应 该成为评价智能高低的标准。实验设计的评价也应该体现出对解决实际问题的能力和科学创 新能力的考核。 ( 三) 多元智能理论给我们的启示 多元智能理论为设计具体的、可操作的实验设计教学提供了理论指导，然而由于本人 认识的不足和精力的有限，对多元智能理论指导下实验设计教学的设计策略并没有从事过多 的研究，这不得不说是一个遗憾然而多元智能理论更多地从思想上转变了我的教育观念。 ( 1 ) 智能的界定与创新教育评价观 智能是解决问题和制造产品的能力，对于特定的文化和社会环境很有价值因此，评 价一个人智能的高低不能再用传统意义上的智力测试，更不能凭一个人掌握知识的多寡，而 应以解决实际问题的创新性和文化性为标尺。 ( 2 ) 智能的独立性、等地位性与多元教育评价观 人类的神经系统经过一百多万年的演化已经形成了互不相干的多种智能，并且这八种 智能同等重要透过多元智能的眼镜来观看我们当今的考试，不难发现整个社会几乎都将测 试建立在语言智能和数理逻辑智能之上。这种测试必然使得一部分学生( 语言智能和数理逻 辑智能很有优势) 成功，而很大一部分在测试中表现不佳的学生过早的被社会宣判了“死刑”。 如果我们能够用直接的方法评价学生的其他智能，或许又有很多学生被拯救及早创立多 元化的教学评价体系势在必行。 ( 3 ) 智能的筹异性、发展性与坚信“每个学生都能成功”的教育理念 至今发现的这八种智能并不是与生俱有、终身不变、人人相同的某种特质。不同的遗传 冈素、不同的成鹾经历决定了它们的发展速度不同。这就要求我们的学校坚信“每个学生都 能成功”的教育理念和“为多元智能而教，刚多元智能来教，围绕多元智能来教”的教学宗 2 0 高师物理实验教学中提高实验设计能力的思考与实践 旨，要“尽可能敏锐地、全面地理解和认识学校中学生的能力和兴趣”、。寻求和每个学生相 匹配的课程安排，也寻求与这些课程相适应的教学方法”、。力求为每个学生选择适合他们文 化背景的生活方式和工作岗位”，而不能“赶着他们通通穿过一根针的d , n i j l 。” 值得欣慰的是，教育观念的改变是教育过程中一切工作的前提，只有在新的教育观念指 导下，才会有新的教学实践，并把这种教学实践由自发的、经验的高度提升到自觉的、理性 的高度。这一点美国教育专家拉泽尔也深有体会，他说“人们在教学中运用多元智能理论使 他看到的最大变化之一是，教师和校长现在正以不同的方式看待学生。” 2 0 l 由此可见，多元智能理论已为很多教育工作者所接受，并对传统的智能理论产生了强大 的冲击，给人类了解自己的本质提供了一个更为广阔的视角，在此过程中初步形成了新的智 能观、学生观、教学观和评价观，成为本人从事实验设计及实验设计教学研究的理论支撑之 一。但人类的智能到底有多少种? 是不是只有上述八种? 这并不是我研究的内容。此外，多 元智能理论并不是万能药，它并没有改变也不会仅仅因为它而在很大程度上改变我的教学内 容，但它的的确确改交了我的教育理念 2 2 3 2 元认知理论c m e t a c o g n i t i o nt h e o r y ) 一) 元认知 1 9 7 6 年美国儿童心理学家弗拉维尔( j h f - l a v e l l ) 首次提出了元认知的概念。他认为元认 知就是“个人关于自己的认知过程及结果或其它相关事情的知识”1 2 1 1 ，后来他又补充认为 元认知就是“为完成某一具体目标或任务。依据认知的对象对认知过程进行主动的监测以及 连续的调节和协调”间，即“对认知的认知和对认知的监控”概括地讲，元认知包括以下 三个方面；元认知知识、元认知体验和元认知监控。 ( 二) 认知能力与元认知能力 元认知能力不同于认知能力，它们有本质的区别。认知能力是指使认识主体获得知识和 解决问题的能力；元认知能力则是指认知主体对自己获得知识和解决问题的过程进行监控和 调节的能力。 ( 三) 元认知理论的指导性 1 ，元认知理论与学习理论 不同的学习理论对学习的过程有着不同的理解：行为主义学习理论认为学习过程是刺激 反应的联结，它关注的是刺激的强弱和次数；奥苏伯尔同化理论则把学习的过程看成是原有 知识对新知识的同化，它重视的是已经形成认知结构中的知识与要学习的新知识之间发生的 联系；元认知理论认为学习过程不仅仅是对所学材料的感知、记忆、理解、加工的认知过程， 同样也是一个对该过程进行积极监控、调节的认知过程。 