关于运用信息技术推动气象科学性学习实证

论文导读：
[摘 要] 数字化微型气象站是一种基于手持技术的先进的便携式气象数据采集系统。着眼于如何将信息技术（数字化微型气象站）更有效地应用于现行新课程的研究性学习；研究信息技术支持下，学生使用数字化微型气象站进行气象学习的知识建构情况、数字化微型气象站在研究性学习中对培养学生科学探究能力的作用。在“活动理论”的指导下，设计研究性学习课题，并通过准实验研究法（非对等前后测实验设计）、问卷调查法、观察法（参与型观察与半结构型观察法相结合）、访谈法等策略进行实证研究。得到的结论为：（1）作为数字化认知工具，数字化微型气象站在学生学习气象知识的过程中推动他们的知识建构；（2）与传统学习环境下的学生相比，参与基于数字化微型气象站研究性学习的学生的科学探究能力显著提高。
[关键词] 数字化微型气象站； 手持技术； 研究性学习； 知识建构； 科学探究能力
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[作者简介] 彭豪（1985—），男，广东广州人。助理讲师，硕士，主要从事信息技术与课程的整合、手持技术探究实验研究。
一、背 景
2004年，我国实施中小学新课程改革。新课程的科学教育目标是提高学生的科学素养，推动学生的科学素质。在新理念下，科学课程强调培养学生进行科学探究所需要的能力，增进对科学探究的理解；学生通过科学探究等方式学习科学知识与技能。随着信息技术的飞速发展，新课程改革同时重视培养学生的信息素养和分析、解决理由的能力。可见，新课程的新理念突出表现在：在传授科学知识的同时，注重科学探究能力、信息素养的培养。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》（以下简称《纲要》）也提出：强化信息技术应用；提高教师应用信息技术水平，更新教学观念，改善教学策略，提高教学效果；鼓励学生利用信息手段主动学习、自主学习，增强运用信息技术分析解决理由能力。
研究性学习是学生在教师指导下，从自然、社会和生活中选择和确定专题进行研究，并在研究过程中主动地获取知识、应用知识、解决理由的学习活动，属于校本课程的范畴。为符合新课程理念以及《纲要》的要求、达到科学教育的目标，研究性学习的设计与实施必须以先进的教学理念为指引、以信息技术作支持，立足于推动学生学习方式的转变和知识的建构。然而，目前在气象科学研究性学习方面，信息技术利用率较低，教学方式仍停留在传统的讲授式，缺乏探究性。利用信息技术进行气象科学研究性学习，推动学生科学知识建构，培养其科学探究能力，正是解决以上理由的有效途径。[1]基于此，笔者开展了运用信息技术推动气象科学研究性学习的研究。

二、理论支持

(一)知识建构理论

知识建构理论认为，知识建构是指学习者针对学习任务，在原有认知结构或经验的基础上，通过旧知识与新获得的信息的互动，对原有的知识经验进行改造、重组，使之产生新的有作用的关联，或创造新的作用，并以自己的方式对新信息的理解和建构其作用的过程和结果。[2]知识建构是一个能动地建构图式的过程。所谓“图式”是指围绕某一主题组织起来的知识的表征和储存方式。图式的建构涉及两个基本过程：“同化”与“顺应”。“同化”是主体把外界刺激所提供的信息整合到自己原有认知结构内去的过程；“顺应”是指外部环境发生变化，而原有认知结构无法同化新环境提供的信息，引起认知结构发生重组和改造，通过调节本身的认知结构，使其与外界环境信息相适应的过程。经过“同化”与“顺应”使“图式”越来越接近客观世界的图像。[3]
知识建构的方式主要包括：（1）操作性建构，是指以动手操作的方式建构新知识，表现为学习者操作技能的发展和动作图式的形成；（2）观察性建构，是指学习者通过观察别人的操作或观察对事物的模拟来实现自己对知识的建构，表现为学习者表象图式的形成；（3）言语性建构，是指通过对语言或文字进行逻辑延展或作用同化与顺应来发展思维技能和认知图式；（4）社会性建构，是指通过与他人进行沟通等社会性活动获得知识的过程，表现为他人对自己认知的暗示或激励。

