基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的行為響應(yīng)分析與認(rèn)知計(jì)算在探究式科學(xué)教育中的應(yīng)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(xué)方法自提出以來一直是教育界的研究熱點(diǎn)。探究式科學(xué)教育能加深學(xué)生對科學(xué)知識的理解、掌握科學(xué)探究過程的技能、并增強(qiáng)對待科學(xué)的興趣。然而，在探究式教學(xué)過程中如何實(shí)時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)、理解水平、興趣活動、探究成效，一直是探究式教學(xué)面臨的難點(diǎn)所在。本研究將無線傳感技術(shù)引入探究式教學(xué)課堂，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了實(shí)時(shí)監(jiān)測學(xué)生行為響應(yīng)和認(rèn)知狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)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(xué)教育的實(shí)證研究。主要研究成果包括：通過使用W B R C C S 系統(tǒng)采集學(xué)生的腦電信號，對學(xué)生課堂中的注意力和行為模式進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測。腦電信號由專門的頭戴式無線傳感器進(jìn)行采集，實(shí)時(shí)傳送至計(jì)算機(jī)，計(jì)算出學(xué)生的注意力指數(shù)值，直觀地顯示學(xué)生注意力集中程度的分布情況。同時(shí)，分析腦電信號中眨眼的

6、頻次和模式，進(jìn)行學(xué)生課堂行為模式的識別。該研究為教師在教學(xué)過程中實(shí)時(shí)掌握學(xué)生的注意力和行為狀態(tài)，并及時(shí)動態(tài)地調(diào)整和優(yōu)化教學(xué)策略提供了依據(jù)。通過W B R C C S 系統(tǒng)對中學(xué)生科學(xué)推理能力進(jìn)行了實(shí)證研究。科學(xué)推理訓(xùn)練是探究式科學(xué)教育的重要內(nèi)容，也是探究式科學(xué)教育的結(jié)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(tǒng)的實(shí)時(shí)評測和分析功能，對南京、蘇州等地初中生和高中生的科學(xué)推理能力發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了研究。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：初中一年級與初中三年級、初中每個(gè)年級與高中每個(gè)年級間科學(xué)推理能力存在顯著的統(tǒng)計(jì)差異。研究表明，學(xué)生在經(jīng)歷整個(gè)初中階段之后科學(xué)推理能力有了較顯著的提升，而在整個(gè)高中階段科學(xué)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(tǒng)是人群認(rèn)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(tǒng)在探究式課堂教學(xué)中引入了形成性測評。該研究直接在教學(xué)環(huán)節(jié)過程中開展形成性評測，實(shí)時(shí)對評測結(jié)果進(jìn)行分析并呈現(xiàn)和反饋給教師。在教學(xué)活動結(jié)束后教師仍可進(jìn)行后續(xù)查詢和跟蹤，分析不同班級之間、不同學(xué)生之間、不同性別之間、不同屆別之間等的數(shù)據(jù)差異，對特定學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化服務(wù)，給予更有針對性的指導(dǎo)。研究表明，形成性測評能夠提升教學(xué)成效、加深學(xué)生對科學(xué)概念的理解并