運(yùn)用信息技術(shù)促進(jìn)氣象科學(xué)研究性學(xué)習(xí)的實(shí)證研究

[摘 要] 數(shù)字化微型氣象站是一種基于手持技術(shù)的先進(jìn)的便攜式氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。著眼于如何將信息技術(shù)（數(shù)字化微型氣象站）更有效地應(yīng)用于現(xiàn)行新課程的研究性學(xué)習(xí)；研究信息技術(shù)支持下，學(xué)生使用數(shù)字化微型氣象站進(jìn)行氣象學(xué)習(xí)的知識(shí)建構(gòu)情況、數(shù)字化微型氣象站在研究性學(xué)習(xí)中對(duì)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的作用。在“活動(dòng)理論”的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)研究性學(xué)習(xí)課題，并通過(guò)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究法（非對(duì)等前后測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)）、問(wèn)卷調(diào)查法、觀察法（參與型觀察與半結(jié)構(gòu)型觀察法相結(jié)合）、訪談法等方法進(jìn)行實(shí)證研究。得到的結(jié)論為：（1）作為數(shù)字化認(rèn)知工具，數(shù)字化微型氣象站在學(xué)生學(xué)習(xí)氣象知識(shí)的過(guò)程中促進(jìn)他們的知識(shí)建構(gòu)；（2）與傳統(tǒng)學(xué)習(xí)環(huán)境下的學(xué)生相比，參與基于數(shù)字化微型氣象站研究性學(xué)習(xí)的學(xué)生的科學(xué)探究能力顯著提高。

[關(guān)鍵詞] 數(shù)字化微型氣象站； 手持技術(shù)； 研究性學(xué)習(xí)； 知識(shí)建構(gòu)； 科學(xué)探究能力

[中圖分類號(hào)] G434 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A

[作者簡(jiǎn)介] 彭豪（1985—），男，廣東廣州人。助理講師，碩士，主要從事信息技術(shù)與課程的整合、手持技術(shù)探究實(shí)驗(yàn)研究。

一、背 景

2004年，我國(guó)實(shí)施中小學(xué)新課程改革。新課程的科學(xué)教育目標(biāo)是提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)。在新理念下，科學(xué)課程強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究所需要的能力，增進(jìn)對(duì)科學(xué)探究的理解；學(xué)生通過(guò)科學(xué)探究等方式學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)與技能。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，新課程改革同時(shí)重視培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)和分析、解決問(wèn)題的能力。可見(jiàn)，新課程的新理念突出表現(xiàn)在：在傳授科學(xué)知識(shí)的同時(shí)，注重科學(xué)探究能力、信息素養(yǎng)的培養(yǎng)。《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》（以下簡(jiǎn)稱《綱要》）也提出：強(qiáng)化信息技術(shù)應(yīng)用；提高教師應(yīng)用信息技術(shù)水平，更新教學(xué)觀念，改進(jìn)教學(xué)方法，提高教學(xué)效果；鼓勵(lì)學(xué)生利用信息手段主動(dòng)學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)，增強(qiáng)運(yùn)用信息技術(shù)分析解決問(wèn)題能力。

研究性學(xué)習(xí)是學(xué)生在教師指導(dǎo)下，從自然、社會(huì)和生活中選擇和確定專題進(jìn)行研究，并在研究過(guò)程中主動(dòng)地獲取知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)、解決問(wèn)題的學(xué)習(xí)活動(dòng)，屬于校本課程的范疇。為符合新課程理念以及《綱要》的要求、達(dá)到科學(xué)教育的目標(biāo)，研究性學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)與實(shí)施必須以先進(jìn)的教學(xué)理念為指引、以信息技術(shù)作支持，立足于促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變和知識(shí)的建構(gòu)。然而，目前在氣象科學(xué)研究性學(xué)習(xí)方面，信息技術(shù)利用率較低，教學(xué)方式仍停留在傳統(tǒng)的講授式，缺乏探究性。利用信息技術(shù)進(jìn)行氣象科學(xué)研究性學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)知識(shí)建構(gòu)，培養(yǎng)其科學(xué)探究能力，正是解決以上問(wèn)題的有效途徑。[1]基于此，筆者開(kāi)展了運(yùn)用信息技術(shù)促進(jìn)氣象科學(xué)研究性學(xué)習(xí)的研究。

二、理論支持

（一）知識(shí)建構(gòu)理論

知識(shí)建構(gòu)理論認(rèn)為，知識(shí)建構(gòu)是指學(xué)習(xí)者針對(duì)學(xué)習(xí)任務(wù)，在原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)或經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)舊知識(shí)與新獲得的信息的互動(dòng)，對(duì)原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行改造、重組，使之產(chǎn)生新的有意義的關(guān)聯(lián)，或創(chuàng)造新的意義，并以自己的方式對(duì)新信息的理解和建構(gòu)其意義的過(guò)程和結(jié)果。[2]知識(shí)建構(gòu)是一個(gè)能動(dòng)地建構(gòu)圖式的過(guò)程。所謂“圖式”是指圍繞某一主題組織起來(lái)的知識(shí)的表征和儲(chǔ)存方式。圖式的建構(gòu)涉及兩個(gè)基本過(guò)程：“同化”與“順應(yīng)”。“同化”是主體把外界刺激所提供的信息整合到自己原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)內(nèi)去的過(guò)程；“順應(yīng)”是指外部環(huán)境發(fā)生變化，而原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)無(wú)法同化新環(huán)境提供的信息，引起認(rèn)知結(jié)構(gòu)發(fā)生重組和改造，通過(guò)調(diào)節(jié)本身的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，使其與外界環(huán)境信息相適應(yīng)的過(guò)程。經(jīng)過(guò)“同化”與“順應(yīng)”使“圖式”越來(lái)越接近客觀世界的圖像。[3]

