传感器技术 海外教学中传感器技术研究

海外教学中传感器技术研究

二、相关术语及其概念的界定 国内大多数文献提及的手持技术(HandheldTechnology)与传感器技术的概念等同，属于狭义 范围，而非广义上的手持技术。广义上的手持技术泛指一些 与掌上移动设备（软件或硬件），如掌上电脑、掌上学习软 件、数据采集器、图形计算器等有关的学习技术。[4]在国 外教育类文献中，与传感器技术直接相关的术语主要有：
MicrocomputerBasedLabs(MBL)，probeware，datalogging， datalogger，CalculatorBasedLabs(CBL)。[5]因此，传感 器技术和手持技术概念的使用需结合不同情境加以区别。关 键术语的界定，有助于基于传感器技术教学应用的文献研究。

在教育领域，传感器技术是一种面向科学教育的教学技术， 是一种用于实时数据获取、显示和分析的软件和硬件集成系 统。基于传感器技术的实验系统如图1所示，该系统主要由 用于检测变量的传感器（探头）、用于数据收集和存储的数 据采集器（如，图形计算器）以及用于数据管理和分析的配 套软件构成（配套软件一般安装于电脑、掌上电脑等）。[6] 因此，传感器技术的发展主要体现于对传感器技术的实验系 统各要素进行种类的开发和性能的更新等。

三、教育领域中传感器技术的发展 随着技术的更新，数据采集器和软件系统逐渐融合，形 成了掌上电脑式数据采集器与传感器的组合，使得传感器技 术的使用变得更为灵活，功能更为强大。如图2a为国内常见 传统传感器技术系统，主要由传感器、数据采集器和配套的 分析软件组成，配套的分析软件中提供了多套实验数据的分析模板。利用不同探头及其组合可以进行大量的实验设计， 如，用二氧化碳探头进行二氧化碳引起温室的模拟实验，用 氧气探头进行水中溶解氧的探究实验等。此类实验还有很多， 常见于小学至高中阶段的探究实验开发和常规实验的改进。

图2b为PASCO公司的彩屏触摸式传感器系统，其数据采集器 安装有SPARK科学学习系统，以探究式教学模式引导学生开 展基于传感器技术的科学实验活动，并且鼓励学生合作学习。

利用该系统，PASCO研究团队开发了多种形式的课程，如， 包含60多个探究式实验的SPARKlabs，针对化学和生物知识 学习的加利福尼亚SPARKlabs，为小学和中学提供科学知识 学习的探究式科学（SciencethroughInquiry）等。目前， 世界上约有100多个国家在使用该公司开发的各种基于手持 技术的学习系统。图2c为NOVA5000数据采集器，该采集器除 了提供诸多科学实验模板，具备数据存储、分析和处理的功 能外，还安装有windowsCE系统，支持学生上网和查询信息， 且配备office办公软件来编辑相关内容等。该系统主要应用 于初中和高中生物、化学、物理以及环境科学等学科领域的 科学实验。与传统数据采集器相比，最新的数据采集器在硬 件改建方面主要体现在对数据采集器和数据显示器的改进。

现在传感器技术将数据采集和显示进行了有效的融合，且操 作采用触屏式，使得户外科学探究变得更为方便。而在实验 模板的开发方面，现在传感器技术摒弃了传统实验模板中实 验用品、实验步骤、实验结果等“说明书”式的内容结构，融入了核心教学理念，如，科学探究等教学模式来组织内容 的编写，使得学生对于科学实验的探究兴趣大大增强，对于 问题的思考更为深入。另外，由于加入了信息查询和辅助教 学软件使用等功能，学生的科学探究的导向性也更为加强， 学生与学生之间信息共享和交流，为合作学习构筑了平台。

四、国外基于传感器技术的教学研究 在国外传感器技术的教学研究中，研究者已逐步从关注 实验技术的改进和实验内容的更新等方面，转向着眼于寻求 多种传感器技术与教学有效结合的途径，使得传感器能够更 好地为教学服务。如下几个方面的研究尤为繁荣：首先，在 学生认知研究方面，主要侧重研究利用传感器技术进行教学 对于学生概念的转变和能力的提升方面的影响，并且对探究 式教学模式的应用尤为关注，从中发现结合传感器技术的教 学活动和不同的教学模式对于学生认知发展的影响；
其次， 在教师使用方面，主要侧重于考察教师传感器技术的认知及 探索教学模式的教学效果等，可以为教师教育及传感器技术 教学提供依据；
最后，在教师教育方面，国外开始关注基于 传感器技术的教师培训模式的开发，为培养此类教学的师资 做准备。本文对国外基于传感器技术的教学研究进行了梳理， 总结了国外基于传感器技术教学研究的侧重点在于学生概 念转变和能力变化、教学模式、教师使用情况、教师培训模 式等。总之，国外教学研究特点主要体现在：以基于传感器 技术的概念转变和能力考查为核心研究内容，以教学模式的探究为重要内容，以师资培训模式的探索为新动向。

