第2章相关的理论基础

第2章相关的理论基础回顾信息技术、课程、整合信息技术与课程整合——专家解读信息技术与课程整合的意义“整合”的几个基本概念计算——第三种科学形态数据素养——科学素养的一个侧面“整合”深层次“整合”计算——第三种科学形态鉴于计算机手段在科学方法中的特殊性，哈佛大学将物理学划分为理论物理、实验物理和计算物理。计算物理是基于计算机的物理学研究方法。科学形态在继理论推导、实物实验之后出现了第三种形态——计算（computation）计算——第三种科学形态模拟：是一种根据研究对象的运动特征，利用相似原理，用相对简单的系统模型来表现其运动的科学方法。仿真：是一种逼真度较高的模拟。虚拟仿真：是一种利用计算机模拟自然现象和在计算机上做仿真实验的科学方法。比如：运载火箭设计中，虚拟仿真能够模拟出参数变更后可能导致的结果，缩短研发周期和降低研制成本。计算——第三种科学形态虚拟仿真，也是计算机环境下的物理学思想实验（是一种在大脑进行的特殊实验）。比如：伽利略的“惯性碗”、爱因斯坦的“引力升降机”和麦克斯韦的“麦克斯韦妖”。虚拟仿真使得思想实验的应用更加广泛。数据素养——科学素养的一个侧面纵观科学发展史，量化是科学的重要方法。其中伽利略的的工作具有里程碑性质。他将实验和数学引入科学研究之中，物理学因此获得突飞猛进的发展。在计算机出现之前，数据是研究目标的附属品，是研究假设的验证者。物理学家主要采用数学手段和实物手段来研究物理现象。数据素养——科学素养的一个侧面但是，科学发展到近代，一方面实验或实践会产生巨大的数据；另一方面虚拟仿真也会产生大量的数据。面对庞杂的数据，研究结论对数据分析方法的依赖性空前增强，数据挖掘随之产生。数据挖掘就是通过数据分析，将数据信息转化为有价值的知识。意义在于知识的发现。比如，伽利略在教堂做礼拜的时候利用身体的脉搏计数，发现了教堂里吊灯摆动的等时性。再如，红学专家通过统计红楼梦前80回和后40回文言虚词的使用频率，确定前80回为曹雪芹撰写，后40回他人续写。“整合”普遍意义的整合是使系统内部各要素整体协调和相互渗透，从而集中优势，发挥系统最大效益的过程。信息技术与物理教学整合，是一种数字环境下以提高学生科学素养水平为目的，以提高学生数据素养水平为方向，以实现主流学习范式从被动接受走向自主、合作、探究的教学过程。“整合”整合包括三个阶段：（1）采集与交流实验数据；（2）计算与虚拟仿真；（3）交流与传播科学知识。整合的形式特征，是数据探究。需要在计算机、教室网络、校园网络和外部互联网等环境中实施。整合的内容特征，是有效地传递科学知识（利用信息技术有效突破知识教学难点，有效突出教学重点）和转变主流学习方式（促使学生能够独立观察与思考，独立解决科学问题）。深层次“整合”整合具有三种不同层次：第一，在教学中生硬地应用计算机或者课件；第二，能够较为熟练地、合理地应用信息技术辅助物理教学，较有效地实现知识传递；第三，在第二个层次之上，同时还能够体现过程的多样性，较有效地促进主流学习范式从被动接受转向自主、合作、探究。信息技术与物理教学整合的发展阶段第一，计算机固定课件开发阶段。此阶段一般只关注某一课件的完整性，教学思路单一，缺乏变通性和可移植性。课件开发一般只考虑讲解知识的需求。第二，平台加“积件”阶段。通过开发若干课件单元（简称积件），教室可以利用某个应用软件将“积件”组合起来形成课件。积件在一定程度弥补了固定课件的不足，但是一般只考虑讲解知识的需求。我国物理信息技术教育起步于20世纪80年代，经历了三个阶段：信息技术与物理教学整合的发展阶段第三，深层次整合阶段。此阶段开始强调学生的自主性，相对于课件概念，“学件”概念开始出现，就是学生使用课件。此阶段关注借助信息技术解决传统物理教学中的教学难点问题，又关注解决知识传递和探究学习的平衡问题。