初中数学函数图形化认知工具的设计和开发.pdf

上海师范大学 硕士学位论文 初中数学函数图形化认知工具的设计和开发 姓名 黄忠 申请学位级别 硕士 专业 教育技术学 指导教师 叶海松 季隽 201204 摘要 众所周知 在人类社会进步过程中 工具起到重要的作用 在教育领域 辅 助教学工具对教育的发展也起到重要的推动作用 随着教育信息化的发展 越来 越多的研究者开始研究认知工具对教学的帮助作用 为解决初中函数教学的抽象性和复杂性 在分析初中函数优秀教学课件和相 关认知工具基础之上 本文尝试以建构主义学习理论 多媒体学习的认知理论和 多元智能理论等为依据 利用f l a s h 软件开发图形化认知工具 来提高初中函数 教学效果 本文共分为五个章节 第一章 阐述论文研究的相关背景和现状 分析了研究中的关键问题 研究 方法和研究目标等 第二章 介绍了认知工具的相关术语 详细的阐述了认知工具设计的理论依 据 为后文对图形化认知工具的开发奠定基础 第三章 研究了图形化认知工具应用到初中函数教学的可行性 对图形化认 知工具应用到初中函数教学的优势进行了分析 提出了图形化认知工具设计的原 则和策略 第四章 论述了初中函数图形化认知工具的开发方法和过程 在详细分析相 关初中函数教学的优秀教案的基础上 结合该认知工具对优秀教案进行再设计 同时 对设计的范例进行相关应用效果研究 完善初中函数图形化认知工具 的功能 来更好的服务初中函数教学 第五章 提出本论文中的创新点和不足之处 对研究进行总结 为论文的进 一步研究提供方向 关键词 初中函数 函数图像 认知工具 图形化认知工具 论文类型 应用研究 a b s t r a c t a sw ea l lk n o w t o o l sh a v eb e i n gp l a y e dac r u c i a lr o l ei nt h ep r o c e s so fh u m a n e v o l u t i o n i nt h ef i e l do fe d u c a t i o n a u x i l i a r yt e a c h i n gt o o l sa l s op l a ya ni m p o r t a n t r o l ef o ri t sd e v e l o p m e n t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe d u c a t i o n a li n f o r m a t i o n i z a t i o n m o r ea n dm o r er e s e a r c h e r sb e g i nt os t u d yt h ep r a c t i c a la p p l i c a b i l i t yo ft h ec o g n i t i v e t o o lf o rt e a c h i n g i no r d e rt os o l v et h ea b s t r a c t i o na n dc o m p l e x i t yo ft e a c h i n gj u n i o rm i d d l es c h o o l m a t h e m a t i cf u n c t i o n s t h ea u t h o ra n a l y s e st h ee x c e l l e n tt e a c h i n gc o u r s e w a r e so f j u n i o rm i d d l es c h o o lm a t h e m a t i cf u n c t i o n sa n dr e l a t e dc o g n i t i v e t o o l s b a s e do n c o n s t r u c t i v i s t l e a m i n gt h e o r y m u l t i m e d i al e a m i n gc o g n i t i v e t h e o r y a n dm u l t i p l e i n t e l l i g e n c e st h e o r y t h ea u t h o ra t t e m p t st o u s ef l a s hs o f t w a r et od e v e l o pan e w g r a p h i cc o g n i t i v et o o l t oi m p r o v et h et e a c h i n ge f f e c to fj u n i o rm i d d l es c h o o l m a t h e m a t i cf u n c t i o n t h i sp a p e ri n c l u d e sf 如ec h a p t e r s c h a p t e ro n em a i n l ye x p l a i n st h eb a c k g r o u n da n dc u r r e n ts i t u a t i o no ft h i sp a p e r t h ek e yp r