（一）学生概念转变和能力考查对学生概念转变和能力 的研究，是基于传感器技术的科学教学研究的核心内容。目 前，对将传感器技术与科学探究相结合、以促进学生相关技 能和方法的获得的相关研究，取得了一定的成果。以下选取 典型案例进行分析。具有多年科学教学经验的英国学者 FrankFearn设计了基于传感器技术的课外探究活动以促进 学生的探究能力。探究内容包括：池塘温度（温度探头）、 哺乳动物活动（声音和光探头）、肥堆微环境（温度和湿度 探头）、植物生长条件（光探头、湿度探头、温度探头、pH 探头）。从活动设计来看，主题从简单到复杂，探究活动的 综合性逐渐强；
与现实环境紧密结合，使得学生在相对开放 的探究环境中，学习使用传感器技术并结合数码相机等工具 来收集自然环境下的多种数据，以探究相应数据的变化对于 动植物生存环境的影响。这样的设计，不但有利于激起学生 的探究兴趣，更有利于培养其观察能力、分析能力以及活动 探究能力。[7]美国威廉斯顿高中教师WilliamStruck和纽约 州立大学布法罗分校科学教育专家RandyYerrick教授，研究 了两种数据分析方法对于学生动力学概念学习的影响。研究 选取了两组学生，一组先用传感器技术收集和分析数据，然 后再使用录像采集并分析数据的方法；
另一组学生则先用录 像采集并分析数据，然后用传感器技术收集和分析数据的方 法。除在个别概念理解方面存在微小的差异外，两种设计下的学生小组在绘图和图形分析能力方面有了明显的提高；
学 生在利用图像预测和描述物质运动方面的效果也很明显。

[8]这说明传感器技术在数据分析和收集方面，能够促进学 生学习抽象概念的深度认识。来自康科德教育研究组织的著 名传感器技术教学应用教学发起人RobertTinker博士和密 歇根州立大学著名科学教育专家JosephKrajcik教授以水质 为主题，设计实验组和对照组比较基于手持技术的探究活动 和常规实验活动对于学生概念转变和相关能力的影响。研究 结果表明，将传感器技术与科学探究相结合，可以使学生的 探究活动变得更为灵活，更有益于学生观察技能的培养，且 以小组合作的形式对探究结果共享和讨论，促使学生对概念 理解得更为持久。相对于控制组，实验组学生在基本概念学 习及其深度理解方面有了明显的提高，其数据分析也更为全 面，且随着时间的增加，基于传感器技术的科学探究活动对 学生探究兴趣、思维和探究技能等的培养均产生了积极的影 响。[9]综上可知，学生概念转变及能力变化与基于传感器 技术的实验活动设计有着密切的联系。研究者从不同角度对 传感器技术的教学应用进行了研究，有从传感器本身的特点 出发，侧重实验开发和应用，如Fearn和Struck等人的研究；

有侧重传感器技术与建构主义模式和科学探究模式相结合 进行有关研究，如Tinker等人的研究。因此，基于传感器技 术的实验活动设计，不仅需要重视实验本身的设计，还需要 考虑实验的活动方式或教学模式的设计，如，将科学探究教学模式与传感器技术的教学应用相结合，更能激发学生的学 习兴趣，挖掘出更多基于传感器技术的科学学习的潜在价值， 为实现当前课程标准以科学探究为突破口，达成培养学生探 究能力的要求开辟了新途径。

