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1、 用建构主义的观点构建游标卡尺的认知工具省第一高级中学燕鸣摘要：我从建构主义的观点出发应用认知工具的设计思想，针对中学物理教学中游标卡尺这一难点问题，设计制作了游标卡尺的认知工具软件，并通过对比实验证实教学效果显著。本文着重讨论了制作过程中的教学设计。关键词：建构主义；认知工具；游标卡尺；教学设计。一问题的提出： 80年代初，美国著名的计算机教育专家泰勒（Taylor）曾提出计算机应用于教育有三种模式：计算机作为辅导者（Tutor）、计算机作为工具（Tool）和计算机作为学习对象（Tutee）。随着人们对“计算机文化”涵义的深入理解和计算机技术的发展，计算机作为辅导者模式发展成为能满足多种教学
2、要求的计算机辅助教学模式即CAI模式。计算机作为工具模式，则由数据处理工具、文字处理工具发展成为基于建构主义教育理论下辅助学生学习的有效的认知工具。目前，我国许多学校把计算机应用于课堂教学中多采用CAI模式，普遍的作法是为重点和难点提供演示，这种作法虽然有助于对重难点的理解，但信息技术的使用权控制在教师手中，实际上并未摆脱以教师为中心的教学观念束缚。近年来，研究者开始强调认知工具模式的应用，认为认知工具模式的效果优于辅导者模式，认知工具不但有利于具体知识的学习，也有利于一般技能和策略的学习，它可以使学生从事深层次的信息加工。在一定意义上说，它是一种智力资源，是一种知识建构工具，而且是由学生控制
3、的(1) 。敏、琦对小学数学的实证研究也表明：合作工具模式在几何知识与技能、推理能力方面效果显著优于合作CAI演示，而且合作工具模式能激发学生的积极态度。且对低学业水平的学生更为有效(2)。随着我国计算机网络教室在中小学的逐渐普与，在课堂教学中应用工具模式已经成为可能。工具模式强调学生在认知过程的主体地位，是培养学生创新精神和创新能力的一条有效途径。目前我国应用认知工具模式辅助课堂教学较少，适合于学科教学的认知工具软件缺乏。因此，研制适合于我国国情又适合于学科教学的认知工具软件，有着一定的实际意义。我应用认知工具的设计思想，针对中学物理教学中游标卡尺这一重、难点问题，利用Authorware设
4、计制作了游标卡尺的认知工具软件探究游标卡尺（发布在的），并应用于课堂教学中取得很好的教学效果。二认知工具的理论基础：戴瑞（Derry）把认知工具定义为：“认知工具是一种支持、指引、扩充使用者思维过程的心智模式和设备”。计算机认知工具是辅助学习者学习的外部认知工具。认知工具模式以建构主义的学习理论为基础，其基本思想是将学生放在认知的主体地位上，学生具有自身纠错，选择认知策略的能力。根据建构主义的学习理论，可以将基于建构主义的教学模式概括为：“以学生为中心，在整个教学过程中由教师起组织者、指导者、帮助者和促进者的作用，利用情景、协作、会话等学习环境要素充分发挥学生的主动性、积极性和首创精神，最终达
5、到使学生有效地实现对当前所学知识的意义建构目的。在该模式下，媒体不再是帮助教师传授知识的手段、方法，而是用来创设情景、进行协作学习和会话交流，即作为学生主动学习、协作探索的认知工具。”(3)认知工具模式以建构主义的观点来看待媒体的教学辅助作用，它把重点放在思维技术和思维环境的开发上，为学习者提供一种开放的、探索式的学习环境。永健、何克抗提出将多媒体教学系统作为认知工具的学习环境的教学设计主要解决三个问题，遵循五条原则。解决的三个问题是：（1）帮助学习者掌握某项知识与技能应创设什么样的情景；（2）如何激发学习者的主动性去探索学习；（3）为学习者的探索提供什么样的帮助。五条原则是：（1）为避免学生
