计算机支持的协作概念转变的研究

计算机支持的协作概念转变的研究 徐晓东认知与技术实验室华南师范大学教育信息技术学院 xuxd@scnu.edu.cn

第一讲：概念转变与教学应用 信息技术与小学科学教学整合理论

报告内容介绍 • 研究的问题： • 教学实践中长期没有解决的“迷思概念”问题； • 问题的分析： • 从心理学研究结果的分析中发现迷思概念的特征和阻碍转变的原因； • 问题的解决的方法： • 从教育技术学领域出发提出解决问题的方法、技术并进行系统设计与开发； • 分析解决这一问题的过程： • 通过准实验研究分析所开发的认知策略和教学如何促进迷思概念的转变，同时验证其有效性； • 本研究的结论及其对其他教学的建议 • 在结论中阐述本研究的结果对其他教学的启示。粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

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研究的经纬与意义 • 教学实践中的问题 • 概念是日常生活中认知世界的工具，也是学校教育的主要目标之一。 • 成年人也存在着迷思概念又称错误概念或称为前概念（Misconception； Preconception；Mayer，1976McCloskey M, Washburn A, Felch L.,1983；Clement，1982） • 迷思概念：“运动表示有力的作用” “电池越多，灯泡越亮” （Minstrell&Stimpson,1993） “温度就是（代表）物体的热度” 粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

迷思概念的产生与改变 • 实证主义的客观知识观 • 知识是客观存在的，概念为单一性质的知识产物，科学家、教材中的知识是科学知识，因而学生所具有的迷思概念是错误的，它阻碍对科学理解和学习. • 建构主义的相对知识观 • 不应该以否定的观点来考察学生自我建构的知识，应该尊重学生自发想法的自主性和价值。 • 另有概念（Alternative conception）、另有架构（Alternative framework）、另有观念（Alternative ideas）。 • 这些想法非但不是科学教学的障碍，而且是学习的资源。粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

研究的经纬与意义 • 迷思概念的起源和特点： • 根据心理学研究表明，我们并非只是根据事例（归纳学习）和标签（概念）学习概念的，大多数情况下都是通过向周围的人和书以及电视的说明等这些环境因素学习概念的（Callanan,1990;Nelson,1988） • 迷思概念起源于多样的个人经验，包括对自然的直接观察和知觉、同伴的影响、日常语言的使用、大众传媒影响、以及教师的解释和教材的影响（Wandersee et al., 1994） • 因此社会的相互作用、协调至关重要。 • 非科学的概念，是儿童阶段特有的思维方式。 • 在正式学习科学课程以前，儿童就通过对日常生活中一些现象的观察和体验而形成的。粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

三条早期概念改变研究的线索 • 科学史类比 • 托勒密（Ptolemy）建立地球为中心体系，用来描述天体运动。 • 哥白尼打破地心说建立日心体系。 • 现今天文学研究来看，太阳依然不是宇宙的中心。 • 该改变模式强调： • 以革命（Revolutionary）的观点来看待学生概念的改变； • 主张教学只有改变成为新学习障碍的先前错误，说服学生放弃先前错误改变接受教师和科学家概念才能达此目标。粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

三条早期概念改变研究的线索 • 理论说（The theory－theory） • 儿童或初学者对理论的理解与科学家非常相似。 • 学生带着朴素理论来学习学科知识，这一理论是个人的、与正规科学理论不同的、但却是显著连贯的、表达清晰的理论。 • 如生物分类. • 但现在证实儿童对生物分类是以“生机论”为基础的（波多野谊余夫，稲垣佳代子，2002，2005；迪赛萨，2006）。粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

三条早期概念改变研究的线索 • 理性模式（Rational models） • 学生像科学家一样，会坚持当前的观点除除非有好的（合理的）理由来否定它们。（1）不满足于自己先前的概念；（2）新的概念是可理解的；（3）新的概念不仅是可理解的，而且应当是合理的；（4）新的概念对后续的工作是富有成效的。粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

早期三个线索有三个主要的共同点 （1）学生带着连贯的、一致的朴素理论学习概念；（2）学生概念转变需要革命范式，既改变一部分或抛弃原有的概念，建立新的概念，因此原有先前知识是消极的，对学习是一种阻碍；（3）从组织教学观点来看，理论说和冲突教学模式具有优先权。其主要特征是：革命性。粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