o b l e m m e t h o d sa n do b j e c t i v e sa r ep r o p o s e d c h a p t e rt w oi n t r o d u c e st h er e l a t e dt e r m sa b o u tc o g n i t i v et 0 0 1 i td e s c r i b e si n d e t a i l st h et h e o r e t i c a lb a s i so fd e s i g n i n gt h ec o g n i t i v et o o l w h i c hl a y st h ef o u n d a t i o n o fd e v e l o p i n gg r a p h i cc o g n i t i v et o o li nt h el a t e rc h a p t e r s c h a p t e rt h r e ed i s c u s s e st h ef e a s i b i l i t ya n da d v a n t a g e so ft h ea p p l i c a t i o na b o u t t h eg r a p h i cc o g n i t i v et o o li nj u n i o rm i d d l es c h o o lm a t h e m a t i cf u n c t i o n a n dp r o p o s e s s o m ep r i n c i p l e sa n ds t r a t e g i e sa b o u td e s i g n i n gt h ec o g n i t i v et 0 0 1 c h a p t e rf o u rd i s c u s s e st h em e t h o da n dp r o c e s so ft h ed e v e l o p m e n tf o rt h en e w g r a p h i cc o g n i t i v et o o la b o u tj u n i o rm i d d l es c h o o lm a t h e m a t i cf u n c t i o n b a s e do n a n a l y z i n gt h er e l a t e de x c e l l e n tl e s s o np l a n s t h ea u t h o rr e d e s i g n ss o m eo ft h e mw i t h t h eg r a p h i cc o g n i t i v et 0 0 1 a tt h es a m et i m e t h i sc h a p t e ra l s ot e s t si t sa p p l i c a t i o n e f f e c t si no r d e rt oi m p r o v et h ef u n c t i o no ft h eg r a p h i cc o g n i t i v et o o la n dm a k e sb e t t e r s e r v i c ef o rf u n c t i o nt e a c h i n gi nj u n i o rm i d d l es c h 0 0 1 c h a p t e rf i v ep u t sf o r w a r dt h ei n n o v a t i o na n dd e f i c i e n c ya b o u tt h ep a p e ra n d s u m m a r i z e st h es t u d y i ta l s op r o v i d e si d e a sa n dd i r e c t i o n si nf u r t h e rs t u d y k e y w o r d j u n i o r m i d d l es c h o o lm a t h e m a t i cf u n c t i o n s f u n c t i o ni m a g e c o g n i t i v e t o o l g r a p h i cc o g n i t i v et o o l t y p e a p p l i c a t i o nr e s e a r c h i i i v i 图目录 图2 1 有意义学习特征 12 图4 1 辅助教学工具使用统计图 2 8 图4 2 九宫格构图 2 8 图4 3 主体颜色图 2 9 图4 4 主体结构图 2 9 图4 5 功能模块图 3 1 图4 6 函数性质模块图 3 1 图4 7 坐标拾取器 3 2 图4 8 函数分类选择功能图 3 2 图4 9 线条颜色选择功能图 3 3 图4 1 0 坐标范围选择功能图 3 3 图4 11 一次 反比例 二次函数实例性质图 3 4 图4 12 一次函数图像平移图 3 5 图4 13 一次函数检测实例 3 5 图铲1 4 认知工具的界面图 3 6 图4 15 