（教育技术学专业论文）基于认知工具的中学科学探究学习平台研究.pdf

摘要 基于认知工具的中学科学探究学习平台研究 教育技术专业硕士研究生万菲 指导教师瞿堑副教授 摘要 在义务教育阶段，培养学生良好的探究能力以及思维习惯，并最终提升学生的科学素养， 是科学课程的重要使命。信息技术的飞速发展，为科学探究学习活动的开展提供了重要的技 术支持。信息化环境不仅能够促进师生的交流协作，进行及时高效她指导，而且有助于学生 构建知识、记录学习过程、开展多元化评价。面对新时代的学习需求，积极构建信息化环境 下的教学情境，促进学生的全面发展，是2 1 世纪教育领域的重要命题。 认知工具能够帮助使用者感知、加工、记忆以及问题解决等认知过程，丰富或重构认知 结构，促进使用者高阶思维能力。其拓展学习者思维、支持知识建构等优势，为科学探究学 习活动的开展提供了契机。基于此，本研究将基于认知工具的学习平台与探究学习活动结合 在一起，构建基于认知工具的科学探究学习平台，为信息化环境下的探究学习活动开展提供 可操作的策略和方法。 本研究主要分为四个阶段：文献理论梳理、问卷访谈和课堂观察、准实验研究以及评价 分析。在分析国内外文献及调研分析的基础上，本研究阐述了探究学习、认知工具和学习环 境的相关理论，调查分析了信息化环境下中学科学探究学习活动的开展现状及建构科学探究 学习平台的可行性和必要性，提出了基于认知工具的中学科学探究学习活动过程模型，并设 计开发了基于认知工具的探究学习平台，在西大附中初二( 5 ) 班推广应用，通过前后测结果 以及问卷调查等途径，考察并分析了该平台的应用效果。 研究表明：在中学科学探究学习活动中应用基于认知工具的学习平台是有效可行的，各 种认知工具的优势，尤其是思维导图，能够很好地支持探究学习的各个过程。长期利用基于 认知工具的探究学习平台开展课堂和课外探究学习活动，能够有效地促进师生的交流，培养 学生良好的思维习惯、提升学生的合作能力，并提商学生的探究能力。 关键词：认知工具科学探究科学素养探究能力学习环境 西南大学硕士学位论文 皇曼量曼皇皇皇曼曼曼曼曼量皇曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼i 鼍曼量曼曼曼曼皇舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼罾曼曹曼曼曼皇曼皇蔓 r e s e a r c ho nt h el e a r n i n gp l a t f o r mo f s e c o n d a r ys c h o o ls c i e n c ei n q u i r y i n s t r u c t i o n a lt e c h n o l o g yg r a d u a t es t u d e n tw a nf e i a d v i s e ra p r o f q uk u n a b s t r a c t i t ，st h ei m p o r t a n tm i s s i o no fs c i e n c ec u r r i c u l u mt oc u l t i v a t es t u d e n t s e x p l o r i n ga b i l i t i e sa n d g o o dh a b i t sa n df i n a l l yp r o m o t et h e i r s c i e n t i f i cl i t e r a c y n er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o n 钯c h n o l o g yp r o v i d e sas t r o n gb a s i sa n dg i v e si m p o r t a n ts u p p o r t sf o rs c i e n t i f i ci n q u i r yl e a r n i n g a c t i v i t i e s t h ei n f o r m a t i o n - b a s e de n v i r o n m e n ti sn o to n l ya b l et op r o m o t ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n t e a c h e r sa n ds t u d e n t s ，b u ta l s oh e l ps t u d e n t st ob u i l dk n o w l e d g e ，r e c o r dt h el e a r n i n gp r o c e s sa n d e a r l yo u td i v e r s i f i e de v a l u a t i o n f a c e dw i t ht h el e a r n i n gn e e d si nt h en e we r a , i ti si m p o r t a n tt o b u i l di n f o r m a t i o n b a s e de n v i r o