_信息技术支持下的科学研究性学习:模式\实施与成效

　　[摘要]通过以“数字化微型气象站”在科学研究性学习中的应用为例，探析了运用信息技术开展研究性学习的方式，实施了气象专题系列式的研究性学习，并通过访谈调查法了解学习的成效。调查结果表明，学生在研究性学习中体会到科学研究的过程并获得了积极的情感体验；师生们都对信息技术支持下的科学研究性学习给予了较高地评价。
　　[关键词]信息技术；研究性学习；数字化学习；数字化微型气象站；手持技术
　　[中图分类号]G434
　　[文献标识码]B
　　[文章编号]1672－0008(2011)02－0095－06
　　
　　一、背景
　　
　　2001年，我国教育部颁布了《基础教育课程改革纲要》，设置综合实践活动并作为必修课程，其核心组成部分是研究性学习。近年来，研究性学习在我国中小学的校本课程中被广泛采用。研究性学习是学生在教师指导下，从自然、社会和生活中选择和确定专题进行研究，并在研究过程中主动地获取知识、应用知识、解决问题的学习活动。研究性学习通常是以“问题”为载体，创设一种类似科学研究的情境和途径，让学生通过自己收集、分析和处理信息来实际感受和体验知识的生产与研究探索过程，进而了解社会，学会学习，培养分析问题、解决问题的能力和创造能力，学会分享与合作、培养科学态度和科学道德。
　　
　　
　　随着教育信息化的飞速发展，信息技术成为了现今学习方式变革和发展的有效手段。信息技术的出现为中小学的研究性学习的开展注入了强大的动力。如何充分发挥信息技术的优势，将其应用于研究性学习，并为学生提供一个良好的科学探究的信息化学习环境，是一个值得深思与探讨的问题。
　　从笔者收集到的文献资料分析，国内的研究主要集中在某特定学科研究性学习的开展，呈现方式多以单一案例的介绍为主，缺乏对专题系列式的研究性学习的探索研究，有关运用信息技术开展研究性学习的主题也并不多。然而，建立一个清晰的信息技术支持下的科学研究性学习的实施模式，对推动数字化研究性学习的研究与实践有着非常重要的意义。基于以上考虑，本研究将以“数字化微型气象站”在研究性学习中的应用为例，探析了运用信息技术开展研究性学习的模式、实施及成效，希望能在一定程度上拓展信息技术与科学课程整合应用研究的广度与深度，也为我国中小学运用信息技术开展研究性学习提供有益的参考与借鉴。
　　我国中小学开展的研究性学习，以气象为主题的十分罕见，其原因是学生所采用的气象监测仪器不具备自动采集并处理大量数据的功能，也无法实现移动监测，不便于气象科学研究的进行，使学生对气象研究的兴趣减弱。“数字化微型气象站”是一种基于手持技术(传感技术)的便携式气象数据采集系统，它的出现为学生进行气象研究性学习提供了便捷的探究工具。
　　数字化微型气象站(见图1)由太阳能供电装置、各类传感器、数据采集器、无线电数据收发模块以及配套的数据处理软件“Weather-Lab”组成。气象站具备的各类传感器，可采集温度、相对湿度、风向、风速、气压、降水量等气象数据，为学生开展气象监测提供了有效的数据获取工具；气象站的配套软件Weather-Lab具有强大的气象数据统计与图示的功能，为学生进行气象科学探究活动提供了强大的数据分析处理工具。
　　“数字化微型气象站”是将先进的测量技术和计算机技术与现代教学理念相结合的、先进的便携式气象数据采集系统。它作为一种新型的教育技术，以其便携性、实时性、准确性、直观性和综合性的特点，为科学探究提供了强大的教学工具与认知工具。把它应用到气象研究性学习中，必将有效地解决上述的气象科学教学中存在的“难题”。
　　
　　二、信息技术支持下的研究性学习的开展
　　