新近发展的概念改变两条线索 • 特定领域概念转变内容分析 • 儿童在早期大概在4岁后，已经具有朴素物理学、朴素心理学、朴素生物学理论。 • 幼儿期形成的这些朴素理论对成人时期的概念仍具有深刻影响。 • 零散知识研究 • 儿童概念改变受到零散知识——直觉观点影响； • 而这些知识未必就是一致性的、连贯的，有可能是千变万化的理论的片段，而非完整一致的理论——朴素理论。粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

幼儿理解他人心理的理论 • 幼儿看到他人行为时，需要根据幼儿所获得“心的理论”理解他人行为。 • 所谓“心的理论”是以下这样一些知识 • 人皆有“心”（看不见） • “心”是由这个人的需求（want）和信念（belief）构成。 • 人的“行为”，是那个人需求和信念的结果。 • 早期是黑猩猩研究、近年来是错误信念研究。粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

“心的理论”获得调查实验 • 幼儿能够推测他人之“心” • “错误信念课题(False Belief Task) • 马克把巧克力放到绿色抽屉里走出房间（场面1）。 • 趁着马克不在时，妈妈将巧克力转放到蓝色抽屉里（场面1）。 • 马克回到房间时，要吃巧克力，马克会到哪里寻找呢？ • 4岁未满：“蓝色抽屉里”（现在自己信念） • 5岁以上：“绿色抽屉里”（推测他人错误信念）。粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

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“心理”理论 • 为什么、4岁未满幼儿在错误信念课题上出现误答？ • 还没有获得如下的理论：“他人按照当人的信念（不一定与“我”的信念相同）和当人的需求，合理地（向着目标最适合地）行动”。 • 1983年以来，变换各种各样的版本反复实验的结果，学界定论：4岁未满是不会给出正确回答。粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

定论为什么是“4岁未满会得出错误答案” • 可是，2005年，出生后15个月就可以对错误信念问题给出正确答案 • “西瓜搬家”实验(Onishi&Baillargeon,2005) • 现在证实出生后4个月可以给出正答。 • “心理”理论，应该在某一年龄以上获得。 • 获得的“理论”，是法则性的、原则性的知识。（如与物理法则、生物法则相同的） • 一旦获得这一“理论”，就可以在解决新问题之际，超越原来问题情境，根据课题的逻辑结构导出正确答案。 • 并且，对于“答案”正确性，可以“合理的理由”明确地“自圆其说（进行说明）”。粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

模拟理论（Simulation theory）观点 • 人就是知道，自己在什么场合应该如何做。 • （隐性知识；即使不假思索，也明白） • 关于他人，自己置身于他人立场——既、“变成”他人，于此，就会“知道”他人如何做。（不是根据推论，是直接地） • 佐伯胖(Saiki,1978。拟人认识论)：“我将自己分成几个“我”潜入人世的所有世界；在这里活动、体验，当我整合这些小人的多样化体验时，我才理解这个世界。 • 戈登(Gordon):“我进行模拟时，我不是思考你在所处的境遇中如何行动。我会想象直接变成你，我会问自己我自己应该干什么”。粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

模拟理论（Simulation theory）观点 • 库瑞（G.Currie,1995）:人类天生具有“想象”的能力。模拟正是“变成他人”这一想象、既共感（empathy，移情、同理心）。 • 托马塞罗（M.Tomasello等,2004）：人之所以成为人，是由于“共感而知”发展的缘故。 • 人类进化是基于“共感”的，是以“与他人协作的智能”为轴进化而来的； • 出生9个月：追随他人视线——共同注视 • 出生12个月：大人看屏风后面，过去确认 • 婴儿为理解他人适用自己已有经验。粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

体现信念的概念 难以改变信念直觉理论要素容易改变完全不同的关于“动物”概念相信“人是动物” 概念改变中什么发生了变化？ • 概念转变中改变了什么？连贯理论的观点 • “概念”与“信念”及“直觉理论” 文化的相关约束太紧，额外转变将是不可逾越的不容易转变，发生在体系层面的关系上粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

概念改变中什么发生了变化？ • 概念转变中改变了什么？零散知识的观点 • 协调种类——概念清晰模式 • 心智模式 • 叙述 • 名义上的事实 • 现象本原问：为什么夏天热，因为离太阳很近。现象本原：越近就会越强。处于抽象层次，即使相同议题切入点不同结果也不同；不能用学习者本身知识来解释；知识片段。粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

