【摘要】文章提倡應(yīng)用掌上電腦(Handheld Computers)作為認(rèn)知工具(Cognitive Tools)來支持中小學(xué)生的科學(xué)探究(Inquiry)活動(dòng)及認(rèn)知發(fā)展。文章首先對(duì)計(jì)算機(jī)認(rèn)知工具的內(nèi)涵及相關(guān)界定進(jìn)行了分析;探討了掌上電腦在中小學(xué)生科學(xué)探究中的應(yīng)用價(jià)值;并就計(jì)算機(jī)認(rèn)知工具支持中小學(xué)生科學(xué)探究活動(dòng)的國(guó)際和國(guó)內(nèi)相關(guān)研究做了回顧;然后結(jié)合案例對(duì)國(guó)內(nèi)外基于掌上電腦的科學(xué)探究及學(xué)生認(rèn)知發(fā)展研究特點(diǎn)做了分析，為國(guó)內(nèi)相關(guān)研究提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】掌上電腦;認(rèn)知工具;科學(xué)探究

【中圖分類號(hào)】G40-057 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【論文編號(hào)】1009—8097(2010)01—0105—06

隨著一對(duì)一(one to one)電腦運(yùn)動(dòng)的興起和無線上網(wǎng)技術(shù)的日益普及和成熟，掌上電腦越來越受到人們的關(guān)注 。具有無線上網(wǎng)功能的掌上電腦體積小，操作簡(jiǎn)單，攜帶方便，存儲(chǔ)和傳輸靈活，已漸漸成為學(xué)校學(xué)科教育的有力工具。在國(guó)外，將掌上電腦作為學(xué)生學(xué)習(xí)的一種認(rèn)知工具已經(jīng)逐漸成為當(dāng)前手持技術(shù)教學(xué)應(yīng)用研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。本文在文獻(xiàn)研究基礎(chǔ)上，對(duì)計(jì)算機(jī)作為認(rèn)知工具的內(nèi)涵進(jìn)行了相關(guān)界定;探討了掌上電腦在科學(xué)探究中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì);對(duì)計(jì)算機(jī)作為認(rèn)知工具的相關(guān)研究作了述評(píng);結(jié)合實(shí)例分析了基于掌上電腦的科學(xué)探究中學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的研究方法和特點(diǎn)，并從中得到啟示，為國(guó)內(nèi)相關(guān)研究提供借鑒。

一 對(duì)計(jì)算機(jī)作為認(rèn)知工具的相關(guān)界定

1 計(jì)算機(jī)認(rèn)知工具的內(nèi)涵界定

美國(guó)斯坦福大學(xué)的Pea Roy[1]教授認(rèn)為認(rèn)知工具能夠引導(dǎo)學(xué)習(xí)者的認(rèn)知過程，在學(xué)習(xí)過程中借助認(rèn)知工具能夠增強(qiáng)學(xué)生的認(rèn)知能力，拓展學(xué)生的思維。美國(guó)著名科學(xué)教育研究者Kozma[2]則是通過移植心理學(xué)的有關(guān)概念提出了將計(jì)算機(jī)作為“認(rèn)知工具”的概念，他認(rèn)為使用計(jì)算機(jī)作為認(rèn)知工具，可以方便學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)并且有助于學(xué)習(xí)者完成復(fù)雜的認(rèn)知工作。Derry[3]認(rèn)為認(rèn)知工具是一種支持、指引、擴(kuò)充使用者思維過程的心智模式和計(jì)算機(jī)設(shè)備。美國(guó)密蘇里-哥倫比亞大學(xué)著名學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)專家 Jonassen 及其合作者Reeves 在進(jìn)一步的研究中豐富了上述觀點(diǎn)。Jonassen[4]認(rèn)為認(rèn)知工具是基于計(jì)算機(jī)的工具及其學(xué)習(xí)環(huán)境，認(rèn)知工具的作用是幫助學(xué)習(xí)者進(jìn)行批判性思維以及從事更高水平的學(xué)習(xí)活動(dòng)。Liu及其合作者Williams、Pedersen[5]等人則是從問題解決的角度對(duì)認(rèn)知工具下了定義，他們認(rèn)為認(rèn)知工具是學(xué)習(xí)者在具體的認(rèn)知過程中與問題解決的特殊階段具有或多或少聯(lián)系的計(jì)算機(jī)技術(shù)。