认知工具开发流程图 3 7 图4 1 6y 3 x 等图像比较图 图4 17y 3 x 等图像比较图 4 4 图4 1 8y x 2 等图像比较图 图4 1 9y x 2 2 x 1 等图像比较图 4 6 图4 2 0 一次函数y l0 x 图像 图4 2 1y x 5 和y 2 x 1 图像 4 9 表目录 表3 1 初中重要函数类型统计表 18 表4 1 一次函数教学过程设计表 4 2 表4 2 二次函数教学过程设计表 4 5 表4 3 函数图像解二元一次方程组教学过程设计表 4 7 表4 4 学生兴趣程度调查统计表 5 0 表4 5 学生兴趣态度成因调查统计表1 5 1 表4 6 学生喜欢的教学环节统计表 5 2 表4 7 学生兴趣态度成因调查统计表2 5 3 表4 8 认知工具应用中遇到的困难因素统计表 5 3 上海师范大学硕士学位论文第1 章论文研究概述 1 1 问题的提出 第1 章论文研究概述 教育信息化最为核心的内容就是在课程中应用信息技术 在信息技术日益普 及的时代 信息技术不仅是一种学习内容 还应该成为学习的工具1 伴随着教 育信息化浪潮的推进 基于信息技术辅助教学在我国中小学教育中都得到了全面 的实施和推广 这种新型的授课方式 能优化课堂教学结构 吸引学生的注意力 提高课堂的教学气氛和学生的参与度 真正意义上提高了教学效果 在教育教学 当中 越来越多的一线教师利用信息技术辅助教学 尤其是在课堂中使用一些多 媒体认知工具来辅助教学 在信息技术的支持下 将课程和工具有效的整合 众所周知 函数知识是中学数学的重要内容 学好函数知识是为数学学科其 它知识的学习打下基础 初中函数概念是一个抽象的概念 在函数概念中强调了 每一个x 对应唯一确定的y 学生理解这种对应并不容易2 给学生的学习带来 一定的难度 在实际函数教学当中 如果教师在讲解函数知识 尤其是针对函数 图像知识时候 能借用一些展示函数图形图像的工具来辅助教学 以便能达到事 半功倍的效果 然而 在现阶段的函数教学当中 大部分一线教师只是重复性的 播放简单的课件 这些课件大部分只能展示一些静态的画面或者仅有一些简单的 动态效果 没有真正的揭示出函数图像的变化本质 缺少交互性 学生不能真正 的参与其中 学生的教育主体地位没能充分体现 同时 一些现有的辅助函数教 学的认知工具 如 几何画板 几何画霸等 多应用于几何学科 也因为这些工 具应用的复杂性 在一线教师函数教学和学生学习当中的使用率较低 教育技术是为了促进学习 对有关的过程和资源进行设计 开发 利用 管 理和评价的理论与实践3 从教育技术学科的相关定义可以看出 教育技术的目 的是促进和提高学习效率 具体的说 在教育教学当中 利用教育技术 采用合 刘向永 信息技术普及视角下的教育信息化新思考 j 1 中国信息技术教育 2 0 1 2 1 1 4 2 应茜 利用几何画板辅助初中函数教学的实践和研究 d 苏州 苏州大学 2 0 1 0 1 0 9 3 黄荣怀 沙景荣 彭绍东 教育技术学导论 m 北京 高等教育出版社 2 0 0 6 1 1 第l 章论文研究概述 上海师范大学硕士学位论文 适的技术手段和方法 创设有益于学生建构知识的学习环境 教育技术的开展是 为了提高教育教学效果的 重点是激发学生的学习热情和培养学生终身学习的习 惯 那么 怎样才能提高学生学习的热情 使技术工具能真正服务教学 已是教 育领域研究的热点之一 本研究就是在这样的一种大背景下 基于以下几个方面 展开研究的 1 1 1 教育课改的需要 新时代下教育强调的学习方式是自主 合作和探究学习相结合 传统的教育 是把教师的教放在主体地位上 学生被动的接受知识 显然 传统中的教育不再 符合新时代培养人才的要求 相关数学课程纲要中特别提出 特别要充分 考虑计算器 计算机对数学学习内容和方式的影响 把现代技术作为学生学 习数学和解决问题的强有力工具 致力于改变学生的学习方式 使学生乐意并积 极主动的参与到数学活动中去4 那么 在教育教学实践当中如何才能落实新课程标准中的新要求 一直以来 都是广大教师和教育工作者研究的主要问题 如今 随着信息科技的发展 计算 机已经基本普及各大中小学的校园 甚至农村中小学 在现代的课堂教学中 计 算机辅助教学已成为现代化教学的重要方式之一 它为提高课堂教学效果和改善 教育教学质量起着重要促进作用 加快我国教育事业的发展 大力推进信息技术 的普遍应用 促进信息技术与学科课程的有效整合 逐步实现教学方式 教学内 容的呈现方式 师生互动方式的变革 充分发展信息技术的优势 为学生的学习 营造丰富多彩的教育环境和有效的学习工具5 可以看出 新课改中明确强调各学科要善于利用现代信息技术 借助计算机 技术 网络技术和多媒体技术等来提高教育教学质量 这些技术手段在教学当中 的应用变革了现有的教学模式 也使得教学方法的多样 从而使得传统的学习方 式向新时代呼唤的学习方式的转变成为现实 但这必须要求能将这些技术手段与 4 中华人民共和国教育部制订 全日制义务教育数学课程标准 实验稿 m 1 北京 北京师范大学出版 社 2 0 0 1 2 5 国家基础教育课程改革纲要 试行 z 麟 a o o h l 7 号 2 上海师范大学硕士学位论文第1 章论文研究概述 各个学科的教学进行有机融合 借助恰当的教学工具 合理的教学方法 正确的 教学模式 才能事半功倍提高教学效果 