應用掌上電腦支持科學探究及學生的認知發展

【摘要】文章提倡應用掌上電腦(Handheld Computers)作為認知工具(Cognitive Tools)來支持中小學生的科學探究(Inquiry)活動及認知發展。文章首先對計算機認知工具的內涵及相關界定進行了分析;探討了掌上電腦在中小學生科學探究中的應用價值;并就計算機認知工具支持中小學生科學探究活動的國際和國內相關研究做了回顧;然后結合案例對國內外基于掌上電腦的科學探究及學生認知發展研究特點做了分析，為國內相關研究提供借鑒。

【關鍵詞】掌上電腦;認知工具;科學探究

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097(2010)01—0105—06

隨著一對一(one to one)電腦運動的興起和無線上網技術的日益普及和成熟，掌上電腦越來越受到人們的關注 。具有無線上網功能的掌上電腦體積小，操作簡單，攜帶方便，存儲和傳輸靈活，已漸漸成為學校學科教育的有力工具。在國外，將掌上電腦作為學生學習的一種認知工具已經逐漸成為當前手持技術教學應用研究的重點和熱點。本文在文獻研究基礎上，對計算機作為認知工具的內涵進行了相關界定;探討了掌上電腦在科學探究中的應用優勢;對計算機作為認知工具的相關研究作了述評;結合實例分析了基于掌上電腦的科學探究中學生認知發展的研究方法和特點，并從中得到啟示，為國內相關研究提供借鑒。

一 對計算機作為認知工具的相關界定

1 計算機認知工具的內涵界定

美國斯坦福大學的Pea Roy[1]教授認為認知工具能夠引導學習者的認知過程，在學習過程中借助認知工具能夠增強學生的認知能力，拓展學生的思維。美國著名科學教育研究者Kozma[2]則是通過移植心理學的有關概念提出了將計算機作為“認知工具”的概念，他認為使用計算機作為認知工具，可以方便學習者的學習并且有助于學習者完成復雜的認知工作。Derry[3]認為認知工具是一種支持、指引、擴充使用者思維過程的心智模式和計算機設備。美國密蘇里-哥倫比亞大學著名學習環境設計專家 Jonassen 及其合作者Reeves 在進一步的研究中豐富了上述觀點。Jonassen[4]認為認知工具是基于計算機的工具及其學習環境，認知工具的作用是幫助學習者進行批判性思維以及從事更高水平的學習活動。Liu及其合作者Williams、Pedersen[5]等人則是從問題解決的角度對認知工具下了定義，他們認為認知工具是學習者在具體的認知過程中與問題解決的特殊階段具有或多或少聯系的計算機技術。

從上述研究者對認知工具的定義來看，基于計算機的認知工具在本質上是計算機多媒體學習環境的一個組成部分，它能夠提高學習者在思考和學習過程中的認知能力，是一種能將學習者思維或認知進行有效表達的工具及其學習環境，通過利用基于某種學習環境的計算機工具即認知工具，在一定程序上能夠簡化學生的認知復雜程度，提高其問題解決的效率，從而促進其知識的建構，形成有意義學習。

2計算機認知工具的界定標準

Jonassen[6]通過一系列研究，對計算機作為認知工具的標準進行了規定，他提出計算機軟件成為“思維工具”需滿足以下條件(Jonassen在發表的一系列學術論文及著作中使用了另一個術語“思維工具”(Mind tools)來代替認知工具。我們的觀察是即使Jonassen本人也似乎將“思維工具”和“認知工具”作為同義語使用。):(1)軟件的使用標準需適合學生的要求，能夠為計算機所支持，且具有普遍的應用價值、價格合理、操作簡單、易學;(2)通過軟件的使用，能夠促進學生知識的建構，增強其知識的概括能力;有助于學生批判性思維的形成，增強其知識的遷移能力;促進學生思維能力和知識重整能力的發展，如能將頭腦中形成的想法通過一種替代的簡化的形式進行表達等。這些標準也反映了計算機軟件作為認知工具的本質，即能夠有效地表達和處理頭腦中的認知模型并促進思維。