從上述研究者對(duì)認(rèn)知工具的定義來看，基于計(jì)算機(jī)的認(rèn)知工具在本質(zhì)上是計(jì)算機(jī)多媒體學(xué)習(xí)環(huán)境的一個(gè)組成部分，它能夠提高學(xué)習(xí)者在思考和學(xué)習(xí)過程中的認(rèn)知能力，是一種能將學(xué)習(xí)者思維或認(rèn)知進(jìn)行有效表達(dá)的工具及其學(xué)習(xí)環(huán)境，通過利用基于某種學(xué)習(xí)環(huán)境的計(jì)算機(jī)工具即認(rèn)知工具，在一定程序上能夠簡(jiǎn)化學(xué)生的認(rèn)知復(fù)雜程度，提高其問題解決的效率，從而促進(jìn)其知識(shí)的建構(gòu)，形成有意義學(xué)習(xí)。

2計(jì)算機(jī)認(rèn)知工具的界定標(biāo)準(zhǔn)

Jonassen[6]通過一系列研究，對(duì)計(jì)算機(jī)作為認(rèn)知工具的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了規(guī)定，他提出計(jì)算機(jī)軟件成為“思維工具”需滿足以下條件(Jonassen在發(fā)表的一系列學(xué)術(shù)論文及著作中使用了另一個(gè)術(shù)語“思維工具”(Mind tools)來代替認(rèn)知工具。我們的觀察是即使Jonassen本人也似乎將“思維工具”和“認(rèn)知工具”作為同義語使用。):(1)軟件的使用標(biāo)準(zhǔn)需適合學(xué)生的要求，能夠?yàn)橛?jì)算機(jī)所支持，且具有普遍的應(yīng)用價(jià)值、價(jià)格合理、操作簡(jiǎn)單、易學(xué);(2)通過軟件的使用，能夠促進(jìn)學(xué)生知識(shí)的建構(gòu)，增強(qiáng)其知識(shí)的概括能力;有助于學(xué)生批判性思維的形成，增強(qiáng)其知識(shí)的遷移能力;促進(jìn)學(xué)生思維能力和知識(shí)重整能力的發(fā)展，如能將頭腦中形成的想法通過一種替代的簡(jiǎn)化的形式進(jìn)行表達(dá)等。這些標(biāo)準(zhǔn)也反映了計(jì)算機(jī)軟件作為認(rèn)知工具的本質(zhì)，即能夠有效地表達(dá)和處理頭腦中的認(rèn)知模型并促進(jìn)思維。

Susane Lajoie[7]提出了類似的計(jì)算機(jī)認(rèn)知工具的界定標(biāo)準(zhǔn)，她認(rèn)為滿足認(rèn)知工具的條件主要有:(1)學(xué)習(xí)者處于問題解決的情境;(2)能夠提高學(xué)生的認(rèn)知能力;(3)能夠幫助學(xué)生建構(gòu)思維模型;(4)能夠呈現(xiàn)學(xué)生頭腦中的知識(shí);(5)能夠幫助學(xué)生獲得并對(duì)知識(shí)進(jìn)行表述;(6)培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力;(7)能夠?yàn)閷W(xué)生提供合作學(xué)習(xí)的環(huán)境。

新加坡南洋理工大學(xué)張寶輝對(duì)計(jì)算機(jī)建模工具成為認(rèn)知工具的條件進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，他認(rèn)為除了計(jì)算機(jī)軟件本身特點(diǎn)決定其成為認(rèn)知工具的條件外，軟件在學(xué)習(xí)環(huán)境中的使用過程或使用方法也決定其成為認(rèn)知工具的條件，而且學(xué)習(xí)環(huán)境這一因素決定了軟件是否成為認(rèn)知工具的可能[8]。