元认知理论把人类的学习过程理解为是在反馈的基础上认知主体对认知过程和结果不 断进行自我监控、自我调节、自我反思的过程，它强调学习者自身的自觉性、主动性，较成 功地说明了人类学习过程的本质，丰富了学习理论。 2 、元认知理论与实验设计的反思 “学会生存”( l e a r nt o b e ) 是1 9 4 5 年国际2 1 世纪教育委员会主席雅克德洛尔向联合 国教科文组织提交的报告教育财富蕴藏其中中提出的教育四大支柱之一；自我 认识智能( i n t r a p e r s o n a li n t e l l i g e n c e ) 是加德纳教授提出的八大智能之一，所有的这些都隐藏着 教育的同归原则，即对行为的反思。“世界的知识不是同定在那里等待被发现的；只有通过 我们的反思行为它才能得以不断的扩展和生成。”1 2 3 1 也许由于思维活动具有内隐性，人多数学生在实验设计时很少意识到自己的思维过程， 一2 1 高师物理实验教学中提高实验设计能力的思考与实践 很少了解影响思维的变量，缺乏反思意识和反思能力，无法独立地认识自己思维过程正确与 否，直到教师评判出其错误，才有反思的意识，造成思维过程与反思的严重脱节。 美国心理学家杜威认为：“反思是对任何信念或假定的知识形成根据支持它的基础和它 趋于达到的进一步结论而进行的积极的、坚持不懈的和仔细的考虑，它包括这样一种有意识 和自愿的努力，即在证据和理性的坚实基础上建立信念。”这席话中隐含着这样几方面的意思： 一是反思是一种活动佶虑) 二是反思具有对象性( 指向“信念或假定的知识形式”) 自觉性 ( “有意识和自愿的”) 和技巧性( 从支持反思的对象的“基础”及“趋于达到的结论”上着手1 。 其本质是说，反思不仅仅“回忆”或“回顾”已有的“心理活动”、。行为活动。，而且要找 到其中的“问题”以及“答案”伽。 由此可见，元认知理论深化并拓展了反思的观念，不仅使反思的内涵与步骤等更清晰化、 更容易把握，而且使反思由过去单独的心理现象变成一种实践行为，直接在实践中发挥作用， 使学生充分发挥主体作用 3 ，元认知理论在实验设计中的运用策略 ( 1 ) 基于元认知理论的实验设计 如何将元认知理论运用到实验设计中来呢? 本人进行了一些思考，设计出了元认知理论 指导下的实验设计方框图( 图2 - 2 2 ) 。 ( 2 ) 元认知理论在实验设计中的运用策略 在选题中增加学生参与的成分 选题是物理实验设计的关键。教师可以根据自己多年的教学经验和了解到的学生的认知 水平选择难度适中、切实可行的实验课题。教师在选课题时除了遵循科学创新、激发兴趣、 切实可行和安全可靠等原则外，还应该考虑到学生现有的认知水平，学习兴趣等因素。要达 到这一要求，教师可以将影响因素多又不易成功的实验转换为实验设计题，或将学生理论学 习中的一些课后习题转化为实验设计题，或将一些科研成果转化为实验设计题。为了避免学 生过分依赖现有的资料，教师应尽量避免将传统实验的题目照搬过来，力求所选课题具有新 意，使学生拿到题目后有耳目一新的感觉，在完成实验后有很大的成就感，这样会有力地激 发他们学习物理、探究自然的兴趣。例如：可以在学生学完简谐振动后，让他们先在理论上 证明然后设计实验验证单摆在大角度下的周期与振幅有关，并且要他们就数学近似在物理中 的应用谈谈自己的感受。此外，教师还应该让学生参与到实验选题中来鼓励学生将自己在 学习中遇到的问题或自己感兴趣的问题反映给教师，这些问题将是教师制定实验课题的重要 依据，因为根据学生给出的问题有助于教师了解学生的认知风格、认知水平，使实验的选题 贴近学生，有助于提高学生的学习兴趣，引导他们进行深入思考，促进他们解决问题的能力 及创新能力的培养，使得物理实验设计发挥其巨大功效。 在实验过程中注重学生自我监控能力的培养 物理实验设计是学生综合能力的表现，元认知监控应用的好坏决定了实验设计能否发挥 其最大功效。在元认知监控中计划性和准备性是学生具体学习开始之前自我学习监控能力的 具体表现；意识性、方法性、执行性是学生在学习活动进行过程中自我学习监控能力的具体 表现；反馈性、补救性、总结性则是学生在学习活动完成之后自我学习监控能力的具体表现。 有些学生在做物理实验设计时没有周详的计划、不能认真思考并找剑最佳的实验方案，遇到 实验突发事件束手无策等，这些现象都表明学生缺少策略元认知知识更没有意识到自己对认 知的监控能力。