应用交互式电子白板的概念图策略效果研究

黄　瑛,叶冬连,李　华

(1.上饶师范学院，江西 上饶 334001；2.上饶市第二中学，江西 上饶 334000)

引言

近十年来，信息技术与课程整合的课题已受到人们的普遍关注。在信息技术与课程整合的教学活动中，信息技术手段不仅能将教学内容以数字化的形式呈现，其多元别致的呈现方式更能吸引学生，激发学生的学习兴趣。最近，国内外各类学校纷纷尝试使用交互式电子白板，以其可视互动化的方式呈现教学内容。

交互式电子白板(Interactive Whiteboard，简称IWB)，是通过触摸屏对数字化的教学资源进行可视化、交互性操作，达到教学目标的信息技术手段。可根据教学知识点的具体特征，进行如图形上色、快速移动对象、图像缩放、文字加批注、页面回放、细节聚光、对象隐藏等多方面生动形象的可视化表达，以实现自主交互式的教学。国内外政府积极推动IWB在教学中的应用,例如，英国政府于2002、2003 和2004 连续三年投入大笔资金建置中小学交互式电子白板;伦敦市的小学于2007年全面改用电子白板；新加坡于2008 年决定选出五所“未来学校”，全面利用电子白板、无线网络等信息技术进行教学创新；香港教育局于2004 年开始推动中小学IWB试点计划，并对IWB应用于课堂上的教学效果进行研究；我国政府通过“农村中小学现代远程教育工程”、“班班通”等项目，推动IWB在教学中的应用，教育行业成为当前采购IWB的主力军，占总采购量的91%。IWB在我国大陆的销售数量，从2005年的8000块猛增到2010年的10.6万块，6年来IWB的销售量增长了12倍之多[1]。Smith(1999)[2]研究指出，IWB适用于各年龄层次的不同内容的教学。Ball (2000)[3]研究了交互式电子白板在课堂教学中的应用，结果表明，IWB能为教师带来便捷，可以激发学生学习兴趣、动机，提升学习成效。Dhindsa和Emran(2006)[4]等学者研究了应用IWB进行合作学习的教学效果，指出应让学生有更多的交流、互动及合作的机会，有利于建构并重组他们的知识结构。Dill(2008)[5]探讨了小学数学课

堂教学，使用IWB技术与数学学科成绩是否呈正相关的问题。结果表明，五年级实验组比控制组的数学测试平均分更高，而在三、四年级两者并没有显示出相关性。本文我们将探讨在IWB环境下利用概念图教学策略的物理学科教学效果。

概念图是Novak 和 Gowin(1984)[6]依据Ausubel 的“有意义学习”理论发展出来的一套利用命题表示概念之间关系，通过图表的方式表示知识架构的一种学习策略。随着信息技术的发展，概念图的学习策略由最初的"纸+笔”方式到计算机化，发展到如今的基于IWB的计算机化方式。国内外学者针对概念图策略的应用效果做了大量的研究。Kwon(2009)[7]在自然学科教学中，分别施以合作式计算机化概念构图模式、个别计算机化概念构图模式和传统教学方式，探索利用计算机化概念构图软件Inspiration的教学效果，其结果表明，接受计算机化概念图学习的学生，学习效果显著优于未接受概念图组，且在计算机化概念图中，合作学习的学生其概念图的质量也较个别概念图好。台湾科技大学黄国祯教授等(2013)[8]研究了不同概念图教学模式对学生学习态度与学习成效的影响，实验组一在数字化教室进行分组合作式概念图的自然学科教学，实验组二施以个别计算机化概念图教学，控制组以个别纸笔概念图模式进行教学，其结果显示，在学习态度方面，实验组一显著高于其他二组，表明用IWB进行概念图教学能提高学生的学习兴趣；在学习成绩方面，实验组二显著高于实验组一，以个别计算机化概念构图的学习方式优于分组合作式概念构图，同时表明，IWB的使用与学生自然学科成绩并不呈显著相关，这一研究结论与Kwon的结论在一定程度上相悖。

