CTCL范式下微视频学习资源的开发与应用--以初中物理“光现象”单元学习为例_对照组论文

CTCL范式下微视频学习资源的开发与应用——以初中物理“光现象”单元学习为例，本文主要内容关键词为：范式论文,为例论文,单元论文,现象论文,物理论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。

      《国家教育事业发展第十二个五年规划》指出，“信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视。把教育信息化纳入国家信息化发展整体战略”[1]，而教育信息化的实现需要大量高质量的数字化学习资源作为支撑，因此，纲要中也明确提出要“加强优质教育资源开发与应用”[2]。在这一背景下，本研究尝试在CTCL范式下，运用前概念、概念转变等领域的相关成果，以初中物理“光现象”单元的学习内容为例，探索优质微视频学习资源的开发路径。

      （一）中学物理微视频学习资源

      近两年，随着“可汗学院”[3]和“翻转课堂”[4]等技术应用形态的出现，视频这一古老的技术又重新受到人们的重视，尤其是以微视频形态存在的微课，更是备受追捧。实际上，作为后起之秀的微视频和传统的教学影片之间并不存在很大的差异，视频只是信息的承载形式，时间长短也不是判断质量高低的决定性因素，视频的内容设计才是关键。目前，在中学物理教学中使用的微视频主要有两类，一类延续了传统教学影片的特点，通过动画、实物拍摄等手段，以物理演示实验的展示为主；另一类，更贴近于日常生活，以展示生活中的物理现象为主。这两类微视频在设计上多从物理教师“教”的角度出发，注重学科的科学性和严谨性，但由于对学习者缺乏深层关注，实际效果并不理想。

      （二）前概念与概念转变

      从20世纪70年代开始，研究者逐渐重视学生头脑中已有观念对学习的影响，他们将这类观念称之为前概念（Preconception），并开展了大量针对前概念的研究。前概念中的“概念”并不是严格意义上的狭义的概念，而是更接近于观念，是头脑中对某一对象（事物、现象、过程等）的观点、看法。[5]因此，我们可以将前概念理解为学生在学习相关内容之前，头脑中已经存在的与学习内容有关的观念、看法、认识等。在学生的前概念中既存在符合科学的认知，也存在偏离科学的认知。理想的情况是，学生通过对相关学习内容的学习，使头脑中的前概念转变为科学的观念，即发生概念转变。[6]但相关研究表明，对于学习者而言，这些前概念大都是有一定“道理”的，甚至比科学的观念更容易得到认同。因此，如果在学习活动中学习者不能获得足够的、可信的依据，他们头脑中的前概念是不会轻易转变为科学观念的。[7]从这个意义上讲，优质的学习资源应当具备促进学习者发生概念转变的能力。

      （三）“学习技术”研究范式

      随着认知科学、学习技术等领域的发展，国内外教育技术研究领域逐渐兴起一种新的研究范式，我们称之为“学习技术”研究范式（简称CTCL），即研究者在文化（Culture，C）视野下，将技术（Technology，T）、学习内容（Content，C）、学习者（Learner，L）相统合，以期改善学习。与以往的研究范式相比，CTCL不仅关注学习者的学习兴趣、认知风格等因素，还着重考察学习者在学习具体学习内容时的学习心理即学科学习心理，使技术、学习内容和学习者在文化视野下形成更具系统性的统合体，最终促进学习者的发展。[8][9][10]本研究根据CTCL研究范式的基本理念，将学习者的前概念这一典型的学科学习心理作为研究的出发点，把学习者的前概念、物理学习内容和微视频技术有机地结合起来，探索适合课堂教学环境、促进学习者概念转变的优质学习资源的开发路径。

      二、研究设计

      本研究以中学物理“光现象”单元的微视频学习资源开发为例，探索学习资源的开发路径，并通过教学实验，考察所开发的微视频学习资源在促进学习者概念转变方面的效果与局限。

      （一）资源开发路径

      具体资源开发路径如图1所示。首先，对学习者进行测查，考察与学习内容相关的前概念及其成因；接着，根据学习者的前概念及其成因，开发适合学习者群体的微视频学习资源与教学设计；再次，以研究者开发的微视频学习资源及其教学设计作为自变量，以实验前测、后测结果的差值作为因变量，通过教学实验，考察微视频资源及其教学设计在促进学习者概念转变方面的效果与局限；最后，根据教学实验的反馈，对微视频学习资源进行修正。