我国物理信息技术教育起步于20世纪80年代，经历了三个阶段：“整合”中选用媒体或课件的原则“整合”的模式“整合”中选用媒体或课件的原则“整合”中选用媒体或课件的原则基于讲授的“整合”模式教学模式是在一定的教育思想和理论指导下，为完成特定教学任务而建立的有效而稳定的教学结构和活动程序。按照使用信息技术主题不同，“整合”模式分为：基于讲授的“整合”模式和基于探究的“整合”模式。（1）实物实验——模拟强化“整合”模式在演示实验的基础上，用计算机模拟实验现象，强化学生闹钟的表象，帮助学生识别现象发生及变化的条件，为顺利完成抽象与概括思维做准备。“整合”中选用媒体或课件的原则基于讲授的“整合”模式（2）边教学边实验“整合”模式贯彻“做中学”教学理念，教学中学生利用传感器或者虚拟仿真课件做实验，观察或测量物理数据，产生科学问题，建立物理概念或者物理规律。一般适用于定量研究的教学。“整合”中选用媒体或课件的原则基于讲授的“整合”模式（3）变式练习“整合”模式贯彻启发式教学理念。在习题教学中，计算机主要用于展示原型问题情景或者变式问题情景，帮助学生建立必要的物理情景，抓住问题的关键，选用合适的物理模型，理清结题的思路，一体多解，一题多变，提高习题教学效率。“整合”中选用媒体或课件的原则基于讲授的“整合”模式（3）脑图复习“整合”模式贯彻启发式教学理念，在复习课中利用计算机可以在短时间内重复出现彼此相关的现象、公式、图表货图线，激活学生的记忆表象，对学生的物理认知结构进行“刷新”，还可以提供典型的问题情景，加深学生的理解，帮助总结方法、规律。“整合”中选用媒体或课件的原则基于探究的“整合”模式体现深层次“整合”理念，要求学生像科学家一样去解决问题和建构知识。其优势是保持学生的好奇心、锻炼学生解决复杂问题的高级思维能力。典型代表是美国的WISE网站和基于WebQuest的主题探究网站的教学活动，数据探究的互动信息均来自互联网或者局域网上的资源。特点：以学生自主学习为主，适应个别化教学。但是如果缺少有效的指导，可能会导致无效的学习。“整合”中选用媒体或课件的原则“整合”中选用媒体或课件的原则1.知识传递与数据探究相结合原则基于讲授“整合”模式，应该：（1）要针对教学难点选用适当的课件。（2）虚拟仿真课件的仿真度应尽量高。（3）演示前要对学生提出观察要求，并指导观察。（4）要改变模拟演示参数，变换不同的物理情景，训练思维的自主性和灵活性。“整合”中选用媒体或课件的原则“整合”中选用媒体或课件的原则1.知识传递与数据探究相结合原则基于探究“整合”模式，应该：（1）要选择合适的工具型媒体、课件或者学件。（2）要尽量采用小组合作的教学模式。（3）教师指导和讲授要简练，给学生创设足够的时间从事数据探究。（4）学生要在计算机伙伴的帮助下实验、探索或自学新知识等。“整合”中选用媒体或课件的原则“整合”中选用媒体或课件的原则2.教师主导与学生自主相结合原则一方面数字环境中学校的媒体或课件不断走向智能化；另一方面学校教学时一种特殊的、有组织的教学形式。要明确教师的主导作用，同时要体现学生的主题地位。教学过程中要贯彻启发式教学思想，使学生树立数据探究意识。解决这对矛盾“整合”中选用媒体或课件的原则“整合”中选用媒体或课件的原则3.常用媒体与计算机媒体互补原则（1）要根据教学内容及教学目标选用适当的教学媒体。（2）要把握好课件使用的时机。（3）要利用课件激发学生的好奇心。灵活地运用课件，适时创设问题情景注意：选用计算机媒体要有限度。否则，教室容易手忙脚乱，无暇顾及启发诱导；学生眼花缭乱，对教学内容无所适从。“整合”中选用媒体或课件的原则“整合”中选用媒体或课件的原则4.交互性与有序性相结合原则（1）要充分利用多媒体计算机的智能性，展开人机交互对话，激发学生学习兴趣。（2）要按照一定的顺序演示课件。（3）数据探究中要加强教室或课件的导航作用，避免学生盲目活动。