运用信息技术

运用信息技术，建立以学生为主体的探究性学习模式”研究报告孔建华*，陈国祥**江苏省前黄高级中学[e-mail]本文对学校开展的网络环境下的探究性教学实验进行了总结，提出了针对理科教学的“基于工具的科学探究模式”和针对文科教学的“基于资源的社会探究模式”，通过具体阐述了学校开展两轮行动研究循环，对探究性学习的主要过程和环节、探究性学习的本质、信息技术对探究性学习的影响等都做了深入的探讨。关键词：科学探究、社会探究、信息技术、探究性学习模式一、研究概述“运用信息技术，建立以学生为中心的探究性学习模式”是我校承担的“十五”现代教育技术课题，2001年被列为江苏省十五现代教育技术招标课题，教育部重点课题“网络环境下的学与教”第二专项课题“网络环境下的教学模式与教学设计的研究”的子课题。在李克东、谢幼如教授和省市电教馆专家的指导下，课题组以数字校园的构建为基础，全面建设网络化的学习环境；对校本资源进行知识分类和管理，确立了以课堂教学应用为核心的研究思路，注重加强教师教学设计能力的培养，针对不同的探究性学习类型，深入开展多轮行动研究，取得了较为丰硕的成果。一定的教学模式总是在一定的教学思想和理论影响下形成的。本课题在研究过程中广泛学习了建构主义学习理论、多元智能理论、高级智慧学习和知识管理思想等，对学习、知识、智能、学习环境、探究性学习等概念作了一个澄清，认为：①信息向知识的转化过程就是意义建构的过程，也就是学习的过程。②知识、智能的多元化特征促成了学习方式多样化和学习水平的层次化。③探究性学习是有效的学习方式之一，可分为科学探究、社会探究与实践探究三大类型。④学生知识的形成离不开具体的情境与外界条件的辅助与指导，信息技术也是必备条件之一。本课题主要采用行动研究法，辅以文献研究法和调查分析法。在早期的研究过程中，课题研究教师自发地采用了类似的行动研究模式，从“计划——行动——观察——反思”，在不断实践与反思中提高了实验的效果与质量。在后续研究过程中，教师完全遵循行动研究的准则，每个课题组成员均完成了2-3个循环，形成“大循环交替上升，小循环即时调整”的研究格局，积累了大量的研究课例和案例。同时我们还从加强了研究教师的教育技术理论学习、促进他们与专业研究人员交流、强化自我反思与批判意识、灵活运用多种方法技术等方面规避了行动研究过程中一些可能出现的负面问题。目前，全国许多学校都开展了类似的网络环境下的教学实践活动，针对不同的学科体系、不同的教学内容，采用不同的学习方法（自主、合作、探究），提出过许多教学模式和教学设计的方法。就总体而言，目前的网络教学实践都处于初级阶段，研究水平不高，缺乏普遍推广的意义。本课题在研究过程中，也曾多次参照intel未来教育、Webquest、PBL、专题网站等教学模式开展过教学设计与教学实验。在整理分析这些课例的过程中，我们发现不同的探究性学习类型，在操作流程、主要环节、教学设计等方面存在着明显的差异。我们试图从科学探究与社会探究的角度，分别总结概况出这些探究性学习的首要原理和主要过程，并从中发现探究性学习的本质规律，对于一些操作细节和变式范例，不做详尽阐述。二、研究内容（一）基于工具的科学探究模式1、实验情况从1999年起，我校多位数学和物理老师设计尝试过网络环境下探究性教学，如徐伟老师的《研究玫瑰线》和《动直线的包络》、曹锁明老师执教的《雪花曲线》和《摆线》、蒋建红老师的《对称美》、张国良和陈丽琴老师设计的《多面体欧拉公式的发现》、物理李桂旺的《力的合成与分解》、刘成华老师的《动量守恒》、蔡卫东老师的《单摆》、耿宜宏老师的《电磁振荡》、宋书华老师开设的《运用几何画板解决数学问题》的校本课程等，总结这些课例，我们可以分成二个阶段：第一个阶段——发现科学探究规律：（以徐伟老师的《研究玫瑰线》为例）计划：采用MathCAD软件，让学生探求玫瑰线)sin(n的花瓣数随n变化而变化的规律，尝试发现三角函数的相位变化规律。