      （二）前概念测查

      前概念测查的目的是了解学习者在正式学习前具有哪些与学习内容相关的前概念、产生这些前概念的可能原因是什么，测查结果将作为学习资源开发的依据。首先，通过文献法，梳理前人对该部分学习内容相关的前概念研究，选取若干可能存在不符合科学认知的前概念的知识点，设计基于二阶诊断测试[11]的前概念测查问卷。这种测查方法要求学习者在作答时既要给出问题的答案，也要给出作答的理由。因此与常规测试相比，二阶诊断测试在深入挖掘学习者的学科学习心理方面更具优势。其次，对学习者进行前测、常规教学和后测。根据前测、后测的测查，寻找在常规教学中既容易产生不符合科学认知的前概念，又不易发生概念转变的知识点。再次，对这些知识点及其前概念进行分析，筛选出适合进行微视频资源开发的知识点，提出资源开发的需求。

      

      本研究选取C市某中学的八年级学生作为测试样本进行前概念测查，测查发现了五个适合进行微视频学习资源开发的知识点[12]，本文仅以“光的运动”这一知识点为例详述微视频学习资源的设计。

      “光的运动”这一知识点可以概括为“光始终是运动的，并且是以极高的速度运动的”。在对该知识点的前概念测查中，主要考察学习者对光是否能够运动、光在什么条件下能够运动具有怎样的前概念。测查结果显示，学习者普遍认为光的运动是有条件的，一部分人认为“只有当光源运动时，光才会运动”，还有一部分人认为“在光源开启瞬间、光源闪烁的状态下，光是运动的”，“当光源持续稳定发光后，光就是静止的”。在常规教学后，仍然有超过60%的学习者不能认同“光始终是运动的”这一基本观念。上述两种错误观点有一个相同点，那就是当学习者看到光、光斑或是其他光现象发生变化时，他们才会认为光是在运动，如果看不到任何光现象的变化，他们就认为光不在运动状态。也就是说，学习者倾向于将自己的主观感知——视觉，作为光是否运动的判断依据。针对这种情况，我们设计的学习资源应该从改变学习者对自身主观感知的认识上入手，让学习者意识到自身感官的局限性。

      （三）学习资源的初步设计

      根据对前概念测查结果的分析，若要将学习者错误的前概念转变为科学观念，我们设计的学习资源必须满足以下两方面的需求。第一，需要让学习者质疑自身视觉的可靠性。人的视觉是由视网膜上的光学成像为基础，由大脑再进行二次加工所形成的[13]，因此，有必要让学习者意识到，我们感知到的视觉并不等同于客观事实，即“眼见未必为实”。第二，借助技术，克服人类视觉的局限性，为学习者提供比自身视觉更为可靠的、可信的判断依据。人的视觉是有局限性的，不易分辨微观高速运动的物体，我们所开发的学习资源应当让学习者在了解视觉局限的基础上，借助技术客观地认识世界。

      根据上述需求，再结合这类学习内容的特点，我们认为现场实验和微视频是两种可行的学习资源呈现形态。现场实验的优势在于真实、可信，但需要在非实验室环境下使用实验器材、控制实验条件，容易失败，加之可见度低，需要结合视频展台和多媒体投影设备才能满足要求。而微视频在视觉上能更好地还原真实情境下的各种物理现象，条件可控、可见度高，尤其是微视频可以运用技术手段排除其他感知觉的干扰，只通过视觉这一种形式向学习者传递信息，更容易实现上述两方面的需求。因此，我们决定采用微视频这种形态制作学习资源。

      在进行具体设计前，首先要明确微视频设计的目标，即学习者在经历使用该微视频的教学活动后，能够转变原有的错误观念，认同“光始终是运动的，并且是以极高的速度运动的”这一事实。其次，设计微视频的结构框架。考虑到问题的复杂性，研究将微视频划分为三个阶段，每个阶段实现一个小目标，循序渐进，最终使学习者的错误观念完全转变。最后，根据前述的初步设计进行学习资源的精细设计。

      （四）学习资源的精细设计

      在学习资源的精细设计阶段，应结合学习者的前概念及其成因，针对初步设计中提出的三个阶段，进行具体的设计。在精细设计中，不仅应包含将会在微视频中呈现的内容，还应当包含如何在课堂教学中运用微视频的教学设计，二者缺一不可。单纯谈微视频学习资源的优劣是没有实际意义的，学习资源需要与相应的教学设计在真实的教学情境中有机结合，才能发挥效果。

      1.第一阶段

      第一阶段，让学习者只凭借有限的视觉信息，错误地判断物体的运动状态，使他们体验并意识到人的视觉感知并不见得可靠。研究者将家用水龙头调节至图2所示的稳定流动状态。此时，水的流动速度快、“水柱”形态稳定，如不进行长时间、近距离的观察，很难判断“水柱”中的水是否在运动，适合作为诱发学习者犯错的素材。为了防止学习者利用除水流外的其他信息辅助判断，在微视频的拍摄和剪辑时，只突出水流的画面，并将视频右转90度播放，让水流横向流动，进一步防止学习者根据画面联想到这是“水流”。在教学时，让学习者只凭借肉眼观察来判断微视频中物体的运动状态。当学习者给出自己的观察结果后，再将画面逐步切换为包含拍摄环境信息的原始视频，让学习者意识到自己看到的是流动的水，切实感受到视觉是有局限的，是会犯错的。在这个过程中，教师要与学习者互动，引导学习者讨论视觉的局限性表现在哪些方面，以及如何弥补。