第2章相关的理论基础第2章信息技术与课程整合的理论基础学习理论行为主义学习理论认知主义学习理论布鲁纳的“结构─发现”教学理论教学设计理论教学设计概述“以教为主”的教学设计“以学为主”的教学设计建构主义学习理论人本主义学习理论教学理论奥苏伯尔的教学理论赞可夫的发展教学理论巴班斯基的教学最优化理论加德纳的多元智能理论“学教并重”的教学设计2.1学习理论行为主义学习理论认知主义学习理论建构主义学习理论人本主义学习理论学习理论是揭示人类学习活动的本质和规律，解释和说明学习过程的心理机制，指导人类学习，特别是指导学生的学习和教师的课堂教学的心理学原理或学说。一、行为主义学习理论对“学习”的解释学习是刺激与反应的联结，有机体接受外界的刺激，然后作出与此相关的反应，这种刺激与反应之间的联接（S-R）就是所谓的学习。代表人物古典行为主义理论：华生（行为主义学说）、桑代克（联结主义）、巴普洛夫（条件反射学说）新行为主义理论：斯金纳（操作性条件反射学说）斯金纳操作条件反射学说主要观点：一切行为都是由反射构成，学习主要在于形成条件反射。Skinner斯金纳箱一、行为主义学习理论学习是明显的行为改变的结果，能够由选择性强化形成的。环境和条件，是学习的两个重要的因素。斯金纳创立的操作性条件作用学说和强化理论，“刺激-反应-强化”理论反应+强化增强反应反应无强化减弱反应反应+惩罚压抑反应斯金纳的程序教学法把教学内容分为具有联系的小步子要求学生作出积极反应及时的反馈和强化因人而宜，自定步调学生尽可能做出正确的反应，降低错误率二、认知主义学习理论对“学习”的解释认知学派源于格式塔心理学，它的核心观点是学习并非是机械的、被动的刺激—反应的联结，学习要通过主体的主观作用来实现。代表人物苛勒：顿悟说布鲁纳：认知-发现说加涅：信息加工模式二、认知主义学习理论学习是知觉的重新组织，是对所遇到的环境条件的认知。学习过程是信息的接收、加工、使用的过程促进学习有两个条件：内在条件与外在条件强调学习是积极主动的过程强调学习活动本身的内部强化认知主义学习理论的启迪刺激选择不是一种随机的过程，不能仅仅考虑到刺激的特征，还要关注学习者已有的信息或认知图式。人类记忆加工信息的容量是有限的，不能一味要求在短时间内掌握大量的信息，要留有加工或思考的时间。组块理论：为了使学生在短时间内尽可能学习较多的知识，必须把知识组织成有意义的块状，减少机械学习。信息编码不仅有助于学生的理解，而且有助于信息的存储和提取。认知主义学习理论的启迪客观主义的教育理念：知识灌输比利时罗汶大学校园雕塑三、建构主义学习理论建构主义德国的一则关于“鱼牛”的童话可以帮助我们更好地理解这个问题。建构主义的教育理念：知识建构（理解依赖于个人经验）源自德国Schwank教授三、建构主义学习理论青蛙作为“教师”准确地讲出了“鸟”这种动物的特征。鱼作为“学生”，很有学习兴趣，而且很认真地听讲。但在结果上，鱼心目中的鸟却是一种“鱼化“的鸟。青蛙还对外面世界的牛、人都做了描述，而鱼心目中出现的都是“鱼化”了的牛和人。因为它在以自己原有的经验为基础来建构对新知识的理解。这是一则夸张化的寓言，只要冷静反思一下现实的教学，我们不难发现这种寓言的影子。三、建构主义学习理论三、建构主义学习理论基本观点学习是学习者主动地建构内部心理表征的过程，它不仅包括结构性的知识，而且包括大量的非结构性的经验背景。学习过程同时包含两方面的建构：对新信息的意义的建构和对已有知识的重组。学习者以自己的方式建构对于事物的理解，从而不同人看到的是事物的不同方面，不存在唯一的标准的理解。代表人物：维果斯基、皮亚杰、斯腾伯格客观主义知识是可以客观表征和准确传递的实体，它可以借助媒介来表征。教学是知识的传递。技术是媒体建构主义知识是不能传递的，它只能由个体学习者建构起来。教学的作用在于给学生有效的活动机会，在活动和互动过程中建构知识。技术不简单是媒体，而应该是全面支持知识建构的工具人本主义学习理论教育的任务在于帮助人们满足“自我实现”这个最高的需