n m e n tf o rs t u d e n t s c o m p r e h e n s i v ed e v e l o p m e n ti n2 1 “c e n t u r y c o g n i t i v et o o l sw e l ls u p p o r tu s e r s c o g n i t i v ep r o c e s s e s ，s u c ha sp e r c e w l n g p r o c e s s i n g , m e m o r y a n dp r o b l e m s o l v i n ga n ds oo n , a n dc o u l dr i c ha n dr e c o n s t r u c tc o g n i t i v es t r u c t u r e ，a n dp r o m o t e h i g h e ro r d e rt h i n k i n gs k i l l s t h e s ea d v a n t a g e sp r o v i d ea no p p o r t u n i t yf o rs c i e n t i f i ci n q u i r yl e a r n i n g a c t i v i t i e s t h u s ，c o m b i n i n gc o g n i t i v et o o l sa n di n q u i r yl e a r n i n g ，t h et h e s i sb u i l d ss c i e n t i f i ci n q u i r y l e a r n i n gp l a t f o r mb a s e do nc o g n i t i v et o o l sa n dp r o v i d ea c t i o n a b l es t r a t e g i e sa n dm e t h o d sf o r i n q u i r yl e a r n i n gu n d e ri n f o r m a t i o n b a s e de n v i r o n m e n t t h i ss t u d yi sd i v i d e di n t of o u rs t a g e s ：l i t e r a t u r et h e o r ys t u d ya n da n a l y s i s ，s u r v e y & i n t e r v i e w s a n dc l a s s r o o mo b s e r v a t i o n ，q u a s i e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n de v a l u a t i o na n a l y s i s a f t e r t h e i n t r o d u c t i o na n da n a l y s i so f d o m e s t i ca n df o r e i g nl i t e r a t u r ea n dt h es u r v e y , t h et h e s i sa n a l y s e st h e s i t u a t i o no fi n q u i r yl e a r n i n gi ns e c o n d a r ys c h o o l sa n dt h ep o s s i b i l i t y & n e c e s s i t yo fc o n s t r u c t i n ga p l a t f o r m ，p r o p o s e sa s c i e n t i f i ci n q u i r yl e a r n i n gp r o c e s sm o d e lb a s e do nc o g n i t i v et o o l s , d e s i g n sa n d d e v e l o p sap l a t f o r mf o rs c i e n t i f i ci n q u i r yl e a r n i n g t h e nt h ep l a t f o r mi su s e di nc l a s s5 ，g r a d e2i n a f f i l i a t e ds e c o n d a r ys c h o o lo fs o u t h w e s tu n i v e r s i t y f i n a l l yt h et h e s i sc o n c l u d e st h ep l a t f o r m a p p l i c a t i o nr e s u l t st h r o u g ht h ea n a l y s i so f t h eq u e s t i o n n a i r e sb e f o r ea n da f t e rt h et e s t s t u d i e sh a v es h o w nt