（二）教学模式探索随着传感器技术的逐步发展，如何 发挥传感器技术的教学价值，成为值得研究者们思考的问题。

因此，在侧重实验开发的基础上，国外对于基于传感器技术 的教学模式的开发也极为关注，这成了传感器教学研究的热 点内容。康科德教育研究组织ShariMecalf博士和 RobertTinker博士开发了一套基于传感器技术的教材。该教 材以探究教学模式为理论基础，以基于标准的主题为活动内 容，旨在能够最大限度地体现出传感器技术对于学生概念理 解和能力培养等方面的优势。教学中，利用配套的软件系统 帮助学生运行和观察传感器收集的数据，并指导学生按照引 导、反思、实践、应用和评价等环节组成的教学模式进行探 究。研究小组还为教师配备了相应的活动指导手册，对有关 主题的背景知识、相关问题和讨论模式等均进行了说明，为 教师的有效教学提供了支持。研究表明，经过一定的培训， 教师能够顺利地运用规定的教学模式，传授教材中的教学内 容。调查显示，学生在完成教材所要求的探究活动后，对于 相关概念的理解有了明显的提高，错误概念明显减少。教师 在访谈中也表示，该教学方法以及对传感器的使用对科学教 学的成效是显而易见的，尤其是在学生对科学概念的深度理解方面。另外，学生在问题解决、表达与交流、团队合作等 方面也得到了相应的提高。[10]美国查塔姆高中著名的研究 型教师MissyHolzer设计了基于传感器技术的开放式探究课 程，旨在为学生提供一种可持续探究和科学学习的方法。该 课程提供了一系列与探究方法和科学本质相关的内容。在教 学中，学生先学习各种定量和定性观察方法，总结出一些相 关的科学术语，这些方法和技能均会使用到后续的传感器技 术探究活动中。比如，在“微环境影响因素探究”活动中， 学生需调查自身所在社区环境内的微环境，利用温度传感器 来收集不同时段社区中的温度，探究温度对其微气候的影响。

数据收集完后，学生分组讨论，探讨温度高低对于微气候分 布的影响。通过此类简单的探究活动，使得学生能够在一种 自主探究的情况下，选择制定相应的探究计划，查询相关信 息，确定所要观察的数据和监控数据变化的进程。在探究过 程中，通过查阅资料、讨论和分析，得出相应的结论，学生 的科学探究能力在得到提升的同时，对相关科学概念的理解 也有了显著的提高。[11]希腊萨利大学的 CharilaosTsihouridis博士等人，研究了建构主义理论引导 下的基于传感器技术的科学教学模式对学生科学学习的影 响。探究内容为不同物质的热传导，研究选取实验组和控制 组，实验组学生按照合作设计、实验、修改以及实施的模式 来开展基于传感器技术的实验探究活动；
控制组学生则是直 接使用已有实验来探究不同物质的热传导现象。研究表明，以建构主义教学理论设计的教学模式引导学生的实验探究， 可以有力促进学生对于科学概念的理解。后测结果显示，前 测中相对模糊的概念变得清晰，学生的理解不再停留于表层， 回答问题的准确率也有了明显的提高。另外，实验组学生对 实验活动的参与度和兴趣均较高，学生对于实验过程的掌控 和步骤的调整能力得到了加强。[12]美国斯坦福大学和瑞典 韦舍克大学的合作项目LET’SGO，开发了基于传感器技术的 合作式探究学习活动。该学习活动以开放式探究为基础，结 合计算机和传感器技术的使用，采用小组合作学习的方式， 展开了对生态环境的探究。以水质检测为例，学习主要围绕 以下几个环节：（1）同一小组学生联系已有知识对主题涉 及的核心问题、探究任务进行讨论，并对问题作出假设；
（2） 探究或收集数据，小组讨论期间主要用SPARK传感器技术来 测量和收集数据，用LiverScribe软件来记录活动内容及其 结果，用工作单来记录和描述水周围的环境；
（4）收集数 据后，学生对不同区域的水质进行比较和分析；
（5）学生 回到课堂书写结果和报告，反思探究结果。研究结果表明， 学生对这种基于传感器技术的教学模式给予了很高的评价， 他们认为，这种数据收集的方式更简便，更有趣，活动的参 与度也得到了加强，且后测也表明学生对于主题相关概念的 理解更为深刻，对于问题的理解更为具体。[13]上述研究表 明，基于科学探究的传感器技术教学应用模式，是提高学生 对概念的深入认知和相应学习技能、能力（探究技能、分析能力、观察能力、合作学习能力等）的主要途径。且多样化 的探究形式，如，对引导式探究、开放式探究以及合作式探 究等的应用，为传感器技术的教学应用模式拓宽了思路，使 得传感器技术的教学应用不再局限于课堂和个人，传感器的 教学价值也不再局限于提升学生的概念认知，而且能够将传 感器技术与日常生活与实践相结合，走出课堂，在探究中以 合作和讨论的形式来完成一系列学习任务，拓展了传感器技 术的教学应用价值。

