实验教学的教学组织

艾伦

实验教学的教学组织

艾伦

讨论了实验教学的教学组织问题，它由实验过程组织、实验教学策略以及实验报告设计三方面构成。实验过程组织关乎实验教学的成败，而实验教学策略和实验报告设计则是能力本位的实验教学目标达成的保障。

实验教学；过程组织；教学策略；实验报告

中小学实验教学的教学组织(teaching organization)是实验教学设计(详见本刊《实验教学的教学设计》一文)中的重要环节，其优劣直接影响着实验教学的效果，而以提高学生能力为主要目的(能力本位)的实验教学在教学组织方面具有更多的问题需要关注，所以在此必须对其做进一步的详细讨论。实验教学组织包括实验过程组织、实验教学策略以及实验报告设计三方面内容。

一、实验过程组织

在中小学实验教学中，教师对即将开展的实验教学课程的过程进行计划组织是十分重要的教学设计内容，其中包括了实验教学的时间组织、空间组织、学生组织以及器材组织。

1.时间组织

学生实验完成率(SF)是评价中小学分组实验的一个重要指标，一般我们定义SF=GF/GS，其中GF为学生在规定时间内完成预期实验内容的分组数，GS为学生全部分组数。SF=100%是我们追求的目标，这是因为只有在如期完成了全部实验内容的情况下学生才能进一步思考实验内容相关的发散性问题，才有可能培养创新型思维。对学生来说，影响实验完成率的客观因素(主观因素与学生各自的能力有关)主要有两个，一个是实验内容与实验器材的复杂程度，另一个就是教师对学生实验操作上的时间分配。实验内容与实验器材的复杂程度往往与学生学段有直接关系，所以在实际教学中，小学实验的完成率一般较高，而高中的实验完成率相对较低，初中情况居中。

中小学分组实验课多为一个学时(40～50分钟)，教师在时间分配上需要占用一段时间对实验内容、原理、仪器使用、注意事项等问题进行讲解，然后才是学生自己动手操作的时间。两段时间的分配必须十分合理，过分强调教师讲解的作用或过分强调学生自己动手操作的作用都是片面的，应该进行综合考虑。在实验课时间分配的问题上需要考虑的因素有以下几点。

(1)学生实验操作能力水平

对于我国的中小学生，实验操作能力水平是具有差异性的，通过有目的的训练后还会发生变化，但是差异性的总体值不应太大。此处，我们定义全班学生实验平均操作能力水平为OA，并且规定较低的操作水平对应较小的OA值，较高的操作水平对应较大的OA值。

(2)实验复杂程度

这是个相对的因素，确定它需要考虑的问题较多，其中包括实验课程的相关学科、学生学段和年级、学生性别比例等。中小学具有实验课程的学科有多种，物理、化学、生物以及科学课程所占比重较大，这些学科的实验课程复杂程度各不相同，在进行实验教学组织时必须加以充分考虑。小学、初中、高中3个学段一共可以分为12个年级，不同的学段和年级其实验的复杂程度也有较大区别，也是需要加以考虑的内容。中小学男学生的动手能力比女学生强，这是一个不容忽视的问题，实验的复杂程度对于他们表现不同，所以男女生比例也是一个重要问题。此处，我们定义实验复杂程度为CD，并规定实验复杂程度低对应CD的较小值，复杂程度高对应CD的较大值。

(3)实验器材情况

实验器材的优劣、技术先进程度等将严重影响学生的实验完成率。以高中验证牛顿第二定律实验为例，在测量运动物体加速度时，使用轮式小车、纸带打点计时器与使用气垫导轨、光电计时器相比，实验进行的时间具有明显的区别。此处，我们定义实验器材情况为EA，并规定先进程度较高的实验器材对应EA的较大值，先进程度较低的实验器材对应EA的较小值。

(4)学生分组数

这也是一个影响实验完成率的重要因素，学生分组数过多有可能导致教师指导不及时，自然会延长实验时间。此处，我们使用本文前面定义的全部学生实验分组数为GS。

综合上述考虑后就可以估算出实验课上教师讲解和学生动手操作两个时间段的分配比例关系。此处，定义学生进行动手操作的时间占全部时间的比例TS=(CD·GS)/(OA·EA)。其中CD，GS，OA，EA的取值范围是一些经验值，在本栏以后的文章中还要进一步讨论，并给出参考值范围。