Susane Lajoie[7]提出了類似的計算機認知工具的界定標準，她認為滿足認知工具的條件主要有:(1)學習者處于問題解決的情境;(2)能夠提高學生的認知能力;(3)能夠幫助學生建構思維模型;(4)能夠呈現學生頭腦中的知識;(5)能夠幫助學生獲得并對知識進行表述;(6)培養學生的自學能力;(7)能夠為學生提供合作學習的環境。

新加坡南洋理工大學張寶輝對計算機建模工具成為認知工具的條件進行了進一步的研究，他認為除了計算機軟件本身特點決定其成為認知工具的條件外，軟件在學習環境中的使用過程或使用方法也決定其成為認知工具的條件，而且學習環境這一因素決定了軟件是否成為認知工具的可能[8]。

總之，從上述認知工具的界定標準，我們可以看出認知工具能夠促使學生進行有效的學習實踐活動，使得他們進行的學習活動變得有意義、有目標和有效率。認知工具支持的學習活動能夠促進學生的批判性思維和合作能力，最終幫助學生進行高效地學習，為終身學習打下扎實的基礎。并且計算機軟件要成為認知工具除了與其本身特性有關外，軟件使用的學習環境或者是教學模式的設計同樣重要。

二 應用掌上電腦支持科學探究的教學意義

掌上電腦具有日歷、地址簿、任務表及備忘錄等用于個人信息管理的項目功能，還有電子書、全球定位系統及地圖、電子詞典、音樂存儲及播放、百科全書、天氣和新聞、計算器、數據庫、電子郵件、網絡、微軟辦公軟件系列等。除了這些通過工具外，掌上電腦及其配套軟件可以為學生的科學探究活動提供多方面的支持，將掌上電腦應用于科學探究，具有以下幾點意義:

1 激發學生的學習動機，促進合作學習

掌上電腦攜帶方便，操作簡單，有一定計算機操作基礎的學生在使用時基本不會出現技術上的障礙。在進行科學探究活動時，除了可以借助掌上電腦的辦公軟件對數據進行及時地記錄和處理外，還可以借助手持實驗設備進行實時實地的實驗探究;利用掌上電腦的無線傳輸功能，可以隨時隨地支持學生的學習活動并相互之間分享學習資源及保持交流，有助于激發學生的學習興趣，為創建無縫交流及合作學習環境打下基礎[9]。

2 豐富科學探究的活動形式

掌上電腦不但便于攜帶，且有與掌上電腦配套的探針或傳感器等便攜實驗設備，使得室外實驗成為可能。學生可以利用這些設備進行實地科學探究，如對不同河段水質情況的數據采集、對土壤酸堿度的測試、對受污染空氣中二氧化硫濃度的檢測等，使得科學探究不再局限于狹小的課堂空間，而是深入到實際的生活情景當中，加強了知識學習與生活之間的聯系，大大豐富了科學探究的活動形式，為開展更多的課外探究活動提供了方便。

3 拓展科學探究的活動內容

借助掌上電腦的相關軟件及其手持實驗設備可以開發更多適合教學的探究性課題。以傳感器為主要儀器的手持技術通過多種不同功能的探頭，實現溶解氧、溶液pH、溫度、壓強、顏色、濁度等的測定，并通過計算機軟件將這些性質以數字的形式進行呈現，不但有助于教材實驗的改進，而且有助于開發出更多的課外探究性課題，加強了科學探究內容的拓展。

4 加深對科學探究及其相關概念的理解

通過基于掌上電腦的科學探究活動，可以加深學生對科學探究的過程的認識，促進其對科學探究活動中涉及的主題及其概念系統的深入理解。如通過掌上電腦的 PiCoMap 軟件進行概念圖的繪制，通過Model-It軟件認識概念系統中各變量之間的聯系等，這些軟件都有助于學生形成有效的概念系統，加深對概念的深度理解。另外，掌上電腦在科學探究中可以實時反饋，如能夠實現實驗結論的即時分析和實驗過程的可視化，有助于學生及時發現一些實驗前預測不到的問題[10]。掌上電腦的這些優勢在計算機認知工具研究理論的支持下，對于學生的學習尤其是學生科學概念的學習是有很大的促進作用。