(二)活动理论

“活动理论”是以“活动”为逻辑起点和中心范畴来研究和解释人的心理的发生发展理由的心理学理论。它的假设与“建构主义”、“案例教学”、“情境学习”和“社会认知”等理论相一致。[4]作为教学活动设计的新理论框架（如图1所示），它可以提供一个清楚的操作架构。基于活动理论的学习环境设计过程包括：（1）明确活动系统的目的，即理解活动产生的情境、主体的动机及其对活动系统所感知的矛盾；（2）分析活动系统，即明确活动的主体、相关共同体，确定客体；（3）分析活动结构，即明确活动本身，把活动分解为行动和操作；（4）分析工具和，即确运用信息技术推动气象科学性学习的实证相关范文由写论文的好帮手www.7ctime.com提供,转载请保留.定可用的工具、模式、理论或标准化策略、活动中使用的规则、各种角色的作用；（5）分析情境，即明确内在的或主体驱动的情境、外在的或共同体驱动的情境；（6）分析系统的动态特性，即把握活动系统中各构成部分的互动关系、明确共同体成员之间的关系性质、把握共同体成员之间的互动关系变化。[5]
活动理论也可以作为一种有用的分析框架来研究知识建构共同体，因为它既可以解释个体的活动，又可以解释小组或共同体的活动，同时还关注个体在共同体中的多个方向的活动路径，这正是知识建构共同体中重要的方面。[6]本研究以活动理论为框架设计研究性学习活动，并分析知识建构的情况，关注活动系统中“认知工具”作为“”在知识建构过程中的作用。
图1 教学活动设计框架[7]

(三)科学探究理论

《美国国家科学教育标准》（1996）界定了科学探究的内涵是“科学家用以研究自然界并基于此种研究获得的证据提出种种解释的不同途径，也指学习者用于获得知识、领悟科学的思想观念和科学家们研究自然界所用的策略而进行的各种活动。”科学探究是一种重要的学习方式，也是中学各门理科课程的重要内容，有助于学习者科学素养的发展。通过亲身经历和体验科学探究活动，有利于激发学习者学习科学的兴趣，增进对科学的情感，获论文导读：
得科学知识，理解科学的本质，学习科学探究的策略，初步形成科学探究能力。科学探究的一般过程与探究学习的过程是类似的。在教学中，创设一种类似于科学研究的情境，通过学习者自主、独立地发现理由，以及实验、操作、调查、收集与处理信息，表达与交流等探索活动，获得知识、技能、情感与态度的发展，特别是获得探索精神和创新能力的发展的学习方式和学习过程。由此，科学探究的一般过程可以理解为：提出理由、猜想与假设，制定计划，收集证据，解释与结论、反思与评价、表达与交流等活动过程。[8]运用信息技术推动气象科学性学习的实证论文资料由论文网www.7ctime.com提供,转载请保留地址.0.843，0.897，0.886，0.907，故信度良好；效度检验：由于每小题与总量表之间、每小题与分量表之间、分量表与总量表之间相关均非常显著（相伴概率P<0.001），即效度良好。该量表分别在研究性学习前后对控制班、实验班学生实施前测、后测。

五、研究结果与分析

(一)“数字化微型气象站”推动学生科学知识建构、科学探究能力发展的定性研究结果

笔者以课题“运用数字化微型气象站探究温度、相对湿度日变化规律”[10]为例进行分析。

1. 研究性学习前学生的情况分析

当笔者为学生展示实验仪器——数字化微型气象站系统时，学生们当时都非常好奇，并对它产生疑问。学生中所提出的理由有：这套仪器叫什么？是否很难操作？它有什么作用？能用于监测天气吗？让学生们配合笔者把微型气象站系统安装起来后，学生便进一步提出理由：它是怎样监测天气的？如何获取实验数据？要与计算机联用吗？它能帮我们处理数据吗？它和我们学校的（传统的气象监测仪器）有什么区别？等等。可见，当学生与数字化微型气象站初次接触时，由于他们曾熟悉于传统的实验仪器，习惯于传统的实验操作，难免会对数字化气象监测仪器产生一种“陌生感”，但同时也激发出他们对新仪器的兴趣。从另一个方面看，正是由于传统的气象监测仪器存在这些理由，学生才希望在新仪器上能得到解决。