知識(shí)建構(gòu)的方式主要包括：（1）操作性建構(gòu)，是指以動(dòng)手操作的方式建構(gòu)新知識(shí)，表現(xiàn)為學(xué)習(xí)者操作技能的發(fā)展和動(dòng)作圖式的形成；（2）觀察性建構(gòu)，是指學(xué)習(xí)者通過(guò)觀察別人的操作或觀察對(duì)事物的模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)自己對(duì)知識(shí)的建構(gòu)，表現(xiàn)為學(xué)習(xí)者表象圖式的形成；（3）言語(yǔ)性建構(gòu)，是指通過(guò)對(duì)語(yǔ)言或文字進(jìn)行邏輯延展或意義同化與順應(yīng)來(lái)發(fā)展思維技能和認(rèn)知圖式；（4）社會(huì)性建構(gòu)，是指通過(guò)與他人進(jìn)行溝通等社會(huì)性活動(dòng)獲得知識(shí)的過(guò)程，表現(xiàn)為他人對(duì)自己認(rèn)知的暗示或激勵(lì)。

（二）活動(dòng)理論

“活動(dòng)理論”是以“活動(dòng)”為邏輯起點(diǎn)和中心范疇來(lái)研究和解釋人的心理的發(fā)生發(fā)展問(wèn)題的心理學(xué)理論。它的假設(shè)與“建構(gòu)主義”、“案例教學(xué)”、“情境學(xué)習(xí)”和“社會(huì)認(rèn)知”等理論相一致。[4]作為教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)的新理論框架（如圖1所示），它可以提供一個(gè)清楚的操作架構(gòu)。基于活動(dòng)理論的學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)過(guò)程包括：（1）明確活動(dòng)系統(tǒng)的目的，即理解活動(dòng)產(chǎn)生的情境、主體的動(dòng)機(jī)及其對(duì)活動(dòng)系統(tǒng)所感知的矛盾；（2）分析活動(dòng)系統(tǒng)，即明確活動(dòng)的主體、相關(guān)共同體，確定客體；（3）分析活動(dòng)結(jié)構(gòu)，即明確活動(dòng)本身，把活動(dòng)分解為行動(dòng)和操作；（4）分析工具和中介，即確定可用的工具、模式、理論或標(biāo)準(zhǔn)化方法、活動(dòng)中使用的規(guī)則、各種角色的作用；（5）分析情境，即明確內(nèi)在的或主體驅(qū)動(dòng)的情境、外在的或共同體驅(qū)動(dòng)的情境；（6）分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，即把握活動(dòng)系統(tǒng)中各構(gòu)成部分的互動(dòng)關(guān)系、明確共同體成員之間的關(guān)系性質(zhì)、把握共同體成員之間的互動(dòng)關(guān)系變化。[5]

活動(dòng)理論也可以作為一種有用的分析框架來(lái)研究知識(shí)建構(gòu)共同體，因?yàn)樗瓤梢越忉寕€(gè)體的活動(dòng)，又可以解釋小組或共同體的活動(dòng)，同時(shí)還關(guān)注個(gè)體在共同體中的多個(gè)方向的活動(dòng)路徑，這正是知識(shí)建構(gòu)共同體中重要的方面。[6]本研究以活動(dòng)理論為框架設(shè)計(jì)研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)，并分析知識(shí)建構(gòu)的情況，關(guān)注活動(dòng)系統(tǒng)中“認(rèn)知工具”作為“中介”在知識(shí)建構(gòu)過(guò)程中的作用。

圖1 教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)框架[7]

（三）科學(xué)探究理論

《美國(guó)國(guó)家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（1996）界定了科學(xué)探究的內(nèi)涵是“科學(xué)家用以研究自然界并基于此種研究獲得的證據(jù)提出種種解釋的不同途徑，也指學(xué)習(xí)者用于獲得知識(shí)、領(lǐng)悟科學(xué)的思想觀念和科學(xué)家們研究自然界所用的方法而進(jìn)行的各種活動(dòng)。”科學(xué)探究是一種重要的學(xué)習(xí)方式，也是中學(xué)各門理科課程的重要內(nèi)容，有助于學(xué)習(xí)者科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展。通過(guò)親身經(jīng)歷和體驗(yàn)科學(xué)探究活動(dòng)，有利于激發(fā)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣，增進(jìn)對(duì)科學(xué)的情感，獲得科學(xué)知識(shí)，理解科學(xué)的本質(zhì)，學(xué)習(xí)科學(xué)探究的方法，初步形成科學(xué)探究能力。科學(xué)探究的一般過(guò)程與探究學(xué)習(xí)的過(guò)程是類似的。在教學(xué)中，創(chuàng)設(shè)一種類似于科學(xué)研究的情境，通過(guò)學(xué)習(xí)者自主、獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，以及實(shí)驗(yàn)、操作、調(diào)查、收集與處理信息，表達(dá)與交流等探索活動(dòng)，獲得知識(shí)、技能、情感與態(tài)度的發(fā)展，特別是獲得探索精神和創(chuàng)新能力的發(fā)展的學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)過(guò)程。由此，科學(xué)探究的一般過(guò)程可以理解為：提出問(wèn)題、猜想與假設(shè)，制定計(jì)劃，收集證據(jù)，解釋與結(jié)論、反思與評(píng)價(jià)、表達(dá)與交流等活動(dòng)過(guò)程。[8]