三 計算機作為認知工具的相關研究述評

在認知工具的開發及教學應用方面，國外許多學者做了相關研究。如Jonassen對認知工具進行了深入了的研究，成果頗豐，主要專著《課堂中的計算機認知工具促進批判性思維》[11]《建構主義視野下用技術支持學習》[12]《信息技術在教學中促進批判性思維》等，不僅探討了認知工具的理論來源、實踐意義、評價標準，分類等，并在實踐層面了做了不少探索。

Joseph Krajcik等人提出在建構主義理論的課堂中，學生的科學探究過程需要三大支持:教學理論、課程理論以及技術支持。他們認為技術的支持，即學習技術是建構主義方法的核心要素，學習技術能夠通過合作、調查以及學習成果的展現等幫助學習者解決復雜問題;不同形式的計算、繪圖或數據處理作用減輕了學生的認知負擔并拓展和強化了學生的思維[13]。因此，這種基于建構主義理論的學習技術一定程度上也體現出了認知工具的特征，建構主義理論的使用為計算機軟件成為認知工具提供了參考。

Jackson[14]等人他們設計了適合中學生建構概念模型的軟件——Model-It，并且通過提供建構主義腳手架式教學模式來支持學生的建模過程，使得該軟件成為探查學生前概念，促進學生的認知發展以及探索學生思維和認知反饋的認知工具，研究表明，基于腳手架式教學模式的Model-It 的使用有效促進了學生知識的建構，形成了學生的有意義學習。Stratford 等人認為正是Model-It 的使用使學生有機會參與了一系列計算機建模的認知活動，如分析、推理、合成、檢測和診斷模型等。Spitulnik等人的研究證實Model-It使學生通過相互交流來建立概念關系的方式，加深了學生對所學科目的理解和認識[15]。張寶輝等人對建模工具成為認知工具的理論條件進行了研究，他們認為要使建模工具成為認知工具，在教學中需遵循以下幾點:1.學生認知層面:學生在前概念的基礎上，加深對科學知識、科學模型以及科學建模和探究過程的認識;2.學習環境層面:學生充分利用教學資源，包括教師和認知工具，加強彼此的合作學習，因為合作學習是學生知識建構的重要條件之一;3.建模活動層面:包括對模型的說明、確定變量、定義關系、測試和調整、交流和分享學習成果;4.建模方法層面:幫助學生完成一系列建模活動的方法，加深學生對活動目的、交流討論以及計劃、分析、建模或說明、評價和診斷模型的認知[16]。因此，該研究從學生認知、學習環境以及學生實踐和指導實踐的方法等層面對認知工具的使用進行了界定，得出了計算機成為認知工具所具備的客觀條件。

Thomas A. Brush[17]設計了基于問題的學生中心計算機軟件，名為“Decision Point”，簡稱“DP”。DP整合了一套交互性的多媒體數據庫和工具，用于鑒別、收集及分析20世紀50年代至60年代非裔美國人人權運動的相關信息。他將支持學生解決、監控問題解決過程的“腳手架”分為:1.交互式小故事:交互式小故事以超鏈接的方式與歷史事件相聯系，用于支持DP數據庫中的歷史事件;2.重要資料:每個DP事件會重點顯示以方便學生查詢;3.學生指南:為學生分析數據時方法的使用提供說明以便他們更好地組織信息;4.學生日志:學生將遇到的問題、進展等記錄下來，以便反思并尋求教師的幫助，使之幫助學生分析信息，收集策略的正誤;5.故事模板:通過將探究過程按模板規定進行記錄，形成探究成果。研究表明，這種腳手架式的交互式學習環境設計能夠促進學生的認知發展。由此可見，研究者為實現計算機軟件作為認知工具的功能，在軟件的設計中加入了基于建構主義理論的腳手架模式，使得學生的學習活動變得更有意義。

因此，由上述分析可知，將計算機作為認知工具的研究內容不僅涉及認知工具的界定、使用以及認知工具的教學應用效果，而且還涉及基于建構主義理論的認知工具的開發和研究，這些理論和實踐的研究可以為基于掌上電腦的科學探究中學生認知發展的研究奠定基礎。

四 利用掌上電腦支持學生科學探究及認知發展的實證研究

許多學者對掌上電腦在知識學習中的應用進行了研究，但是將掌上電腦用于支持學生的探究活動，使其作為認知工具促進學生認知發展的研究目前還不是很多。目前，不少研究已經朝將掌上電腦作為認知工具支持學生科學探究的研究方向發展，并且有些已經理出一系列的研究方法，通過對這些研究方法的分析，我們可以窺見將掌上電腦作為認知工具的研究思路，為國內今后相關研究提供參考。

