高中信息技術(shù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)中概念認(rèn)知狀況調(diào)查研究

郭夢(mèng)妤+王小玉+施智勇+董玉琦

● 引言

高中信息技術(shù)課程越來(lái)越致力于提升學(xué)生解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，為學(xué)生步入信息化社會(huì)提供最優(yōu)化的課程體系。正在修訂的《高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》必修模塊二“信息系統(tǒng)與社會(huì)”中，明確提出增加“遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)”學(xué)生實(shí)驗(yàn)。信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程要充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的能動(dòng)性，以提升學(xué)生的應(yīng)用、實(shí)踐能力為目的，提升學(xué)生的信息素養(yǎng)以順應(yīng)時(shí)代的潮流。筆者經(jīng)過(guò)研究，從“遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)”學(xué)生實(shí)驗(yàn)中提取出了兩個(gè)核心概念——遠(yuǎn)程控制、傳感器。

傳感器是實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)、自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制的前提和基礎(chǔ)。傳感器是滿足信息獲取和信息轉(zhuǎn)換的重要手段，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化測(cè)量和自動(dòng)控制的主要環(huán)節(jié)。傳感器的定義是：一種檢測(cè)裝置，相當(dāng)于人的感覺(jué)器官，它能感受到被測(cè)量的信息，并按照一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。[1]控制則是指為了改善系統(tǒng)的性能或達(dá)到某個(gè)特定目的，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)輸出信號(hào)的采集、加工而產(chǎn)生控制信號(hào)施加到系統(tǒng)的過(guò)程?？刂葡到y(tǒng)則是一種由諸多因素以特定的內(nèi)在結(jié)構(gòu)方式而聯(lián)結(jié)起來(lái)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，由控制部分和被控對(duì)象組成。控制部分一般由傳感器、控制器和執(zhí)行器組成。遠(yuǎn)程控制定義是：人們可以通過(guò)簡(jiǎn)單的終端機(jī)完全地控制網(wǎng)絡(luò)另一端的受控機(jī)，從而完成強(qiáng)大的控制功能，獲取受控機(jī)的任何信息。[2]這兩個(gè)概念是學(xué)習(xí)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)必須掌握的兩個(gè)核心概念。

● 調(diào)查問(wèn)卷的編制及調(diào)查結(jié)果分析

本次問(wèn)卷調(diào)查主要采用二段式診斷測(cè)驗(yàn)方式進(jìn)行調(diào)查，主要分為兩個(gè)階段：開(kāi)放式問(wèn)卷調(diào)查和二階選擇題問(wèn)卷調(diào)查。

1.開(kāi)放式問(wèn)卷

開(kāi)放式問(wèn)卷提出了關(guān)于“遠(yuǎn)程控制的定義”和“傳感器的定義”的問(wèn)答型問(wèn)題，被調(diào)查者要自行構(gòu)思答案，按照自己的知識(shí)存儲(chǔ)自行回答“什么是遠(yuǎn)程控制以及傳感器”，意在了解、收集學(xué)生對(duì)這兩個(gè)概念已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知狀況。[3]開(kāi)放式調(diào)查問(wèn)卷的編制主要經(jīng)過(guò)了三個(gè)過(guò)程：題目擬定、討論修改和試做修改。筆者根據(jù)這兩個(gè)科學(xué)概念，從生活實(shí)例出發(fā)，給出相應(yīng)的情境，引出問(wèn)題，并追問(wèn)“為什么”，讓學(xué)生給出答題理由。對(duì)于“遠(yuǎn)程控制的定義”，很多學(xué)生從已有的經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，給出了“利用常用的第三方軟件使一臺(tái)電腦控制另一臺(tái)電腦的實(shí)例”；對(duì)于“傳感器的定義”，給出的情境是“樓道照明燈，天黑時(shí)出現(xiàn)聲音就亮起，而在白天，即使有聲音也沒(méi)有反應(yīng)”，引出了光敏傳感器和聲音傳感器的作用。題目擬定之后，經(jīng)過(guò)25位碩士研究生、一位高中信息技術(shù)教師和一位博士生導(dǎo)師的試驗(yàn)與討論，然后進(jìn)行語(yǔ)言文字上的修改。

本次開(kāi)放式問(wèn)卷調(diào)查選取了上海市普通A高中高一A班為調(diào)查對(duì)象，共發(fā)放了36份問(wèn)卷，回收了36份，有效問(wèn)卷33份。研究者從回答中搜集到學(xué)生的多種答案，并盡量保留學(xué)生給出的所有答案類型，從而嘗試發(fā)現(xiàn)學(xué)生的認(rèn)知錯(cuò)誤及其背后的原因，再把這些回答進(jìn)行分析歸類，設(shè)計(jì)成二階選擇題問(wèn)卷的選項(xiàng)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試。