科學(xué)探究能力是學(xué)習(xí)者或研究主體在科學(xué)探究過(guò)程中逐步形成和發(fā)展起來(lái)的，是對(duì)探究活動(dòng)進(jìn)程及方式起穩(wěn)定調(diào)節(jié)作用的個(gè)性心理特征。科學(xué)探究能力是進(jìn)行科學(xué)探究活動(dòng)的基本保證。一個(gè)相對(duì)完整的探究活動(dòng)包含的能力要素有8個(gè)維度：提出問(wèn)題、形成課題的能力；猜想與假設(shè)的能力；制定探究方案的能力；進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的能力；收集證據(jù)的能力；分析證據(jù)、形成結(jié)論的能力；反思與評(píng)價(jià)的能力；合作與交流的能力。這也是學(xué)生科學(xué)探究能力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的體系。

三、研究性學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)

（一）數(shù)字化學(xué)習(xí)工具

數(shù)字化微型氣象站是一個(gè)基于手持技術(shù)（又稱傳感技術(shù)）的先進(jìn)的便攜式氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要應(yīng)用于天氣預(yù)測(cè)和微氣候監(jiān)測(cè)。它能便攜、定量、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)量各類氣象數(shù)據(jù)（包括風(fēng)向及風(fēng)速、溫度、相對(duì)濕度、降水量、氣壓等），通過(guò)無(wú)線技術(shù)把數(shù)據(jù)發(fā)送到多媒體計(jì)算機(jī)，并可利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享與協(xié)作學(xué)習(xí)。數(shù)字化微型氣象站的配套軟件Weather-Lab具有強(qiáng)大的氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，為學(xué)生進(jìn)行氣象科學(xué)探究活動(dòng)提供了有力的數(shù)據(jù)分析處理工具。

在我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)，數(shù)字化微型氣象站被廣泛應(yīng)用于氣象科學(xué)探究式教學(xué)與學(xué)習(xí)，包括：（1）常規(guī)學(xué)習(xí)。 學(xué)校內(nèi)設(shè)有定點(diǎn)氣象觀測(cè)站，教師、學(xué)生在課堂上取得數(shù)字化微型氣象站采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用圖表分析比較過(guò)去記錄的數(shù)據(jù)（年、月、日、時(shí)的天氣數(shù)據(jù)）；（2）戶外學(xué)習(xí)。教師帶領(lǐng)著學(xué)生或?qū)W生自主進(jìn)行移動(dòng)氣象觀測(cè)，把數(shù)字化微型氣象站帶到戶外架設(shè)收集數(shù)據(jù)，回到學(xué)校再下載數(shù)據(jù)，通過(guò)分析，比較不同地點(diǎn)的數(shù)據(jù)；（3）區(qū)域合作學(xué)習(xí)。學(xué)校間進(jìn)行區(qū)域合作，分布在各個(gè)學(xué)校的數(shù)字化氣象站自動(dòng)上傳數(shù)據(jù)到集中型氣象數(shù)據(jù)服務(wù)器，教師、學(xué)生可以通過(guò)登錄特定網(wǎng)站獲取氣象數(shù)據(jù)，進(jìn)行同一區(qū)域不同學(xué)校間的分析與比較。近年來(lái)，臺(tái)灣各縣市開(kāi)展了一系列以氣象為主題的科學(xué)探究活動(dòng)，學(xué)生運(yùn)用數(shù)字化微型氣象站和校園氣象網(wǎng)進(jìn)行探究競(jìng)賽，取得了巨大的成效。學(xué)生乃至全民的科學(xué)探究意識(shí)與科學(xué)素養(yǎng)得到了很大提高。[9]我們可以借鑒臺(tái)灣地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合內(nèi)地科學(xué)教育的特點(diǎn)，運(yùn)用數(shù)字化微型氣象站促進(jìn)氣象研究性學(xué)習(xí)的開(kāi)展。

（二）活動(dòng)設(shè)計(jì)