總之，從上述認(rèn)知工具的界定標(biāo)準(zhǔn)，我們可以看出認(rèn)知工具能夠促使學(xué)生進(jìn)行有效的學(xué)習(xí)實(shí)踐活動(dòng)，使得他們進(jìn)行的學(xué)習(xí)活動(dòng)變得有意義、有目標(biāo)和有效率。認(rèn)知工具支持的學(xué)習(xí)活動(dòng)能夠促進(jìn)學(xué)生的批判性思維和合作能力，最終幫助學(xué)生進(jìn)行高效地學(xué)習(xí)，為終身學(xué)習(xí)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。并且計(jì)算機(jī)軟件要成為認(rèn)知工具除了與其本身特性有關(guān)外，軟件使用的學(xué)習(xí)環(huán)境或者是教學(xué)模式的設(shè)計(jì)同樣重要。

二 應(yīng)用掌上電腦支持科學(xué)探究的教學(xué)意義

掌上電腦具有日歷、地址簿、任務(wù)表及備忘錄等用于個(gè)人信息管理的項(xiàng)目功能，還有電子書、全球定位系統(tǒng)及地圖、電子詞典、音樂存儲(chǔ)及播放、百科全書、天氣和新聞、計(jì)算器、數(shù)據(jù)庫、電子郵件、網(wǎng)絡(luò)、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(xué)生的科學(xué)探究活動(dòng)提供多方面的支持，將掌上電腦應(yīng)用于科學(xué)探究，具有以下幾點(diǎn)意義:

1 激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，促進(jìn)合作學(xué)習(xí)

掌上電腦攜帶方便，操作簡(jiǎn)單，有一定計(jì)算機(jī)操作基礎(chǔ)的學(xué)生在使用時(shí)基本不會(huì)出現(xiàn)技術(shù)上的障礙。在進(jìn)行科學(xué)探究活動(dòng)時(shí)，除了可以借助掌上電腦的辦公軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)地記錄和處理外，還可以借助手持實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)實(shí)地的實(shí)驗(yàn)探究;利用掌上電腦的無線傳輸功能，可以隨時(shí)隨地支持學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)并相互之間分享學(xué)習(xí)資源及保持交流，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為創(chuàng)建無縫交流及合作學(xué)習(xí)環(huán)境打下基礎(chǔ)[9]。

2 豐富科學(xué)探究的活動(dòng)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(shí)驗(yàn)設(shè)備，使得室外實(shí)驗(yàn)成為可能。學(xué)生可以利用這些設(shè)備進(jìn)行實(shí)地科學(xué)探究，如對(duì)不同河段水質(zhì)情況的數(shù)據(jù)采集、對(duì)土壤酸堿度的測(cè)試、對(duì)受污染空氣中二氧化硫濃度的檢測(cè)等，使得科學(xué)探究不再局限于狹小的課堂空間，而是深入到實(shí)際的生活情景當(dāng)中，加強(qiáng)了知識(shí)學(xué)習(xí)與生活之間的聯(lián)系，大大豐富了科學(xué)探究的活動(dòng)形式，為開展更多的課外探究活動(dòng)提供了方便。

3 拓展科學(xué)探究的活動(dòng)內(nèi)容

借助掌上電腦的相關(guān)軟件及其手持實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以開發(fā)更多適合教學(xué)的探究性課題。以傳感器為主要儀器的手持技術(shù)通過多種不同功能的探頭，實(shí)現(xiàn)溶解氧、溶液pH、溫度、壓強(qiáng)、顏色、濁度等的測(cè)定，并通過計(jì)算機(jī)軟件將這些性質(zhì)以數(shù)字的形式進(jìn)行呈現(xiàn)，不但有助于教材實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，而且有助于開發(fā)出更多的課外探究性課題，加強(qiáng)了科學(xué)探究?jī)?nèi)容的拓展。

4 加深對(duì)科學(xué)探究及其相關(guān)概念的理解

通過基于掌上電腦的科學(xué)探究活動(dòng)，可以加深學(xué)生對(duì)科學(xué)探究的過程的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)其對(duì)科學(xué)探究活動(dòng)中涉及的主題及其概念系統(tǒng)的深入理解。如通過掌上電腦的 PiCoMap 軟件進(jìn)行概念圖的繪制，通過Model-It軟件認(rèn)識(shí)概念系統(tǒng)中各變量之間的聯(lián)系等，這些軟件都有助于學(xué)生形成有效的概念系統(tǒng)，加深對(duì)概念的深度理解。另外，掌上電腦在科學(xué)探究中可以實(shí)時(shí)反饋，如能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的即時(shí)分析和實(shí)驗(yàn)過程的可視化，有助于學(xué)生及時(shí)發(fā)現(xiàn)一些實(shí)驗(yàn)前預(yù)測(cè)不到的問題[10]。掌上電腦的這些優(yōu)勢(shì)在計(jì)算機(jī)認(rèn)知工具研究理論的支持下，對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)尤其是學(xué)生科學(xué)概念的學(xué)習(xí)是有很大的促進(jìn)作用。