行动：教师主要设计了三个递进问题：1）让学生不断改变n值的数值，尝试发现)sin(n的形状与n之间的关系;2）把正弦改为余弦，即方程ncos的形状又会如何呢？3）曲线)sin(n是否一定可以由nsin旋转得到？在教学过程中教师结合数学证明不断层层递进，引深扩散。观察反思：在这节课中，教师运用工具软件，创设了数学实验条件，通过层层设问，不断地提升学生学习思维的水平，取得了较好的教学效果，能不能从中发现这类课的一般探究规律呢？是不是可从教学实验、提出假设、证明分析、引深扩散等几个环节进行概况呢？第二阶段——验证发现的规律。（以徐伟教师的《动直线包络》和常州五中李德明老师的《自由落体运动为例》）计划：运用发现的规律，尝试进行教学，侧重于提出模型和引深扩散。行动：教师从折纸游戏开始，通过几何画板，创设问题情境，在学生实验的基础上，探讨包络成的图形与什么因素有关（如点A的位置、圆的形状、怎样才有抛物线等），接着用圆锥曲线的第二定义进行证明分析，最后引深到生活中的包络线运用。观察与反思：探讨包络图形与什么因素有关成为本课例的亮点，反映出科学探究的本质特征。从生活中来到生活应用中去也成为引深扩散的好做法。反例：《自由落体运动》一节课通过仿真实验室软件，试图解决两个问题：一是物体下落的快慢与什么因素有关？二是速度、时间、位移之间的关系。在第一个环节中教师解决得很好，现实实验加虚拟实验，排除了干扰因素，但在建立模型环节发生了问题，1）没有对生活中的物理现象进行概念抽象：如“物体下落的快慢”究竟是一个什么物理概念，速度(V)？加速度(a)？什么叫“同时到达地面”？是不是在相同的时间(t)内，经过的位移(s)相等。2）是没有让学生假设几个物理因素之间的内在关系，只是得出物体下落的快慢与质量没有关系的结论？（到底与什么有关系，还是没有理清楚）。由此可见，忽视建立模型环节的探究性学习不会取得满意的效果。2、主要环节我们认为：基于工具的科学探究性学习模式包括着四个主要环节：教学实验——提出假设——证明分析——引深扩散，教学实验：在教学开始时，教师往往出具一个数学问题或演示一个物理现象，让学生在工具软件中构建起相应的教学实验，把问题或现象转化成工具的表现内容，尝试改变相关的变量来发现问题或现象的演充情况。如《研究玫瑰线》中，改变前变量的奇偶，玫瑰线的瓣数不一样；《动量守恒》中，改变两个球的大小、质量、材质，碰撞的现象就不一样。在《雪花曲线》中不断改变n有参数，生成各种美丽的雪花图案来。提出假设：假设是什么？其实质就是对数学问题或物理现象的合理解释与模型，这是理科探究性学习最重要的一环。解释往往就是一些原理的重现与运用，模型应是一些数学的公式、定理和函数的表现。要提出合理的解释与模型，就必须运用到先前的知识与经验，就必须对现象产生的原理进行探究，要得出模型，就必须确定自变量、因变量及无关变量，能利用己有的学科知识构建出明确的公式、函数、定理等，并用科学语言进行准确地描述。要能从众多的解释和模型中进行选择，最终构造出最佳的解释与模型。证明分析：当解释或模型已经确立后，学生还要用进行科学的演绎与推理，要能运用丰富的科学基础知识、逻辑证据进行深入的分析、清楚地展示逻辑、证据和现有知识之间的关系。要用数学的方法进行证明、推导，要用物理的方法进行验证与分析，这样才能验证解释与模型的正确与合理。引深扩散：对证明已经成立的模型还要进一步进行引深扩散，对于产生现象的内外条件要进行相关变化，充分地改变模型中的自变量与因变量变化，进一步地观察现象与模型的变化，对现象的存在条件和模型的适用范转进行客观分析，产生新的探究问题。同时也要研究现实生活中的应用探究，对生活中的现象进行合理分析与证明，回归生产与生活实际。3、相关分析①科学探究的本质：从探究性学习一词首先出现在美国国家科学教育标准中可以看出，最早的探究性学习主要是指科学探究，意思是仿照科学研究的过程来学习科学内容，从而在掌握科学内容的同时体验、理解和应用科学研究的方法，掌握科研能力的一种学习方式。