同样 根据数学学科教育课改的要求 应当善于在课堂教学当中使用计算机技术和教学工具 来辅助教学 从而提高数 学课堂教学效果 1 1 2 初中函数学习的重要性和困境 世界是物质的 物质是运动的 我们生活在一个时刻变化 运动的世界 里 函数是描述运动 变化的基本概念 数学中许多概念或由函数派生 或由函 数统率 或可归之为函数观点研究 它是高等数学的基石 正是对函数的研究导 致了数学由初等数学 或称常量数学 进入到了高等数学时期 或称变量数 学 6 自从人们开始对函数的学习和研究之后 人们的数学思维方式变得更加灵活 和开阔 人类对函数的研究 使人类的数学思维超越了形式逻辑的界限进入到辩 证思维的领域 因此 人类形成函数概念的水平间接地反映了其辩证思维所达到 的程度7 同时 初中函数也是中学数学学科最为重要的学习内容之一 函数密切结合 着其它的知识点 也是进一步学习其他数学知识的基础 纵观不同省市近几年的 中考考题 笔者发现函数部分始终成为命题者的重点 难点和热点 因为初中函 数相关概念比较抽象 学生很难理解函数中变量之间的对应关系 函数知识也是 中学数学当中的难点之一 综上所述 函数的学习对于一个人认识世界 掌握事物变化的一般规律起到 重要作用 同时 对于初中学生来说 学好函数也是学好数学的关键 并为以后 进一步学习函数打下重要的基础 为了解决初中函数教学的抽象性和复杂性 在 新课改倡导下 设计和开发一款教学认知工具来辅助函数教学已势在必行 本文 就是在这样的需求下展开研究的 为初中函数辅助教学工具的设计开发做出初步 尝试 6 朱文芳 林崇德 初中生函数概念发展的特点 j 心理科学 2 0 0 0 2 3 5 5 1 7 5 2 1 7 周继云 基于a p o s 理论的初中函数数学研究 d 苏州 苏州大学 2 0 1 0 9 1 1 4 3 第1 章论文研究概述 上海师范大学硕士学位论文 1 1 3 传统教学工具在函数教学中的应用的弊端 随着教育信息化的发展 学校网络资源的丰富和信息技术的普及 基于计算 机的辅助教学的工具 如 p p t f l a s h 课件 几何画板等 也已成为教师在课 堂教学中常见的教学辅助工具 但是 在实际的函数教学当中这些辅助教学工具 没能真正发挥作用 原因主要表现在以下几个方面 1 滥用教学工具和网络资源 在一线函数教学当中 教师为了追随信息化教学的浪潮 在讲解函数内容时 候 也使用了计算机辅助教学工具和网络资源来进行教学 但是 教师用这些教 学工具和网络资源只是简单的介绍相关函数的定义 列出不同函数之间的区别 或者利用教学工具和网络资源展示函数的静态的图像 不能很好的体现出函数图 像的生成过程 缺少必要的交互性 严重影响了学生的学习效率 同时 有些教 师为了追求教学工具的 外在美 吸引学生的学习兴趣 体现出课堂的生动性 在p p t f l a s h 甚至网页等当中加入了一些简单的 与函数知识点相关不紧密 的动画 音频甚至视频等 这样 不仅不能提高课堂教学效果 反而会干扰学生 思考 影响学生的学习效率 因为动画的滥用影响正常的课堂教学 这种现象在 以往教学当中比较常见 2 使用比较复杂的画图软件 在信息化教育大背景的倡导下 为了能直观具体的展示函数的相关性质 有 些教师选用比较复杂的画图软件 比如 几何画板 几何画霸 或者使用v b a 等开发的程序 在使用这些工具的教学中 教师和学生都会在不同程度上受到工 具条件的限制 不能有效的进行教学 在教育教学中 几何画板 几何画霸等相 关软件用于几何学科相对较多 应用于函数教学比较少 同时 这些软件因自身 应用的复杂性 对教师计算机技能水平要求较高 很多一线教师很难参与开发和 使用 对于学生来说使用起来难度更大 另外 这些软件都必须安装才能使用 在课堂教学当中 若计算机没有安装相关软件 就会影响正常的课堂教学 学生 课下安装使用这些软件率也比较低 从而也影响了课下学生自主学列的热情和动 力 对于使用v b a 等语言开发出来的一些教学软件 比如在p p t 中开发相关的 4 上海师范大学硕士学位论文第1 章论文研究概述 软件程序 一方面这些软件程序的可移植性比较差 另一方面使用v b a 开发出 来的软件界面的友好性不容乐观 3 工具注重教师教 忽视学生学 在以往的教育教学当中 一些辅助函数教学的教学工具设计和开发的中心是 偏向于教师教的效果 而忽视学生的学 这些工具只是教师的知识展示工具 学 生只能看到知识的结果 很难看到知识转化的过程 比如说 在函数教学中 关 于函数图像的平移的知识 以往大部分教学工具只能让学生看到图像的平移后的 最终结果 缺少图像动态平移的过程 人机交互性差 有些此类辅助教学工具缺 少对学生学习的检测功能 在教学过程中缺少对学生的学习检验和评价 势必会 影响学生的学习效果 另外 传统中辅助函数教学的教学工具缺少动态交互 大 部分只能简单的展示事先准备好的图像 教师和学生不能根据实际情况画出需要 的图形图像 这是大部分函数辅助教学工具最主要的弱点 综上总结了关于目前计算机辅助函数教学的教学工具几点的不足 为本研究 当中设计和开发的初中函数教学工具提供重要依据 避免目前函数教学辅助工具 的不足 力求在函数教学辅助工具的教学性和交互性方面寻求突破 1 2 研究综述 为了了解当前关于初中函数图形化认知工具的研究情况 笔者 截至到2 