【研究案例1】 基于多種認知工具的掌上電腦科學探究研究過程

1 研究目的

研究選擇密歇根市安阿伯地區的2個八年級班級科學課，共33名學生和2名教師。每個被試配備一臺掌上電腦和無線網絡。從兩個班各選取4名學生作為重點研究對象，男女各占50%，主要用來探查基于掌上電腦的認知工具的使用方法及研究模式。

2研究過程

研究按先后順序分別為四個過程:進行探究性實驗、概念圖的建立和合作學習、網上查詢和實驗設計、建模。

過程1:教師介紹學習內容，學生分組對主要概念“聲音”進行實驗探究，并利用掌上電腦對實驗現象進行記錄。

過程2:學生使用 Pocket PiCoMap 軟件進行概念圖的繪制，學生需繪制不同學習階段的概念圖，通過對概念圖的觀察，認識自身對概念建立的一個逐步完善的過程。

過程3:學生利用掌上電腦中的 ArtemisExpress 軟件進行資料查詢，設計和開發與已學習的概念有關的課題，設計方案并實施。

過程4:使用自行開發的 Pocket Model-It 軟件對聲音傳播的原理進行概念模型的建構。

3研究說明

研究中使用了三種認知工具:Pocket PiCoMap、ArtemisExpress和Pocket Model-It，這些工具均由研究者自行開發。Pocket PiCoMap軟件主要用于幫助學生創建以框圖為主的概念圖，概念和概念之間的關系能夠通過箭頭線來表示，幫助學生將頭腦中的概念可視化，并且根據概念圖表達自己對概念的理解。ArtemisExpress 主要用于支持學生在探究過程中查詢網絡或數字圖書館的資料，軟件中有“提問”“搜索”“共享”以及“工具”，可以幫助學生更為便捷準確的找到相關資料;而PC Model-It則是幫助學生建立一個有機的概念系統，概念和概念之間的關系通過其中的變量的變化引起的結果來顯示，可用于診斷學生概念系統的完善程度。[18]

該案例中，研究者將基于掌上電腦的科學探究過程分解為四個主要步驟，即進行探究實驗、概念圖的建立和合作學習、網上查詢和實驗設計、建模。每一個過程都用到了自行開發的基于掌上電腦的認知工具，這些認知工具功能各異，用于支持不同認知水平的探究活動，在圍繞核心概念的學習的科學探究活動中，隨著認知難度的逐級遞增，認知工具發揮著不同的作用。從該研究我們可以看出，依據不同的學習主題可以選擇不同的認知工具，并且可以將多種認知工具整合在具體的探究過程中，為學生概念的深度加工提供支持。

【研究案例2】 基于挑戰經驗教學模式的掌上電腦3Rs科學探究活動

1研究目的

參與3Rs(Reduce， Reuse Recycle)共6所學校480名學生，該研究選取了其中2所學校的79名四年級學生作為被試(男女生比例為3:2)，探查在關于環境問題的科學探究活動中利用掌上電腦作為認知工具學生獲得3Rs相關概念。

2教學模式

研究中采用挑戰—經驗教學模式(Challenge Experiential Approach)，基本教學流程為:呈現問題情景(Challenge)，造成認知沖突，學生利用先前知識提出猜想和假設→學生進行與主題活動有關的一系列探究活動(Experience)→學生對探究活動中的經歷和感受進行相互交流，并提出自己的觀點(Reflecting)→將探究活動所學習到的知識與現實生活相聯系，制定家庭或社區的3Rs計劃(Planning)→教師對學生在不同的實踐活動中計劃的實施情況進行提問(Applying)。具體流程在掌上電腦上顯示如圖1。

3實施過程及方法

一為學會使用活動中涉及的認知工具，包括HP RX3715、3Rs學習軟件;二為教師對垃圾對環境污染造成的危害進行介紹后提出問題;三為學生利用掌上電腦在超市進行有關新加坡是否環境友好的數據收集;四為學生利用掌上電腦形成調查報告并傳輸到3Rs網絡平臺，各組學生相互交流和向環境專家提問;五為學生展示活動成果并提出促進3Rs的想法。