基于“活動(dòng)理論”的氣象研究性學(xué)習(xí)的各系統(tǒng)劃分如下。

生產(chǎn)系統(tǒng)：在教師的指導(dǎo)下，學(xué)習(xí)者個(gè)體（主體）在以探究氣象規(guī)律（客體）為學(xué)習(xí)目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，利用認(rèn)知工具“數(shù)字化微型氣象站”以及其他網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源（中介），根據(jù)已有的氣象知識(shí)以及生活經(jīng)驗(yàn)，將已學(xué)過(guò)的氣象知識(shí)進(jìn)行適當(dāng)遷移應(yīng)用于新的探究課題上，作出可驗(yàn)證的假設(shè)與合理的猜想，在自主探究過(guò)程中利用“數(shù)字化微型氣象站”收集氣象數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總、統(tǒng)計(jì)分析以及圖表整理，評(píng)價(jià)所獲得的氣象信息，用“數(shù)據(jù)”來(lái)驗(yàn)證假設(shè)、修正假設(shè)、解決問(wèn)題，自主建構(gòu)新知識(shí)，完成生產(chǎn)子系統(tǒng)的過(guò)程。

消耗系統(tǒng)：針對(duì)共同的學(xué)習(xí)目標(biāo)，學(xué)習(xí)者個(gè)體和學(xué)習(xí)共同體可以通過(guò)小組探究、小組間互評(píng)的方式歸納總結(jié)出氣象規(guī)律。與此同時(shí)，學(xué)習(xí)者個(gè)體和學(xué)習(xí)共同體必然會(huì)消耗掉學(xué)習(xí)過(guò)程的能量和資源。

交流系統(tǒng)：學(xué)習(xí)者個(gè)體以研究報(bào)告（Word或PowerPoint）的形式陳述小組探究結(jié)論，與學(xué)習(xí)共同體通過(guò)課堂討論的方式一起交流各小組的學(xué)習(xí)成果，并進(jìn)行互評(píng)。

分工系統(tǒng)：學(xué)習(xí)者個(gè)體與學(xué)習(xí)共同體可以以小組為單位，分工協(xié)作，制定探究計(jì)劃（包括提出可操作的探究步驟、數(shù)據(jù)獲取方式、數(shù)據(jù)記錄內(nèi)容與處理方法等）并完成課題探究。這體現(xiàn)協(xié)作學(xué)習(xí)過(guò)程。

通過(guò)各子系統(tǒng)之間的相互協(xié)調(diào)把整個(gè)活動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)。

在探究?jī)?nèi)容的選擇方面，本研究設(shè)計(jì)了運(yùn)用“數(shù)字化微型氣象站”探討“近幾天感冒多發(fā)的原因”、“晴天與陰天的氣溫變化差異特征”、“溫度、相對(duì)濕度日變化規(guī)律”、“臺(tái)風(fēng)來(lái)襲的天氣變化特征”等四個(gè)探究課題，并予以實(shí)施。這些課題貼近生活，難度不是太大，且富有探究性。探究課題的確立，使“活動(dòng)”有了明確的“學(xué)習(xí)目標(biāo)”。

四、研究設(shè)計(jì)

（一）研究對(duì)象和內(nèi)容

本研究選取一所重點(diǎn)中學(xué)的高一學(xué)生為研究對(duì)象。他們均已完成了高一階段氣象知識(shí)的學(xué)習(xí)，有一定的計(jì)算機(jī)操作基礎(chǔ)，而且對(duì)“手持技術(shù)”儀器及其簡(jiǎn)單使用方法已有初步的了解，并具備一定的探究能力。

研究?jī)?nèi)容包括：（1）研究信息技術(shù)支持下，學(xué)生使用數(shù)字化微型氣象站進(jìn)行氣象學(xué)習(xí)的知識(shí)建構(gòu)情況；（2）采用非對(duì)等控制組實(shí)驗(yàn)，通過(guò)前后測(cè)的差異分析，研究數(shù)字化微型氣象站在研究性學(xué)習(xí)中對(duì)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的作用。

（二）研究方法

由于實(shí)驗(yàn)對(duì)象是以常態(tài)班級(jí)為組織的在校學(xué)生，在研究中難以做到控制機(jī)體變量，不可能在隨機(jī)化的原則基礎(chǔ)上選擇和分配被試，因此，本研究采取了準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究類型中的非對(duì)等前后測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。分派其中一個(gè)班級(jí)為實(shí)驗(yàn)組（nB=42），開(kāi)展基于“數(shù)字化微型氣象站”的科學(xué)研究性學(xué)習(xí)；另外一班為控制組（nA=42），接受傳統(tǒng)學(xué)習(xí)環(huán)境下的研究性學(xué)習(xí)。非對(duì)等前后測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模式（見(jiàn)表1）主要是應(yīng)用于調(diào)查不同學(xué)習(xí)環(huán)境下學(xué)生的科學(xué)探究能力的變化的差異。同時(shí)采用問(wèn)卷法、觀察法（參與型觀察與半結(jié)構(gòu)型觀察法相結(jié)合）。

表1 非對(duì)等前后測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模式

1. 質(zhì)性研究資料的收集

質(zhì)性研究資料的收集包括實(shí)地觀察、訪談、個(gè)案分析等。在活動(dòng)過(guò)程中，筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生進(jìn)行觀察，并記錄他們的動(dòng)作、行為、表情、言語(yǔ)等外顯情況，按照學(xué)生科學(xué)探究能力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系的8個(gè)維度進(jìn)行編碼，分析學(xué)生的知識(shí)建構(gòu)情況以及從事科學(xué)探究的情況。