h a ti t sf e a s i b l ea n de f f e c t i v et oa p p l yl e a r n i n gp l a t f o r mb a s e do nc o g n i t i v e t o o l si ns c i e n c ei n q u i r yl e a r n i n ga c t i v i t i e si ns e c o n d a r ys c h o o l s ，a n dt h ea d v a n t a g e so fav a r i e t yo f c o g n i t i v et o o l sw e l ls u p p o r tt h ep r o c e s so fi n q u i r yl e a r n i n g t h eu s eo fi n q u i r y - b a s e dl e a r n i n g p l a t f o r mi nt h ec l a s s r o o ma n de x t r a - c u r r i c u l a ra c t i v i t i e sc a ne f f e c t i v e l yp r o m o t et h ec o m m u n i c a t i b e t w e e nt e a c h e r sa n ds t u d e n t s ，a n di t sp e r s i s t e n ta p p l i c a t i o ni sag o o dw a yt oc u l t i v a t es t u d e n t s g o o dt h i n k i n gh a b i t sa n de n h a n c et h e i rc o o p e r a t i o na b i l i t ya n di n q u i r ya b i l i t y k e y w o r d s ：c o g n i t i v et o o i s c i e n t i f i ci n q u i r y s c i e n t i f i cl i t e r a c y i n q u i r ya b i l i t y l e a r n i n ge n v i r o n m e n t 独创性声明 学位论文题目：基士丛筮三县鲍生堂叠堂拯塞堂翌壬垒珏壅 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中己加了 标注。 学位论文作者： 汤番 签字日期：z 口l p 年多月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生部可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名： 吻蔷 签字日期：如f ，年厂月日 别醛各胞 签字日期：。加p 年月乡日 第1 章绪论 曼曼曼曼皇i i i i 皇曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼! 曼曼曼皇曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼舅量曼曼蔓曼曼曼曼皇曼曼曼鼍曼舅曼曼曼曼曼詈鼍曼皇 第1 章绪论 独立思考能力是科学研究和创造发明的一项必备才能。在历史上任何一个较重要的科学 上的创造和发明，都是和创造发明者的独立地深入地看问题的方法分不开的 华罗庚 认知工具( c o g n i t i v et o o l s ) ，即帮助学生表征他们已有的知识结构，组织新的知识，并用 于解决问题的工具，以更好地发展学习者的批判性思维、创造性思维和综合思维能力 一一乔纳森( j o n a s s e n ) 信息技术的日新月异和广泛普及推动着整个社会不断向前发展，“社会信息化”、“教育信 息化”成为流行词汇。教育领域在信息化大环境下也发生着巨大的变化，学习方式灵活多样， 知识信息丰富多彩，师生交互自由畅通。面对新时代的学习需求，积极构建信息化环境下的 教学情境，促进学生的全面发展，是2 l 世纪教育领域的重要命题。 1 1 研究背景 1 1 1 社会对人才培养的要求 当前人类社会正在经历重大的变革，信息技术的飞速发展和经济全球化的推进使发达国 家正在向知识社会转化。知识时代呈现的特点，引发了教育的重新审慎与思考，教育目的必 须进行重构，这意味着一系列与人才素质培养密切相关的教育理念和教学模式的变革。教育 打破了时空的限制，时代要求终身学习。 终身学习对个人素质提出了新的要求，要求在新的时期每个人生存与发展依赖于以下七 方面的生存技能和能力，包括批判性思维与行为( c r i t i c a lt h i n k i n ga n dd o i n g ) 、创新 ( c r e a t i v i t y ) 、协作( c o l l a b o r a t i o n ) 、跨文化理解( c r o s s - c u l t u r a lu n d e r s t a n d i n g ) 、传播 ( c o m m u n i c a t i o n ) 、计算机素养( c o m p u t i n g ) 、生涯与学会自立能力( c a r e e r & l e a r n i n g s e l f - r e l i a n c e ) 等。