2. 研究性学习时学生的情况分析

（1）“提出理由”阶段：笔者创设理由情境，向他们提出，“在我们每天的日常生活中，同学们是否觉得每天的温度、湿度变化存在一定的规律？”学生争先恐后地回答：“午后的温度很高”、“深夜气温较低”、“日出日落后温度变化很大”、“温度高时，觉得空气的水分没那么多”，等等。学生们的回答，从某种作用上说，也是一种情境认知学习的重要体现。情境认知运用信息技术推动气象科学性学习的实证论文资料由论文网www.7ctime.com提供,转载请保留地址.理论认为，知识是个人与情境之间互动的产物。知识和情境相联系，学习者通过理解和经验的不断相互作用，在学习情境中进行知识的作用协商。
（2）“猜想与假设”阶段：笔者让学生谈谈各自对相关影响因素的猜想时，学生根据日常生活中的体验提出了“一天里，温度从早上开始升高，到中午时达到最高值，接着降低，到深夜达到最低值”的假设。至于相对湿度的变化，有些学生假设“和温度变化相反”，有些学生假设“和温度变化相同”。可见，学生探究理由的猜想与预测在很大程度上取决于学生原有的认知结构。R. E. Mayer的知识建构的认知过程模型指出，学习过程始于学习者的注意，注意使学习者的经验指向于与当前学习任务有关的外界信息，并激活相关的原有知识。[11]知识建构是基于原有的认知结构之上。
（3）“制定探究计划”阶段：学生在探究之前想到要进行探究设计，但并没有习惯于进行纸笔设计。他们的设计实际表现为只停留在原理设计上，而较少进行方案设计或操作设计。这表明，学生面对探究理由任务时习惯于依靠头脑内部进行认知运演的设计方式。而依靠线索激活，动手操作、情景运演的设计方式相对薄弱。研究性学习可以加强学生此方面的能力培养。在教师的引导下，学生动手制定探究计划，如探究的步骤、验证假设的策略、数据取得策略、数据记录内容与方式、分工情况等。同时教师鼓励学生运用信息技术进行探究。
（4）探究进行阶段（包括“进行实验”、“收集证据”）：学生实施探究方案，利用数字化微型气象站收集气象数据，分析、处理、评价所获得的气象信息，得到温度、相对湿度的变化曲线（如图3所示）。学生可以运用Weather-Lab软件分析曲线的变化情况，或将数据导出到Excel等软件进行数据汇总、统计分析以及图表整理。信息技术支持学生进行猜想、实验、验证、推理的科学思维过程，推动学生知识建构。学生通过小组协作的形式进行讨论，共享所得的气象信息，解决理由，实现协作建构。笔者还发现，在气象实时监测的时候，学生都很专注于数据的变化情况，他们很快就掌握了软件形象的图表化显示方式。学生们都觉得此软件显示数据的方式设计很好，让他们可以从图表中看到抽象的气象数据的变化情况。可见，软件的数据呈现方式的直观化、形象化设计辅助学生由形象思维向抽象思维过渡，也有助于学生的作用建构。
（5）“解释与结论”阶段：学生对监测所得的气象数据都能作出比较合理的定性分析。新知识的获得在某种作用上是原有知识结构的一种发展。当原有知识结构不能解决新理由时，就会产生认知冲突。学生因原有的知识结构不同，故采取不同的方式解决冲突、建构新知识。当学生测量的结果与预测的一致时，将新知识与已有的适当知识建立联系；当测量的结果与预测的不一样时，产生“认知冲突”，进而激发学生进行探索，运用网络学习资源，解释自己的观点与现象之间的差异，将新知识与原有的认知结构结合，通过纳入、重组和改造，构成新的认知结构，实现知识建构。
图3 监测点的温度、相对湿度的变化曲线
（6）“反思与评价”、“表达与交流”阶段：在得出探究结论后，小组之间乐于分享探究成果，学生能将探究的成果用电子文档以及口头的形式比较准确地表达和交流。交流讨论时，既敢于发表自己的观点，又善于倾听别人的意见，对自己和他人的探究成果进行比较客观的评价。在交流的过程中，学生发现探究过程中未解决的理由（如我们应该通过多次的测量来验证结论的可重复性，增强科学结论的可靠性），发现新的理由（如我们可以探究其他气象参数的日/月/年变化规律），从而展开新一轮的研究性学论文导读：运用信息技术推动气象科学性学习的实证由优秀论文网站www.7ctime.com提供,助您写好论文.上一页123
习。过程中体现了研讨性知识建构。
探究结束后，笔者也让学生发表自己的活动感受。有些学生反映，他们首次利用这种数字化气象监测仪器进行气象研究，起初感到有些陌生，特别是对仪器的组装感到困难，但后来发现仪器的设计十分人性化，慢慢便熟悉组装的策略；而有些学生觉得，使用数字化气象监测仪器进行气象研究受益匪浅，也大大提高了监测的准确性；另外，有些学生表示，以前曾对书本中提到的气象监测感兴趣，但碍于传统气象监测仪器操作麻烦且数据不够准确，而失去了气象学习的热情，现在有了数字化的数据采集系统，让他们重拾了学习气象知识的热情。可见，他们体验到探究活动的乐趣和学习成功的喜悦。运用信息技术推动气象科学性学习的实证由优秀论文网站{#GetFullDomain}提供,助您写好论文.