2. 定量研究工具的設(shè)計(jì)

學(xué)生的科學(xué)探究能力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要包括：提出問(wèn)題、作出假設(shè)和制定計(jì)劃、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、搜集整理、解釋與結(jié)論、反思與評(píng)價(jià)以及表達(dá)和交流的能力8個(gè)維度。國(guó)內(nèi)有關(guān)科學(xué)探究能力的研究中，定性研究比較多，而定量研究顯得較為缺乏，且學(xué)生科學(xué)探究能力的測(cè)量工具也并不多見(jiàn)。本研究采用的《學(xué)生科學(xué)探究能力評(píng)價(jià)量表》是根據(jù)《課程標(biāo)準(zhǔn)》以及《高中生科學(xué)探究能力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系》[8]而研制的“五點(diǎn)式”李克特量表，共32個(gè)項(xiàng)目，包含8個(gè)分量表，分別是：分量表1“提出問(wèn)題”（第1～3項(xiàng)）、分量表2“猜想與假設(shè)”（第4～6項(xiàng)）、分量表3“制定計(jì)劃”（第7～10項(xiàng)）、分量表4“進(jìn)行實(shí)驗(yàn)”（第11～15項(xiàng)）、分量表5“收集證據(jù)”（第16～19項(xiàng)）、分量表6“解釋與結(jié)論”（第20～23項(xiàng)）、分量表7“反思與評(píng)價(jià)”（第24～28項(xiàng)）、分量表8“表達(dá)與交流”（第29～32項(xiàng)）。筆者以高一年級(jí)學(xué)生（n=100）為測(cè)試對(duì)象對(duì)量表實(shí)施預(yù)測(cè)試后，使用SPSS 15.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)量表的同質(zhì)性信度（Cronbach α系數(shù)）與相關(guān)性結(jié)構(gòu)效度進(jìn)行分析，信度檢驗(yàn)：總量表α為0.975，分量表α分別為0.845，0.831，0.839，0.874，

0.843，0.897，0.886，0.907，故信度良好；效度檢驗(yàn)：由于每小題與總量表之間、每小題與分量表之間、分量表與總量表之間相關(guān)均非常顯著（相伴概率P<0.001），即效度良好。該量表分別在研究性學(xué)習(xí)前后對(duì)控制班、實(shí)驗(yàn)班學(xué)生實(shí)施前測(cè)、后測(cè)。

五、研究結(jié)果與分析

（一）“數(shù)字化微型氣象站”促進(jìn)學(xué)生科學(xué)知識(shí)建構(gòu)、科學(xué)探究能力發(fā)展的定性研究結(jié)果

筆者以課題“運(yùn)用數(shù)字化微型氣象站探究溫度、相對(duì)濕度日變化規(guī)律”[10]為例進(jìn)行分析。

1. 研究性學(xué)習(xí)前學(xué)生的情況分析

當(dāng)筆者為學(xué)生展示實(shí)驗(yàn)儀器——數(shù)字化微型氣象站系統(tǒng)時(shí)，學(xué)生們當(dāng)時(shí)都非常好奇，并對(duì)它產(chǎn)生疑問(wèn)。學(xué)生中所提出的問(wèn)題有：這套儀器叫什么？是否很難操作？它有什么作用？能用于監(jiān)測(cè)天氣嗎？讓學(xué)生們配合筆者把微型氣象站系統(tǒng)安裝起來(lái)后，學(xué)生便進(jìn)一步提出問(wèn)題：它是怎樣監(jiān)測(cè)天氣的？如何獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)？要與計(jì)算機(jī)聯(lián)用嗎？它能幫我們處理數(shù)據(jù)嗎？它和我們學(xué)校的（傳統(tǒng)的氣象監(jiān)測(cè)儀器）有什么區(qū)別？等等。可見(jiàn)，當(dāng)學(xué)生與數(shù)字化微型氣象站初次接觸時(shí)，由于他們?cè)煜び趥鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器，習(xí)慣于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作，難免會(huì)對(duì)數(shù)字化氣象監(jiān)測(cè)儀器產(chǎn)生一種“陌生感”，但同時(shí)也激發(fā)出他們對(duì)新儀器的興趣。從另一個(gè)方面看，正是由于傳統(tǒng)的氣象監(jiān)測(cè)儀器存在這些問(wèn)題，學(xué)生才希望在新儀器上能得到解決。

2. 研究性學(xué)習(xí)時(shí)學(xué)生的情況分析

（1）“提出問(wèn)題”階段：筆者創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，向他們提出，“在我們每天的日常生活中，同學(xué)們是否覺(jué)得每天的溫度、濕度變化存在一定的規(guī)律？”學(xué)生爭(zhēng)先恐后地回答：“午后的溫度很高”、“深夜氣溫較低”、“日出日落后溫度變化很大”、“溫度高時(shí)，覺(jué)得空氣的水分沒(méi)那么多”，等等。學(xué)生們的回答，從某種意義上說(shuō)，也是一種情境認(rèn)知學(xué)習(xí)的重要體現(xiàn)。情境認(rèn)知理論認(rèn)為，知識(shí)是個(gè)人與情境之間互動(dòng)的產(chǎn)物。知識(shí)和情境相聯(lián)系，學(xué)習(xí)者通過(guò)理解和經(jīng)驗(yàn)的不斷相互作用，在學(xué)習(xí)情境中進(jìn)行知識(shí)的意義協(xié)商。