0 1 1 年1 1 月2 5 日 在中国知网 n i 中做了相关的检索统计 1 以 认知工具 为主题进行垮库检索 共检索到1 1 5 8 篇文章 其中中国 博士学位论文数据库中有1 3 篇 中国优秀硕士学位论文数据库中3 3 1 篇 中国 期刊数据库8 1 4 篇 2 以 认知工具 为关键词进行垮库检索 共检索到3 8 7 篇文章 3 以 认知工具 为题名进行垮库检索 检索到2 9 篇文章 4 以 图形化认知工具 为题名 关键字进行检索 均检索到0 篇 5 以 函数图像 为题名检索到4 3 8 篇 以关键字检索到1 8 8 2 篇 6 以 初中函数图像 进行检索 检索到0 篇 7 以 f l a s h 课件 为题名检索到1 5 5 篇 以关键字检索到5 2 篇 5 第l 章论文研究概述上海师范大学硕士学位论文 8 以 几何画板 为题名进行跨库检索 检索到6 8 8 篇 纵观所有检索到的文章 分析得出一下几点 1 这些文章中对于认知工具的研究较多 但是大部分都是对认知工具的定 义 类别和设计的理论进行研究 对现有的认知工具进行评价研究 而与具体的 学科教学结合的认知工具比较少 并且绝大部分是关于物理 化学学科认知工具 的研究 对于图形化认知工具的研究还为零 另外 研究发现现有对认知工具研 究的焦点是集中在儿童认知工具的设计和开发上 2 因为函数的重要性 从检索的结果可以看出 对函数图像的研究较多 但 是笔者经过研究发现这些研究主要是集中在对函数的教学方法 教学策略等进行 研究 在数学学科中 使用认知工具辅助教学常用工具是几何画板 大部分文章 是停留在对几何画板的理论研究上 因为几何画板功能强大 使用操作的复杂性 在实践研究上比较少 同时 大部分一线教师借助几何画板来辅助几何学科的教 学 利用几何画板辅助初中函数教学的研究比较少 3 关于对f l a s h 课件的检索发现 f l a s h 课件在中学的使用率比较高 但是结 合语文诗词和物理 化学 生物实验等较多 与初中函数知识点结合的研究较少 一般开发的f l a s h 课件功能比较简单 不能真正起到辅助函数教学的效果 综上 基于f l a s h 关于初中函数的图形化认知工具设计和开发方面目前国内 外研究比较少 因此 本研究尝试从认知工具的相关理论出发 结合初中函数教 学 设计和开发一款适合初中函数教学的图形化辅助教学认知工具 方便教师教 学和学生自主学习 为计算机辅助初中函数教学做出理论和实践研究 1 3 研究关键问题 6 1 目前初中函数教学和相关辅助教学工具中存在问题和不足研究 2 初中函数图形化认知工具的设计理论研究 3 f l a s h 软件中的a c t i o ns c r i p t 语言在初中函数图像绘制中的研究 4 初中函数图形化认知工具的开发研究 5 如何在初中函数教学中使用本研究设计和开发的认知工具 6 基于图形化认知工具对初中函数教案进行再设计研究 上海师范大学硕士学位论文 第1 章论文研究概述 7 案例的应用研究 1 4 研究目标 分析初中函数知识点和优秀函数教学教案 调查一线初中数学教师对函数辅 助教学工具功能的需求 以一定的建构主义学习理论 多媒体学习的认知理论和 多元智能理论等为基础 设计和开发基于f l a s h 的操作简单 功能齐全的初中函 数图形化认知工具 满足一线初中数学教师函数教学和学生自主学习的需要 并 基于初中函数图形化认知工具 对初中函数优秀教案进行再设计和应用效果研 究 为进一步完善该认知工具的功能提供依据 1 5 研究方法 本论文的研究中 研究方法主要涉及到文献研究法 案例研究法 访谈法 问卷法和比较研究法等 1 文献研究法 在该论文的研究过程中 笔者通过 认知工具 初中函数 函数图像 图形化认知工具 等关键词的检索 查阅了大量有关初中函数知 识 教学理论 认知工具理论 计算机辅助教学理论等方面的资料 通过对资料 的研究和学习 为本研究中图形化认知工具的设计奠定了一定的理论基础 同时 笔者也查阅了大量的关于f l a s h 开发方面的书籍 为图形化认知工具的开发奠定 了一定的技术基础 2 问卷法 在该论文的研究中 笔者为了得到目前函数教学和相关辅助教学 工具中存在问题和不足 设计了相关问卷 附录i i 对一线数学教师进行了调查 访问 得到初中数学教师对函数图像辅助教学工具功能的需求 为设计和开发初 中函数图形化认知工具提高依据 在案例应用研究中 笔者也通过设计问卷 附 录i 调查学生对应用该工具的教学效果进行评价 目的是为了进一步提高初中 函数教学效果和为认知工具的进一步设计和开发提供依据 3 案例研究法 该论文中采用案例研究法 主要是通过研究优秀的初中函数 教案 在初中函数知识和该研究中开发的图形化认知工具之间 找到最佳的结合 7 第1 章论文研究概述 上海师范大学硕士学位论文 点 对教案进行再设计 形成新的案例 为初中函数教学做出新的尝试 4 比较研究法 该论文中把传统中的一些初中函数教学辅助工具与新课改所 倡导的教学工具作比较 得出目前函数教学辅助工具的缺点及其使用的局限性 在此基础上设计和开发出比较合理的 适合中学函数教学和学习的图形化认知工 具 5 访谈法 由于笔者不是初中数学的一线教师 关于函数实际教学当中的一 些问题和思考 以及对函数知识重难点的把握 都需要请教一线的数学教师 在 