科学探究主要目的在于理解有广泛解释力的一般原理，强调直接指向科学理解的思考，这种原理与思考，见诸于我们的课程标准与教学目标之中，是我们培养学生科学素养的重要内容。在科学探究活动中，合理的解释与相关模型的建立，正是基于这样的原理基础提出来的。所以在科学探究活动中，应以提出假设为抓手，强调学生提出自己认为合理的解释与相关模型，提出假设环节是我们开展科学探究的本质所在。②信息技术的作用。基于工具的科学探究是一种建立在信息技术环境下的探究性学习模式，与其他类型的科学探究（如实验探究、活动探究）相比，在主要的探究过环节上有着相同之处，许多其他的科学探究、实践探究都是遵循着这样的流程来开展的。这一方面提示着我们在条件许可的情况下应将这种单纯的网络探究与实验探究、生活探究相结合，避免把学生的探究体验与实验、生活的完全割裂。比如在《包络线》一课中，教师从折线游戏开始，逐步引出包络的概念。在《自由落体运动》中，教师准备了许多演示实验，让学生进行观察，这些都是将两者进行结合的一种有效的尝试。另一方面，我们也要深刻地认识到由于信息技术的使用，这些工具软件在优化教学过程，协调各教学要素关系，构建了新型稳定的教学结构方面所起的重要作用。纵观这种探究模式中的信息技术作用，主要体现在以下几点：1）构建了教学支架与环境。信息技术以工具软件的形式出现，为探究活动的开展提供了学习的支架与环境。离开了这样的环境、缺少了这样的工具，这类科学探究无法开展。就是在其他实验探究中，要想尽可能多地改变变量，以建立模型也是十分困难的。2）平衡稳定了教学结构，突出了学生主体。教师围绕着教学目标，通过精心的教学设计来组织开展教学，学生以问题或模型为核心，通过工具的应用探究得出规律，逐步构建知识与能力，工具则由教师教学演示变为学生自主探究，改变了师生教与学的主体关系，形成了以学生的学习为中心的新型教学结构。3）优化的学生探究思维培养。探究工具的软件，不仅体现在一开始的教学实验环节，在其后的教学引深、提出假设等环节诸多环节，工具的应用，加强了学生实践操作能力，强调了做中学的经验，培养了直觉思维和形象思维的能力。③四个环节缺一不可。“教学实验——提出假设——证明分析——引深扩散”四个主要环节基本涵盖了这类探究的主要过程，这四个环节应循序渐进，缺一不可。没有教学实验的过程，学生的探究应缺少问题情境，学生的学习兴趣得不到激发，原有的知识系统得不到激活。不提出假设，学生的探究性就无从谈起，提出假设并进行证明分析的过程，就是探究性学习的过程，在探究性学习过程中，抓住了提出假设这个过程，就抓住了探究性学习的关键，要提出假设，必须具有一定的理论分析的方法，能够区分出各种变量，明析各种物体性质与数形变化关系，能准确应用本学科方法进行数理表达。这些都是当前理科教学中要重点培养的学习能力。证明分析是个科学验证的过程，是用科学的演绎与推理方法，证明分析假设正确性的过程，这一点是我们教学中一贯着重强调的。引深扩散是个认知提高的过程，也是探究性学习能力提高的过程，要能举一反三，在总结过程中不断发现新的问题与规律，这样学生的学习能力才能终身持续，不断提升。当然，在具体的教学实施过程中，根据探究任务的难易，教师可多次涉及到上述环节。以上四个环节，最为重要的是提出假设与引深扩散这两个环节，抓住这些环节进行教学设计与组织实施，也成为教师提升教学设计水平的关键。④探究过程中的多元文化内涵。工具软件的使用，不仅提升了师生的探究性学习的能力，对于教学思想、教学内容和教学方式都提出了新的要求，体现出多元文化的内涵与价值。如在传统的数学教学中，往往过分强调理性的逻辑思维的培养，而运用几何画板，学生的直觉思维能力得到了大大提升，传统的数学都是在证明与求解中寻求问题的答案，而运用几何画板进行教学，画的过程、演变的过程也许就是寻解的过程，图形画出来了，答案也就出来的。这种多元文化内涵的特征，对于当前教学改革来说是非常需要