4研究結果

通過基于掌上電腦的3Rs科學探究學習活動，大部分學生在探究活動后對3Rs相關概念有了更為具體和深入的理解。學生在概念內化以及概念的應用能力方面有了顯著的提高;與傳統手段相比，學生更傾向于在探究活動中使用掌上電腦，掌上電腦使其探究活動變得更為主動，參與能力和合作學習能力明顯加強。

5研究說明

HP RX3715 具有拍照、無線上網以及聲音存儲和文本處理等多種功能且裝有3Rs學習軟件，該軟件依據挑戰-經驗教學模式，在每一個教學活動階段對學生活動進行了說明并配有活動紀錄表，對學生探究活動進行指導，學生在完成相應的探究活動后，系統會自動進入下一個階段的活動中，且每個階段中的若干個活動內容可以隨意挑選，并將活動中收集的數據記錄在掌上電腦中，最后進行處理。活動界面如圖2所示。學生對活動內容形成探究報告后，可以借助無線網絡將報告傳輸到項目的交流平臺中，通過師生交流及時得到反饋意見。[19]

該研究以學生對環境教育中的相關概念學習為研究目的，將掌上電腦作為學生探究環境問題的認知工具，運用一套完善的教學模式，開發出一整套3Rs探究活動學習軟件，利用該軟件為學生的探究活動的記錄、數據處理以及探究成果的交流與討論等提供便利。研究結果顯示，通過這樣的活動過程大部分學生對環境問題的相關科學概念有了深度理解，并且培養了學生的多種能力。其中挑戰經驗教學模式為掌上電腦作為認知工具支持學生科學探究及認知發展的教學提供了教學實施方法的參考，并且基于該教學模式的軟件為其他課題活動的開展提供了借鑒，共享網絡平臺促進了學生互動能力、合作能力以及交流能力等的提高，另外，共享網絡平臺作為一種評價工具，為教師實時診斷學生對概念的認知程度提供了便利。

以上2個案例均是圍繞基于掌上電腦的科學探究展開研究，研究目的各異，特點也各異。第1個案例向研究者呈現了一個較為完整的融合多種認知工具的基于掌上電腦的科學探究研究模型;第2個案例則是向研究者提供了一整套認知工具，該工具圍繞學習主體，整合了主題指導、數據記錄、處理等多種功能，并且有掌上電腦的無線上網功能和主題網絡活動平臺做支撐，同時呈現了基于掌上電腦的科學探究的教學模式。2個案例的研究內容涉及基于掌上電腦的認知工具的自行研發、認知工具的使用方法、基于認知工具的教學模式、教學方法以及評價方式等均有涉及。并且上述案例告訴我們基于掌上電腦的認知工具的基本環境是合作學習、自主探究和概念的自我建構，以學生中心為教學理念，促進學生的意義學習為目的。

五 結論和啟示

目前，國外在掌上電腦支持的學習過程研究理論和實踐方面都取得了一定的進展，而由于硬件和軟件方面的原因，國內在這方面的研究相當薄弱，絕大多數停留在對計算機的認知教學的應用層面。希望通過本文對基于掌上電腦在科學探究中學生認知發展的研究分析，能夠為國內相關研究的開展提供一定的借鑒。通過以上研究和分析，我們認為還有一些問題值得同行在以后的研究中進行更為深入的思考:

1 從案例1中可以初步窺見中小學科學課程中科學探究過程中各類認知工具的使用一般依據其特點來確定，并且通過同一主題進行交叉使用或整合使用。那么在具體的學科課程當中，應如何進行有效地整合?該如何選擇認知工具?如何評價整合方式的有效性?如何根據掌上電腦與無線移動通訊技術的特點創設手持技術與中小學課程整合的教學模式?教師、技術研發人員以及教育研究人員應如何在相關的研究中達成共識，形成產、學、研的有效融合?

2 案例2中以自行開發的主題活動軟件為認知工具，輔以掌上電腦的其他輔助功能，對這些不同類型的認知工具在科學教育研究中的作用做了實證研究。那么在具體學科知識的學習中，應該如何充分挖掘這些認知工具的潛力，將其與特定的學科概念的學習相結合?某一作用的認知工具對于學科某一類概念的學習是否具有明顯的促進作用?

