幼儿科学探究、数学认知【应用掌上电脑支持科学探究及学生的认知发展】

　　【摘要】文章提倡应用掌上电脑(Handheld Computers)作为认知工具(Cognitive Tools)来支持中小学生的科学探究(Inquiry)活动及认知发展。文章首先对计算机认知工具的内涵及相关界定进行了分析;探讨了掌上电脑在中小学生科学探究中的应用价值;并就计算机认知工具支持中小学生科学探究活动的国际和国内相关研究做了回顾;然后结合案例对国内外基于掌上电脑的科学探究及学生认知发展研究特点做了分析,为国内相关研究提供借鉴。
　　【关键词】掌上电脑;认知工具;科学探究
　　【中图分类号】G40-057 【文献标识码】B 【论文编号】1009―8097(2010)01―0105―06
　　
　　随着一对一(one to one)电脑运动的兴起和无线上网技术的日益普及和成熟,掌上电脑越来越受到人们的关注 。具有无线上网功能的掌上电脑体积小,操作简单,携带方便,存储和传输灵活,已渐渐成为学校学科教育的有力工具。在国外,将掌上电脑作为学生学习的一种认知工具已经逐渐成为当前手持技术教学应用研究的重点和热点。本文在文献研究基础上,对计算机作为认知工具的内涵进行了相关界定;探讨了掌上电脑在科学探究中的应用优势;对计算机作为认知工具的相关研究作了述评;结合实例分析了基于掌上电脑的科学探究中学生认知发展的研究方法和特点,并从中得到启示,为国内相关研究提供借鉴。
　　
　　一 对计算机作为认知工具的相关界定
　　
　　1 计算机认知工具的内涵界定
　　美国斯坦福大学的Pea Roy[1]教授认为认知工具能够引导学习者的认知过程,在学习过程中借助认知工具能够增强学生的认知能力,拓展学生的思维。美国著名科学教育研究者Kozma[2]则是通过移植心理学的有关概念提出了将计算机作为“认知工具”的概念,他认为使用计算机作为认知工具,可以方便学习者的学习并且有助于学习者完成复杂的认知工作。Derry[3]认为认知工具是一种支持、指引、扩充使用者思维过程的心智模式和计算机设备。美国密苏里-哥伦比亚大学著名学习环境设计专家 Jonassen 及其合作者Reeves 在进一步的研究中丰富了上述观点。Jonassen[4]认为认知工具是基于计算机的工具及其学习环境,认知工具的作用是帮助学习者进行批判性思维以及从事更高水平的学习活动。Liu及其合作者Williams、Pedersen[5]等人则是从问题解决的角度对认知工具下了定义,他们认为认知工具是学习者在具体的认知过程中与问题解决的特殊阶段具有或多或少联系的计算机技术。
　　从上述研究者对认知工具的定义来看,基于计算机的认知工具在本质上是计算机多媒体学习环境的一个组成部分,它能够提高学习者在思考和学习过程中的认知能力,是一种能将学习者思维或认知进行有效表达的工具及其学习环境,通过利用基于某种学习环境的计算机工具即认知工具,在一定程序上能够简化学生的认知复杂程度,提高其问题解决的效率,从而促进其知识的建构,形成有意义学习。
　　2计算机认知工具的界定标准
　　Jonassen[6]通过一系列研究,对计算机作为认知工具的标准进行了规定,他提出计算机软件成为“思维工具”需满足以下条件(Jonassen在发表的一系列学术论文及著作中使用了另一个术语“思维工具”(Mind tools)来代替认知工具。我们的观察是即使Jonassen本人也似乎将“思维工具”和“认知工具”作为同义语使用。):(1)软件的使用标准需适合学生的要求,能够为计算机所支持,且具有普遍的应用价值、价格合理、操作简单、易学;(2)通过软件的使用,能够促进学生知识的建构,增强其知识的概括能力;有助于学生批判性思维的形成,增强其知识的迁移能力;促进学生思维能力和知识重整能力的发展,如能将头脑中形成的想法通过一种替代的简化的形式进行表达等。这些标准也反映了计算机软件作为认知工具的本质,即能够有效地表达和处理头脑中的认知模型并促进思维。