概念改变中什么发生了变化？ • 零散知识观点——丰富观点（原有知识是资源而不是障碍） • 一个概念的应用应包括不同情况下截然不同的知识。 • 有必要收集大量的具体的——情境特有知识应用到不同情境中； • 要保障概念在不同的情境下以相同的方式起作用。 • 问题在于此：概念结构发展、收集和协调现象本原，创建一个与朴素观点形成对比的全新体系，需要花费大量时间。粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

教学与直觉认识论 • 概念转变研究与分析首要价值在于促进教学 • 理论说：理性决策 • 零散知识说：长期的、多情境积累和协调 • 但就干预（教学和指导）效果评价，没有本质差异。 • 教学是设计和理论复杂混合体，在不考虑理论的良好直觉设计，也可以成功改变概念。但要改善他人模式。 • 仅仅教会教师对朴素观点的干预就能成功 • 讨论、类比、隐喻、可视化是广泛模式。粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

技术支持概念转变的可能性 • 技术协助学生理解科学中的“不自然”、“反直观”现象。这些是产生迷思概念的根源。 • 模拟、微世界、协同实验室等工具，协助学生建立自然界现象的科学模型上扮演认知工具角色。 • 技术可以实现模拟，帮助思考；改变迷思概念。粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

小学生对“温度”与“热度”概念的错误理解 • 对学生进行调查问卷（10~12岁儿童） • “温度就是（代表）物体的热度”（78%）； • 物体本身就有温度（温度是物质所具有一种物理性质）； • 热是一种物质，具有“冷”和“热”两种形式； • 对不同物质冷热感觉不同，是因为热穿过它们的快慢不同，铁（金属）天生就对冷热具有吸引力，较容易吸收和传递；所以比较快变冷变热； • …… • 等等粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

Case1：本地校内小组的协作对话： 新疆克拉玛依19小彭胜（老师）：我们知道本地最热的水是烧到沸腾的开水，请小组的同学做个试验：看看你们烧开的水有没有最高温度？然后讨论下面的问题：你们测量的是“温度”还是“热”？ …… • 克19叶安宁(学生) 2004-12-30 我们的水虽然沸腾了，可是沸点不到100度。 • 克19程思源(学生) 2004-12-30 我们已经将水烧的完全沸腾，可是为什么就是烧不到100度呢？ • 克19温馨(学生) 2004-12-30 我们在做实验的时候，光是96-97度，为什么总是到不了100度呢？ • 克19温馨(学生) 2004-12-30 为什么书上说100度呢？哪里能烧到100度？谁来告诉我。 • 克19吴思达(学生) 2004-12-30 我知道各地沸腾时水的温度，不一样。因为大家所在的地方不同吧。（地理位置不同） • 克19程思源(学生) 2004-12-30 看来最好问问别的地方的同学了！ • 克19温馨(学生) 2004-12-30 测量的当然是热！ • 克19程思源(学生) 2004-12-30 Yes! …… 缺少”知识互补”，协作绩效不高，交互水平和深度不够粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

研究的经纬与意义 • 迷思概念的科学解释上存在着两种认识论： • 实证主义的客观知识观、建构主义相对知识观；两种相异认识论的两学派在概念改变的理论与采用的教学策略上也有所不同； • 概念改变早期以及现代模式有以下五种（DiSessa，2006）： • 科学史类比 • 理论说 • 理性模式 • 并发的转变 • 零散知识粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

先行研究与本研究的教育价值 • 迪塞萨则认为：概念改变的教学需要创新 • 可以利用长期教学实践中改变迷思概念的教学经验； • 教学中的概念图、类比模式、学习环和POE教学策略、建构诠释的教学设计模式等。 • 但是，有些研究表明，利用小组讨论引起认知冲突，从而达到改变概念的效果需要根据问题类型而定（Levin&Druyan，1993）。粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

先行研究与本研究的教育价值 • 莱文(Levin&Druyan,1993）研究发现:抗拒发展（development-resistant）的问题； • 在小组交流后，持有科学概念的学生反而退步了。 • 这一研究结果与皮亚杰的认知冲突导致认知发展的理论相矛盾。 • 我们认为：这可能是知识背景相差无几，都缺少必要关键知识所造成的。 • 轩尼斯（Hennessey,1993）利用元认知教学策略，尝试错误概念改变和发展的效果，他所探讨的是课堂上如何发展学生的元认知能力，以及元认知如何促进概念的发展问题，结果发现，利用课堂讨论确实可以增进元认知能力发展以及促进概念的改变。粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