6、在教学活动中受负面的、消极的影响，打击学生的学习积极性，应在学生与实际教学之间建立缓冲区，以保护学生不受负面影响；（2）提供一种支持学生自主学习以与符合学生发展水平的学习背景；（3）把学习需求体现在学习活动本身；（4）通过培养能使学生对于发展着的建构过程增强责任感的技能和态度，来支持对于学生的学习过程进行自我监控过程；（5）通过策略的使用纠正学生的学习错误，增强学生从事有意义学习的趋势(4)。三构建游标卡尺的认知工具：（一）游标卡尺的教学分析：游标卡尺是中学物理中的重点和难点容之一，由于学生的知识背景中已经牢固地形成了用尺子直接去比较测量长度的“图式”，再加上游标卡尺呈现的信息较为复杂，造成学
7、生对测量原理进行意义建构时，难于重组和改造原有“图式”，而传统教学方法是设法将测量原理传授给学生，较少顾与学生主动地进行意义建构，更难借学习过程培养学生的思维能力，因而造成较多的学生机械识记，不能在真正意义上对测量原理进行意义建构，常讲常错。分析学习游标卡尺的元认知策略，有两种常见方式，一是采用探究的方法学习，该方法强调在学习过程中充分发挥学生的主动性，能体现出学生的首创精神，重在培养学生的创新能力；二是通过观察，抓住其主要问题并加以研究，重在培养学生的观察能力和分析综合能力，这也是我们掌握一种新测量工具常用的方法。再从建构主义的教学方法看，前者适合于支架式教学方法，后者适合抛锚式教学方法。（
8、二）游标卡尺认知工具的设计：根据以上教学分析，游标卡尺的认知工具软件探究游标卡尺包括探究学习和观察分析学习两大部分，学生可以根据需要进入不同的学习方法学习。其教学设计如下： 1. 创设学习情景：（1）巧设问题情景，激发学生主动探究学习：游标卡尺的学习有两个关键问题：一是利用不同刻度的主尺和游标尺巧妙配合，提高其测量精度，二是利用测量脚和窄片测量外径、径和深度。结合学生的知识背景，可设计如下问题情景。支架式教学的问题情景设计：首先提出问题：我们通常用一根直尺测量物体的长度，如果用两根直尺配合还能测量物体的长度吗？将学生引入问题情景，激发学生在计算机提供的探索环境下主动探索。弄清该问题后再引深到：
9、如何测量？其读数原则是什么？如何将它改造成测量工具？再观察游标卡尺的结构。然后让学生独立地探索20分度、50分度游标卡尺以与估读问题。抛锚式教学的问题情景设计：学生观察游标卡尺实物与计算机呈现的模拟游标卡尺，先从整体观察其主要结构，然后深入局部探索测量脚、窄片的作用和刻度部分的作用，抓住利用主尺和游标尺这样的刻度为什么能使测量精度更高？的主要问题抛锚。激发学生利用计算机提供的探索环境主动探索，得出结论。再独立地探索20分度、50分度游标卡尺和估读问题。（2）创设开放的、探索式的学习环境学习环境一（如图一）：探索不同刻度的二根直尺巧妙配合，能测量物体长度，且精度更高；探索利用其测量的读数原则。利
10、用Authorware的交互功能实现： a. 计算机屏幕上呈现两根直尺（实质上是10分度游标卡尺主尺和游标尺刻度部分的放大图），下面直尺可用鼠标拖动，也可单击按钮移动。 b. 呈现不同已知长度的被测量物体，也可用鼠标自由拖动。 c. 巧设反馈，当两根直尺刻度对齐时，对齐刻度线变红。学生通过移动直尺，发现刻度对齐后，刻度线变红这一反馈提示，使其注意到刻度对齐与测量可能存在关系。进而可以选择观察两根直尺刻度差异的认知策略，也可以选择用已知长度的被测物体试探测量的策略，利用这些策略都能作进一步探索，且还能让学生自我纠错，最后达到探索的目的。值得指出的是：（1）以上学习环境的设计，并不是知识容的呈现，
11、而是提供一种开放的探索的工具。学生利用该工具学习，是在活动中学，是在主动地进行意义构建。（2）该探索工具也不同于利用一般实物工具，它充分体现了多媒体计算机信息载体的多样性、集成性和交互性，利用它能轻松完成大量单调冗长的工作、状态迅速改变、高效省时，使得学习者的脑力能从事高级思维活动，而且利用它还能提供反馈。学习环境二：（如图二）探究游标卡尺测量外径、径和深度的设计： a. 提供10分度游标卡尺的模拟图，游标尺可用鼠标移动。 b. 提供被测物体，可用鼠标移动。利用它们可仔细观察测量径和深度的道理，体会其设计的巧妙。学习环境三：提供20等分、50等分游标卡尺的模拟图，游标尺也可以移动。不提供反馈，