三 計(jì)算機(jī)作為認(rèn)知工具的相關(guān)研究述評(píng)

在認(rèn)知工具的開發(fā)及教學(xué)應(yīng)用方面，國(guó)外許多學(xué)者做了相關(guān)研究。如Jonassen對(duì)認(rèn)知工具進(jìn)行了深入了的研究，成果頗豐，主要專著《課堂中的計(jì)算機(jī)認(rèn)知工具促進(jìn)批判性思維》[11]《建構(gòu)主義視野下用技術(shù)支持學(xué)習(xí)》[12]《信息技術(shù)在教學(xué)中促進(jìn)批判性思維》等，不僅探討了認(rèn)知工具的理論來源、實(shí)踐意義、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分類等，并在實(shí)踐層面了做了不少探索。

Joseph Krajcik等人提出在建構(gòu)主義理論的課堂中，學(xué)生的科學(xué)探究過程需要三大支持:教學(xué)理論、課程理論以及技術(shù)支持。他們認(rèn)為技術(shù)的支持，即學(xué)習(xí)技術(shù)是建構(gòu)主義方法的核心要素，學(xué)習(xí)技術(shù)能夠通過合作、調(diào)查以及學(xué)習(xí)成果的展現(xiàn)等幫助學(xué)習(xí)者解決復(fù)雜問題;不同形式的計(jì)算、繪圖或數(shù)據(jù)處理作用減輕了學(xué)生的認(rèn)知負(fù)擔(dān)并拓展和強(qiáng)化了學(xué)生的思維[13]。因此，這種基于建構(gòu)主義理論的學(xué)習(xí)技術(shù)一定程度上也體現(xiàn)出了認(rèn)知工具的特征，建構(gòu)主義理論的使用為計(jì)算機(jī)軟件成為認(rèn)知工具提供了參考。

Jackson[14]等人他們?cè)O(shè)計(jì)了適合中學(xué)生建構(gòu)概念模型的軟件——Model-It，并且通過提供建構(gòu)主義腳手架式教學(xué)模式來支持學(xué)生的建模過程，使得該軟件成為探查學(xué)生前概念，促進(jìn)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展以及探索學(xué)生思維和認(rèn)知反饋的認(rèn)知工具，研究表明，基于腳手架式教學(xué)模式的Model-It 的使用有效促進(jìn)了學(xué)生知識(shí)的建構(gòu)，形成了學(xué)生的有意義學(xué)習(xí)。Stratford 等人認(rèn)為正是Model-It 的使用使學(xué)生有機(jī)會(huì)參與了一系列計(jì)算機(jī)建模的認(rèn)知活動(dòng)，如分析、推理、合成、檢測(cè)和診斷模型等。Spitulnik等人的研究證實(shí)Model-It使學(xué)生通過相互交流來建立概念關(guān)系的方式，加深了學(xué)生對(duì)所學(xué)科目的理解和認(rèn)識(shí)[15]。張寶輝等人對(duì)建模工具成為認(rèn)知工具的理論條件進(jìn)行了研究，他們認(rèn)為要使建模工具成為認(rèn)知工具，在教學(xué)中需遵循以下幾點(diǎn):1.學(xué)生認(rèn)知層面:學(xué)生在前概念的基礎(chǔ)上，加深對(duì)科學(xué)知識(shí)、科學(xué)模型以及科學(xué)建模和探究過程的認(rèn)識(shí);2.學(xué)習(xí)環(huán)境層面:學(xué)生充分利用教學(xué)資源，包括教師和認(rèn)知工具，加強(qiáng)彼此的合作學(xué)習(xí)，因?yàn)楹献鲗W(xué)習(xí)是學(xué)生知識(shí)建構(gòu)的重要條件之一;3.建模活動(dòng)層面:包括對(duì)模型的說明、確定變量、定義關(guān)系、測(cè)試和調(diào)整、交流和分享學(xué)習(xí)成果;4.建模方法層面:幫助學(xué)生完成一系列建模活動(dòng)的方法，加深學(xué)生對(duì)活動(dòng)目的、交流討論以及計(jì)劃、分析、建?；蛘f明、評(píng)價(jià)和診斷模型的認(rèn)知[16]。因此，該研究從學(xué)生認(rèn)知、學(xué)習(xí)環(huán)境以及學(xué)生實(shí)踐和指導(dǎo)實(shí)踐的方法等層面對(duì)認(rèn)知工具的使用進(jìn)行了界定，得出了計(jì)算機(jī)成為認(rèn)知工具所具備的客觀條件。