先行研究与本研究的教育价值 • 从理论上来说，这是一个可行方案。 • 但是现实中，发展元认知能力需要提供问题发现与觉知的时机和环境，因此，这一解决方案具有局限性。 • 有些概念如“经度与纬度”、“天气和气候”、“沸点”、“物理常数g”等概念，如果没有地理位置上的巨大差异，就很难看出不同特征，因此，也就不会引起学生的疑惑； • 一个班级的学生由于其所学教材、生活环境、社会经历等相差无几，因此其知识结构也大致相同，也就很难有不同的经验和认识。 • 因此，概念改变需要引起学习者对相关知识的注意，进而增加相关知识。粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

心理学关于概念获得的研究 • 人是如何获得概念的？ • 第一阶段：发现属性。 • 第二阶段：发现属性联系规则。 • 第三过程中的阶段：假设检验。如果突出的属性是概念的相关属性，概念容易获得 • 如何突出相关属性？却没有人从教学这一角度做过相关的研究。粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

问题依然没有得到解决 • 综上所述，有关迷思概念的改变，需要开发新的学习方法或教学策略，来解决这一教学中长期没有得到解决的难题。 • 本研究试图通过CSCL一种特定类型——基于网络的校际协作学习，来改变学生一部分错误概念,从而建构学生的科学概念之目的。 • 如：“温度就是物体热度”。科学地辨析温度与热的异同。粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

什么是“基于网络的校际协作学习” • 校际协作学习是： • 根据分布在不同地区学校间的学习者，利用互联网开展校际共同主题学习活动，并关注在不同学校间由于地域和文化不同而产生学习的差异，利用这种差异性和多样性，引起学生的认知冲突，开展知识互补共同建构的学习（徐晓东，2001）。 • 这种学习活动的特征是：共同性、差异性、共建性（创造性） • 本研究设计思路： • 设计共同主题，根据主题的共同性及其背景的差异性，促进调查学习结果间差异凸显化，由此引发认知冲突，促进讨论； • 同时，调查结果的多样性，更成为学习资源，这些资源促使学生对概念相关属性知识进行互补； • 最后，在协作学习机制约束下，学习伙伴分工协作开展网下综合实践活动，通过网上讨论达成共识，归纳温度与热的各自属性，建构科学的温度与热概念。粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

云云 UFO 飞机圆的白的共同课题的认知协调交流协作计算机与网络支持的校际协作学习过程模式 • 协作学习过程模式（ Modelof Collaborative Learning Process）粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

谢谢各位，请多指教 华南师范大学教育信息技术学院徐晓东博士教授/博导认知与技术实验室主任教育技术学博硕课程认知与技术方向负责人 xuxdscnu@21cn.com

第二讲：计算机支持的概念转变研究 信息技术与小学科学教学整合的方法

研究的目标 • 概念转变界定： • 概念改变通常是指学习者由迷思概念改变为科学概念。 • 本研究，将能够成功辨析或归纳出概念的所有属性进而重构科学概念的认知和相关行动，称为迷思概念的转变。 • 研究的目标： • 利用“基于网络的校际协作学习”活动，通过在共同主题下所开展的南北两地学校间协作学习而造成的知识的差异性，引起学生的认知冲突，从而达到促进学生迷思概念转变或重构科学概念之目的。粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

2．方法 2.1.被试 • 参与本研究的被试来自新疆克拉玛依第19小学、安徽芜湖大官山小学、广州东风东路小学、烟台工人子女小学、长沙开福区东风小学、陕西高新一小、青岛新世纪学校、海南海口第九小学的5、6年级、年龄在11～12岁之间的73名小学生。其中新疆克拉玛依第十九小学作为校际协作学习的主持学校，并作为本研究的主要观察对象，其他学校作为参与学校。这些学校或被试在地域文化上存在差异，在地理气候环境上存在较大差异。绝大多数的实验学校是采用参与课题研究指导教师所担任的班级，这些学校在分班上采取成绩与能力均衡方针；另一些学校根据自愿原则选择了课外兴趣小组的学生，但在选择标准中，对其成绩和能力也没有特殊要求。粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