这些技能是个体在知识社会必须具备的基本生存和发展技能，因此每个社会 成员都应努力掌握，因而都要学会如何学习。 每一位社会成员都应学会学习，这包括了两个方面的涵，妒，其一，个体能够主动积极、 个性化地建构知识，对不断更新的信息进行接收、选择、分析、判断、评价、处理，不断地 更新自己的知识体系：其二，信息知识时代更讲究技术，特别是信息技术。信息技术不再是 存储信息的容器，每个人应学会合理有效地运用技术支持学习，借助于工具促进个体认知的 发展，因而必须树立正确的技术应用观，将技术作为终身化学习的认知工具，而并非仅仅是 作为知识的存储工具或是学习对象。 。成丽娟认知工具的理论与教学应用研究i d i 江西：江西师范大学，2 0 0 5 两南大学硕+ 学1 = 7 ：论文 1 1 2 世界范围教育改革的要求 2 0 0 4 年6 月，联合国教科文组织召开的国际科学技术教育大会中提出，将科学教育改革 作为重要议题列入联合国教科文组织的议程。并指出有必要在全世界范围内推动一个大计划， 并着力于推动发展中国家的科学教育改革。现今已有数十个国家包括一些发展中国家正在开 展该项教育改革的相关研究。可见，科学教育已经成为各国教育领域的关注焦点，科学技术 的日新月异越来越要求国家重视科学教育，培养公民的科学素养要从基础教育抓起。 1 1 3 新课程改革的要求 中央中央、国务院关于深化教育改革全面推进素质教育的决定中指出：“要让学生 感受、理解知识产生和发展的过程，培养学生的科学精神和创新思维习惯，重视学生收集处 理信息的能力，语言文字表达能力以及团结协作和社会活动的能力”。 2 0 0 1 年7 月，中华人民共和国教育部颁布了科学课程标准，这是我国第一个科学课 程标准，也是我国科学教育的一个全新起点，掀开了科学教学改革的新篇章。2 0 0 4 年，教育 部组织了专家组，对颁布的课程标准进行修订。2 0 0 6 年，教育部再次组织专家，重新对各科 课程标准进行修订。课程标准的不断修订将科学探究推向了重要地位，并深刻地影响着中小 学阶段的科学教育。2 0 0 6 年的课程改革以培养学生的科学素养为宗旨，积极倡导让学生亲身 经历以探究为主的学习活动，培养他们的好奇心和探究欲，发展他们对科学本质的理解，使 他们学会探究解决问题的策略，为他们终身的学习和生活打好基础。 1 1 4 现实缘由 新课程标准实施后，各地的科学教育都将探究学习作为一种主要的教学方式。而科学教 育的实施现状和实际效果也越来越关注。如山西师范大学课程与教学研究所的胡卫平等三位 老师于2 0 0 7 年对山西省科学课程实施情况做了全面的调查，分析了新课程实施中存在的诸多 问题，其中提到教师在进行科学探究课时存在的问题主要有：4 0 多的教师面对学生提出的 问题，主要进行说教式教学：4 0 多的教师鼓励学生自己探究，并与同伴交流习得知识，但 很少给出及时指导；仅1 5 的教师鼓励学生自己去探究性学习，并亲自参与学生的探究活动， 给予及时指导。由此可见教师虽然已经具备培养学生探究能力的意识，但由于固有的教学观 念等因素的影响，实际开展探究教学时，并没有提供学生主动学习的机会，学生的探究活动 也大多处于一种无指导的盲目探索阶段，学生学习的主体能动性并没有太多的发挥余地。 通过进一步的文献阅读和课堂观察及访谈，我们发现目前中学科学探究学习活动的开展 并不理想。其中突出的问题表现在以下四个方面： 1 活动有余，思维不足。 尽管教师在课堂上尝试探究性学习，但由于学生思维习惯和方式的制约，仍然习惯于讲 。第三次全国教育工作会议文件中央中央国务院关于深化教育改革全面推进素质教育的决定，1 9 9 9 2 第1 章绪论 解、演示的教学方式，不习惯自主、合作和探究。学生在课堂学习过程中，重观察，轻思考， 或由于科学探究活动中变量过多，学生注意力分散，忽略了探究主题。在很多情况下，学生 在热热闹闹的活动结束以后，头脑依然是一片空白，他们在知识和能力上并没有得到真正意 义上的提升，学生的活动“有量无质”。 2 缺乏科学的探究方法和工具。 由于缺乏正确科学的探究方法和工具，在部分探究活动中，学生个个争着探究，但不知 从何处入手；还有诸如实验无计划、观察不到位、表达不清等现象，这些都表明学生对实验 观察、实验中各种信息的搜集、整理和分析能力、通过已有事实和信息进行推理、归纳和总 结的能力、课堂交流和评议等能力的不足，缺乏良好的思维习惯和科学素养。 3 过分注重探究过程，忽视探究结果分析。 部分教师认为科学探究活动是“过程教育”。在这种“只重过程，不重结果”的观点影响 下，有些教师在课堂教学中，把科学探究活动理解为重点是学习科学过程和技能，附带才是 理解科学概念和原理，甚至认为使用什么原理或获得什么概念变得无关紧要了。经常出现一 节课下来，探究活动开展得有声有色，但问其结果，一问三不知的情况。 4 课堂探究时间少，难以满足学生需求。 目前探究活动一般为2 课时，部分学校甚至只有1 课时。在小组合作进行的探究活动中， 经常被少数学生垄断，而多数学生在有限的课堂时间里得不到发展，并且课堂探究时间远远 不能满足学生的需求。