Thomas A. Brush[17]設(shè)計(jì)了基于問題的學(xué)生中心計(jì)算機(jī)軟件，名為“Decision Point”，簡(jiǎn)稱“DP”。DP整合了一套交互性的多媒體數(shù)據(jù)庫和工具，用于鑒別、收集及分析20世紀(jì)50年代至60年代非裔美國(guó)人人權(quán)運(yùn)動(dòng)的相關(guān)信息。他將支持學(xué)生解決、監(jiān)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(lián)系，用于支持DP數(shù)據(jù)庫中的歷史事件;2.重要資料:每個(gè)DP事件會(huì)重點(diǎn)顯示以方便學(xué)生查詢;3.學(xué)生指南:為學(xué)生分析數(shù)據(jù)時(shí)方法的使用提供說明以便他們更好地組織信息;4.學(xué)生日志:學(xué)生將遇到的問題、進(jìn)展等記錄下來，以便反思并尋求教師的幫助，使之幫助學(xué)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(guī)定進(jìn)行記錄，形成探究成果。研究表明，這種腳手架式的交互式學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)能夠促進(jìn)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展。由此可見，研究者為實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)軟件作為認(rèn)知工具的功能，在軟件的設(shè)計(jì)中加入了基于建構(gòu)主義理論的腳手架模式，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)變得更有意義。

因此，由上述分析可知，將計(jì)算機(jī)作為認(rèn)知工具的研究?jī)?nèi)容不僅涉及認(rèn)知工具的界定、使用以及認(rèn)知工具的教學(xué)應(yīng)用效果，而且還涉及基于建構(gòu)主義理論的認(rèn)知工具的開發(fā)和研究，這些理論和實(shí)踐的研究可以為基于掌上電腦的科學(xué)探究中學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的研究奠定基礎(chǔ)。

四 利用掌上電腦支持學(xué)生科學(xué)探究及認(rèn)知發(fā)展的實(shí)證研究

許多學(xué)者對(duì)掌上電腦在知識(shí)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，但是將掌上電腦用于支持學(xué)生的探究活動(dòng)，使其作為認(rèn)知工具促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的研究目前還不是很多。目前，不少研究已經(jīng)朝將掌上電腦作為認(rèn)知工具支持學(xué)生科學(xué)探究的研究方向發(fā)展，并且有些已經(jīng)理出一系列的研究方法，通過對(duì)這些研究方法的分析，我們可以窺見將掌上電腦作為認(rèn)知工具的研究思路，為國(guó)內(nèi)今后相關(guān)研究提供參考。

【研究案例1】 基于多種認(rèn)知工具的掌上電腦科學(xué)探究研究過程

1 研究目的

研究選擇密歇根市安阿伯地區(qū)的2個(gè)八年級(jí)班級(jí)科學(xué)課，共33名學(xué)生和2名教師。每個(gè)被試配備一臺(tái)掌上電腦和無線網(wǎng)絡(luò)。從兩個(gè)班各選取4名學(xué)生作為重點(diǎn)研究對(duì)象，男女各占50%，主要用來探查基于掌上電腦的認(rèn)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(gè)過程:進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)、概念圖的建立和合作學(xué)習(xí)、網(wǎng)上查詢和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、建模。

過程1:教師介紹學(xué)習(xí)內(nèi)容，學(xué)生分組對(duì)主要概念“聲音”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，并利用掌上電腦對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行記錄。