该研究当中涉及上述的问题都是通过面对面访谈一线教师 以及通过网络访谈相 结合的方式来解决 通过访谈初中数学教师得知初中函数重要性质 实际教学当 中的常见问题 目前辅助初中函数教学工具的不足以及期望初中函数辅助教学工 具应该具备的哪些功能等 为该论文提供了一定的研究依据 上海师范大学硕士学位论文第2 章图形化认知工具的理论研究 第2 章图形化认知工具的理论研究 2 1 认知工具概述 心理学领域中最早提出了认知工具的概念 而如今认知工具的概念应用的范 围也越来越广泛 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 d e r r y 1 9 9 3 8 广义上把一切能促进学习者认知 提高学习者学 习效率和能帮助学习者改变思维的工具 如 纸 笔 玩具等均可称为认知工具 从研究者给出的相关定义可以看出认知工具从形态上可以分为两种 一种是有形 态的硬件设备或者装置环境 如 计算机 笔 黑板 投影仪 教室等 另一种 是无形态的认知方法和思维模式 如 高级思维 元认知等 认知工具设计和开 发的目的是优化学习者的学习方式 简化学习任务 真正提高学习者的学习效率 认知工具的基本思想是将学生放在认知主体的地位上 其思想的提出是基于 建构主义学习理论的9 在该论文的研究中 认知工具是基于计算机开发的 把 基于计算机开发的能促进和方便教育教学的 并能提高教学效果和学习效率的工 具称为认知工具 2 2 认知工具的类型 该论文中提到的认知工具是指基于计算机的软件系统 乔纳森曾提出过九项 标准来区分一个软件工具能否真正意义上作为认知工具 该标准内容概括如下 1 计算机化 与传统的工具不同 这里讲到的认知工具是基于计算机的 像 现实中的飞机模型 教学卡片都不是所论述的认知工具概念 2 现成的应用软件 必须是利用现存的应用软件开发的 这也表明认知工具 的简单性和可操作性 d e n ys j l a j o i es ec o m p u t e r sa sc o g n i t i v et o o l s m h i l l s d a l e n j l a w r e n c ee r l b a u m 19 9 3 9 李永健 何克抗 认知工具 一种以多媒体计算机为基础的学习环境教学设计的新思路 j 北京师范人学 学报 社会科学版 19 9 7 2 6 2 6 3 9 第2 章图形化认知工具的理论研究上海师范大学硕士学位论文 3 用户在经济上可承担 如果一个工具超过了大部分的使用者的经济实力 也就失去了相关的使用价值 4 可用于表示知识 能展示一定的知识或者是间接显示知识的有效工具 5 应用领域较广泛 作为认知工具要发挥它的最大价值 必须有较广的应用 领域 6 能支持批判性思考 能为学习者提供思考和想象的空间 并能进行学习反 思 7 支持学习的迁移 作为认知工具注重学习者的一种能力的培养 同时 也 能激发学习者的另一种能力的培养 8 方便且功能强大 简单 安装方便 可移植性好是认知工具应当具有的特 点 复杂了必定会降低学习者的学习热情 同时 作为教学认知工具应该具备特 定的教育功能 9 易学易用 这是认知工具的基本要求 否则 会影响认知工具的在教学中 利用率 随着教育信息化进程的推进 计算机已经成为重要的教学辅助工具 但是在 教学应用过程中 基于计算机开发的相关认知工具只是成为以教师 课堂 教材 三者为中心的知识展示和播放工具 新课改中所提倡的素质教育 需要培养学生 的创新精神和实践能力 因此 在计算机的教育应用中需要打破以教师 课堂 教材三者为中心 转化为以学生为中心 在教育教学当中注重培养学生自主学习 探究学习 合作学习新的学习方式的培养 基于计算机的认知工具的主要类型有 课堂情景的创设工具 学习交流工具 知识查询探索工具等 1 课堂情景创设工具 在现代的教育教学当中 课堂情景创设能力是每个教师必须具备的 教师利 用现代的课堂情景创设工具来改变课堂的教学方式 吸引学习者学习兴趣 提高 教学效果 比较常用的课堂情景创设工具类型有很多 比如 f l a s h 动画 p p t 作品 一段视频音频等 2 学习交流工具 知识信息时代 交流协作的能力显得更加的重要 学习者将学习到的知识和 1 0 上海师范大学硕士学位论文第2 章图形化认知工具的理论研究 别人交流分享 能获得更多更新的知识 现如今 学生可以使用q q m s n 博 客和论坛等来和别人进行学习交流 分享新知识 3 知识查询探索工具 进入w e b 2 0 时代 人们不仅关注别人的智商 情商 还有关注的是 搜商 在信息时代 学习者可以使用百度 谷歌等搜索引擎 电子图书数据库等查询探 索工具来查询知识 2 3 认知工具的意义 1 促进有意义的学习 传统的学习理论认为学习过程是学生被灌输知识的过程 教师成为该过程中 的灌输者 现代学习理论则提倡教师成为学生学习的促进者和合作者 是学生学 习能力和态度的培养者 学生在学习过程中 形成主动的学习习惯和勤于思考的 态度 并能快速的在自己习得的新知识和已有的旧知识之间建立一定的联系和新 认识 最终能将这些新知识融入到自己的知识结构当中 才是有意义的学习 学习的意义对于一个人的成长是至关重要的 只有通过学习 人才能习得前 人积累的丰富经验和知识 众多学者认为有意义学习应当是主动参与 态度积极 的过程 当代著名美国学者乔纳生 