此外，科学探究课课型众多，很难在课堂内完成，因此需要利用学生 的课外时间进行。而学生的课外探究需要教师有力的指导和支持，目前对于这方面的支持远 远不够。 由此看来，在轰轰烈烈的科学探究学习活动展开的背后，学生的探究学习兴趣没有得到 很好地激发，课堂探究性学习的教学方式等方面还存在很多不足，学生的思维习惯和科学素 养并没有得到较大地提高，这些问题值得一线教师和教育工作者关注并进行研究。 1 2 研究意义 科学是- n 形象性很强的学科，瑰丽多彩的自然现象，生动直观的实验等让学生在从直 观现象、感性知觉到逻辑思维、理性分析的质的飞跃的学习过程中遇到了很大的困难，如何 在两者之间铺设自然过渡的台阶，如何让学生充分理解并牢记探究活动的主要目的? 如何更 好地组织并呈现知识? 如何帮助学生更好地建构科学知识? 如何充分发挥小组合作学习的力 量以提高教学成效? 如何为学生的课余自主探索提供有力的支持? 随着认知工具和信息技术 的推广应用，为开展科学探究学习提供了新的契机。 认知工具( c o g n i t i v et o o l s ，或称脑力工具m i n d - t 0 0 1 ) 由美国著名教学设计专家乔纳森 ( j o n a s s e n ，1 9 9 6 ) 提出，是指可以帮助人们去完成认知任务，增强人们在思考问题、解决 。熊频，胡小勇可视化思维支架：概念图研究的新视角【习信息技术教育，2 0 0 5 ( 1 0 ) ：5 4 - 5 6 3 两南大学硕十学位论文 曼曼曼曼曼曼皇曼皇! 曼曼曼曼舅量量皇曼量曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼量曼曼! 量曼曼曼曼曼曼曼! 曼! 皇曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼笪曼i i 皇 问题以及学习过程中认知能力的工具。认知工具有利于学习者更好地建构知识基础，更加专 注于学习内容和学习过程，并且获得更有意义、可迁移的知识。学习者可以使用认知工具来 获取和分析信息、解释和组织知识，并表达他们的所知所想，在此过程中，产生更多的灵感， 迸发丰富的创意。如由托尼巴赞所提出的思维导图就是众多认知工具中的一种，思维导图是 一种综合运用文字、符号、图片、色彩等的图形思维工具。 通过使用认知工具，可以增强使用者的思维广度和清晰度，帮助学生高效整理知识，制 作学习计划，提高学习效率和记忆能力；可让学生更容易掌握科学知识结构，理解其抽象概 念，提升逻辑思维能力，加强记忆能力：帮助学生在小组讨论中以清晰的思路组织自己的语 言，积极展示自己的观点，有助于学生之间的交流合作；能激发学生的学习兴趣，促进学生 利用课余时间进行自主探究。由此可见，认知工具在帮助学生收集和整理资料、构建科学知 识、形成科学观念、进行交流合作、养成良好的思维习惯等方面具有明显优势。 与此同时，充分发挥现代信息技术的优势，构建基于认知工具的中学科学探究学习平台， 有利于为学生提供均等的参与机会、促进学生的交流合作、获取学习资源、教师对学生进行 指导、进行多元性评价。因此，在充分认识认知工具的产生、发展和功能的基础上，利用现 代信息技术的优势，设计基于认知工具的中学科学探究学习平台，并应用于中学科学教学实 践，具有重要意义。 l - 3 研究目的与内容 本研究的目标是：以建构主义教育理念和认知弹性理论为基础，论述科学探究能力的内 涵，分析认知工具的定义、特性、分类及各种认知工具对培养学生科学探究能力的支持作用。 通过对多个中学的师生进行调研与分析，考察目前信息化环境下科学探究活动的开展情况以 及认知工具的使用情况。在前面的分析和研究的基础上，构建基于认知工具的中学科学探究 学习平台，全面支持探究学习的各个过程，以解决目前科学探究学习的不足，提高学生学习 兴趣，培养学生良好的合作交流能力、探究能力以及良好的思维习惯，并最终提升学生的科 学素养。 本研究的主要内容有： 1 构建基于认知工具的中学科学探究学习活动的过程模型。 本研究结合科学课程的新课程标准，在认真研读探究性学习、认知工具、学习环境等理 论的基础上，通过访谈、问卷、课堂观察等方式对当前信息化环境下中学开展科学探究学习 活动的情况和认知工具的实际应用情况等方面进行调查分析，然后选取西南大学附属中学初 二年级部分班级进行课堂跟踪，深入调查，与学科教师、学生的充分交流，设计用于实验前 后测的探究能力测量量表和问卷，构建基于认知工具的中学科学探究学习活动的过程模型。 2 搭建基于认知工具的中学科学探究学习平台。 根据构建的过程模型，本研究设计了基于认知工具的中学科学探究学习平台的各个功能 4 第1 章绪论 模块，重点对科学探究学习活动主要运用的各种认知工具进行设计，并随时和师生保持联系， 以获得师生的最掰反馈信息，初步完成平台设计。该平台主要用于支持师生进行探究性学习， 帮助学生形成正确的探究方法，提高学生的探究能力( 搜集整理、分析推理、归纳总结、交 流评议等能力) 。 3 运用准实验研究法，将构建的学习平台应用于科学探究活动的教学实践。 平台搭建后，将其应用于西南大学附属中学的科学探究活动的教学实践。