2.空间组织

实验教学的空间组织包括的内容杂多，教师需要考虑实验桌凳的摆放、实验器材的摆放、实验室的布局等多方面的问题。这些问题对实验教学的效果和教学目标的达成同样是有影响的。根据实验内容的不同适当调整实验室空间布局的情况虽然不多，但是其作用也不应完全忽视。一节优秀的实验教学课程设计应该对此进行充分考虑。

3.学生组织

学生组织就是学生实验分组问题，而实验分组主要涉及组额的大小和分组的性质。组额就是小组成员数，目前中小学实验分组是以两人一组为主，但组员人数应根据实验内容进行灵活制定为好。在条件允许的情况下，可根据器材和实验复杂程度做相应调整，组员人数一般最多不应超过5人。分组的性质是指采取同质分组还是异质分组，中小学分组实验宜采用异质分组，即将知识与能力水平不同的学生、将男女学生交错地分配在每个组里，也就是在一个小组中应该既有能力水平高的学生也有水平低的学生，既有男生也有女生，以便于学生之间的相互帮助和协作。

4.器材组织

将实验器材合理地匹配好也是实验组织的重要内容。使用技术先进、功能强大的实验器材对培养学生能力并非是最好的选择，应该根据具体情况选择仪器设备。有时，落后陈旧而传统的实验仪器设备对学生能力训练反而具有更好的效果。前文说到器材情况将会影响时间组织分配，所以器材选择不是一个孤立的问题，更何况对于边远贫穷地区的学校，器材根本无从选择。即便如此，器材组织问题仍然是一个重要的研究课题，在条件允许的情况下，应提倡让学生使用不同水平的器材来做同一个实验。

二、实验教学策略

以提高能力为目的(能力本位)的实验教学的教学组织与传统实验教学组织有着本质的不同，其中最突出的地方就表现在实验教学的教学策略方面。

1.协作策略

评价实验教学优劣的另一个重要指标是学生动手操作率(OS)，它是实验过程中进行了动手操作的学生数与学生总数之比，OS=100%是我们追求的目标。学生动手能力水平的普遍提高与OS有很大关系，而使得学生动手操作率保持一个较高水平的重要组织策略就是协作策略。关于协作与合作的区别以及协作方式的特点在本栏刊出的《实验教学相关能力分析(3)：操作与社交能力类》一文中有较为详细的论述。协作是让学生在进行计划协调之后再分工各自完成一件事中的每个部分，协作方式还使得学生在完成一项工作的指导性与计划性方面得到锻炼，同时他们又都经历了独立完成各自一部分任务的过程，而又不失对整体事物的了解。

协作策略的实施是一件非常烦琐而细致的工作，需要教师对每个学生分组中的情况非常了解，并能将任务布置到每名学生，或者通过小组负责学生将任务分配到个人。协作策略的有效实施需要有一个过程，学生需要在不断的训练中逐步理解和熟悉协作的意义与内容。

2.置疑策略

此处使用“置疑”而未使用“质疑”是希望说明这个策略的教师主导作用。置疑就是教师启发、引导学生进行逆向思维、发散性思维，对实验过程与结果大胆提出疑问和猜想。虽然有些教材中已经为此对学生提出了一些思考问题，但教师和学生应该善于突破教材内容，不受其限制，提出更多的疑问和猜想。以一个典型的中学实验——“探究火焰结构”为例：将酒精灯点燃，用一根竹牙签(或火柴梗)横放在酒精灯火焰上加热，取出后观察到牙签与外焰接触的部分变焦(炭化)，由此证明火焰的外焰部分温度最高。教材上要求的探究实验到此为止，而置疑策略则要求教师或学生能够进一步提出疑问和猜想：牙签变焦说明外焰部分接触空气，牙签被氧化；中间部分未变焦是因为焰心和内焰部分缺乏氧气，温度虽然可能更高但不能使得牙签燃烧。即使这些猜想被后来的实验证明是错误的，对于提高学生创新能力也十分有意义。

