基于無線傳感網絡的行為響應分析與認知計算在探究式科學教育中的應用研究

1、J ／Y l l l lI J 3 l U ／o I l l l f 9 ／I ／I ／㈣．R E S E A R C H E S O N A P P L I C A T I O N S O FT H E W I R E L E S SS E N S O R N E T W O I ⅨB A S E D B E H A V I O R R E S P O N S E A N DC O G N I T I V E C O M P U T

2、I N G S Y S T E M I NI N O U I R Y S C I E N C E E D U C A T I O NA T h e s i sS u b m i t t e d t oS o u t h e a s t U n i v e r s i t yF o r t h e A c a d e m i c D e g r e e o f D o c t o r o f E n g i n e e r i n gB

3、YQ I U W e n j i a oS u p e r v i s e d b yP r o f ．L UZ u h o n gK e y L a b o r a t o r yo f C h i l d D e v e l o p m e n t a n d L e a r n i n gS c i e n c eS o u t h e a s t U n i v e r s i t yD e c e m b e r 2 0 1

4、4摘要摘要探究式教學方法自提出以來一直是教育界的研究熱點。探究式科學教育能加深學生對科學知識的理解、掌握科學探究過程的技能、并增強對待科學的興趣。然而，在探究式教學過程中如何實時掌握學生的學習狀態(tài)、理解水平、興趣活動、探究成效，一直是探究式教學面臨的難點所在。本研究將無線傳感技術引入探究式教學課堂，設計并構建了實時監(jiān)測學生行為響應和認知狀態(tài)的實驗研究平臺( w i r e l e s s b a s e dr e s p o n s e

5、 a n dc o g n i t i v ec o m p u t i n g s y s t e m ，W B R C C S ) ，開展探究式科學教育的實證研究。主要研究成果包括：通過使用W B R C C S 系統采集學生的腦電信號，對學生課堂中的注意力和行為模式進行了實時監(jiān)測。腦電信號由專門的頭戴式無線傳感器進行采集，實時傳送至計算機，計算出學生的注意力指數值，直觀地顯示學生注意力集中程度的分布情況。同時，分析腦電信號中眨眼的

6、頻次和模式，進行學生課堂行為模式的識別。該研究為教師在教學過程中實時掌握學生的注意力和行為狀態(tài)，并及時動態(tài)地調整和優(yōu)化教學策略提供了依據。通過W B R C C S 系統對中學生科學推理能力進行了實證研究?？茖W推理訓練是探究式科學教育的重要內容，也是探究式科學教育的結果。本研究使用L C T S R 量表( L a w s o n ’SC l a s s r o o m T e s t o f S c i e n t i f i cR

7、e a s o n i n g ，2 0 0 0 年) ，利用W B R C C S 系統的實時評測和分析功能，對南京、蘇州等地初中生和高中生的科學推理能力發(fā)展現狀進行了研究。研究結果發(fā)現：初中一年級與初中三年級、初中每個年級與高中每個年級間科學推理能力存在顯著的統計差異。研究表明，學生在經歷整個初中階段之后科學推理能力有了較顯著的提升，而在整個高中階段科學推理能力并沒有顯著變化。該研究還表明，W B R C C S 系統是人群認知和思

8、維活動( 如觀察、概念理解、批判性思維等) 評測的有效工具。通過W B R C C S 系統在探究式課堂教學中引入了形成性測評。該研究直接在教學環(huán)節(jié)過程中開展形成性評測，實時對評測結果進行分析并呈現和反饋給教師。在教學活動結束后教師仍可進行后續(xù)查詢和跟蹤，分析不同班級之間、不同學生之間、不同性別之間、不同屆別之間等的數據差異，對特定學生進行個性化服務，給予更有針對性的指導。研究表明，形成性測評能夠提升教學成效、加深學生對科學概念的理解并