为了探明在IWB情境下采用概念图教学策略，对提高物理课程教学效果是否显著，我们以八年级106名学生为研究样本，从学生的学习效果的提高、学习态度的改变和对概念图的接受程度等三个方面进行实证研究。

1　研究设计

本研究选择的教学课题是人教版八年级上册物理第五章：透镜及其应用。主要内容有：透镜、光心、光轴、焦点、焦距、物距、像距、放大、缩小、实像、虚像、发散、会聚等物理概念，像的虚实、大小、正倒与物距的关系等物理规律及其在生活中的应用。其中，光心和焦点是描述透镜的两个基本概念，由此可得出焦距的概念，由物距、焦距、像距之间的关系可找到成像规律。本章节涉及的概念较多、抽象，概念间的关系复杂，这给初中生带来了较大的困难，IWB能将光心、光线的发散与会聚、焦点等抽象的概念形象地表达出来，并能通过触摸屏找出像的虚实、大小、正倒与物距的关系。概念图是引导学生主动探究教学内容中概念间因果关系的策略，有助于学生系统掌握概念并揭示概念间的关系，将抽象的物理概念可视化为形象的图形图像，从而形成知识网络；学生通过绘制概念图，表达对概念与规律的理解程度，评价自己对教学内容的掌握情况，并在教师的引导和启发下修正概念图最终形成正确的知识意义建构；绘制概念图能培养学生对物理学科的探索能力，学生动手完成一副精美的概念图作品，将大大地促进学生的物理学习自我效能感的实现，有助于提高学生的学习兴趣、从而优化学生的学习方法。

本研究目的是在已有的研究基础上，进一步探究基于IWB的计算机化概念图的应用效果。本研究结构如图1所示，研究的自变量分别为基于IWB的个别化计算机概念图策略、基于IWB的合作式计算机化概念图策略、一般计算机化概念图策略。因变量为学习成绩、学习态度、概念图的接受度。控制变量为相同的教师、教学时间和教学内容。

1.1　研究对象

本实验以研究者所在学校八年级三个班的106名学生为样本。其中两个班分别为实验组一及实验组二，另一班为控制组。实验组一(简称G1)接受基于IWB的个别化计算机概念图策略的教学，实验组二(简称G2)接受基于IWB的分组合作式计算机概念图策略的教学，控制组(简称G3)不采用IWB技术，代之以学生各自独立地使用计算机接受概念图策略教学。三个班级由同一名教师授课，G1、G2、G3的学生人数分别为35人、36人、35人，学生平均年龄15岁。

1.2　研究工具

图1　研究结构图

本研究的研究设备为三组所需的软硬件设备，分别由学校多媒体计算机教室提供。G1是在具备交互式电子白板的教室，以一人一机的计算机方式进行教学；G2是在具备交互式电子白板的教室，并配有十二台计算机，采用异质分组的方式，以3人一组进行教学；G3是在普通计算机多媒体教室，以一人一机的方式进行教学。三组学生所使用的概念图软件均为Inspiration。

研究用于评价学生的学习成绩采用测试的方式进行，测试内容由两位物理学科教师协作完成，题目类型为判断题、选择题、计算题，共20题，总分100分，测试时间为1课时(45分钟)。

研究用于评价学生的学习态度采用问卷调查进行，该问卷是由研究者与专家学者讨论后确定的。该问卷共有20题，包括对物理学科的学习态度、对物理学科教师的看法及对物理学科的学习动机。问卷采用Likert五量表进行，“完全符合”计5分，“符合”计4分，“一般”计3分，“不符合”计2分，“完全不符合”计1分。问卷所得分数越高，代表学生对物理学科的学习态度越好。该问卷通过Cronbach's系数测量，显示具有较好的信度水平。