　　Susane Lajoie[7]提出了类似的计算机认知工具的界定标准,她认为满足认知工具的条件主要有:(1)学习者处于问题解决的情境;(2)能够提高学生的认知能力;(3)能够帮助学生建构思维模型;(4)能够呈现学生头脑中的知识;(5)能够帮助学生获得并对知识进行表述;(6)培养学生的自学能力;(7)能够为学生提供合作学习的环境。
　　新加坡南洋理工大学张宝辉对计算机建模工具成为认知工具的条件进行了进一步的研究,他认为除了计算机软件本身特点决定其成为认知工具的条件外,软件在学习环境中的使用过程或使用方法也决定其成为认知工具的条件,而且学习环境这一因素决定了软件是否成为认知工具的可能[8]。
　　总之,从上述认知工具的界定标准,我们可以看出认知工具能够促使学生进行有效的学习实践活动,使得他们进行的学习活动变得有意义、有目标和有效率。认知工具支持的学习活动能够促进学生的批判性思维和合作能力,最终帮助学生进行高效地学习,为终身学习打下扎实的基础。并且计算机软件要成为认知工具除了与其本身特性有关外,软件使用的学习环境或者是教学模式的设计同样重要。
　　
　　二 应用掌上电脑支持科学探究的教学意义
　　
　　掌上电脑具有日历、地址簿、任务表及备忘录等用于个人信息管理的项目功能,还有电子书、全球定位系统及地图、电子词典、音乐存储及播放、百科全书、天气和新闻、计算器、数据库、电子邮件、网络、微软办公软件系列等。除了这些通过工具外,掌上电脑及其配套软件可以为学生的科学探究活动提供多方面的支持,将掌上电脑应用于科学探究,具有以下几点意义:
　　1 激发学生的学习动机,促进合作学习
　　掌上电脑携带方便,操作简单,有一定计算机操作基础的学生在使用时基本不会出现技术上的障碍。在进行科学探究活动时,除了可以借助掌上电脑的办公软件对数据进行及时地记录和处理外,还可以借助手持实验设备进行实时实地的实验探究;利用掌上电脑的无线传输功能,可以随时随地支持学生的学习活动并相互之间分享学习资源及保持交流,有助于激发学生的学习兴趣,为创建无缝交流及合作学习环境打下基础[9]。
　　2 丰富科学探究的活动形式
　　掌上电脑不但便于携带,且有与掌上电脑配套的探针或传感器等便携实验设备,使得室外实验成为可能。学生可以利用这些设备进行实地科学探究,如对不同河段水质情况的数据采集、对土壤酸碱度的测试、对受污染空气中二氧化硫浓度的检测等,使得科学探究不再局限于狭小的课堂空间,而是深入到实际的生活情景当中,加强了知识学习与生活之间的联系,大大丰富了科学探究的活动形式,为开展更多的课外探究活动提供了方便。
　　3 拓展科学探究的活动内容
　　借助掌上电脑的相关软件及其手持实验设备可以开发更多适合教学的探究性课题。以传感器为主要仪器的手持技术通过多种不同功能的探头,实现溶解氧、溶液pH、温度、压强、颜色、浊度等的测定,并通过计算机软件将这些性质以数字的形式进行呈现,不但有助于教材实验的改进,而且有助于开发出更多的课外探究性课题,加强了科学探究内容的拓展。
　　4 加深对科学探究及其相关概念的理解
　　通过基于掌上电脑的科学探究活动,可以加深学生对科学探究的过程的认识,促进其对科学探究活动中涉及的主题及其概念系统的深入理解。如通过掌上电脑的 PiCoMap 软件进行概念图的绘制,通过Model-It软件认识概念系统中各变量之间的联系等,这些软件都有助于学生形成有效的概念系统,加深对概念的深度理解。另外,掌上电脑在科学探究中可以实时反馈,如能够实现实验结论的即时分析和实验过程的可视化,有助于学生及时发现一些实验前预测不到的问题[10]。掌上电脑的这些优势在计算机认知工具研究理论的支持下,对于学生的学习尤其是学生科学概念的学习是有很大的促进作用。
　　
　　三 计算机作为认知工具的相关研究述评
　　