应用前，对该 中学整个初二年级进行探究能力的测试，以获取探究能力初始水平相近的两个班级，并随机 选取其中一组为实验组，另一组为控制组。在所选取的实验组班级中试用该平台，并在该过 程中，对平台进行日常维护和管理，同时收集教师和学生的反馈意见。经过三个月的实验后， 再次访谈观察和问卷调查，并对实验组和控制组进行探究能力测试，分析两个班的探究能力 差异，并对平台和认知工具的使用情况进行分析，总结平台和认知工具的应用效果并进行反 思。 1 4 研究思路与方法 本论文属于应用研究，研究思路和方法如下： 1 通过理论研究，理解认知工具的本质和特点；深刻理解探究学习的本质和要求；理解 科学探究活动的本质和实践方法。通过文献分析法分析和研究国内外探究学习的理论和实践， 以及本论文所涉及领域的研究现状。 2 通过问卷调查，课堂观察以及访谈了解师生的信息素养以及信息化环境下科学探究学 习的开展情况和认知工具的使用现状。采用网络问卷和纸质问卷相结合的方式开展调查，在 专业网站( 问卷星) 发布问卷，设定调查时限，并回收电子问卷。纸质问卷选取了重庆市西 大附中、巴南区二圣镇中心学校、贵州省遵义市九中、贵州省安顺市五中等中小学作为调查 学校，随机发放问卷。 调查内容：被调查教师的基本资料，包括性别、年龄、所在学校、任教年资、文化程度 等；被调查教师的基本信息素养，包括技术概念和操作、有效利用信息资源、信息意识等： 被调查教师对认知工具和学习平台的认识和看法以及与学生的沟通等情况；被调查学生的基 本资料，包括性别、年龄、所在学校、年级等；被调查学生的基本信息素养，包括软件操作、 信息意识等，以及对学习平台的认识和看法等。 通过问卷调查和访谈，总结信息化环境下科学探究学习活动开展的现状，探寻构建基于 认知工具的中学科学探究学习平台的可行性和必要性。 3 利用准实验研究方法，将构建的基于认知工具的探究学习平台应用于中学科学探究学 习活动中，总结各种认知工具用于科学探究学习活动的优势和方法。在此过程中还需用到 s p s s 中的均值分析和t 检验，以得出运用实验处理的效果的统计学结论。 5 两南大学硕十学位论文 1 5 论文结构 本论文共分为6 章。第l 章为绪论，介绍了本论文的研究背景、研究意义，研究目的与 内容，研究思路与方法和论文结构。第2 章为相关理论研究，对文中涉及到相关概念：科学 探究、认知工具和学习环境进行了界定和分析，并阐述了相关研究现状。第3 章对信息化环 境下科学探究学习活动现状进行了调查，并对调查数据进行了统计和评述，分析了目前探究 学习活动开展的现状，以及师生对网络平台的态度和看法。分析了建构基于认知工具的中学 科学探究学习活动平台的可行性和必要性。在此基础上，第4 章建立了基于认知工具的探究 学习活动的过程模型，并设计了学习平台的主要功能和模块。第5 章阐述学习平台的应用情 况和准实验研究的开展情况。第6 章为总结与展望，总结本研究结果，提出下一步的研究工 作。最后是参考文献、附录和致谢。研究框架如图1 1 所示。 6 第2 章相关理论及研究综述 鼍曼量ii! _ 一一i 一一 i i_ 一i 曼曼曼曼曼 第2 章相关理论及研究综述 信息技术不是简单的技术，是代表着当代最伟大最活跃的生产力，信息技术的发展妊然 带来整个意识形态的改变，包括对教育的改变 _ 何克抗 本研究主要探讨的是构建基于认知工具的中学科学探究学习平台，利用各种认知工具和 信息化学习环境开展科学探究学习活动，为培养学生的科学探究能力、提高学生的科学素养 以及养成电好的思维习惯提供一些对策和方案。因此，首先对涉及到的“科学探究”、。认知 工具”和“学习环境”三个主要概念进行界定，并对与本研究相关的研究现状进行了综述。 2 1 科学探究概述 2 1 1 科学探究的基本内涵 科学探究与探究这个词密不可分。广义的探究是指一切发现和认识，即指一切独立解决 问题的活动。狭义的探究则是指个体围绕着一个明确的问题或任务，通过假设、推理、验证 等一系列的探索过程而最终解决问题或完成任务的各类活动。狭义探究作为一种比较系统的 研究活动，要求具有较广泛的知识和较强的思维能力，并遵循一定的研究程序等。科学探究 或科学研究就属于狭义探究的范畴。 美国国家科学教育标准) 中对科学探究是这样表述的：“科学探究指的是科学家们用 来研究自然界并根据研究所获事实证据做出解释的各种方式。科学探究也指的是学生构建知 识、形成科学观念、领悟科学研究方法的各种活动。” 学生的科学探究能力是学生顺利完成科学探究学习活动的心理条件，是完成科学探究过 程所需要的能力，是探究自然的事物和现象的过程中所使用的能力。2 0 0 0 年，美国国家研究 理事会组织编写和出版了有关科学探究的教育标准，该标准总结了学生科学探究能力所包含 的几个基本要素，分别是：提出科学性问题的能力、获取证据的能力、从证据出发形成科学 解释的能力、评价的能力以及交流和讨论的能力。我们认为，学生的科学探究能力不仅包括 认知方面的能力，还包括反思、评价、交流、协作等社会化技能和反思性技能。 