实验教学后在学生心中留下一些疑问其实是件好事，留下疑问就是为今后进一步探索知识留下动力。完全按照课本所述的操作和思路完成实验过程是非常可悲的事。

3.思想实验策略

实验教学关注学生的动手操作，但是更应该重视学生的思维训练，提倡学生动手操作的目的是为了激发他们动脑，思想实验策略就是希望通过逻辑思维训练提高学生的创新能力。在整个实验教学的过程中都可以采取思想实验的教学策略，但其中最适宜的阶段是实验预习阶段，下面举例说明。

初中物理有一个“探究并联电路电流强度等于各支路电流强度之和”的分组实验。做实验之前教师可以引导学生在头脑中先做一个简单的思想实验：设想将一个阻值为R1的电阻接到端电压为U的电池两端，根据欧姆定律，R1中的电流强度为一个固定值I1；同理，将一个阻值为R2的电阻单独接到该电池两端其电流强度为固定值I2。现在，将R1与R2并联起来，同时接到上述电池的两端，因为端电压U没有发生变化，两个电阻的阻值也没有发生变化，则根据欧姆定律，R1和R2中的电流强度必然仍分别保持为I1和I2，所以总的电流强度一定为I1+I2。通过这个简单的逻辑推理过程证明了物理结论的正确性，则原来那个探究物理结论的实验就变成了验证思想实验正确性的验证实验。但是这种逻辑思维训练对于培养学生思想实验能力，进而提高创新能力是十分必要的。

三、实验报告设计

中小学实验教学一般没有统一格式的实验报告，多为教师自行设计学生实验报告，报告内容、体例也由教师规定。一节完整的实验课，教师的小结和学生填写的实验报告都是必要的环节，而作为能力本位的实验教学，学生实验报告的内容应该具备以下几个主要内容。

(1)数据处理

这是一般传统实验报告都具备的，是学生进行科学实验的基本要求，同时也是对学生进行动手操作训练的继续。

(2)误差分析

测量误差涉及精确度，即测量值与“真值”之间的差距或测量误差的大小；还涉及分辨率，即测得数据有效数字位数的多少。有效数字的处理属于上述数据处理的内容，应该在那里解决。误差分析主要讨论精确度问题，在实验过程中一般存在两种精确度误差，一个是构成实验系统的仪器设备由于制造不精准而产生的系统误差，另一个是实验者由于生理和心理的影响使得操作上产生的随机误差。通常，减少系统误差的方法是尽量使用精度高的仪器设备和经常地对仪器设备进行校准，而减少随机误差的方法则是在实验中对一个数据进行多次测量。在实验报告中，对刚刚进行的实验应该让学生做细致的系统误差分析，尽量多地发现和找出造成系统误差的各种原因，为下面的改进建议创造条件。

(3)改进建议

学生对刚做完的实验过程与方法提出改进意见，甚至提出新的设计方案对于培养学生分析、综合与设计能力都是非常有益的。鼓励学生充分思考并提出降低测量误差的各种方法，即使不能立即实现，只要敞开思路就都是有效的。例如，在完成使用轮式小车、纸带打点计时器验证牛顿第二定律的实验后，可以启发学生思考降低测量误差的改进措施：通过在小车轮轴、定滑轮轴上添加机油以减小摩擦力，通过调整打点计时器电磁铁弹簧强度以减小打点阻力，通过使用手机与自拍杆开关替代纸带打点计时……

(4)成长记录

学生在此记录每次进行实验中协作分工的情况、自己充当的角色、动手操作的时间、自己解决的问题、思想实验的结论等信息。这些信息为对学生做能力水平提高的评价提供了可靠依据，也是我们提倡的形成性评价方式的具体实现。

作者信息

艾伦，教授，本刊特约撰稿人。首都师范大学，100048

Teaching Organization of Experiment Class

Ai Lun

The organization of the experimental class is discussed, which is composed of three aspects: the experimental procedure, the teaching strategy and the experimental report. The experimental process organization is related to the success or failure of the experiment teaching, and the experiment teaching strategy and experiment report design is the guarantee of the ability standard experiment teaching target.

experiment teaching; teaching organization; teaching strategy; experiment report