　　在认知工具的开发及教学应用方面,国外许多学者做了相关研究。如Jonassen对认知工具进行了深入了的研究,成果颇丰,主要专著《课堂中的计算机认知工具促进批判性思维》[11]《建构主义视野下用技术支持学习》[12]《信息技术在教学中促进批判性思维》等,不仅探讨了认知工具的理论来源、实践意义、评价标准,分类等,并在实践层面了做了不少探索。
　　Joseph Krajcik等人提出在建构主义理论的课堂中,学生的科学探究过程需要三大支持:教学理论、课程理论以及技术支持。他们认为技术的支持,即学习技术是建构主义方法的核心要素,学习技术能够通过合作、调查以及学习成果的展现等帮助学习者解决复杂问题;不同形式的计算、绘图或数据处理作用减轻了学生的认知负担并拓展和强化了学生的思维[13]。因此,这种基于建构主义理论的学习技术一定程度上也体现出了认知工具的特征,建构主义理论的使用为计算机软件成为认知工具提供了参考。
　　Jackson[14]等人他们设计了适合中学生建构概念模型的软件――Model-It,并且通过提供建构主义脚手架式教学模式来支持学生的建模过程,使得该软件成为探查学生前概念,促进学生的认知发展以及探索学生思维和认知反馈的认知工具,研究表明,基于脚手架式教学模式的Model-It 的使用有效促进了学生知识的建构,形成了学生的有意义学习。Stratford 等人认为正是Model-It 的使用使学生有机会参与了一系列计算机建模的认知活动,如分析、推理、合成、检测和诊断模型等。Spitulnik等人的研究证实Model-It使学生通过相互交流来建立概念关系的方式,加深了学生对所学科目的理解和认识[15]。张宝辉等人对建模工具成为认知工具的理论条件进行了研究,他们认为要使建模工具成为认知工具,在教学中需遵循以下几点:1.学生认知层面:学生在前概念的基础上,加深对科学知识、科学模型以及科学建模和探究过程的认识;2.学习环境层面:学生充分利用教学资源,包括教师和认知工具,加强彼此的合作学习,因为合作学习是学生知识建构的重要条件之一;3.建模活动层面:包括对模型的说明、确定变量、定义关系、测试和调整、交流和分享学习成果;4.建模方法层面:帮助学生完成一系列建模活动的方法,加深学生对活动目的、交流讨论以及计划、分析、建模或说明、评价和诊断模型的认知[16]。因此,该研究从学生认知、学习环境以及学生实践和指导实践的方法等层面对认知工具的使用进行了界定,得出了计算机成为认知工具所具备的客观条件。
　　Thomas A. Brush[17]设计了基于问题的学生中心计算机软件,名为“Decision Point”,简称“DP”。DP整合了一套交互性的多媒体数据库和工具,用于鉴别、收集及分析20世纪50年代至60年代非裔美国人人权运动的相关信息。他将支持学生解决、监控问题解决过程的“脚手架”分为:1.交互式小故事:交互式小故事以超链接的方式与历史事件相联系,用于支持DP数据库中的历史事件;2.重要资料:每个DP事件会重点显示以方便学生查询;3.学生指南:为学生分析数据时方法的使用提供说明以便他们更好地组织信息;4.学生日志:学生将遇到的问题、进展等记录下来,以便反思并寻求教师的帮助,使之帮助学生分析信息,收集策略的正误;5.故事模板:通过将探究过程按模板规定进行记录,形成探究成果。研究表明,这种脚手架式的交互式学习环境设计能够促进学生的认知发展。由此可见,研究者为实现计算机软件作为认知工具的功能,在软件的设计中加入了基于建构主义理论的脚手架模式,使得学生的学习活动变得更有意义。
　　因此,由上述分析可知,将计算机作为认知工具的研究内容不仅涉及认知工具的界定、使用以及认知工具的教学应用效果,而且还涉及基于建构主义理论的认知工具的开发和研究,这些理论和实践的研究可以为基于掌上电脑的科学探究中学生认知发展的研究奠定基础。
　　
　　四 利用掌上电脑支持学生科学探究及认知发展的实证研究
　　
　　许多学者对掌上电脑在知识学习中的应用进行了研究,但是将掌上电脑用于支持学生的探究活动,使其作为认知工具促进学生认知发展的研究目前还不是很多。目前,不少研究已经朝将掌上电脑作为认知工具支持学生科学探究的研究方向发展,并且有些已经理出一系列的研究方法,通过对这些研究方法的分析,我们可以窥见将掌上电脑作为认知工具的研究思路,为国内今后相关研究提供参考。