（三）教师教学使用情况调查在具体的教学中，除了受 教学模式影响外，教师自身的能力以及教学环境的影响，致 使基于传感器技术的教学在现实应用中陷入了困境。研究这 些困境，提出相应的对策，是为今后基于传感器技术的教学 能够顺利实施提供了有力保障。新加坡国立教育学院学者 SeahWhyeChoo的研究综述表明，在基于传感器技术的教学中， 教师的主要任务是设计有效的学习活动及其任务，需注重在 教学中给予学生充分的讨论、分析以及解释的时间，且在学 生观察数据时给予适当的指导。并分析教师在教学中遇到的 主要问题是受到了教学时间的限制，其他还包括资源和设备、 技术支持、经费、培训时间、管理技术、教师自信心等因素。

另外，传感器的技术问题、课程设计方面等经验的缺乏，也 是导致教学使用的障碍所在。他提出，教师应对传感器技术 的作用有充分的认识；
对IT技术与课程结合的设计思路要有 明确的认识；
学校应为教师提供更多的时间来实施此类教学活动；
通过适当的培训来增强教师的自信；
新老教师能够共 享优秀课例；
改变传统的评价方式，注重过程评价；
在教学 中对学生的认知、推理以及分析能力、合作等技能进行综合 评价。[14]SeahWhyeChoo等人通过网上问卷，调查了新加坡 教师在传感器技术的科学教学方面的使用情况。研究表明， 在实验类型方面，传感器技术的使用途径主要为教师演示实 验、教材实验和学生实验等，在探究性项目中用到的比率较 少；
教学方式以教师导向为主，主要用于验证性实验，学生 在探究式活动中甚少使用；
在介绍使用方法时，绝大多数教 师着重介绍传感器技术的功能、操作步骤和方法，而忽略学 生对于数据的解释和结果的讨论，尤其是面向低年级学生的 教学。调查结果显示，教师并未充分挖掘传感器技术对于探 究式教学的价值，教师只是用于演示或学生验证性实验，而 很少给予学生在探究式活动中使用的机会，教学中也过于强 调学生对操作技能的使用，而忽略了其对数据和结果进行讨 论和分析能力的培养。[15]上述研究基本上概括了教师在基 于传感器的教学使用中遇到的问题和面临的挑战。除了硬件 外，教师自身对于传感器技术的认识，成为传感器能否更好 地为教学所用的突破口。这种认识包括对技术的认识，对教 学模式的认识以及对教学对象和环境的认识。在教师培训中 若能注重提升这些认识，将有助于教师在课堂教学中有效地 利用传感器技术。

（四）教师培训模式探索随着对技术教学应用要求的提高，教师培训中基于传感器技术的教学培训也逐渐受到关注。

基于传感器技术的教师培训，也为教师的专业发展打开了思 路。美国克利夫兰州立大学的课程专家SelmaVonderwell教 授等人，开发了基于传感器技术的探究式教学培训模式。该 培训模式由五个环节组成：探究式教学相关内容的学习―― ―传感器技术的学习―――基于传感器技术的探究式课程 设计及实施―――共享网站的建立。在培训之前，教师普遍 认为自身开发此类课程的能力不足，尤其是针对将传感器技 术与科学课程相结合的问题时，认为自身水平较低；
经培训 后，教师对传感器的使用及其教学等均有了一定的自信，认 为探究式教学中融合传感器技术的方法，帮助他们理解技术 在教学中的多种途径，认识到技术对于科学教育的价值。通 过将教师在培训课程中开发的优秀课案例应用于课堂，使学 生能够收集信息、分析信息的数据，且数据生成和分析的过 程帮助学生更好地理解科学概念，培养学生观察、分析解决 问题的能力，学生的活动动机和兴趣均有所增强。[16]美国 克利夫兰州立大学的IssaouGado博士等人，以归纳―――概 念发展―――概念应用为教学模式，用于职前教师的基于传 感器技术的探究式教学培训。在归纳阶段，通过播放教学视 频，归纳传感器技术在教学中的使用方法，讨论传感器技术 对于科学学习的影响；
在概念发展阶段，让教师们通过设计 探究式教学活动，和基于传感器技术的活动，并对表现进行 评价；
概念应用阶段则是教师在熟悉一系列活动后，参与到问题解决和自我探究的活动中，如，小组合作设计基于温度、 电导率仪、pH探头的探究活动，并对教学表现进行评价、反 思和交流。研究表明，这样的培训模式，使得职前教师对于 技术的态度大有转变，一系列的教学活动，使得职前教师的 探究能力、组织能力以及科学活动的参与度和态度等均有所 促进，教师对于技术的使用能力、信心度进一步提高。[17] 荷兰特温特大学JokeVoogt博士等人，通过基于传感器技术 的课程培训，来促进职前教师的技术教学应用能力。该培训 课程开发了针对帮助教师理解基于传感器技术的学生中心 课程的教学及其实施步骤的课程材料。课程材料的活动设计 以POE（预测―观察―解释）理论为指导，通过预测、实验 设计、数据分析、比较预测和结果、反思等环节来组织教学， 通过将教师设计的课例应用到实际课堂中。结果表明，绝大 多数教师愿意在课堂教学中使用基于传感器技术的学生中 心科学课程。他们认为，这样的课程对学生的科学学习很有 帮助；
小组合作探究方式的教学相对容易，而过程评价相对 较难；
利用学生前概念以及鼓励学生对预测和发现的讨论较 难；
需要一段时间来达到对于技术教学的班级管理和掌控；