为了避免山现上述情况，教师可以指导学生制订完成实验的计划，因为计划 可以减少或避免学生行动的盲目性，增加实验成功的几率。在制定计划时要求学生回答类似 2 2 高师物理实验教学中提高实验设计能力的思考与实践 图2 - 2 2 以下的问题“这一题目与你学过的那些知识有关”、“在实验中使用这一原理的注意事项是什 么”，这样做可以使学生更清楚了解自己对该课题的理解情况。针对学生在实验过程中可能 会遇到问题，例如实验方法或实验仪器的选择，实验突发事件的处理，实验误差的分析等等， 教师在指导学生解决这些问题的同时，不应该直接给出明确答案，而要多问几个“为什么”， 如“你为什么选择这一实验方法? ”、“为什么你要添加这一仪器，不添加可以完成实验吗? ”、 “你认为要处理这一问题的关键是什么? 为什么? ”、“你认为误筹出现的原因是什么? 为什 么? ”，这些问题不但可以使学生理清白己的实验思路，引导他们的深入思考，而且逐渐培 养他们对认知的监控能力，在不知不觉中锻炼了自我监控能力。此外，教师也根据学生的网 答也了解到了学生更具体更细节的想法，为自己更进一步指导实验的进行提供了依据。 在物理实验完成后要求学生自我评价 2 3 高师物理实验教学中提高实验设计能力的思考与实践 物理实验设计教学是锻炼学生综合素质的一项实验活动，在一个实验做完之后，学生是 否掌握了实验仪器的使用，是否理解了这一实验方法，这些仅仅从一份实验报告上是体现不 出来的。这就要求教师利用多种渠道与学生沟通交流，可以采取学生自我评价与师生相互评 价相结合的方式。从学生自我评价中教师可以了解到学生在实验中的元认知体验如何。好的 元认知体验可以树立学生进一步学习的信心，激发他们的学习兴趣，增加他们的自我效能感， 不好的元认知体验则恰恰相反为了让学生的自我评价更加全面，教师可以要求学生回答这 样的问题：“你对自己的实验方案和结果满意吗? 在这实验中你觉得最关键的步骤是什么? 为了做好这一步骤你做了哪些努力? 结果如何? ”同时教师还要提供条件促进学生之间和师 生之间的交流，以达到实验教学评价合理的目的，例如：在实验结束后组织学生开一个小型 的报告会，要求每个同学将自己所做的工作和结果与大家交流一下。针对反馈上来的不好的 元认知体验，教师应帮助学生分析问题的关键，找到问题的症结，采取合理的行动或重新选 择实验方案或重新做实验，协助学生将不好的体验转化为好的体验。在分析解决这些问题时， 为教师提供了又一个选题的来源 2 4 ， 高师物理实验教学中提高实验设计能力的思考与实践 三、提高学生实验设计能力的教学模式探讨和实施保障 3 1 实验设计的教学设计 实验设计教学要达到预期的目的、收到预想的成效，就必须在实验设计教学前进行周密 的设计或策划，这就是实验设计的教学设计。 关于教学设计的界定目前还没有达成共识。有学者t 2 q 认为。教学设计就是运用系统科 学的观点和方法，以教学目标和教学对象的特点为出发点，以使教学效果最优为目标来规划、 实施、评价教学活动的全过程也有学者1 2 4 1 1 认为“所谓教学设计，就是为了达到一定的目 的，对教什么( 课程、内容等) 和怎么教( 组织、方法、传媒的使用等) 进行设计” 本人将实验设计教学过程分为四个阶段实验设计意识唤醒阶段、实验设计认知准备 阶段、实验设计能力培养实践阶段和实验设计内化提高阶段。各阶段具体任务如图3 - 1 。 意识唤醒匕= = 认知准备匕= = 教学实践匕= = 内化提高匕= = 际磊翮 i 设计课程l l 开设的意i l 义与作用l i - j 例析实验设计 基本原则、拓 展实验设计课 题来源 3 2 实验设计的教学模式 l 交流、讨论， i 评价 l 本人认为教学模式是指在一定教学理论指导下，经过教学实践后构建起来的、可为他人 从事教学活动提供参考的标准样式。它诠译和体现了某种教学理念，提炼和概括了教学活动 的经验，可以说，教学模式既是教学理论的具体化，也是教学实践活动的升华。 建立在多元智能理论基础上的新型教学观认为，每个孩子都能成功，教师的教学过稃就 是发现隐藏在学生身上潜在的智能，f 加以呵护、引导与培养，从而使学生的这种智能最大限 度地得以发展。 鉴1 二对上述教学过程本质的认识，本人在实验设计教学过程中设计并采用了图3 - 2 所示 的教学模式流挥图。该i 封蕴藏着一些教育理念、表达了本人一些设想。 ( 1 ) 实验设计教学的过程是教师和学生互动的过程，而不再是教师“满堂灌”、学生“抄 黑板”的过程。在实验设计教学过程中，教师的作用是给学生提供部分实验设计的题耳，帮 2 5 高师物理实验教学中提高实验设计能力的思考与实践 助学生选择课题、分析影响因素、审阅实验方案、参与并指导实验、评价学生；学生是学习 的主体。 ；一一! 一一j ： 教师 l ： 学生 ； 教师提出实验要求学生发现的问题 ii l 一 + 1 l 问题会聚 i l 教师助选 i i i 师生共同发现新问题 一 j i 确定实验课题 i 1 教师助析 i 1 一 j 1 分析因素，提出假设l _l 教师点拨 ii l i 设计实验原理，方案等fl 重新设计方案 教师电阅方案l l+ 一 i 师生动手实验 i 否定假设 _ 教师参与并指导i重新提出问题 l i i 教师参与分析 一- 1 分析、总结实验结论i i+ 教师自我评价 l i - i jl 图3 - 2 此外，由于每个学生尤其是每个大学生的成长背景都不同，因此他们关于实验的先验知 识并不一样，学生对于教师来说也是一种资源。在这一互动过程中，学生在成氏、成熟，我 们教师也在成欧、成熟，我们的认知图式也在不停地发生变化。 ( 2 ) 实验设计课题的来源更加丰富 以往实验设计课题一般来自于教材、任课教师、实验室等，很少考虑剑学生。从图3 - 2 可以看出，实验设计教学过程中实验设计课题来源至少有三种：教师、学生平时的积累以及 师生共同研究过程中发现的问题等，增加了由学生自己发现问题和提出课题的训练。 ( 3 ) 增加了学生自己提出猜想和假说，并根据猜想和假说进行实验设计的训练 以往的物理实验过多地侧重基本知识、基本技能的掌握，对丁实验设计能力的培养几乎 - 2 6 高师物理实验教学中提高实验设计能力的思考与实践 为零，实验设计课程的开设，还给了学生自己提出猜想和假说并根据猜想和假说进行实验设 计的机会。 ( 4 ) 增加实验后回顾与反思的训练 过去的实验多以测量性和验证性为主，要求学生了解实验原理、清晰实验步骤、独立实 验操作、分析处理实验数据等，对实验后的回顾与反思只是一带而过。实验设计的教学则可 以改变这一现状。 3 3 实验设计的教学过程 关于教学过程的本质，在教育史上曾经存在过。教师中心论”( “师本论”) 和“学生中 心论”( “生本论”) 。师本论”认为教师的教学过程是以教师为中心、课堂为中心、教材为 中心。三心”结合的过程，学生则是课堂的静听者、服从者；。生本论”认为学生是自己学 习的主宰，想学什么、怎么学、为什么学都取决于学生自己，教师的职责是满足并服从学生 的需要。我国教学理论界曾经还存在过另外一种观点。主导主体论”，。主导主体论”相 比上面的“师本论。和“生本论”已经有了很大的进步，它承认了学生的主体地位，但仍然 存在先天不足当教师起主导作用的时候，学生的主体作用如何能够真正得以实现；当学 生的主体地位真正确立起来时，教师又如何能。主导”呢? 口” 实验设计教学的过程是一项以培养学生实验设计能力为主的社会实践活动。学生在与教 师的互动作用下，形成实验设计的意识与动机、掌握实验设计的知识与技能、发展实验设计 的优势智能，塑造健康的人格等 对实验设计教学过程的再认识z 1 ，实验设计教学过程并不过分地突出对未知因素的探究，而是侧重根据未知因素设计 实验方案、拟订实验步骤、选择实验仪器等。 2 、实验设计教学过程并不过分注重知识结构的逻辑性、严密性，而是强调思维的连贯 性，辐射性和深刻性。 3 、实验设计教学过程并不突出实验内容的艰深和操作的复杂，而是强调实验设计的思 想和方法，着力培养学生实验设计的能力 4 、实验设计教学过程并不突出教师 指导下的具体的、单个的实验课题，而是 力图实现。实践型的实验设计者和设计型 的实验实践者的良性互动”，共建“共同设 计、一起实践、一起成长”的师生共同体。 3 4 提高学生实验设计能力的实施保障 表0 - 3 说明了当前高师物理教育专业学生实验设计能力不容乐观。伏案深思。当前高师 物理教育专业学生实验设计能力不容乐观原因何在? 我们反思了当前大学物理实验教学的 现状，认为大学物理实验教学并没有完成它理应完成的任务，因此必须进行改革。经过不断 地思考与实践我们认为可从以f 两个方面寻求解决的办法：一是酱通物理实验教学改革；二 是开设实验设计课程。 3 4 1 普通物理