　　【研究案例1】 基于多种认知工具的掌上电脑科学探究研究过程
　　1 研究目的
　　研究选择密歇根市安阿伯地区的2个八年级班级科学课,共33名学生和2名教师。每个被试配备一台掌上电脑和无线网络。从两个班各选取4名学生作为重点研究对象,男女各占50%,主要用来探查基于掌上电脑的认知工具的使用方法及研究模式。
　　2研究过程
　　研究按先后顺序分别为四个过程:进行探究性实验、概念图的建立和合作学习、网上查询和实验设计、建模。
　　过程1:教师介绍学习内容,学生分组对主要概念“声音”进行实验探究,并利用掌上电脑对实验现象进行记录。
　　过程2:学生使用 Pocket PiCoMap 软件进行概念图的绘制,学生需绘制不同学习阶段的概念图,通过对概念图的观察,认识自身对概念建立的一个逐步完善的过程。
　　过程3:学生利用掌上电脑中的 ArtemisExpress 软件进行资料查询,设计和开发与已学习的概念有关的课题,设计方案并实施。
　　过程4:使用自行开发的 Pocket Model-It 软件对声音传播的原理进行概念模型的建构。
　　3研究说明
　　研究中使用了三种认知工具:Pocket PiCoMap、ArtemisExpress和Pocket Model-It,这些工具均由研究者自行开发。Pocket PiCoMap软件主要用于帮助学生创建以框图为主的概念图,概念和概念之间的关系能够通过箭头线来表示,帮助学生将头脑中的概念可视化,并且根据概念图表达自己对概念的理解。ArtemisExpress 主要用于支持学生在探究过程中查询网络或数字图书馆的资料,软件中有“提问”“搜索”“共享”以及“工具”,可以帮助学生更为便捷准确的找到相关资料;而PC Model-It则是帮助学生建立一个有机的概念系统,概念和概念之间的关系通过其中的变量的变化引起的结果来显示,可用于诊断学生概念系统的完善程度。[18]
　　该案例中,研究者将基于掌上电脑的科学探究过程分解为四个主要步骤,即进行探究实验、概念图的建立和合作学习、网上查询和实验设计、建模。每一个过程都用到了自行开发的基于掌上电脑的认知工具,这些认知工具功能各异,用于支持不同认知水平的探究活动,在围绕核心概念的学习的科学探究活动中,随着认知难度的逐级递增,认知工具发挥着不同的作用。从该研究我们可以看出,依据不同的学习主题可以选择不同的认知工具,并且可以将多种认知工具整合在具体的探究过程中,为学生概念的深度加工提供支持。
　　【研究案例2】 基于挑战经验教学模式的掌上电脑3Rs科学探究活动
　　1研究目的
　　参与3Rs(Reduce, Reuse &Recycle)共6所学校480名学生,该研究选取了其中2所学校的79名四年级学生作为被试(男女生比例为3:2),探查在关于环境问题的科学探究活动中利用掌上电脑作为认知工具学生获得3Rs相关概念。
　　2教学模式
　　研究中采用挑战―经验教学模式(Challenge Experiential Approach),基本教学流程为:呈现问题情景(Challenge),造成认知冲突,学生利用先前知识提出猜想和假设→学生进行与主题活动有关的一系列探究活动(Experience)→学生对探究活动中的经历和感受进行相互交流,并提出自己的观点(Reflecting)→将探究活动所学习到的知识与现实生活相联系,制定家庭或社区的3Rs计划(Planning)→教师对学生在不同的实践活动中计划的实施情况进行提问(Applying)。具体流程在掌上电脑上显示如图1。
　　
　　3实施过程及方法
　　一为学会使用活动中涉及的认知工具,包括HP RX3715、3Rs学习软件;二为教师对垃圾对环境污染造成的危害进行介绍后提出问题;三为学生利用掌上电脑在超市进行有关新加坡是否环境友好的数据收集;四为学生利用掌上电脑形成调查报告并传输到3Rs网络平台,各组学生相互交流和向环境专家提问;五为学生展示活动成果并提出促进3Rs的想法。