12、让学生自主探索。2提供适当的帮助，保护学生不受到负面的、消极的影响。帮助容的设计仅对认知策略和元认知策略提供帮助，不作知识性的述，这样既能提供帮助，又保证学生能够独立探索。在帮助设计时，采用下拉菜单，学生能方便地选择学习中需要帮助的问题，且在呈现帮助容时仍保留探索环境。3加强自我监控，把探究的问题引向深入：为了把学生的自主探索引向深入而不流于形式，对探索的主要问题游标卡尺的测量原理，设置了深入思考的问题即测量精度是多少？有无读数原则？读数原则是什么？精度还能够提高吗？，并且设置交互，学生只有完全答对以上问题才能进入进一步的学习。练习的设计也是只有答对才能进入下一题。通过这样的人机交互有助于学生
13、深入探索问题，也有助于提高学生的自我监控能力。4通过总结和练习纠正学生的学习错误，增强学生从事有意义学习的趋势：为了纠正学生学习过程中可能出现的错误，增强学生从事有意义学习的趋势，软件中设计了总结和练习两部分。总结部分除对学习的知识总结外，还对学习的元认知策略进行总结，并提供探索20分度和50分度游标卡尺的学习环境让学生自主探索。练习的设计除提供典型读数练习外，还提供游标卡尺放大的活动图，学生可移动游标尺出题，比赛答题，计算机可以提供答案，激发学生学习积极性。5 其他考虑：教学中采用二人或三人一组同用一台计算机学习，利用学生间的协商、对话实现协作学习。软件中还提供了“游标卡尺要不要估读”的摘录
14、文章和Internet网下载的各种游标卡尺图片的参考资料。意在除了给学生进一步地自学、扩展思维空间提供资料外，还想通过给出资料的出处、作者，暗示学生在学习过程中还需要善于收集信息。三教学效果：我利用该软件对高一年级上学期的两个平行班进行对比实验，实验班58人，对比班51人。实验班在计算机网络教室利用该软件采用认知工具模式教学，教学时间两课时，学生两人一组共用一台计算机，利用该软件合作学习，并提供50分度的游标卡尺让学生实际测量弹壳的外径、径和深度，教师组织和辅导。对比班在多功能教室采用计算机大屏幕投影的CAI模式教学，教学时间仍然为两课时，学生两人一组合作学习，教师利用该软件演示（为了保证教学
15、容的一致性）并组织学生讨论学习，完成后提供50分度的游标卡尺让学生实际测量弹壳的外径、径和深度。前测：利用入学考试的物理成绩和两次平时物理测验成绩的平均分作为前测成绩，对实验班和对比班的前测成绩进行Z检验，无显著差异（Z=0.26，Z1.96，p0.05）。后测：用一课时对知识和迁移能力进行检测，知识检测主要测量学生能否对学过的10分度和50分度游标卡尺正确读数；迁移能力主要从20分度游标卡尺的读数、有零误差游标卡尺的读数和有游标尺的气压计读数进行检测（实验中删除了20分度游标卡尺的容，不学习零误差）。对检测成绩进行方差分析显示，实验班在掌握知识的水平上显著优于对照班（F（1，107）=7.888，P=0.006），在迁移能力上也显著优于对照班（F（1，107）=13.462，P=0.000）。结论：利用该软件应用认知工具模式教学，效果显著。在学生掌握游标卡尺的知识和提高迁移能力上效果显著优于CAI演示模式。参考文献：(1)永健、何克抗认知工具一种以多媒体计算机为基础的学习环境教学设计的新思路师大学学报（社会科学版1997年12期(2)敏、琦小学几何教学中计算机不同应用模式的比较心理学报2000.32（1）：7581(3)建构主义革新传统教学的理论基础. 何克抗.电化教学研究97.3 /