（2）“猜想與假設(shè)”階段：筆者讓學(xué)生談?wù)劯髯詫?duì)相關(guān)影響因素的猜想時(shí)，學(xué)生根據(jù)日常生活中的體驗(yàn)提出了“一天里，溫度從早上開(kāi)始升高，到中午時(shí)達(dá)到最高值，接著降低，到深夜達(dá)到最低值”的假設(shè)。至于相對(duì)濕度的變化，有些學(xué)生假設(shè)“和溫度變化相反”，有些學(xué)生假設(shè)“和溫度變化相同”。可見(jiàn)，學(xué)生探究問(wèn)題的猜想與預(yù)測(cè)在很大程度上取決于學(xué)生原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。R. E. Mayer的知識(shí)建構(gòu)的認(rèn)知過(guò)程模型指出，學(xué)習(xí)過(guò)程始于學(xué)習(xí)者的注意，注意使學(xué)習(xí)者的經(jīng)驗(yàn)指向于與當(dāng)前學(xué)習(xí)任務(wù)有關(guān)的外界信息，并激活相關(guān)的原有知識(shí)。[11]知識(shí)建構(gòu)是基于原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)之上。

（3）“制定探究計(jì)劃”階段：學(xué)生在探究之前想到要進(jìn)行探究設(shè)計(jì)，但并沒(méi)有習(xí)慣于進(jìn)行紙筆設(shè)計(jì)。他們的設(shè)計(jì)實(shí)際表現(xiàn)為只停留在原理設(shè)計(jì)上，而較少進(jìn)行方案設(shè)計(jì)或操作設(shè)計(jì)。這表明，學(xué)生面臨探究問(wèn)題任務(wù)時(shí)習(xí)慣于依靠頭腦內(nèi)部進(jìn)行認(rèn)知運(yùn)演的設(shè)計(jì)方式。而依靠線索激活，動(dòng)手操作、情景運(yùn)演的設(shè)計(jì)方式相對(duì)薄弱。研究性學(xué)習(xí)可以加強(qiáng)學(xué)生此方面的能力培養(yǎng)。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生動(dòng)手制定探究計(jì)劃，如探究的步驟、驗(yàn)證假設(shè)的方法、數(shù)據(jù)取得方法、數(shù)據(jù)記錄內(nèi)容與方式、分工情況等。同時(shí)教師鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用信息技術(shù)進(jìn)行探究。

（4）探究進(jìn)行階段（包括“進(jìn)行實(shí)驗(yàn)”、“收集證據(jù)”）：學(xué)生實(shí)施探究方案，利用數(shù)字化微型氣象站收集氣象數(shù)據(jù)，分析、處理、評(píng)價(jià)所獲得的氣象信息，得到溫度、相對(duì)濕度的變化曲線（如圖3所示）。學(xué)生可以運(yùn)用Weather-Lab軟件分析曲線的變化情況，或?qū)?shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總、統(tǒng)計(jì)分析以及圖表整理。信息技術(shù)支持學(xué)生進(jìn)行猜想、實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證、推理的科學(xué)思維過(guò)程，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)建構(gòu)。學(xué)生通過(guò)小組協(xié)作的形式進(jìn)行討論，共享所得的氣象信息，解決問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)協(xié)作建構(gòu)。筆者還發(fā)現(xiàn)，在氣象實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的時(shí)候，學(xué)生都很專注于數(shù)據(jù)的變化情況，他們很快就掌握了軟件形象的圖表化顯示方式。學(xué)生們都覺(jué)得此軟件顯示數(shù)據(jù)的方式設(shè)計(jì)很好，讓他們可以從圖表中看到抽象的氣象數(shù)據(jù)的變化情況。可見(jiàn)，軟件的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式的直觀化、形象化設(shè)計(jì)輔助學(xué)生由形象思維向抽象思維過(guò)渡，也有助于學(xué)生的意義建構(gòu)。

（5）“解釋與結(jié)論”階段：學(xué)生對(duì)監(jiān)測(cè)所得的氣象數(shù)據(jù)都能作出比較合理的定性分析。新知識(shí)的獲得在某種意義上是原有知識(shí)結(jié)構(gòu)的一種發(fā)展。當(dāng)原有知識(shí)結(jié)構(gòu)不能解決新問(wèn)題時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生認(rèn)知沖突。學(xué)生因原有的知識(shí)結(jié)構(gòu)不同，故采取不同的方式解決沖突、建構(gòu)新知識(shí)。當(dāng)學(xué)生測(cè)量的結(jié)果與預(yù)測(cè)的一致時(shí)，將新知識(shí)與已有的適當(dāng)知識(shí)建立聯(lián)系；當(dāng)測(cè)量的結(jié)果與預(yù)測(cè)的不一樣時(shí)，產(chǎn)生“認(rèn)知沖突”，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生進(jìn)行探索，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源，解釋自己的觀點(diǎn)與現(xiàn)象之間的差異，將新知識(shí)與原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)結(jié)合，通過(guò)納入、重組和改造，構(gòu)成新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)建構(gòu)。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度、相對(duì)濕度的變化曲線