　　4研究结果
　　通过基于掌上电脑的3Rs科学探究学习活动,大部分学生在探究活动后对3Rs相关概念有了更为具体和深入的理解。学生在概念内化以及概念的应用能力方面有了显著的提高;与传统手段相比,学生更倾向于在探究活动中使用掌上电脑,掌上电脑使其探究活动变得更为主动,参与能力和合作学习能力明显加强。
　　5研究说明
　　HP RX3715 具有拍照、无线上网以及声音存储和文本处理等多种功能且装有3Rs学习软件,该软件依据挑战-经验教学模式,在每一个教学活动阶段对学生活动进行了说明并配有活动纪录表,对学生探究活动进行指导,学生在完成相应的探究活动后,系统会自动进入下一个阶段的活动中,且每个阶段中的若干个活动内容可以随意挑选,并将活动中收集的数据记录在掌上电脑中,最后进行处理。活动界面如图2所示。学生对活动内容形成探究报告后,可以借助无线网络将报告传输到项目的交流平台中,通过师生交流及时得到反馈意见。[19]
　　
　　该研究以学生对环境教育中的相关概念学习为研究目的,将掌上电脑作为学生探究环境问题的认知工具,运用一套完善的教学模式,开发出一整套3Rs探究活动学习软件,利用该软件为学生的探究活动的记录、数据处理以及探究成果的交流与讨论等提供便利。研究结果显示,通过这样的活动过程大部分学生对环境问题的相关科学概念有了深度理解,并且培养了学生的多种能力。其中挑战经验教学模式为掌上电脑作为认知工具支持学生科学探究及认知发展的教学提供了教学实施方法的参考,并且基于该教学模式的软件为其他课题活动的开展提供了借鉴,共享网络平台促进了学生互动能力、合作能力以及交流能力等的提高,另外,共享网络平台作为一种评价工具,为教师实时诊断学生对概念的认知程度提供了便利。
　　以上2个案例均是围绕基于掌上电脑的科学探究展开研究,研究目的各异,特点也各异。第1个案例向研究者呈现了一个较为完整的融合多种认知工具的基于掌上电脑的科学探究研究模型;第2个案例则是向研究者提供了一整套认知工具,该工具围绕学习主体,整合了主题指导、数据记录、处理等多种功能,并且有掌上电脑的无线上网功能和主题网络活动平台做支撑,同时呈现了基于掌上电脑的科学探究的教学模式。2个案例的研究内容涉及基于掌上电脑的认知工具的自行研发、认知工具的使用方法、基于认知工具的教学模式、教学方法以及评价方式等均有涉及。并且上述案例告诉我们基于掌上电脑的认知工具的基本环境是合作学习、自主探究和概念的自我建构,以学生中心为教学理念,促进学生的意义学习为目的。
　　
　　五 结论和启示
　　
　　目前,国外在掌上电脑支持的学习过程研究理论和实践方面都取得了一定的进展,而由于硬件和软件方面的原因,国内在这方面的研究相当薄弱,绝大多数停留在对计算机的认知教学的应用层面。希望通过本文对基于掌上电脑在科学探究中学生认知发展的研究分析,能够为国内相关研究的开展提供一定的借鉴。通过以上研究和分析,我们认为还有一些问题值得同行在以后的研究中进行更为深入的思考:
　　1 从案例1中可以初步窥见中小学科学课程中科学探究过程中各类认知工具的使用一般依据其特点来确定,并且通过同一主题进行交叉使用或整合使用。那么在具体的学科课程当中,应如何进行有效地整合?该如何选择认知工具?如何评价整合方式的有效性?如何根据掌上电脑与无线移动通讯技术的特点创设手持技术与中小学课程整合的教学模式?教师、技术研发人员以及教育研究人员应如何在相关的研究中达成共识,形成产、学、研的有效融合?
　　2 案例2中以自行开发的主题活动软件为认知工具,辅以掌上电脑的其他辅助功能,对这些不同类型的认知工具在科学教育研究中的作用做了实证研究。那么在具体学科知识的学习中,应该如何充分挖掘这些认知工具的潜力,将其与特定的学科概念的学习相结合?某一作用的认知工具对于学科某一类概念的学习是否具有明显的促进作用?