      

      2.第二阶段

      第二阶段，明确视觉在判断连续稳定运动物体和高速运动物体方面存在局限性，并将光束与水流进行类比，提出“光在高速、稳定运动”的假设，并设计验证假设的方法。首先，将水流和激光器发出的光束进行类比，结合第一阶段讨论得出的视觉具有局限性的结论，提出眼睛在光是否运动的问题上也存在“说谎”的可能性，即虽然通过视觉感受不到光的变化，但光也可能是运动着的。接着，利用一段水龙头流水的动画，以水流为例讨论、分析、解释视觉错误的原因，并引导学习者提出破坏水流稳定性来克服视觉错误的方法。再将此方法迁移到对光的运动的观察上，提出理论上可行的方案，即通过控制光源的开关，使其在极短时间内开闭一次，只发出一段光，以便观察其运动。

      此时，再通过现场实验和师生讨论，得出影响该方案实现的第二个问题，即如果光的运动速度极快，即便射出的只有一段光，肉眼也是观察不到的。针对这一问题，提出可利用拍摄高速运动子弹的方法（即高速摄影技术，但在视频中为了便于初中生理解，仅将这种方法称之为“慢镜头”），记录光的运动并展示几段子弹射击物体的高速摄影片段，引导学习者想象可能拍摄到的光的运动情境。

      3.第三阶段

      第三阶段，借助超高速摄影技术弥补视觉的局限，让学习者观察到光真实运动的景象，用更为准确的感官经验促进原有错误观念向科学观念的转变。首先，向学习者说明，在第二阶段提出的验证方法不仅在理论上可行，而且在技术上已经实现了。接着，向学习者展示MIT媒体实验室（MIT Media Lab）CameraCulture小组利用其研发的超高速摄影技术所拍摄的“一段”光穿过水瓶的视频[14]（播放两遍），为学习者提供新的、科学的感官经验，让他们亲眼看到光确实是运动的，而非静止的，实现概念转变。最后，还需要向学习者说明，在认识世界的过程中，人类自身感官的局限性会逐步暴露出来，因此，不能只凭借自身经验来认识世界，还需要借助一定的科学技术获得更加客观、准确的认知。

      与传统的演示实验学习资源相比，我们所设计的学习资源更加关注学习者头脑中业已存在的认知。在物理学史上，科学家是通过设计各种精巧的实验，测量光的运动速度并以此来证明光是运动的。但作为物理初学者，中学生对这些实验原理的理解有限，对实验结果的认同度较低。在他们眼中，“眼见为实”远比由数字组成的测量结果更为可信。因此，我们根据学习者的这一特点，选择了借助技术增强后的视觉经验而非实验测量结果，作为促进学习者概念转变的微视频学习资源。

      最后，根据上述三阶段的设计，拍摄、收集视频素材，并利用Camtasia Studio软件进行后期的视频剪辑与加工，生成微视频资源。

      （五）教学实验检验

      实验以研究者开发的微视频学习资源及其教学设计作为自变量，以前测、后测正确回答百分比（下文简称正答率）的差值作为因变量，验证研究者所开发的微视频学习资源及其教学设计在促进学习者对“光的运动”这一知识点的概念转变方面显著优于常规教学的研究假设。

      研究选取C市某中学八年级A班作为实验组、B班作为对照组。A、B班均为中等水平的平行班，两个班级前测的正答率无显著性差异；所有学生均未在课内或课外辅导班学习过“光现象”部分的相关内容；物理课由同一位教师任教。根据上述信息，我们认为样本班级的选择符合对样本同质性的要求。

      （1）实验中使用的前测、后测试卷，均采用二阶诊断测试的形式进行编制。对比学习者在前测、后测中的作答，可以判断学习者是否已经将头脑中的前概念转变为科学观念，并以此作为判定教学效果的依据。

      （2）根据学习者的相关前概念所开发的微视频学习资源及其教学设计。

      3.实验过程

      首先，对实验组、对照组的学生进行前测，测查学习者在“光的运动”方面的前概念。

      其次，在实验组采用本研究开发的微视频学习资源及其教学设计进行教学；在对照组，采用常规教学手段与教学设计进行教学。对照组与实验组的学习内容相同，由同一位教师授课，课时数相同。