研究用于评价学生对概念图的接受度采用问卷调查，该问卷由研究者自编完成。该问卷共有10题，包括概念图的可用性和易用性。问卷采用Likert五点量表进行，计分方式同上。

1.3　实验流程

本实验的流程如图2所示，教学内容为八年级《透镜及其应用》单元。首先，对三组学生进行物理学习态度量表的测试，测试时间为一课时，并根据学生学习特征不同，从物理学习前测成绩、组织协调能力、语言表达能力等方面综合考虑进行异质分组，3人一组，共分为12组。然后，对三组进行计算机化概念图软件的教学即介绍概念图的相关知识及Inspiration软件的使用，此阶段三组时间相同为一课时。

接着，在确保三组具备相同预备知识与技能的前提下进行课堂教学。教学理念是以学生为主体、教师为主导开展教学活动，G1是使用IWB教学，学生利用Inspiration软件进行个别化概念图的绘制，并展示概念图作品以进行课程单元内容的学习；G2是使用IWB教学并规范合作学习活动流程，学生利用Inspiration软件进行合作概念图的绘制，合作学习活动流程图为：个别化学习→知识共享→讨论修改→完成作品→展示作品→自评与小组评价 ；G3是在一般计算机教室，利用Inspiration软件进行个别化概念图的绘制以进行学习，该阶段三组时间各为5课时。

课程结束后，学生完成对物理学习成绩、物理学科的学习态度、概念图的接受度进行测试，时间约2课时，研究者收集数据并加以分析。

图2　实验流程图

2　研究结果与分析

2.1　物理学科学习成绩分析

本实验的研究对象是八年级的三个平行班，在前测总成绩平均分非常接近，因此三组学生的初始知识水平可视为相当。在本实验设计中，考虑到学生的原有的物理成绩对实验结果的影响，使用协方差分析实验后的学习成绩。首先，检验教学方法与学生的原有物理成绩是否存在相互关系。结果显示，概念图策略应用方式×物理基础成绩的sig.=0.225>0.05，即两者的交互作用不显著。在此基础上，我们进行多因素方差分析，结果如表1。

表1　物理学科后测学习成绩协方差分析结果

由表1可知，在学习成绩方面，基于IWB的合作式计算机概念图的G2小组成绩最好，基于IWB的个别化计算机概念图的G1小组成绩次之，独立使用计算机化接受概念图教学的G3小组成绩最差。对成绩的协方差分析，三组的物理学科后测学习成绩达显著性差异(F=4.052，P=0.026<0.05)，G2的成绩显著优于G3，但G1与G2、G1与G3均未达显著差异，表明基于IWB的合作式计算机概念图组的成绩显著优于个别计算机化概念图组的成绩，但基于IWB的个别化计算机概念图组的成绩与个别计算机化概念图组的成绩并不呈显著相关。该结果与黄国祯等学者的研究结论相左。我们认为本研究样本是八年级的学生，较之黄教授所选择的六年级学生，具有较为成熟的心智属性，为开展有效的合作学习活动提供了可能；同时，在分组学习之前教师规范了合作学习活动流程，并全程为学生提供指导帮助，这大大地促进了基于IWB的合作式计算机概念图的学习效果。

为了进一步了解学生的学习情况，我们针对G2组学生的学习过程进行随机访谈。有S1学生说到：在老师的指导下，我们首先制定了小组规范，当小组长在一段时间内对小组所作的贡献没有某个学习者大时，组长职务将被取替。在不同的学习阶段，我们相互竞争又相互学习。有S5学生说到：当我们小组出现大的矛盾时，老师的及时引导很重要。有S11学生说到：在白板前面，我们展示并修改概念图作品，见证了每个同学所做的努力。有S30说到：学习挺有趣的，我们一直在协商、改进我们的作品，直到统一意见。