d h j o n a s s e n 认为 有意义的学习具有五 大特征 积极主动的 有目的 基于建构的 具有真实性的和合作性的1 0 有意 义的学习特征如下图2 1 所示 可以看出 有意义的学习过程应当是学习者积极 主动的参与 在情景化环境中学习 学习者不断的进行学习反思 与别人交流协 作来丰富自己的知识体系 当然 情景化创设需要借助特定的认知工具 认知工 具能够提高知识建构的质量和效率 从而促进有意义的学习 可以说 认知工具 是有意义学习的有效工具 1 0 j o n a s s e nd h p e e kk w i l s o nb c tl e a r n i n gw i t ht e e h n o l n g y ac o n s t u r e t i v i s tp e r s p e c t i v ec o l u m b u s m o h m e r r i l l p r e n t i c e h a l l 19 9 9 第2 章图形化认知工具的理论研究上海师范大学硕士学位论文 真实的 主动的 合作的 目标的 建构的 图2 1 有意义学习特征 2 改变学习者的思维 在教学当中 教师为了掌握学生的学习情况和提高教学效率 应当了解学习 者在不同的任务中思考的内容 思考的方式以及如何进行思考的 进而 教师才 能够指导学习者进行更加有效和深入的思考 在教育教学当中能促进学生学习的 最实用 有效的技术应当是能够帮助他们进行思维活动的技术 这种技术的使用 就需要一种促进思维活动的工具 即认知工具1 1 在信息化时代的教育教学当中 认知工具作为一种重要的学习辅助工具 它 能开拓和发展学习者的思维方式和认知能力 可以说 认知工具扩大了学习者的 认知范围 学习者使用认知工具能够跳出一些思维定势 进行一些更加高级的思 维活动 学习者只有真正掌握了学习内容 才能够合理和正确的应用认知工具 在教学当中 教师可以使用认知工具来组织教学 提高学生的思维能力 促使进 行高级思维活动 从而促进有意义学习 3 帮助知识的建构 建构主义学习理论提出 知识是学习者在周围环境的影响下建构的 建构过 程是学习者逐步形成对外部世界的认识过程 认知工具能够帮助和促进学习者进 行知识建构 在教育教学当中 合理的设计 开发和运用认知工具 能够帮助学 习者对知识进行获取 传播和使用 在认知工具的帮助下 学习者能快速的在新 万菲 基于认知工具的中学科学探究学习平台研究 d 重庆 西南大学 2 0 1 0 1 2 1 6 1 2 上海师范大学硕士学位论文 第2 章图形化认知工具的理论研究 知识和旧知识之间建立一定的关联 形成新的认识 就构建了新的知识 因此 认知工具不仅能够帮助学习者表示和传递已经具备的知识 还能通过 改变学习者的思维方式 方便学习者建构新知识 学习者学习知识本质上是知识 建构的过程 在这个过程中若能合理的运用认知工具 可以提高学习者建构的效 率 从而 提高学习者的学习效果 2 4 认知工具设计的理论依据 1 建构主义学习理论 认知过程可以理解为是对信息的认识和加工的过程 对信息的认识和加工是 建构性质的 建构主义是在认知学说基础上发展成熟 建构主义强调 知识不是 通过教师灌输得到 而是学习者在一定的文化背景下 借助别人的帮助 利用一 定的学习工具和学习资料 通过意义建构的方式来获取的1 2 现代教学理论认为 认知工具的设计和开发需要以建构主义理论为指导 同 时 认知工具需要给教学创建一个基于一定情景的探究式学习环境 当然 在课 堂教学情景设计时候不能像开发游戏一样只关注工具的趣味性 还必须有利于学 生对知识的建构 基于建构主义的认知工具设计和开发的基本思想将学生放在认 知的主体地位上 提倡让学生自己来发现和探究知识 在教育教学当中 学生根 据需要自行选择学习内容 控制学习的进度 在做中学习 学生利用认知工具不 仅有利于知识的学习 对学生动作技能的培养也起到重要的促进作用 根据建构主义学习理论 教师应当借用认知工具来为教学创设一个学习环 境 调动学生的学习兴趣 学生在学习环境中学会主动学习 在这过程中 学习 者可以学习到一些新知识 如果没有借助认知工具的帮助 学习者的学习过程可 能会遇到学习效率不高 学习中无目的性等困难 因此 认知工具是学生建构知识的有效工具 认知工具的设计需要以建构主 义的学习理论为依据 这样 基于计算机辅助教学的认知工具在实际的教育教学 当中才具备科学性 目的性和教育性等 2 多元智能理论 1 2 何克抗 郑永柏 谢幼如 教学系统设计 m 北京 北京师范大学出版社 2 0 0 2 1 0 第2 章图形化认知工具的理论研究上海师范大学硕士学位论文 早期 美国认知心理学家霍华德 力口德纳 h o w a r dg a r d n e r 提出多元智能 理论 他认为 人的智力是多元和发展的 在个体成长中 每个人都至少具备语 言会话 数理逻辑 音乐艺术 空间想象 身体运动 人际关系和自我认识的智 力b 人的智力是随人的成长而不断发展的 它会随着社会的发展而提高 每个 人在成长的不同时期都会具备以上几种智力 只是不同程度而已 如果一项智力 在一个人身上表现的多点 并且得到了放大和发挥 那么 这项智能就能变成这 个人的强项 可能成为这个人身上与众不同的优点 教学的最终目的是促进人的全面发展 当发现一个人身上的强项智力 