過程2:學(xué)生使用 Pocket PiCoMap 軟件進(jìn)行概念圖的繪制，學(xué)生需繪制不同學(xué)習(xí)階段的概念圖，通過對(duì)概念圖的觀察，認(rèn)識(shí)自身對(duì)概念建立的一個(gè)逐步完善的過程。

過程3:學(xué)生利用掌上電腦中的 ArtemisExpress 軟件進(jìn)行資料查詢，設(shè)計(jì)和開發(fā)與已學(xué)習(xí)的概念有關(guān)的課題，設(shè)計(jì)方案并實(shí)施。

過程4:使用自行開發(fā)的 Pocket Model-It 軟件對(duì)聲音傳播的原理進(jìn)行概念模型的建構(gòu)。

3研究說明

研究中使用了三種認(rèn)知工具:Pocket PiCoMap、ArtemisExpress和Pocket Model-It，這些工具均由研究者自行開發(fā)。Pocket PiCoMap軟件主要用于幫助學(xué)生創(chuàng)建以框圖為主的概念圖，概念和概念之間的關(guān)系能夠通過箭頭線來表示，幫助學(xué)生將頭腦中的概念可視化，并且根據(jù)概念圖表達(dá)自己對(duì)概念的理解。ArtemisExpress 主要用于支持學(xué)生在探究過程中查詢網(wǎng)絡(luò)或數(shù)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(xué)生更為便捷準(zhǔn)確的找到相關(guān)資料;而PC Model-It則是幫助學(xué)生建立一個(gè)有機(jī)的概念系統(tǒng)，概念和概念之間的關(guān)系通過其中的變量的變化引起的結(jié)果來顯示，可用于診斷學(xué)生概念系統(tǒng)的完善程度。[18]

該案例中，研究者將基于掌上電腦的科學(xué)探究過程分解為四個(gè)主要步驟，即進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)、概念圖的建立和合作學(xué)習(xí)、網(wǎng)上查詢和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、建模。每一個(gè)過程都用到了自行開發(fā)的基于掌上電腦的認(rèn)知工具，這些認(rèn)知工具功能各異，用于支持不同認(rèn)知水平的探究活動(dòng)，在圍繞核心概念的學(xué)習(xí)的科學(xué)探究活動(dòng)中，隨著認(rèn)知難度的逐級(jí)遞增，認(rèn)知工具發(fā)揮著不同的作用。從該研究我們可以看出，依據(jù)不同的學(xué)習(xí)主題可以選擇不同的認(rèn)知工具，并且可以將多種認(rèn)知工具整合在具體的探究過程中，為學(xué)生概念的深度加工提供支持。

【研究案例2】 基于挑戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)教學(xué)模式的掌上電腦3Rs科學(xué)探究活動(dòng)

1研究目的

參與3Rs(Reduce， Reuse Recycle)共6所學(xué)校480名學(xué)生，該研究選取了其中2所學(xué)校的79名四年級(jí)學(xué)生作為被試(男女生比例為3:2)，探查在關(guān)于環(huán)境問題的科學(xué)探究活動(dòng)中利用掌上電腦作為認(rèn)知工具學(xué)生獲得3Rs相關(guān)概念。

2教學(xué)模式

研究中采用挑戰(zhàn)—經(jīng)驗(yàn)教學(xué)模式(Challenge Experiential Approach)，基本教學(xué)流程為:呈現(xiàn)問題情景(Challenge)，造成認(rèn)知沖突，學(xué)生利用先前知識(shí)提出猜想和假設(shè)→學(xué)生進(jìn)行與主題活動(dòng)有關(guān)的一系列探究活動(dòng)(Experience)→學(xué)生對(duì)探究活動(dòng)中的經(jīng)歷和感受進(jìn)行相互交流，并提出自己的觀點(diǎn)(Reflecting)→將探究活動(dòng)所學(xué)習(xí)到的知識(shí)與現(xiàn)實(shí)生活相聯(lián)系，制定家庭或社區(qū)的3Rs計(jì)劃(Planning)→教師對(duì)學(xué)生在不同的實(shí)踐活動(dòng)中計(jì)劃的實(shí)施情況進(jìn)行提問(Applying)。具體流程在掌上電腦上顯示如圖1。