2 1 2 科学探究的构成要素 有学者认为 ，科学探究包括了猜想与解释、实验与操作、明显地看到操作结果、记录 获得的信息、结论与交流等；或者认为固，提出科学问题、进行假设或猜想、制定研究方案 和收集数据、得出结论并做出解释、对研究方案进行评估、交流和推广是科学探究的六个基 杜秀芳中小学生的科学探究及影响因素【d 】山东：山东师范大学，2 0 0 9 回f 美】国家研究理事会美国国家科学教育标准【d 】科学技术文献出版社，1 9 9 9 ：3 0 国杜秀芳中小学生的科学探究及影响因素【d 】山东：山东师范大学2 0 0 9 每杜秀芳中小学生的科学探究及影响因素【d 】山东：山东师范大学，2 0 0 9 7 两南大学硕十学何论文 本步骤等等。我国于2 0 0 1 年正式颁布实施的科学课程标准规定“探究过程要素”主要包括娜： 提出科学问题、进行猜想和假设、制定计划和设计实验、观察与进行实验、获取事实与证据、 检验与评价、表达与交流。 在实际的探究活动当中，进行科学探究的方式多种多样。可能某些探究过程只包含其中 的几个要素，而且也不一定按上面呈现的顺序进行。科学探究的主要目标是使学生领悟科学 探究的思想，培养学生进行科学探究所需要的能力，增进对科学探究方法与过程的理解留。 2 1 3 科学探究的理论基础 1 建构主义理论 建构主义理论( l e a r n i n gt h e o r yo f c o n s t r u c t i v i s m ) 强调以学生为中心，不仅要求学生由 外部刺激的被动接受者和知识的灌输对象转变为信息加工的主体、知识意义的主动建构者； 而且要求教师要由知识的传授者、灌输者转变为学生主动建构意义的帮助者、促进者、指导 者；强调学习的主动性、社会性和情景性，提倡合作学习和交互学习。 皮亚杰等人认为学生是信息加工的主体，是意义的主动建构者。“情境”、“协作”、“会话” 和“意义建构”是学习环境中的四大要素，应使用探索法和发现法去建构知识的意义。在皮 亚杰看来，知识既不是客观的东西，也不是主观的东西，而是个体与环境交互过程中逐渐建 构的结果，学生掌握解决问题的程序和方法，比掌握知识内容更重要。 建构主义学习理论为应用探究教学要根据学生身心发展的需要进行建构，在探究活动中 体现学生的主体能动性，重视学生在探究活动过程中的教育提供了认知活动的理论依据。 2 人本主义学习理论 人本主义学习理论( l e a r n i n g t h e o r yo f h u m a n i s m ) 强调对学习者的理解和对学习者人性 的尊重。罗杰斯认为，“教育的价值是实现学生潜能的发展，教育的目标是培养能够适应变化 和知道如何学习的人。学习不是指那种仅仅涉及知识累积的学习，而是指一种使个体的行为、 态度、个性以及在未来选择行动方针时发生重大变化的学习。” 意义学习主要包括四个要素：第一，学习具有个人参与的性质，即情感认知两方面都投 入学习活动。第二，学习是自我发展的，即使推动力或刺激来自外界，但要求发现获得掌握 和领会的感觉是来自内部的。第三，学习是渗透性的，即学习会使学生的行为、态度，乃至 个性都会发生变化。第四，学习是由学生自我评价的，因为学生最清楚这种学习是否满足自 己的需要，是否有助于导致他想知道的东西，是否明了自己原来不甚清楚的某些东西。这些 为探究学习中强调学生自主学习、自我体验和实践提供了学习理论依据。 学习过程不是被动地接受信息，而是理解加工信息和主动建构知识的过程。这种建构过 国家教育部国家课程标准专辑科学课程标准( 7 - 9 年级) 2 0 0 8 - 9 - 1 5 1 h t t p ：w w w b e i n g o r g c n n c s s c i m s c i - m h n n 群一 。国家教育部国家课程标准专辑科学课程标准( 7 - 9 年级) 2 0 0 s - 9 - 1 5 1 h t t p ：w w w b e i n g o r g c n n c s g s c i m s c i - m h 协傅一 8 第2 章相关理论及研究综述 程需要通过新旧经验的相互作用来实现。在探究过程中进行的学习，可以帮助学生重温旧经 验，获得新经验，可以提供丰富的学习素材和信息，有利于学生新知识的发生和发展过程， 有利于学生主动地探究、发散思考，从而有利于学生认知能力和思维能力的发展。 可以看出，开展探究学习活动，可以使学生顺着知识形成的脉络准确把握学习内容，帮 助学生顺利实现知识的迁移和应用。通过学习探究还能把抽象的知识转变成获得知识具体的 求知过程，使学生在学习中产生比较强烈的求知欲望，增强他们的认知体验，提高学习效果。 2 1 4 科学探究的研究现状 1 国外研究现状 美国芝加哥大学的施瓦布教授于1 9 6 1 年提出了与“发现法”相似的教学方式探究 学习。并指出探究学习是指这样的一种学习活动：儿童通过自主地参与获得知识的过程， 掌握探究知识所必须的探究能力；同时形成自然的基础科学概念；进而培养探究未知世 界的积极态度。施瓦布的探究学习重视探究过程，强调通过探究，有效提高学生的学习兴趣， 了解和掌握科学探究的程序，适用于各种课程的教学，因此得到广泛应用。 加涅在1 9 6 3 年发表题为旨在探究的学习条件，为典型的探究学习实践( s a p a 模式：管) 研究奠定了基础。1 9 6 6 年，布鲁纳在与肯尼合著的认知发展研究中提出，要帮助学生掌 握各学科的深层结构，而不是让学生记忆那些不相关联的事实。这一深层结构意味着科学的 基本观念、基本方法与基本态度。 2 0 世纪7 0 到踟年代，世界各国课程改革以探究学习为基础，重构基础教育课程，将探 究纳入课程的内容标准。