2.二階選擇題問(wèn)卷

二階選擇題問(wèn)卷依然是對(duì)上述兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，概念“遠(yuǎn)程控制的定義”在開(kāi)放式問(wèn)卷中的題目為：小明想在電腦上裝一款辦公軟件，但又不知道如何操作。正當(dāng)小明在QQ群里抱怨的時(shí)候，小花同學(xué)伸出了援助之手，讓小明點(diǎn)擊QQ上的“遠(yuǎn)程控制請(qǐng)求”按鈕，幫助小明成功地裝好了軟件。那么，遠(yuǎn)程控制是什么含義？寫(xiě)出自己的理解，為什么？其調(diào)查結(jié)果分析情況如表1所示。

由此生成的一般二階題目如下：

小明想在自己電腦上安裝一款辦公軟件，但又不知道如何操作，正當(dāng)他QQ群里抱怨時(shí)，小花同學(xué)伸出了援助之手。小花在QQ窗口上點(diǎn)擊“控制對(duì)方電腦”按鈕，成功地幫助小明裝好了軟件。你知道控制是什么含義嗎？以下選項(xiàng)中你認(rèn)為正確的是（ ）。

A.用自己電腦操作他人電腦

B.通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或者第三方軟件，使用戶從一臺(tái)設(shè)備上控制另一臺(tái)設(shè)備

C.遠(yuǎn)程登錄對(duì)方的桌面進(jìn)行控制，通過(guò)權(quán)限授予與遠(yuǎn)程建立連接。用后臺(tái)終端系統(tǒng)達(dá)成連接

D.使用網(wǎng)絡(luò)傳輸指令或后臺(tái)程序來(lái)操作遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)

E.在遙遠(yuǎn)的地方通過(guò)硬件和軟件進(jìn)行控制

F.以上都不對(duì)，應(yīng)該是————————

你選擇該項(xiàng)的理由是：————————

概念“傳感器的定義”在開(kāi)放式問(wèn)卷中的題目為：許多樓道照明燈具有這樣的功能——天黑時(shí)，出現(xiàn)聲音它就亮起；而在白天，即使有聲音也沒(méi)有反應(yīng)。這些都是傳感器在起作用，那什么是傳感器呢？為什么要這樣理解呢？表2是開(kāi)放式問(wèn)卷的調(diào)查結(jié)果。

由此形成的一般二階題目如下：

許多小區(qū)門口電子欄桿都具有這樣的功能：車來(lái)時(shí)，桿就自動(dòng)抬起，車過(guò)后，桿就自動(dòng)落下。許多路燈也具有自動(dòng)開(kāi)關(guān)功能：天黑時(shí)，它就亮起，天亮?xí)r，它就熄滅。這是不同的傳感器在起作用。你認(rèn)為傳感器是如何工作的？以下選項(xiàng)中你認(rèn)為正確的是（ ）。

A.人工控制

B.它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)

C.與開(kāi)關(guān)組成串聯(lián)電路

D.物理指標(biāo)發(fā)生變化，傳感器將獲得的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)入系統(tǒng)產(chǎn)生指令

E.以上都不對(duì)，應(yīng)該是————————

你選擇該項(xiàng)的理由是：————————

需要說(shuō)明的是，在形成一般二階選擇題選項(xiàng)的過(guò)程中，選項(xiàng)的文字描述盡量按照學(xué)生的原意給出，貼近學(xué)生的描述語(yǔ)言。[4]把占比較多的答案整理合并后作為一般二階選擇題的選項(xiàng)，刪除占比最少的特殊回答，其中包含一個(gè)表述全面的科學(xué)答案，打亂選項(xiàng)順序并調(diào)整文字長(zhǎng)短。

● 學(xué)生認(rèn)知狀況分析

一般二階選擇題問(wèn)卷調(diào)查選取了上海市普通B高中高一B班，共發(fā)放47份問(wèn)卷，回收47份，有效問(wèn)卷46份。由筆者與該班級(jí)班主任共同發(fā)放問(wèn)卷并收回問(wèn)卷，問(wèn)卷作答情況較好?；厥斩A選擇題問(wèn)卷調(diào)查之后，筆者對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了分析，以“遠(yuǎn)程控制的定義”為例，選擇C選項(xiàng)的學(xué)生占66%，占比最多，B選項(xiàng)其次，占比22%。在“遠(yuǎn)程控制的定義”的一般二階測(cè)試題中，B選項(xiàng)是正確完整的選項(xiàng)，C選項(xiàng)是表述不全面、表未及里完全從題目出發(fā)的選項(xiàng)。從整體的統(tǒng)計(jì)可以看出，約一半以上的學(xué)生容易從一個(gè)常見(jiàn)的遠(yuǎn)程控制現(xiàn)象去理解知識(shí)，而不清楚其科學(xué)的定義和內(nèi)涵，并不能做到由表及里、舉一反三。筆者再對(duì)選擇B、C選項(xiàng)的理由進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，如表3所示。endprint