相应的课程材料及其评价方式的开发对于技术传感器技术 的教学也是很重要的。[18]可见，国外在基于传感器技术的 教师培训方面，侧重借助于一定的教学模式来促进教师对传 感器技术的认识和教学应用的能力提高，尤其注重教师基于 传感器技术的教学内容设计和实践应用环节，使得教师培训与教学实际相结合，有利于教师从实际出发，从教学实践中 体会和收集反馈，从而对原教学设计做出评价和修正，加深 他们对于技术应用的现实意义的理解。此外，还有研究者对 学生传感器技术的使用及其看法进行了调查，得出结论：学 生传感器技术的操作技能、对传感器学习功能的认识、对技 术使用的态度等，均对教学产生了一定的影响。[19][20]这 些方面的研究和反馈也进一步促使教师在实际使用过程中， 以学生的认知水平和基本技能为前提来设计相应的科学活 动。

五、思考和建议 综上所述，国外教育技术或科学教育领域一些著名学者 以及相关大学和教育研究机构，对基于传感器技术的科学教 学展开了多方面的讨论，主要集中于基于传感器技术的教学 对学生概念转变和能力培养的考察；
侧重基于传感器技术的 教学模式及其教学效果的探索；
关注传感器技术教学应用影 响因素的探讨，如，教师使用情况及其问题等；
以及注重职 前教师传感器技术教学应用培训模式的探讨。通过这些研究， 使得基于传感器技术的教学设计及其应用，有了强力的理论 支撑。本文结合国内的研究现状，在上述文献分析的基础上， 简要提出相应的建议。

（一）我国传感器技术的教学应用研究现状在基于传感 器技术的教学应用方面，我国学者主要从基于传感器技术的 实验开发着手，进行了大量研究，研究内容包括教材常规实验的改进（如，用温度探究代替温度计来观测二氧化碳的温 室效应），抽象理论的实验新设计（如，酸碱滴定中电导率 的变化、沉淀平衡时电导率的变化等），课外实验活动的开 发（如，利用色度计测红枣中铁元素的含量）等。这些实验 的设计和开发为促进相关教学提供了支持。但基于探究教学 模式设计的传感器技术实验活动研究不多，尤其是面向低年 级的课外实验探究活动甚少。从教师教育的角度来讲，有关 技术教育的师资培训中，针对基于传感器技术的教学培训模 式的探讨也较少。在基于传感器技术的学生概念认知方面， 也有一些研究，如，对传感器技术与酸碱中和滴定概念学习 的研究，[21]对传感器技术与化学定量问题解决的研究等， [22]但成果并不丰富。

（二）对我国传感器技术教学应用研究的建议随着传感 器技术的不断更新和相关研究及理论的不断发展，在基于传 感器技术的实验研究方面，我们建议能够在考虑开发新实验 和改进常规实验的同时，侧重对实验的教学模式和应用效果 等展开试验和分析（如，学生概念转变、能力变化等），多 开发优秀的教学应用案例，多收集使用后的反馈意见，从教 学模式和使用效果两个方面为同行提供参考。在师资培训方 面，建议对教师的手持技术的使用情况和问题等进行更全面 和更系统的考察与分析，有针对性地开展教师基于传感器技 术的教学应用培训，结合国外探究式教学模式，培养教师设 计和应用此类实验的能力，与实际教学相结合，使其能够深入体会传感器技术对课堂教学带来的变化。在教学方面，开 展多种途径的基于传感器技术的探究式教学，如，将验证性 演示实验转为学生自主探究实验，将教师导向式探究转为一 定的开放式探究，将学生个人探究转向合作式探究，将课堂 探究转为野外探究，这些均可以为激发学生探究兴趣，拓宽 学生探究思路等提供支持。另外，将优秀的课例汇编成教学 手册，建设共享平台也是基于传感器技术的教学能够得到更 大范围的应用和发展的有效途径。