3實(shí)施過程及方法

一為學(xué)會(huì)使用活動(dòng)中涉及的認(rèn)知工具，包括HP RX3715、3Rs學(xué)習(xí)軟件;二為教師對(duì)垃圾對(duì)環(huán)境污染造成的危害進(jìn)行介紹后提出問題;三為學(xué)生利用掌上電腦在超市進(jìn)行有關(guān)新加坡是否環(huán)境友好的數(shù)據(jù)收集;四為學(xué)生利用掌上電腦形成調(diào)查報(bào)告并傳輸?shù)?Rs網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，各組學(xué)生相互交流和向環(huán)境專家提問;五為學(xué)生展示活動(dòng)成果并提出促進(jìn)3Rs的想法。

4研究結(jié)果

通過基于掌上電腦的3Rs科學(xué)探究學(xué)習(xí)活動(dòng)，大部分學(xué)生在探究活動(dòng)后對(duì)3Rs相關(guān)概念有了更為具體和深入的理解。學(xué)生在概念內(nèi)化以及概念的應(yīng)用能力方面有了顯著的提高;與傳統(tǒng)手段相比，學(xué)生更傾向于在探究活動(dòng)中使用掌上電腦，掌上電腦使其探究活動(dòng)變得更為主動(dòng)，參與能力和合作學(xué)習(xí)能力明顯加強(qiáng)。

5研究說明

HP RX3715 具有拍照、無線上網(wǎng)以及聲音存儲(chǔ)和文本處理等多種功能且裝有3Rs學(xué)習(xí)軟件，該軟件依據(jù)挑戰(zhàn)-經(jīng)驗(yàn)教學(xué)模式，在每一個(gè)教學(xué)活動(dòng)階段對(duì)學(xué)生活動(dòng)進(jìn)行了說明并配有活動(dòng)紀(jì)錄表，對(duì)學(xué)生探究活動(dòng)進(jìn)行指導(dǎo)，學(xué)生在完成相應(yīng)的探究活動(dòng)后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)階段的活動(dòng)中，且每個(gè)階段中的若干個(gè)活動(dòng)內(nèi)容可以隨意挑選，并將活動(dòng)中收集的數(shù)據(jù)記錄在掌上電腦中，最后進(jìn)行處理。活動(dòng)界面如圖2所示。學(xué)生對(duì)活動(dòng)內(nèi)容形成探究報(bào)告后，可以借助無線網(wǎng)絡(luò)將報(bào)告?zhèn)鬏數(shù)巾?xiàng)目的交流平臺(tái)中，通過師生交流及時(shí)得到反饋意見。[19]

該研究以學(xué)生對(duì)環(huán)境教育中的相關(guān)概念學(xué)習(xí)為研究目的，將掌上電腦作為學(xué)生探究環(huán)境問題的認(rèn)知工具，運(yùn)用一套完善的教學(xué)模式，開發(fā)出一整套3Rs探究活動(dòng)學(xué)習(xí)軟件，利用該軟件為學(xué)生的探究活動(dòng)的記錄、數(shù)據(jù)處理以及探究成果的交流與討論等提供便利。研究結(jié)果顯示，通過這樣的活動(dòng)過程大部分學(xué)生對(duì)環(huán)境問題的相關(guān)科學(xué)概念有了深度理解，并且培養(yǎng)了學(xué)生的多種能力。其中挑戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)教學(xué)模式為掌上電腦作為認(rèn)知工具支持學(xué)生科學(xué)探究及認(rèn)知發(fā)展的教學(xué)提供了教學(xué)實(shí)施方法的參考，并且基于該教學(xué)模式的軟件為其他課題活動(dòng)的開展提供了借鑒，共享網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)促進(jìn)了學(xué)生互動(dòng)能力、合作能力以及交流能力等的提高，另外，共享網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)作為一種評(píng)價(jià)工具，為教師實(shí)時(shí)診斷學(xué)生對(duì)概念的認(rèn)知程度提供了便利。