　　本研究选择了一所国家级示范性高中作为实践基地。该校根据新课程标准的要求，组织本校的教师积极开展研究性学习，引入了“手持技术”作为探究工具，与我们研究所合作开展研究性学习课题研究，促进学生科学探究能力的发展，让他们在真实情境下“做中学”，提高科学素养。参与本次专题系列式研究性学习的是高一年级的学生。他们均已完成了高一阶段气象知识的学习，熟悉计算机操作。下文将呈现这次专题系列式研究性学习实施的全过程。
　　
　　
　　研究性学习的开展分为“准备”、“实施”与“总结”三个阶段，如图2所示。
　　
　　(一)准备阶段
　　1　活动计划
　　在校本课程中开展研究性学习，教师可根据学校的教学条件、学生的情况以及教师的教学经验来确定探究专题。教师从自然、社会和生活等方面选择探究内容，探究专题应尽可能地体现数字化学习的优势。确定初步的探究专题后，教师进一步制定研究性学习的计划与方案；根据学生的兴趣与学习能力，挑选参与活动的学生并进行分组，便于协作学习的进行。
　　2　学生培训
　　首次接触到“手持技术”或“数字化微型气象站”，学生会对新事物感到好奇，但同时也难免存在着一些陌生感。因此，教师首先要对仪器进行介绍并指导学生对数字化微型气象站进行安装、架设。通过培训，让学生了解“数字化微型气象站”的组成部分及各自的功能，认识它所含有的传感器及其作用；让学生学会组装和操作气象站，能运用它测量一些常见的气象参数，感受“数字化微型气象站”的优势，激发他们对气象学习、气象研究的兴趣。此外，教师还应向学生讲授一些科学研究方法、数据统计分析方法，以便他们在研究性学习中能灵活地运用这些方法解决问题。
　　
　　(二)实施阶段
　　研究性学习的“实施阶段”包括“引导型”和“自主型”两轮研究性学习。
　　1　“引导型”研究性学习
　　在研究性学习实施的初期，“数字化微型气象站”在学生的认知结构中只是个单纯的测量工具，还未能作为认知工具来辅助他们进行问题解决，因此教师要在实施阶段的前期有效地引导学生开展研究性学习。
　　(1)“引导型”研究性学习的方式。所谓的“引导型”研究性学习，就是学生在教师的引导下进行研究性学习，其模式图如图3。①创设情境：教师创设问题情境，激发学生的学习动机。②激发思考：教师引导学生利用气象数据来解决这个问题，并介绍如何使用数字化微型气象站采集数据，鼓励学生运用它进行探究。③自主探究：学生利用教师提供的探究工具“数字化微型气象站”收集气象数据，分析、处理、评价所获得的气象信息。④协作交流：学生通过小组协作的形式进行讨论，共享信息，解决问题。在自主探究的基础上进行协作交流，学生之间的气象信息得以共享；协作交流又使自主探究所得的初步成果得以进一步完善。因此，“自主探究”和“协助交流”是双向的。⑤总结拓展：学生完成学案或报告，总结规律，陈述结论；小组互评，教师点评与总结；教师亦可以进行知识拓展，引出新的问题，引领学生进行新一轮的探究。
　　该模式主要的特点在于：①学生在教师创设的问题情境里领会到发现问题的途径；②学生在教师的激发下思考问题，掌握分析问题的方法；③在自主探究环节中，既重视发挥教师 在教学过程中的主导作用，又充分体现学生在学习过程中的主体地位；④重视学生在探究过程中的协作与交流。
　　(2)“引导型”研究性学习的实施。在本轮的研究性学习中，为了便于学生掌握“数字化微型气象站”的运用，初步提升学生的科学探究能力。笔者设计了一个“单因素纵向比较定量研究”课题和一个“单因素横向比较定量研究”课题，分别是运用“数字化微型气象站”探讨“近几天感冒多发的原因”(课题1)和“晴天与阴天的气温变化差异特征”(课题2)两个探究课题。笔者这里以课题2为例，进行案例分析。