3 掌上電腦及其認知工具的使用對教師的教學提出了什么樣的要求?掌上電腦支持的學生學習過程中教師的定位、教師的指導方法以及教師對認知工具的掌握程度應如何把握?在基于掌上電腦的教學過程中，應采用怎樣的教學方法?

以上問題都需要我們在以后的研究中繼續關注并深入探討的，以期將來能為基于掌上電腦的手持技術學習過程研究提供更多的理論指導，進一步提升和加強掌上電腦作為認知工具的一種認識和應用的普及。

參考文獻

[1] Pea， R. Beyond Amplification: Using the Computer to Reorganize Mental Functioning[J]. Educatonal Psychologist， 1985，20(4): 167-182.

[2] Kozma， R. The Implications of Cognitive Psychology for Computer- Based Learning Tools[J].Educational Technology， 1987， 27(11): 20-25.

[3] Derry， S. j.， Lajoie， S. P. A Middle Camp for (un) Intelligent Instructional Computing: An Introduction [A]. S. P. Lajoie， S. J. Derry. Computers as Cognitive Tools[C]. Hillsdale， NJ: Lawrence Erlbaum， 1993:1-11.

[4][6] Jonassen， D. H. (Ed.).Computers in the Classroom: Mindtools for Critical Thinking (2nd ed.)[M]. Columbus， OH: Merrill/Prentice-Hall. 1996.

[5] Liu， M， Williams， D Pedersen， S. Alien Rescue: A Problem-based Hypermedia Learning Environment for Middle School Science[J]. Journal of Educational Technology Systems， 2002，30(3):255-270.

[7] Lajoie， S. Computers as Cognitive Tools[Z]， Volume Two: No More Walls: Theory Change， Paradigm Shifts， and Their Influence on the Use of Computers for Instructional Purposes. Mahwah， NJ: Lawrence Erlbaum Associates. 2000.

[8][15][16] Zhang， B. H. Using ICT Programs as Cognitive Tools for Student-centered Learning. In M. S. Khine (Ed.)， Teaching with Technology: Strategies for Engaged Learners [M]. Singapore: Pearson Prentice Hall. 2006: 95-123

[9] Dieterle， E. Wearable Computers and Evaluation[J]. The Evaluation Exchange. 2004， 10(3): 4-5.

[10] Novak， A.， Gleason， C. Incorporating Portable Technology to Enhance an Inquiry， Project-Based Middle School Science Classroom. In R. Tinker J. Krajcik (Eds)， Portable Technologies: Science Learning in Context[M]. The Netherlands: Kluwer Academic Publishers. 2001.

[11] Jonassen， D. H. Computers in the Classroom: Mindtools for critical thinking[M]. Columbus， OH: Merrill/Prentice-Hall. 1996.

[12] ] Jonassen， D. H.， Peck， K， Wilson， B. G. Learning with Technology: A Constructist Perspective [M]. Columbus， OH: Merrill/Prentice-Hall. 1999.

[13] Jim Minstrell， Emily H. Van Zee. Inquiry into Inquiry Learning and Teaching in Science[M]. American Association for the Advancement of Science Press， Washington， D.C. 2000.

[14] Jackson，S. L.， Stratford， S. J.， Krajcik， J.， Soloway， E. Making Dynamic Modeling Accessible to Precollege Science Students[J]. Interactive Learning Environments， 1994， 4(3): 233-257.

[17] Brush， T. A.， Saye， J. W. A Summary of Research Exploring Hard and Soft Scaffolding for Teachers and Students Using a Multimedia Supported Learning Environment [EB/OL]. Journal of Interactive Online Learning， 2002，1(2).

[18] Kathleen Tamara Luchini Collbry. Design Guildelines for Developing Scaffolded， Handheld Software to Support Learners During Science Inquiry[R]. A dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy. University of Michigan， 2005，49-52.

[19] Wenli， Chen.， Nicholas Yew Lee Tan， Chee-Kit Looi， Baohui Zhang Peter Sen Kee Seow. Handheld Computers as Cognitive Tools: Technology-enhanced Environmental Learning [J]. Research and Practice in Technology Enhanced Learning， 2008， 3(3): 231-252.