从以上同学的访谈内容中，我们可看出，利用IWB，选择有效的合作学习策略，能使得学生的学习成绩更优化。IWB体现了一种“特殊综合技术”(丁兴富，2004)[9]，其技术障碍相对较小，自带的功能如聚光灯、放大镜、拍照等更能表达物理教学内容，突出重点，反映细节，有助于培养学生洞察细节的能力；它所具有的页面回放和编辑等特殊功能，有利于学生系统地建构学科知识。在本实验中，G2是在IWB情境下，学生通过有效的合作学习活动的安排，便捷地修改概念图，实现可视化呈现小组的知识建构过程；教师自如地使用IWB进行教学，实现人机交互、师生交互，更能生动形象地表达教学内容。

由此可知，分组学习并不等同于合作学习，只有开展了有效的合作学习活动，在IWB情境下，概念图策略对于提高学生的学习成绩是有效的。虽然IWB的个别化计算机概念图组学习成绩与一般计算机化概念图组学习成绩并未达显著差异，但它的平均分更高， IWB技术的优势还是可见的。教师若能长期使用IWB的教学，熟练地掌握基于IWB的教育技术，提高学生对新技术的适应性，基于IWB的个别化概念图之学习成绩应会比一般计算机概念图教学效果更显著。

2.2　学生的学习态度分析

为了了解实施不同概念图策略后，学生的物理学科学习态度是否有变化，在实验前后，分别对学生物理学科学习态度进行了调查。以下针对各组的物理学科学习态度问卷前后测进行配对样本t检验，以了解学生的物理学科学习态度的改变情况。

G1是基于IWB情境下个别化计算机概念图组，其物理学科学习态度的前后测配对t检验结果如表2所示。结果显示，G1学生的物理学科学习态度前后测达显著差异(t=-3.131，P=0.004<0.01)，且后测分值高于前测分值，意味着基于IWB情境下个别化计算机概念图方式进行物理学科教学活动，提升学生的物理学科学习态度具有成效，且达显著性水平。

表2　G1物理学科学习态度问卷前后测配对样本t检验结果

G2是基于IWB情境下合作式计算机概念图组，其物理学科学习态度的前后测配对t检验结果如表3所示。结果显示，G2学生的物理学科学习态度前后测达显著差异(t=-4.455，P<0.01)，且后测分值高于前测分值，意味着基于IWB情境下合作式计算机概念图方式进行物理学科教学活动后，对于提升学生的物理学科学习态度具有成效，且达显著性提升。

G3是一般计算机化概念图组，其物理学科学习态度前后测配对t检验如表4所示。结果显示，学生的物理学科学习态度前后测结果没有显著性差异(t=1.423，P=0.164>0.01)，但后测问卷平均分数低于前测问卷平均分数。

表3　G2物理学科学习态度问卷前后测配对样本t检验结果

表4　G3物理学科学习态度问卷前后测配对样本t检验结果

在问卷第1题“学习时我会全身心投入本课程安排的活动”，结果显示进行IWB情境下的两个/组较之一般计算机化组更投入课程中，对物理学科的学习态度更好；第9题“我能跟上物理老师的思维进程”，结果显示进行IWB情境下的两个组更对物理学科教师的看法更积极；第17题“为了确定我已掌握了物理知识，我会出题考自己”，结果显示接受IWB情境下计算机概念图的两个组对于学习动机较之一般计算机化组更强。

综上分析，不同概念图策略应用方式进行物理学科教学活动后，在IWB情境下教学的学生，其对于物理学科的学习态度、物理学科教师的看法、物理学科的学习动机，显著优于一般计算机化概念图组学生的表现。由于IWB其特殊功能能清晰呈现与修改细节内容(如凸透镜、凹透镜的成像光线图)，减少了学生的学习障碍，同时学习自我效能感得以提升，故对学科的学习态度是积极主动的。其次，在交互式白板情境下，教师不再是远离学生的设备操作者，而是面向学生，在白板上熟练操作，回归到学生集体中，达到良好的师生情感交流，学生的学习兴趣得以提高。