2．方法 2.2.活动和工具 2.2.1.学习活动 • 在实验学校教师的参与下，根据校际协作学习步骤和方法，著者设计并制定了“温度与热概念辨析”学习活动方案。其中，“协作学习”体现在不同学校的小组成员之间，开展同一问题解决活动。 • 首先组织参与实验的学生开展为期几周的网上实时交流工具（由腾讯公司开发的RTX聊天软件）、BBS等非实时交流工具使用训练，同时指导教师还为他们讲解了协作学习的方法，也通过预备学习活动熟悉了协作学习过程。这些学生首先是在本校组成5人协作小组，并确定各自的分工。如确定组长、观察员、记录员、协调员等。在开展校际协作学习活动时，主持学校的一名成员与各参与学校的一名成员组成一个校际组，这样的校际组在本实验研究中有7组。粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

2．方法 • 学习活动首先是在各个实验学校组建的5人学习小组中开展，并将学习与观察结果发布到网上；在教师指导下，利用网上的BBS和RTX，与其他参与学校的同学开展网上讨论。 • 上述学习活动于2004年10月下旬至2005年1月份开展，历时2个半月。四次实验活动时，位于中国最北边的新疆克拉玛依市室外温度平均为-17℃；位于中国最南边的海南省海口市室外温度平均为+27℃；而中部城市青岛、西安、芜湖的平均温度分别是4℃、6℃和12℃ 粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

2．方法 • 接下来，在著者组织下，主持学校与参与学校指导教师和学生共同制定“温度与热概念辨析”学习活动计划；组织学生开展网下温度与热特征探讨的学习活动；利用实时与非实时交流工具，在网上发布温度与热特征调查学习活动的结果；在主持学校的组织下，归纳网上讨论结果，决定是否开展进一步更深入的探究学习活动。粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

2．方法 • 本研究分别以相同次数在网上与网下不同环境下开展了如下四项学习活动。实验1：某天上午，实验小组取小半盆水放到盆中，用温度计测量，让水的温度达到25度，温度低的学校可以适当的兑上热水，在教室里，同学们将手伸到水中，说说看，你觉得水是凉还是热呢？实验2：都说北方冷，南方热，你也这样认为吗？有多大差别呢？各个学校的伙伴们将小组同学合影照片放到网上，我们看看此时大家穿多少衣服呢？衣着的不同与什么有关呢？实验3：冬天的清晨到了，我们一起去操场，用手分别去握铁质单杠、木质双杠、还有泡沫塑料垫子，你感觉哪个更凉？为什么呢？实验4：分布在不同地区学校的学习小组将敞口容器中的水加热，同时，用温度计测量水的温度，一直到水沸腾，此时温度计的度数还能升高吗？请各个学校将最后的读数列在网上，我们看看有什么不同，探寻一下原因吧！粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

基于网络的校际协作学习促进迷思概念转变 1.感受25度水的冷热程度——温度相同，各地同学的感受相同吗？粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

基于网络的校际协作学习促进迷思概念转变 2.同一天的凌晨各地感受室外物体——感觉明显不同，本地的物体温度相同吗？粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

基于网络的校际协作学习促进迷思概念转变 3.看看我们的冬装吧！为什么差别这样大？粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

基于网络的校际协作学习促进迷思概念转变 4.在敞口的容器中把水烧到沸腾，看看本地最热的水有多热？粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

2.2.2.计算机和网络技术支持的校际协作学习系统2.2.2.计算机和网络技术支持的校际协作学习系统 • 本研究所开发的支撑校际间开展基于网络协作学习的平台，经过4年的“设计开发、实践、修改、再实践”等迭代开发的基础上，在 “ISNET4.0”版本中，设置这样一些功能模块： • 综合学习论坛模块：主要是师生用于交换信息、联络、初次见面联系等用； • 新闻发布模块：用于实验学校召开在线会议、发布通知所用。 • 资源中心模块：用于与校际协作学习有关文件、论文等的资源上传和下载； • 学生协作学习模块：主要用于在共同主题下的协作学习。又分为：论坛、协作、资源、作品、组员等子模快。其中，又增设了“关键词提取”功能。 • 网络小档案模块：用于记录学生学习活动过程；设个人内反思日记和同伴间互评排行榜用于支持对学习的回顾与反思、评价；设置的规划指引工具，用于教师、同学等帮助者对学习者的学习与行动进行引导。粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

2.2.2.计算机和网络技术支持的校际协作学习系统2.2.2.计算机和网络技术支持的校际协作学习系统粤港澳信息技术教育应用研讨会华南师范大学徐晓东

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