基于图形化交互资源的体验学习对小学生几何学习的影响研究

来源:用户上传      作者:莫尉 张屹 付郧华 林嘉 林裕如 高晗蕊

　　 [摘 要] 课堂中引导小学生经历观察、实验、推理等体验活动，是综合提升几何素养的关键。为探讨课堂环境下体验学习的有效开展形式，提高几何教学成效，文章提出了以演示、操作、关联、发散机制楹诵牡幕于图形化交互资源的体验学习框架。以“圆的认识”学习为例，采用准实验研究方法，以某小学六年级76名学生为研究对象，通过质性内容分析、问卷调查及访谈分析等探究了基于图形化交互资源的体验学习框架的有效性。结果表明：（1）图形化交互资源支持下的体验学习能显著提高学生几何概念掌握水平，在培养空间观念素养上较常规多媒体教学有显著优势;（2）图形化交互资源支持下的体验学习能较好地激发学生学习兴趣，对基础优良学生的领域知识价值感受有更大的促进作用;（3）图形化交互资源的应用未增加学生认知负荷。基于研究结果，建议突出图形化交互资源的动态可视化表征和多感官操作反馈，创设具有连贯性挑战的课堂体验环境，以促进核心素养培养。
　　 [关键词] 体验学习; 学习资源; 图形与几何; 空间观念; 学习兴趣
　　 [中图分类号] G434 [文献标志码] A
　　 [作者简介] 莫尉（1983―），女，湖南岳阳人。博士研究生，主要从事信息化教学、人工智能教育、计算思维教育研究。E-mail：mowei0201@gmail.com。张屹为通讯作者，E-mail：zhangyi@mail.ccnu.edu.cn。
　　一、问题的提出
　　 图形与几何是小学数学四大课程内容之一，是培养学生空间观念，形成几何直观、推理能力等基本素养最直接的知识载体[1]。该领域内容的学习与抽象化、可视化、逻辑推理等过程紧密相关，不仅涉及对学科概念的掌握，还包括思维能力和态度情感的统整发展[2]。然而，当前图形与几何课堂教学中存在的不足，导致学生数学学科核心素养未能得到充分发展，具体表现在：一是教师仅重视利用纸笔、图片、视频等“可视化”教学措施，忽视为学生提供过程性的自主探究机会，导致学生几何思维水平发展受到抑制[3];二是以几何概念的定义、性质等内容讲授和习题训练为主的教学方法，使得学习过程缺乏对真实情境的感知与体验，难以唤起学生的知识和经验[4];三是缺乏创造性、启发性的课堂互动，学生不能对课堂内容形成充分情感体验和价值认识，造成学生数学学习兴趣减弱[5]，影响学生对学习的自主投入和知识获取。
　　 为解决这种困境，小学图形与几何课堂教学必须重视直接经验与间接经验的结合，从学生已有经验出发，通过动态观察、操作实验、猜想推理等教学活动，向更具互动性、体验性和协作性过渡[2]。体验学习理论（The Experiential Learning Theory，简称ELT）阐释了学习者基于自身经验，通过具体体验、反思观察、抽象概念化和主动实验四阶段迭代循环历程，逐步转化和创造新知识的学习过程[6]，为创新图形与几何教学方法提供了思路。近年来，丰富的技术为体验学习的有效开展提供了有力支撑，但在课堂中开展体验学习，往往面临课时安排、班级规模、环境资源等限制，并且需要避免可能导致学生注意力涣散、认知负荷增加等风险[7]。徐妲等[8]和Chan[9]等人研究发现，图形化交互资源能够提供丰富的视觉空间表征，增加多种交互操作，并引导学生的注意力变化和对学习内容的感知，是提升学习成效的有效工具。该技术同时具有使用简单、易于普及等特点，因此，具备支持课堂中体验学习开展的技术潜力和便捷性优势。目前，在图形与几何教学领域，已有研究聚焦利用图形化交互资源提供图形演示、丰富问题表征[10]。如Zander等应用动态几何软件资源为初中生提供3D可旋转图像训练，揭示图形化交互资源提供的触摸、追踪“手近效应”特征有效辅助了学生的思考过程[11]。但从支持课堂体验学习的角度，现有数学领域的图形化交互资源研究还缺乏系统的论述，如何合理为学生提供多种层次的体验方式，如何促进学生具体经验与抽象概念间的有效转化，还缺乏实证研究的证据。
　　 基于此，本研究提出了图形化交互资源支持的体验学习方式，帮助小学生进行图形与几何课堂学习。通过设置演示、操作、关联、发散等机制，设计了一系列支持体验学习的图形化交互资源，将抽象的几何内容具象呈现，通过资源交互引导学生经历体验学习各阶段流程。采用准实验研究，探讨此种教学方法对学生学习效果的影响。试图回答以下研究问题：
　　 （1）相较于传统的课堂体验学习，基于图形化交互资源的体验学习是否能促进学生几何概念理解以及空间观念素养提升？
　　 （2）图形化交互资源支持的体验式学习能否提升学生的学习兴趣？
　　 （3）与传统的课堂体验学习相比，图形化交互资源支持的体验学习是否会增加学生的认知负荷？
　　二、基于图形化交互资源的体验学习设计
　　 （一）基于图形化交互资源的体验学习框架
　　 缺乏直接经验形成情境，是课堂环境中体验学习开展的突出障碍[12]。因此，运用图形化交互资源在以抽象经验获取为主的教学中，整合做的经验和观察的经验[13]，并引导学生对原始经验进行概括、归纳与提升，是支持课堂体验学习的核心内容[14]。在综合相关研究的基础上，本研究认为，图形化交互资源应注重通过以下机制，支持课堂中图形与几何体验学习活动的开展：一是演示机制。通过生成形象性的视觉化经验，连通几何知识的直观表象和抽象本质，为学生提供可观察的现象变化过程和可直观感受的场景。二是操作机制。学生与资源直接互动产生活动性经验，通过听觉、视觉甚至触觉反馈，获得多感官参与的丰富感知经验。三是关联机制。通过呈现与学生已有几何概念相关的线索，唤醒学生对当下经验的分析反思，激活学生展开联想以提出多种几何假设推理。四是发散机制。提供多种情境、变式下的典型实验演示和操作，让学生验证自己的假设并得出结论。基于以上分析，本研究建立了基于图形化交互资源的体验学习框架，如图1所示。

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