　　【课题案例1】探究“晴天与阴天的气温变化差异特征”
　　【探究内容】根据气象数据，分析“晴天与阴天的气温变化差异特征”，并通过查阅资料结合已学的知识，解释产生差异的原因。
　　【活动目的】①学生在教师的引导下对气象变化情况进行定量的分析和定性的描述，从而自主地运用气象数据总结晴天与阴天的气温变化差异特征，并解释原因；掌握运用软件处理数据、绘画气象曲线的方法。②通过探究学习，训练学生的气象图像分析能力、查阅文献能力和科学探究能力。③通过信息技术的引入，激发学生的探究兴趣。
　　【活动过程】①创设情境。教师提出问题：“我们在日常生活中，常常感觉到晴天与阴天的气温存在较大的差异，例如，晴天往往比阴天炎热或者温暖很多――那么晴天与阴天的气温变化是否存在着这样的规律呢?还有其他规律吗?――今天我们就来探究‘晴天与阴天的气温变化差异特征’。”学生进入问题情境，回忆已有的知识与生活经验，激发学生对问题的思考。②激发思考。教师引导学生利用气象数据来解决这个问题，“要研究晴天与阴天的气温变化差异特征，那么我们要从哪几个方面去考虑呢?我们常常通过测定哪些气象参数来说明问题呢?”学生回答，“温度”、“最高温度”、“最低温度”、“温度变化情况”、“气温日较差”……教师进一步提问：“该如何测量呢?”由于在培训中学生已接触到数字化微型气象站，很自觉地想到，“数字化微型气象站”这个探究工具，它能够实时测量和记录气象数据。教师补充，“还有一个值得我们注意的问题，我们所研究的‘晴天’和‘阴天’能否是随意选择的两天呢?为什么?”学生经过讨论，达成共识：应选取相邻的两天，天气变化情况不大(仅仅是云量存在差异)，避免其他气象因素的影响。③自主探究。学生利用教师提供的“数字化微型气象站”收集气象数据，分析、处理、评价所获得的气象信息(如图4)。学生可以通过Weather－Lab软件具备的数据处理功能(如数据点指针工具)直接分析曲线的变化情况，并将数据导出到Excel等软件进行数据汇总、统计分析以及图表整理(如表1、图5)。
　　
　　
　　④协作交流。学生通过小组协作的形式进行讨论，共享所得的气象信息，解决问题。⑤总结、评价。教师引导学生对气象变化情况进行定性的描述和定量的分析，学生书写“活动报告”，自主分析“晴天与阴天的气温变化差异特征”，并通过查阅资料结合课本所学的知识，解释产生差异的原因。学生自由陈述结论、并进行互评；教师综合学生们的探究结论。
　　【活动报告】①数据统计结果，见表1。
　　②结论与讨论。结论：根据监测数据绘图：图中实线A为晴天气温变化，虚线B为阴天气温变化，可见，相邻两天的气温变化曲线形状(变化情况)大致相同；晴天白天的气温较高，而夜间的气温较低；晴天气温日较差大，阴天气温日较差小。讨论：(具体内容略)。
　　(3)“引导型”研究性学习的反思。第一轮研究性学习实施后，教师针对实施过程中遇到的问题进行反思，拟定改进策略，如对部分学生进行再培训，调整探究内容，调整分组等。希望通过这些措施，提高学生在下一轮研究性学习中的学习效率。
　　2　“自主型”研究性学习
　　在“引导型”研究性学习的基础上，学生已熟练地掌握了“数字化微型气象站”及其软件的操作，并对“科学探究”有了更深的理解，他们有能力运用数字化认知工具来解决一些生活中遇到的问题。
　　(1)“自主型”研究性学习的方式。“引导型”研究性学习是基于教师的引导，而下一轮的“自主型”研究性学习则要求充分发挥学生的主体作用，进一步提高学生的科学探究能力。探究的过程由学生自主完成，教师只起到协助者、促进者的作用，其模式图如图6。
　　
　　