選擇B選項(xiàng)的第二種理由準(zhǔn)確地描述出了遠(yuǎn)程控制的科學(xué)內(nèi)涵，只有一位學(xué)生選擇，占總比例的2%，說(shuō)明只有極少數(shù)的學(xué)生能夠選出正確答案并做到正確理解答案?；卮鸬谌N和第四種理由的人數(shù)較多，說(shuō)明很多學(xué)生雖然選出了正確答案，但對(duì)于“遠(yuǎn)程控制”，存在只是電腦終端控制電腦的片面認(rèn)知。從C選項(xiàng)的理由可以看出，由關(guān)鍵詞產(chǎn)生的認(rèn)知有可能是有偏差或不全面的，“遠(yuǎn)程控制”易與“遠(yuǎn)程登錄”“權(quán)限授予”“聯(lián)機(jī)”等關(guān)鍵詞產(chǎn)生混淆和干擾。

對(duì)“傳感器的定義”進(jìn)行同樣的分析，筆者發(fā)現(xiàn)，超過(guò)一半的學(xué)生能夠從傳感器的工作現(xiàn)象出發(fā)，從而理解到其內(nèi)在原理。從選擇C選項(xiàng)的理由統(tǒng)計(jì)可以看出，有五分之一的學(xué)生能夠意識(shí)到傳感器的工作原理是光電信號(hào)、物理信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。傳感器也會(huì)產(chǎn)生關(guān)鍵詞混淆，并且占比在一半以上。例如，與“數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)、電信號(hào)”產(chǎn)生模糊不清、亂用的現(xiàn)象。約17%選擇C選項(xiàng)的理由是“無(wú)理由，從題中的自動(dòng)開(kāi)關(guān)說(shuō)明不是人為控制”，說(shuō)明學(xué)生是根據(jù)做題技巧如排除法等來(lái)選出正確答案的。

從調(diào)查結(jié)果分析，筆者得出以下結(jié)論：對(duì)于“遠(yuǎn)程控制的定義”的概念，開(kāi)放式問(wèn)卷和一般二階問(wèn)卷是在兩所不同的學(xué)校做的調(diào)查，調(diào)查結(jié)果基本吻合。只有不到10%的學(xué)生對(duì)“遠(yuǎn)程控制的定義”的概念真正理解，90%的學(xué)生對(duì)此概念的理解僅僅停留于“電腦控制電腦”。

對(duì)于“傳感器的定義”概念，兩次調(diào)查結(jié)果也基本吻合。顯示有20%的學(xué)生對(duì)“傳感器的定義”的概念能由特殊到一般，推測(cè)出一般傳感器的定義及工作原理等。60%左右的學(xué)生能夠根據(jù)特殊傳感器的工作現(xiàn)象推測(cè)出該傳感器的工作過(guò)程，而涉及不到一般傳感器的定義。

● 對(duì)實(shí)驗(yàn)教材開(kāi)發(fā)的啟示

對(duì)這兩個(gè)核心概念的認(rèn)知狀況調(diào)查結(jié)果的分析以及對(duì)研究結(jié)論的歸納，可以為信息技術(shù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)教材的編寫(xiě)提供以下參考：在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選取上，要打破以往“電腦控制電腦”的慣性認(rèn)知，在系統(tǒng)中加入“攝像頭”或“家電”形成物聯(lián)網(wǎng)；不同的是對(duì)傳感器的相關(guān)概念可以從貼近生活的實(shí)例出發(fā)，如燈光開(kāi)關(guān)、車載壓力傳感等模擬實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)教材內(nèi)容順序的安排上，對(duì)“遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)”的定義和組成有明確強(qiáng)調(diào)，應(yīng)從原理出發(fā)到現(xiàn)象，而對(duì)“傳感器工作原理”則相反，可由現(xiàn)象出發(fā)，從特殊到一般。

從調(diào)查數(shù)據(jù)中可以看出，“遠(yuǎn)程控制”易與“遠(yuǎn)程登錄”“權(quán)限授予”“聯(lián)機(jī)”等關(guān)鍵詞產(chǎn)生混淆、干擾。在教材中可以通過(guò)案例與學(xué)生嘗試進(jìn)行區(qū)分。與傳感器相關(guān)的“數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)、電信號(hào)”易產(chǎn)生混淆、亂用現(xiàn)象，這需要學(xué)生做明確的概念辨析。另外，調(diào)查表明，知識(shí)之間結(jié)構(gòu)體系的建立是學(xué)生的短板，教師在實(shí)驗(yàn)教材中可做框架圖，讓學(xué)生明確所實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容在整個(gè)“信息系統(tǒng)”知識(shí)體系中所占的位置及其與相關(guān)知識(shí)的結(jié)構(gòu)關(guān)系。

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