发展学生的探究能力和把科学理解为探究过程的观点在世界范围内 得到了广泛的传播，使得探究学习成为世界科学教育现代化的一个显著标志 。尤其在2 0 世 纪9 0 年代以后，各国的国家科学课程标准都大力提倡探究学习，注重学生科学素养的培养 我国基础教育阶段的科学教育的全面实施与开展相对比较晚，西方资本主义国家的中小 学科学教育已经积累了一百多年的丰富经验，这其中以英美两国的科学教育的开展较为全面 深入，因此本文将对美英两国的科学探究研究现状进行概述。 ( 1 ) 美国科学探究学习研究现状 2 0 世纪8 0 年代以来，美国相继有几个比较长期的基础科学教育发展计划，其中最有影 响力的有：美国科学院的国家科学教育标准和美国科学促进会的“2 0 6 1 计划”，美国科 学教师协会的范围、顺序和导向也在2 0 世纪9 0 年代产生了一定影响。 美国科学促进会于1 9 8 5 年启动“2 0 6 1 计划”，以期帮助所有美国人提高他们的科学、数 学及技术素养。自1 9 8 9 年出版面向全体美国人的科学以来，“2 0 6 1 计划”针对所有学生， 。徐东方初中化学新课程科学探究的方法和案例研究【d 】江苏：苏州大学，2 0 0 8 s a p a 课程是由美国促进科学协会( a a a s ) 篚j 科学教育委员会编写，其全称是科学一种过程方式 ( s c i c i l c e 一ap r o c e s sa p p r o a c h ) 。它也是个完整的初等学校科学课程( 供幼儿园至6 年级学生学习) 固徐东方初中化学新课程科学探究的方法和案例研究【d 】江苏：苏州大学，2 0 0 8 9 西南大学硕+ 学位论文 对他们高中毕业时应具备的科学、数学和技术能力提出了建议。面向全体美国人的科学奠 定了2 0 世纪9 0 年代全美科学标准运动的基础。1 9 9 3 年出版的科学素养的基准将面向 全体美国人的科学中的科学素养目标转化成基础教育( 幼儿园至高中阶段) 的学习目标或 基准。当前美国国家和州的许多与标准制定相关的文件均取自该基准的内容。 美国科学研究院在“2 0 6 1 计划”开始之后，进行课程标准的研究和实验，于1 9 9 5 年底 完成国家科学教育标准，并号召在全美中小学科学教育中进行一场彻底的改革。提出了学 校科学教育的目标，即培养学生能够：由于对自然界有所了解和认识而产生充实感和兴奋感： 在进行个人决策时恰当地运用科学方法和原理；理智地参与那些与科学技术有关的公众对话 和辩论；在自己的本职工作中运用一个具备良好科学素养的人所应有的知识、认识和各种技 能，能提高自己的劳动生产效率。 美国以脑科学的有关理论为依托，对各阶段的科学教育进行了全方位的改革，开发了诸 如s t c 、f o s s 、i n s i g h t s 等一系列科学教育项目。 美国的国家科学基金会力图建立运用多种感官以及以实验室操作为基础的科学与数学项 目，他们所开发的项目都设计了丰富的学习环境，使得学生处在一个有着多种多样联系的探 究情境中，并做到尽可能充分地调动学生多种感官的参与。这就增加了学生建构有价值知识 的机会以及发展其思维能力的可能性。 ( 2 ) 英国科学探究学习研究现状 英国自1 9 8 8 年在英格兰和苏格兰设置国家统一课程以来，科学课在英国国家课程中的地 位大为提高，与英语和数学并列为三大核心课程。英国国家科学课程标准中，将科学探究列 为课程首要目标，强调科学探究是科学课程学习的核心过程，注重让学生主动积极参与到科 学课程的学习过程当中。 在1 9 8 8 年科学课程标准草案的基础上，英国先后颁布了多个科学课程标准。其中关于科 学探究活动的内容和教学要求虽有调整和修订，但其地位和作用一直受到强调与重视。 1 9 8 9 年和1 9 9 1 年英国国家科学课程标准中提出的科学探究活动模式可以归纳为“问题 试探性假说批判与检验”，这符合泼普尔的“不是假说来自观察，而是观察来自假说” 的观点。可见科学哲学、科学历史和科学社会学现代观点等对英国学校科学教育中科学探究 问题产生的深刻影响；英国一些学者和教师曾批评1 9 8 9 年和1 9 9 1 年的课程标准中提出的科 学探究活动模式过于具体，过于强调变量控制的概念；因此，1 9 9 5 年以后的科学课程标准中 提出的科学探究活动模式就较宽泛，强调证据在科学探究中的地位，在体现科学重实证的概 念的同时，注重学生对科学中的观点和证据的认识，使他们懂得科学知识是如何产生的、如 何受到社会和历史的影响。 此外，对英国的科学课程标准进一步分析发现，其对各年龄段的科学探究技能的描述非 侠名关于。2 0 6 1 计划” 2 0 0 8 9 - 1 0 h t t p ：2 0 6 1 e a s t o r g e n n 1 1 1 1 5 9 5 8 n 1 1 1 1 7 6 9 5 1 1 1 4 4 6 2 1 h t m l 1 0 第2 章相关理论及研究综述 皇曼曼曼曼曼皇曼皇皇曼曼皇鼍皇i 一 i r r hi ! li i i i 曼皇曼曼量曼 常细致明确，有利于教师在教学过程中操作实施，这点值得我国借鉴。 自教育改革法案1 9 8 8 ) 实施起，英国就设立了统一的课程标准，并确立了信息技术教 育的课程。从上个世纪9 0 年代开始，英国针对信息技术的特殊作用，将科学教学内容引入信