      再次，对实验组、对照组进行后测。由于测试考察的是教学活动促进学习者概念转变的情况，为避免机械记忆对测查的干扰，后测安排在教学结束一周后进行。

      最后，对前测、后测试卷进行统计、分析，得出实验结论。

      三、数据分析与结论

      教学实验选取的实验组A班、对照组B班人数均为32人，共发放前测问卷64份，后测问卷64份，问卷全部回收，回收问卷的有效率为100%。试卷分别从静止光源发出的光是否能够运动（T1）和运动光源发出的光是否能够运动（T2）这两个方面对学习者学前和学后的认知进行了测查。需要说明的是，在二阶诊断测试中，可以同时获得学习者对测试题目的选项和作出这些选择的原因。为了避免歧义，正答率仅根据选项是否正确进行计算，实验数据的分析与结论如下。

      （一）数据分析

      在回答静止光源发出的光是否能够运动（T1）这一问题时，对照组在前测中的正答率为37.5%，后测正答率为56.3%，正答率提升了18.8%；实验组在前测中的正答率为25.0%，后测正答率为87.5%，正答率提升了62.5%。实验组后测正答率高于对照组，正答率比对照组的提升比例也高于对照组。

      如表1所示，在前测中，认为“静止光源发出的光不会运动”的学习者人数最多，实验组为50%，对照组为46.9%。在后测中，实验组认同该观念的学习者仅为9.4%，而对照组则为18.8%，实验组中放弃这一错误观念的人数多于对照组。此外，在对照组中除了B①下降、A①有小幅提升外，其他几种有偏差的观念所占比例都有不同程度的提升。这表明除少数学习者将错误的观念转变为科学观念外，其余的学习者或是保持原有观念不变，或是从一种有偏差的观念转变为另一种有偏差的观念。而在实验组中，A①这一正确的选项有明显的提升，有偏差的观念都有不同程度的下降，这表明多数学习者都完成了我们所期待的概念转变。实验组在促进学习者实现概念转变的“质量”方面也优于对照组。

      

      在回答运动光源发出的光是否能够运动（T2）这一问题时，对照组在前测中的正答率为56.3%，后测正答率为62.5%，正答率提升了6.3%；实验组在前测中的正答率为59.4%，后测正答率为90.6%，正答率提升了31.3%。实验组后测正答率高于对照组，正答率的提升比例也高于对照组。

      如表2所示，在前测中，认为“当光源运动时，光源发出的光是能够运动的”的学习者人数最多，实验组为46.9%，对照组为50%。在后测中，实验组认同该观念的学习者仅为18.8%，而对照组则为46.9%，实验组中放弃这一错误观念的人数多于对照组。而从实验组、对照组在A①观念上的前后测数据发现，在实验组中，大部分转变观念的学习者都将原有的观念转变为科学观念，而对照组的学习者虽然也有观念的转变，但几乎没有向科学概念转变的，实验组的教学活动对于帮助学习者建构正确的观念也具有显著效果。

      

      对T1、T2两题进行独立样本T检验，结果显示，在前测中，T1的Sig=0.663，Sig＞0.05，实验组和对照组在T1上不存在显著性差异；T2的Sig=0.336，Sig＞0.05，实验组和对照组在T2上不存在显著性差异。在后测中，T1的Sig=0.000，Sig＜0.05，实验组和对照组在T1上存在显著性差异；T2的Sig=0.000，Sig＜0.05，实验组和对照组在T2上存在显著性差异。

      （二）结论

      综上所述，本研究所开发的微视频学习资源及其教学设计能够促进学习者的概念转变，且实验组促进学习者概念转变的效果显著优于使用常规教学的对照组。此外，在使用微视频学习资源的课堂中，学习者的学习热情和课堂参与度也高于对照组。

      同时，我们也注意到，由于研究中使用的微视频学习资源只是基于前述两类较为普遍的前概念而开发的，有一定的局限性，未必适用于所有学习者。因此在实验组中，仍有部分学习者没有放弃原有的错误观念，或是虽然放弃了原有的错误观念，但并没有转变为科学的观念。在这种情况下，授课教师应当发挥指导作用，可以利用资源开发过程中的前测与后测结果，更好地认识学习者在学习过程中存在的问题，针对学习者的具体情况进行指导。

      不论是以何种理论、何种路径、何种技术开发的学习资源，最终都是要作用于学习者对学习内容的学习上的。因此，要想使学习资源产生更好的效果，必须深入关注学习者，并以此作为学习资源开发的依据。本研究运用CTCL研究范式的基本理念，设计了微视频学习资源的开发路径，并通过教学实验对所开发的微视频学习资源的效果进行了验证。研究结果表明，依据本研究所设计的学习资源开发路径所开发的微视频学习资源能够更有效地促进学习者发生概念转变，提升学习效果。但我们也应注意到，学习资源的品质不是简单地只由开发路径决定的，在开发过程中还需要有明晰、可靠的理论指导，这部分内容将会在后续文章中加以详细阐述。

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