　　3 掌上电脑及其认知工具的使用对教师的教学提出了什么样的要求?掌上电脑支持的学生学习过程中教师的定位、教师的指导方法以及教师对认知工具的掌握程度应如何把握?在基于掌上电脑的教学过程中,应采用怎样的教学方法?
　　以上问题都需要我们在以后的研究中继续关注并深入探讨的,以期将来能为基于掌上电脑的手持技术学习过程研究提供更多的理论指导,进一步提升和加强掌上电脑作为认知工具的一种认识和应用的普及。
　　
　　参考文献
　　[1] Pea, R. Beyond Amplification: Using the Computer to Reorganize Mental Functioning[J]. Educatonal Psychologist, 1985,20(4): 167-182.
　　[2] Kozma, R. The Implications of Cognitive Psychology for Computer- Based Learning Tools[J].Educational Technology, 1987, 27(11): 20-25.
　　[3] Derry, S. j., Lajoie, S. P. A Middle Camp for (un) Intelligent Instructional Computing: An Introduction [A]. S. P. Lajoie, S. J. Derry. Computers as Cognitive Tools[C]. Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum, 1993:1-11.
　　[4][6] Jonassen, D. H. (Ed.).Computers in the Classroom: Mindtools for Critical Thinking (2nd ed.)[M]. Columbus, OH: Merrill/Prentice-Hall. 1996.
　　[5] Liu, M, Williams, D & Pedersen, S. Alien Rescue: A Problem-based Hypermedia Learning Environment for Middle School Science[J]. Journal of Educational Technology Systems, 2002,30(3):255-270.
　　[7] Lajoie, S. Computers as Cognitive Tools[Z], Volume Two: No More Walls: Theory Change, Paradigm Shifts, and Their Influence on the Use of Computers for Instructional Purposes. Mahwah, NJ: Lawrence Erlbaum Associates. 2000.
　　[8][15][16] Zhang, B. H. Using ICT Programs as Cognitive Tools for Student-centered Learning. In M. S. Khine (Ed.), Teaching with Technology: Strategies for Engaged Learners [M]. Singapore: Pearson Prentice Hall. 2006: 95-123
　　[9] Dieterle, E. Wearable Computers and Evaluation[J]. The Evaluation Exchange. 2004, 10(3): 4-5.
　　[10] Novak, A., Gleason, C. Incorporating Portable Technology to Enhance an Inquiry, Project-Based Middle School Science Classroom. In R. Tinker & J. Krajcik (Eds), Portable Technologies: Science Learning in Context[M]. The Netherlands: Kluwer Academic Publishers. 2001.
　　[11] Jonassen, D. H. Computers in the Classroom: Mindtools for critical thinking[M]. Columbus, OH: Merrill/Prentice-Hall. 1996.
　　[12] ] Jonassen, D. H., Peck, K, & Wilson, B. G. Learning with Technology: A Constructist Perspective [M]. Columbus, OH: Merrill/Prentice-Hall. 1999.
　　[13] Jim Minstrell, Emily H. Van Zee. Inquiry into Inquiry Learning and Teaching in Science[M]. American Association for the Advancement of Science Press, Washington, D.C. 2000.
　　[14] Jackson,S. L., Stratford, S. J., Krajcik, J., & Soloway, E. Making Dynamic Modeling Accessible to Precollege Science Students[J]. Interactive Learning Environments, 1994, 4(3): 233-257.
　　[17] Brush, T. A., & Saye, J. W. A Summary of Research Exploring Hard and Soft Scaffolding for Teachers and Students Using a Multimedia Supported Learning Environment [EB/OL]. Journal of Interactive Online Learning, 2002,1(2).
　　[18] Kathleen Tamara Luchini Collbry. Design Guildelines for Developing Scaffolded, Handheld Software to Support Learners During Science Inquiry[R]. A dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy. University of Michigan, 2005,49-52.
　　[19] Wenli, Chen., Nicholas Yew Lee Tan, Chee-Kit Looi, Baohui Zhang & Peter Sen Kee Seow. Handheld Computers as Cognitive Tools: Technology-enhanced Environmental Learning [J]. Research and Practice in Technology Enhanced Learning, 2008, 3(3): 231-252.

推荐访问:掌上电脑 探究 认知 支持