再将 这个强项智力发挥到极致 并且发展其智力当中的弱项 才能使人得到全面的发 展 基于计算机的初中函数认知工具以图形化的界面为设计理念 基于数形结合 的思想 能够在一定程度上发展学生的空间想象力和数理逻辑能力 在教育教学 当中 该工具无疑是发展学生多元智能的有效工具 它提供可视化的教学情景 丰富的教学内容 激发学生的学习兴趣 学生掌握函数知识的同时 能加强学生 的强项智力 发展和改善弱势智力 促使学生全面发展 初中函数认知工具以多 元智能理论为设计和开发依据 同样 该工具的使用能在一定程度上促进学生多 元智力的培养和发展 3 多媒体学习的认知理论 在多媒体认知工具设计时 如果能使学习语词和画面共同呈现 在学习者的 大脑中就能很容易形成言语和图像的心理模型 并在两者之间建立联系 而只使 用一种方式呈现学习语词时 无法建立相关联系1 4 因此 在现代教育教学当中 学生的学习环境建设坚持以学生为主 着重考虑学生的接受能力和学习水平 这 样的设计是从人类如何思考的角度出发 研究如何使用多媒体技术来促进学习者 的学习 按照多媒体学习的认知理论 认知工具设计的主要目的是提高学习者的 认知水平 传统的教学当中呈现教学信息主要方式是文字和声音 而随着计算机技术和 网络技术的发展 大大扩展了人们呈现教学材料的方式 不再局限于文字 还包 美 霍华德 力 德纳 智能的结构 m i 沈致隆译 北京 中国人民大学出版社 2 0 0 8 i 1 7 2 0 6 h 美 理查德 伊 迈耶 多媒体学习i m 牛勇 邱香译 北京 商务印书馆 2 0 0 6 6 8 7 1 4 上海师范大学硕士学位论文第2 章图形化认知工具的理论研究 括采用静态图形图像 动画和视频等 现代教学理论提倡采用多媒体辅助教学是 基于这样的一种观点 即教学信息应该根据人类思考问题的方式来设计 人类大 脑通过同时接收词语和画面的信息要比只用一种词语或者画面的方式接收到的 信息量要丰富 词语和画面同时呈现时可以起到互补作用 在初中函数教学当中 当学习者学习函数相关知识的同时 教师再通过图形化认知工具展示函数的图 像 这样 学习者比单独从词语或者画面中理解知识内容更加深刻 4 教学设计理论 教学设计是围绕教学目标 依据学习者的学习水平 将教学内容合理有序的 安排在教育教学过程当中的一种思路和方法 教学设计在教学过程当中是一项比 较重要的环节 为了提高教学效果和教学质量 应当做好相关教学设计 在教学 当中 教师对课程进行很好的教学设计 使得学生能在最短的时间里获得更多的 知识和技能 最大程度上提高学生的各种能力 能全面提高学生的综合素质 初中函数认知工具作为实现函数教学目标的教学辅助工具 在安排教学内 容 创设学习情景 设计教学过程等各方面都要以教学设计理论为指导 只有以 教学设计理论为指导设计和开发出来的认知工具才能服务教学 5 数学学科教学理论 在教育教学当中 辅助教学的认知工具都应当结合具体学科 认知工具的设 计需要根据不同的学科的特点 在设计 开发和使用认知工具时都应当符合不同 学科的教学规律和教学要求 作为认知工具 需要和各具体学科相结合 能正确 表达学科中的知识内容和学科思想 不同学科都有不同的教学理论 这些理论就 是对该学科进行系统的研究 揭示出学科当中的教学规律并且指导该学科的教学 实践 初中函数认知工具作为辅助初中数学教学的工具 设计和开发的目的是为 数学学科教学服务 因此 在设计和开发该认知工具时必须要以数学学科教学论 为宗旨 才能保证设计和开发的认知工具的教学性 科学性和规律性 在设计和 开发教学认知工具的时 应当始终以数学学科教学论为依据 任何 l j 学科的教学过程最基本的要素有教师 学生 教学内容 教学方法 和手段皓 数学学科也不例外 教师在教学活动中起到重要作用 是教学活动的 1 5 李继秀 汪昌华 陈庆华 教育理论 m 合肥 安徽大学出版社 2 0 0 8 8 7 第2 章图形化认知工具的理论研究上海师范大学硕士学位论文 组织实施者 学生应当成为教学当中的主体 教学的原则坚持以教师为主导 学 生为主体 教学内容是教师按照教材给学生安排学习内容 是教师加工教材的劳 动成果 教学内容必须具有科学性和教育性 教学方法和手段也是构成教学过程 的重要因素 并且在教学过程当中的将其他三个要素紧密的联系在一起 现代教学观认为 教学方法和手段是不同和多样的 教师应利用好的教学方 法和手段促进学生多方面能力的培养 教学中应用现代教学方法和手段改变传统 的学生处于被动地位的学习状态 使学生成为真正的学习主体 实现信息技术与 学科课程的整合1 6 在初中数学学科教学当中 使用辅助教学工具就是一种教学 手段的具体体现 而设计和开发初中函数认知工具正是为了体现现代教学的这一 思想 2 5 图形化认知工具概述 认知工具是能帮助学习者提高学习效率的认知处理过程的计算机相关技术 支持 图形化认知工具作为认知工具的一种 主要是从学习者视觉化的角度来设 计和开发的 以图形图像的方式展示给学习者 方便学习者学习和利用 图形化 认知工具作为辅助教师教学和学生学习的工具 具有多方面突出的优势 因为图 形化认知工具是采用图形图像的方式来展示知识 更能吸引学习者的学习兴趣 帮助学习者理解相关函数图像知识点 通过图形图像提高学生的想象能力和理解 能力 对于图形化认知工具没有一个确切相关的概念 在该论文的研究中把图