　　①提出问题：教师创设问题情境激发学生学习与研究的兴趣，并引出或让学生主动提出社会、生活中有待解决的某个真实问题。②分析问题：学生通过小组讨论的方式，运用各种分析问题方法，联系所学的气象知识和过去已有的知识与经验，深入分析所研究的课题，明确该课题的研究范围及解决该问题的关键点。③做出假设：学生在相互启发下对所研究问题可能的答案(结果)提出可验证的假设与合理的猜想。④验证假设：学生制定探究计划(包括提出可操作的探究步骤、数据获取方式、数据记录内容与处理方法等)，然后通过“数字化微型气象站”获取气象数据，通过数据的处理与分析，初步判断探究结果与假设之间的关系，从而验证假设；与原假设进行比较，修正假设。因此，“做出假设”和“验证假设”是相互作用、相互促进的。⑤形成结论：通过组内讨论对所获得的数据与事实进行归纳，得出科学的研究结论。研究成果以研究报告或幻灯片的形式呈现，小组之间进行交流，在相互启发下发现更多值得探究的问题，展开新一轮的研究。
　　该模式与“引导型”研究性学习模式的区别在于：①在提出问题的环节中，教师更鼓励学生提出自己的研究问题；②在分析问题环节，不再是教师引导下学生思考，而是学生自主地分析问题；③从做出假设到验证假设，最后形成结论，符合科学发现学习的程序，增强了研究性学习的科学探究性。
　　(2)“自主型”研究性学习的实施。在本轮的研究性学习中，为了便于学生掌握“数字化微型气象站”的运用，进一步提高学生的科学探究能力。笔者设计了一个“双因素比较的定量研究”课题和一个“多因素比较的定量研究”课题，分别是运用“数字化微型气象站”探讨“温度、相对湿度日变化规律”(课题1)、“台风来袭的天气变化特征”(课题2)两个探究课题。这些课题选题贴近生活，容易引发学生的探究欲望；难度适中，接近学生的认知水平但又富有创新性。笔者将以课题1为例，进行案例分析。
　　
　　
　　【课题案例2】温度、相对湿度日变化规律
　　【探究内容】根据气象数据，总结出温度、相对湿度的日变化规律，并分析产生这种规律的原因。
　　【活动目的】①学生在教师的引导下对气象变化情况进行定量的分析和定性的描述，从而自主地总结出温度、相对湿度日变化规律。②训练学生独立自主地进行科学研究，增强他们的气象图像分析能力和科学探究能力。③进一步感受到信息技术的优势，给学生带来积极的情感体验。
　　【活动过程】①提出问题。教师提出问题：“根据日常生活的经验，同学们是否觉得每天的温度、湿度变化存在一定的规律?”学生进入问题情境，回忆日常生活中的经验并展开对该 问题的思考。②分析问题。学生通过小组讨论，达成共识：利用气象数据来解决这个问题，“可以通过测量一天里温度、相对湿度的变化来发现规律”、“可以运用数字化气象站进行测量”。③做出假设。学生根据已有的气象知识以及生活经验，很容易就得到“一天里，温度从早上开始升高，到中午时达到最高值，接着降低，到深夜达到最低值”的假设。至于相对湿度的变化，有些学生假设和温度变化相反，有些学生假设和温度变化相同。接着，就要用数据来验证假设、解决问题。④验证假设。学生制定探究计划、如数据取得方法、数据记录内容与方式等，然后利用数字化微型气象站收集气象数据，分析、处理、评价所获得的气象信息，得到温度、相对湿度的变化曲线(如图7)。学生可以通过Weather-Lab软件自带的数据处理功能直接分析曲线的变化情况，并将数据导出到Excel等软件进行数据汇总、统计分析以及图表整理。学生通过小组协作的形式进行讨论，共享所得的气象信息，解决问题。⑤形成结论。学生自主地对气象变化情况进行定性的描述和定量的分析，完成自己的研究报告(如表2)，总结出科学规律。学生以Word或PowerPoint的形式陈述结论、并进行互评；最后教师作出点评与总结。