（6）“反思與評(píng)價(jià)”、“表達(dá)與交流”階段：在得出探究結(jié)論后，小組之間樂(lè)于分享探究成果，學(xué)生能將探究的成果用電子文檔以及口頭的形式比較準(zhǔn)確地表達(dá)和交流。交流討論時(shí)，既敢于發(fā)表自己的觀點(diǎn)，又善于傾聽(tīng)別人的意見(jiàn)，對(duì)自己和他人的探究成果進(jìn)行比較客觀的評(píng)價(jià)。在交流的過(guò)程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)探究過(guò)程中未解決的問(wèn)題（如我們應(yīng)該通過(guò)多次的測(cè)量來(lái)驗(yàn)證結(jié)論的可重復(fù)性，增強(qiáng)科學(xué)結(jié)論的可靠性），發(fā)現(xiàn)新的問(wèn)題（如我們可以探究其他氣象參數(shù)的日/月/年變化規(guī)律），從而展開(kāi)新一輪的研究性學(xué)習(xí)。過(guò)程中體現(xiàn)了研討性知識(shí)建構(gòu)。

探究結(jié)束后，筆者也讓學(xué)生發(fā)表自己的活動(dòng)感受。有些學(xué)生反映，他們首次利用這種數(shù)字化氣象監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行氣象研究，起初感到有些陌生，特別是對(duì)儀器的組裝感到困難，但后來(lái)發(fā)現(xiàn)儀器的設(shè)計(jì)十分人性化，慢慢便熟悉組裝的方法；而有些學(xué)生覺(jué)得，使用數(shù)字化氣象監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行氣象研究受益匪淺，也大大提高了監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性；另外，有些學(xué)生表示，以前曾對(duì)書本中提到的氣象監(jiān)測(cè)感興趣，但礙于傳統(tǒng)氣象監(jiān)測(cè)儀器操作麻煩且數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，而失去了氣象學(xué)習(xí)的熱情，現(xiàn)在有了數(shù)字化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，讓他們重拾了學(xué)習(xí)氣象知識(shí)的熱情。可見(jiàn)，他們體驗(yàn)到探究活動(dòng)的樂(lè)趣和學(xué)習(xí)成功的喜悅。

（二）“數(shù)字化微型氣象站”促進(jìn)學(xué)生科學(xué)探究能力的發(fā)展的定量研究結(jié)果

筆者運(yùn)用《學(xué)生科學(xué)探究能力評(píng)價(jià)量表》進(jìn)行調(diào)查，所得結(jié)果如下：

在前測(cè)中，以量表總分及各個(gè)分量表得分為指標(biāo)，對(duì)實(shí)驗(yàn)班、控制班的科學(xué)探究能力狀況（得分）進(jìn)行獨(dú)立樣本單因子t檢驗(yàn)。經(jīng)過(guò)變異數(shù)同質(zhì)性檢驗(yàn)后，相伴概率P均大于0.05，變異數(shù)同質(zhì)，可不必進(jìn)行校正。t檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 控制班（A）、實(shí)驗(yàn)班（B）的前測(cè)得分的差異

（獨(dú)立樣本單因子t檢驗(yàn)）

（注：nA=42，nB=42，下同）

由表2可知，P均大于0.05，控制班（A）、實(shí)驗(yàn)班（B）學(xué)生的各個(gè)指標(biāo)均不存在顯著性差異，說(shuō)明在前測(cè)中，實(shí)驗(yàn)班、控制班學(xué)生的科學(xué)探究能力沒(méi)有顯著性差異。

為了排除“前測(cè)”的影響，了解教學(xué)實(shí)驗(yàn)處理（信息技術(shù)的應(yīng)用與否）對(duì)兩組學(xué)生科學(xué)探究能力影響的差異情況，以“前測(cè)得分”為共變量，“后測(cè)得分”為因變量，對(duì)實(shí)驗(yàn)班、控制班的科學(xué)探究能力狀況進(jìn)行獨(dú)立樣本單因子共變量分析。經(jīng)過(guò)回歸斜率同構(gòu)型檢驗(yàn)后，P均大于0.05，未達(dá)到顯著性差異，符合回歸斜率同構(gòu)型檢驗(yàn)的假設(shè)，可進(jìn)行共變量分析。共變量分析結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，P均小于0.001，控制班（A）、實(shí)驗(yàn)班（B）學(xué)生的各個(gè)維度均存在非常顯著的差異，且實(shí)驗(yàn)班的各個(gè)維度的得分優(yōu)于控制班。可以認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生在基于“數(shù)字化微型氣象站”的學(xué)習(xí)環(huán)境下進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)，科學(xué)探究能力有了顯著的提高。

表3 控制班（A）、實(shí)驗(yàn)班（B）的后測(cè)得分的差異

（獨(dú)立樣本單因子共變量分析）

六、綜合討論

（一） 數(shù)字化微型氣象站的應(yīng)用促進(jìn)學(xué)生的知識(shí)建構(gòu)