以上2個(gè)案例均是圍繞基于掌上電腦的科學(xué)探究展開研究，研究目的各異，特點(diǎn)也各異。第1個(gè)案例向研究者呈現(xiàn)了一個(gè)較為完整的融合多種認(rèn)知工具的基于掌上電腦的科學(xué)探究研究模型;第2個(gè)案例則是向研究者提供了一整套認(rèn)知工具，該工具圍繞學(xué)習(xí)主體，整合了主題指導(dǎo)、數(shù)據(jù)記錄、處理等多種功能，并且有掌上電腦的無線上網(wǎng)功能和主題網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)平臺(tái)做支撐，同時(shí)呈現(xiàn)了基于掌上電腦的科學(xué)探究的教學(xué)模式。2個(gè)案例的研究?jī)?nèi)容涉及基于掌上電腦的認(rèn)知工具的自行研發(fā)、認(rèn)知工具的使用方法、基于認(rèn)知工具的教學(xué)模式、教學(xué)方法以及評(píng)價(jià)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(rèn)知工具的基本環(huán)境是合作學(xué)習(xí)、自主探究和概念的自我建構(gòu)，以學(xué)生中心為教學(xué)理念，促進(jìn)學(xué)生的意義學(xué)習(xí)為目的。

五 結(jié)論和啟示

目前，國(guó)外在掌上電腦支持的學(xué)習(xí)過程研究理論和實(shí)踐方面都取得了一定的進(jìn)展，而由于硬件和軟件方面的原因，國(guó)內(nèi)在這方面的研究相當(dāng)薄弱，絕大多數(shù)停留在對(duì)計(jì)算機(jī)的認(rèn)知教學(xué)的應(yīng)用層面。希望通過本文對(duì)基于掌上電腦在科學(xué)探究中學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的研究分析，能夠?yàn)閲?guó)內(nèi)相關(guān)研究的開展提供一定的借鑒。通過以上研究和分析，我們認(rèn)為還有一些問題值得同行在以后的研究中進(jìn)行更為深入的思考:

1 從案例1中可以初步窺見中小學(xué)科學(xué)課程中科學(xué)探究過程中各類認(rèn)知工具的使用一般依據(jù)其特點(diǎn)來確定，并且通過同一主題進(jìn)行交叉使用或整合使用。那么在具體的學(xué)科課程當(dāng)中，應(yīng)如何進(jìn)行有效地整合?該如何選擇認(rèn)知工具?如何評(píng)價(jià)整合方式的有效性?如何根據(jù)掌上電腦與無線移動(dòng)通訊技術(shù)的特點(diǎn)創(chuàng)設(shè)手持技術(shù)與中小學(xué)課程整合的教學(xué)模式?教師、技術(shù)研發(fā)人員以及教育研究人員應(yīng)如何在相關(guān)的研究中達(dá)成共識(shí)，形成產(chǎn)、學(xué)、研的有效融合?

2 案例2中以自行開發(fā)的主題活動(dòng)軟件為認(rèn)知工具，輔以掌上電腦的其他輔助功能，對(duì)這些不同類型的認(rèn)知工具在科學(xué)教育研究中的作用做了實(shí)證研究。那么在具體學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)中，應(yīng)該如何充分挖掘這些認(rèn)知工具的潛力，將其與特定的學(xué)科概念的學(xué)習(xí)相結(jié)合?某一作用的認(rèn)知工具對(duì)于學(xué)科某一類概念的學(xué)習(xí)是否具有明顯的促進(jìn)作用?

3 掌上電腦及其認(rèn)知工具的使用對(duì)教師的教學(xué)提出了什么樣的要求?掌上電腦支持的學(xué)生學(xué)習(xí)過程中教師的定位、教師的指導(dǎo)方法以及教師對(duì)認(rèn)知工具的掌握程度應(yīng)如何把握?在基于掌上電腦的教學(xué)過程中，應(yīng)采用怎樣的教學(xué)方法?

以上問題都需要我們?cè)谝院蟮难芯恐欣^續(xù)關(guān)注并深入探討的，以期將來能為基于掌上電腦的手持技術(shù)學(xué)習(xí)過程研究提供更多的理論指導(dǎo)，進(jìn)一步提升和加強(qiáng)掌上電腦作為認(rèn)知工具的一種認(rèn)識(shí)和應(yīng)用的普及。

參考文獻(xiàn)

[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.