　　(3)“自主型”研究性学习的反思。“自主型”研究性学习实施后，教师又对本轮研究性学习进行反思。通过活动中对学生表现的观察，教师了解到学生利用“数字化微型气象站”进行探究的效率大大提高了，对气象学习的兴趣也大幅增强。教师们将这些情况记录下来，作为活动总结与成效分析的重要依据。
　　
　　(三)总结阶段
　　在整个气象专题系列研究性学习结束后，教师对这次活动进行了经验总结。通过对这次专题系列式研究性学习的细致回顾，笔者以及参与开展研究性学习的教师们对如何利用“数字化微型气象站”提高学生科学探究的兴趣、开发探究式教学设计和开展研究性学习都有了更深的认识，在此基础上总结出有关研究性学习的实施模式与方法，为下次运用信息技术开展研究性学习提供重要的参考。
　　
　　三、信息技术支持下的研究性学习的成效
　　
　　研究性学习结束后，为了进一步了解信息技术支持下的研究性学习的成效，笔者分别对4名参与了研究性学习的学生(2男、2女)进行了半结构性访谈，访谈记录见表3。
　　根据以上记录，笔者对学生的访谈内容进行总结和分析：(1)运用数字化微型气象站学习，有助学生更好地分析数据、处理图像曲线，得出结论，并借助曲线图像来记忆知识，有助于学生的逻辑思维与形象思维的培养；(2)数字化微型气象站的WeatherLab软件给学生提供了绘画气象图像的机会，增强了学生的绘图和读图能力，有助于提高他们的图像技能；(3)基于数字化微型气象站的研究性学习有助于促进气象科学学习、培养自身的探究能力，主要表现在动手探究的能力，发现和提出问题，做出假设、验证假设，搜集资料、整理数据，表达能力、交流能力等方面；(4)数字化微型气象站有助于提高学生的气象学习兴趣，激发求知欲望；(5)基于数字化微型气象站的学习方式比较灵活、自主、轻松，很创新，激发想象力和创造性、令人兴奋；有别于传统的课堂学习，师生的地位更为平等；在协作学习中促进了同学之间的交流，增强合作精神；学习软件的设计富有人性化，信息量丰富，呈现方式多样，交互性强，数据处理即时。这些都是积极的情感体验；(6)与传统学习方式相比，学生更喜欢基于数字化微型气象站的学习方式。
　　由以上访谈结果可知，学生对本次研究性学习给予了较高的评价；他们对科学探究的各个环节有了明确地理解并掌握了科学探究的具体步骤，在学习过程中提高了自身的思维能力与科学探究能力；在活动过程中，有着积极的情感体验，学生们都希望日后能参与更多同类的研究性学习活动。另外，笔者也分别对3名教师进行了半结构性访谈，访谈记录(见表4)。
　　根据以上记录，笔者对教师的访谈内容进行总结和分析：(1)将数字化微型气象站应用于探究式教学、校本课程或研究性学习以及各类科技竞赛中，有助于培养学生的学习兴趣、动手能力以及科学素养；(2)教师们认为，将数字化微型气象站应用于气象教学能培养学生的科学探究能力和创新能力，提高教师的探究式教学能力以及信息素养。
　　由以上访谈结果可知，教师们都认为，信息技术的运用对学生的能力培养以及教学质量的提高起着促进的作用；他们对信息技术支持下的科学研究性学习给予了较高的评价。
　　
　　四、结语
　　
　　随着信息技术的发展与科学探究教学理念的推广，基于信息技术的研究性学习已经成为现今广为提倡的科学学习方式。本文建立一个具体的信息技术支持下的科学研究性学习的实施模式，并在原有的研究基础上进行理论深化；通过质性研究发现，运用“信息技术”开展研究性学习收到了较佳的效果。这为以后的相关研究提供了一定的理论参考和实践依据。在后续研究中，我们将选取不同级别、不同水平的学校进行教学实践，扩大研究规模；建立远程气象监测站以及气象网络探究平台，实现校际协作学习；通过教学实验和定量研究的方法，进一步验证本研究的结论。