根據(jù)活動(dòng)理論，“活動(dòng)”應(yīng)重視“中介”的作用。數(shù)字化微型氣象站及其Weather-Lab軟件作為數(shù)字化認(rèn)知工具的中介作用表現(xiàn)為：（1）信息呈現(xiàn)。Weather-Lab軟件可以通過(guò)柱狀圖、曲線圖、表格、儀表等方式呈現(xiàn)氣象信息，其數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式的直觀化、形象化設(shè)計(jì)，支持學(xué)生通過(guò)觀察與思考獲得結(jié)論，促進(jìn)學(xué)生由形象思維向抽象思維過(guò)渡，形成表象圖式，有助于學(xué)生的知識(shí)建構(gòu)。（2）操作驗(yàn)證。學(xué)生可以利用數(shù)字化微型氣象站提供的測(cè)量功能，通過(guò)親身動(dòng)手實(shí)踐，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、歸納總結(jié)，探索和發(fā)現(xiàn)氣象規(guī)律，自主建立對(duì)其意義的理解，有助于學(xué)生操作技能的發(fā)展和動(dòng)作圖式的形成。（3）拓展思路。學(xué)生通過(guò)與他人進(jìn)行討論、交流（社會(huì)性知識(shí)建構(gòu)）后，發(fā)現(xiàn)更多值得探究的問(wèn)題、形成新的課題，數(shù)字化微型氣象站能很好地支持學(xué)生通過(guò)改變測(cè)量的變量、采集的方式從事更深入的后續(xù)研究，拓展和深化學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。因此，數(shù)字化微型氣象站不僅僅是數(shù)字化學(xué)習(xí)工具，而且是信息呈現(xiàn)和發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)的有效工具，是培養(yǎng)興趣和拓展思路的激勵(lì)工具，是知識(shí)建構(gòu)和應(yīng)用實(shí)踐的有力工具。

（二） 數(shù)字化微型氣象站的應(yīng)用促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)探究能力發(fā)展

由本研究的調(diào)查結(jié)果顯示，把數(shù)字化微型氣象站運(yùn)用到研究性學(xué)習(xí)中，確實(shí)對(duì)提高學(xué)生科學(xué)探究能力很有幫助。由于數(shù)字化微型氣象站安裝拆卸簡(jiǎn)易、使用方法便捷，運(yùn)用數(shù)字化微型氣象站進(jìn)行探究活動(dòng)，從儀器的組裝到實(shí)施探究，學(xué)生都可以獨(dú)立地親自完成，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究動(dòng)手能力有很大的幫助。活動(dòng)的過(guò)程中，學(xué)生親歷了科學(xué)探究的各個(gè)環(huán)節(jié)，并掌握了科學(xué)探究的具體步驟，體驗(yàn)了科學(xué)的研究方法；信息技術(shù)能夠充分發(fā)揮學(xué)生的能動(dòng)性，讓他們?cè)趨⑴c科學(xué)探究的過(guò)程中提出問(wèn)題，設(shè)計(jì)解決方案，動(dòng)手收集各種資料，運(yùn)用傳感技術(shù)、無(wú)線設(shè)備、計(jì)算機(jī)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，采集氣象數(shù)據(jù)；學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)匯總、統(tǒng)計(jì)分析、圖表整理，總結(jié)出氣象參數(shù)的變化趨勢(shì)，作出解釋或結(jié)論，形成研究報(bào)告，這對(duì)學(xué)生自身的氣象圖像分析能力以及信息素養(yǎng)的培養(yǎng)有著顯著的促進(jìn)作用；[12]同時(shí)，學(xué)生在小組協(xié)作討論的過(guò)程中，提高了表達(dá)和交流的能力。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生能夠很好地利用數(shù)字化微型氣象站進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，就是說(shuō)，數(shù)字化氣象儀器確實(shí)能幫助他們有效地進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)。利用數(shù)字化微型氣象站進(jìn)行氣象學(xué)習(xí)能將氣象知識(shí)化難為易，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)和提高他們的分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力；讓學(xué)生在真實(shí)情境下主動(dòng)學(xué)科學(xué)、“做”科學(xué)，使學(xué)生感受到信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)了他們進(jìn)行科學(xué)探究的動(dòng)力，促進(jìn)了他們科學(xué)探究能力的發(fā)展。

七、結(jié) 論

本研究的結(jié)果初步表明，作為數(shù)字化認(rèn)知工具，數(shù)字化微型氣象站在學(xué)生學(xué)習(xí)氣象知識(shí)的過(guò)程中促進(jìn)了學(xué)生的知識(shí)建構(gòu)；與傳統(tǒng)的研究性學(xué)習(xí)相比，基于“數(shù)字化微型氣象站”的研究性學(xué)習(xí)能顯著地提高學(xué)生的科學(xué)探究能力。

由于時(shí)間、人力等因素，實(shí)驗(yàn)和調(diào)查僅在小樣本中進(jìn)行。在以后的研究中，筆者將選取不同級(jí)別、不同水平的學(xué)校開(kāi)展教學(xué)實(shí)驗(yàn)，擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)規(guī)模，同時(shí)拓寬氣象科學(xué)探究的專題，以保證實(shí)驗(yàn)的外在效度以及實(shí)驗(yàn)結(jié)論的推廣性和引申性。