2.3　概念图策略接受度分析

三组的概念图接受度问卷调查的得分为：G1(平均值=38)>G2(平均值=35)>G3(平均值=31)，由于本实验用于检验不同的概念图策略是否对概念图接受度造成显著变化，因此我们对得分进行单因素方差分析。结果如表5所示。由分析结果可知，三组对概念图的接受度问卷调查得分具有显著性差异(F=8.06，P=0.002<0.01)。

表5　三组概念图策略接受度单因素方差分析结果

表明基于IWB的个别计算机化概念图组对于概念图的接受度最高，且与一般计算机话概念图组呈显著差异；基于IWB的合作式计算机化概念图组的概念图接受度次之，且与一般计算机化概念图组呈显著性差异；基于IWB的个别化计算机概念图组与基于IWB的合作式计算机化概念图组的问卷得分并未达显著性差异。因此我们认为，由于交互式白板这种新型的信息技术手段与课程结合，在很大程度上为教学活动的开展提供了便捷，物理学科由于其特有的抽象性，学生通过概念图软件能将知识结构串联起来以构建属于自己的概念图，并通过IWB实现交互可视化，应将显著提高学生对概念图的接受度。在IWB情境下，由于G1组学生能够独立完成属于自己的概念图作品，在很大程度上促进了学生对概念图的绘制的熟悉度，提高了学生对概念图策略的接受度。

3　研究结论与启示

本研究以八年级三个班的学生为样本，实验共分为三组，G1是基于IWB的个别化计算机概念图进行物

理学科教学；G2是基于IWB的合作式计算机概念图进行物理学科教学；G3是一般计算机化概念图进行物理学科教学，实验时间为9课时，通过协方差分析、配对样本t检验、单因素方差分析等数据分析，从物理学科学习成绩、学习态度、概念图接受度三方面研究了基于IWB的概念图应用效果。

结果表明，在物理学科的学习效果方面，实验组二显著优于控制组；在学科的学习态度方面，实验组一和实验组二显著优于控制组；在对概念图的接受度方面，实验组一对概念图的接受度最高。由此可知，利用交互式电子白板技术能极大地提升学生的学科成绩，显著提升学习态度和概念图的接受度。配备交互式电子白板的计算机教室，采用合作学习方式在学科成绩上显著优于个别化学习方式，但在概念图接受度方面，个别化学习方式优于合作式学习方式。

在信息技术飞速发展的今天，信息技术与课程整合已成为学者们探究的重要课题。概念图作为“有意义学习”实施的具体策略，作为抽象知识结构的可视化呈现方式，其与不同科技手段相结合，由“纸+笔”形式到计算机化概念图到基于IWB的计算机化概念图，由于IWB的特殊功能与效果，将能充分发挥概念图策略的应用效果。因此，在实施概念图教学策略时，若能结合交互式电子白板的诸多优势，开展有效的小组合作学习活动，并辅以个别化学习，同时充分发挥教师在教学活动中的主导作用，将有助于优化学科学习成绩，增强学习兴趣，提高对概念图的接受度。

参考文献：

[1] 2010 年中国交互式电子白板发展状况调查报告 [DB/OL].http://www.ty360.com/2011/6/2011_1_42163_1.htm.

[2] Smith, A. Interactive whiteboard evaluation [DB/OL]. http://www.mirandanet.ac.uk/pubs/smartboard.htm118，1999.

[3] Ball, B. teaching and learning mathematics with an interactive whiteboard [J]. Micromath, 2003,19(1):4-7.

[4] Dhindsa, H. S., Emran, S. H. Use often interactive whiteboard in constructivist teaching For higher student achievement [C].Proceedings of the Second Annual Conference For Middle East teachers of Science. 2006.

[5] Dill, M. J. A tool to improve student achievement in math: an interactive whiteboard[D]. Ashland :Ashland University,2008.

[6] Novak, J. d., Gowin, D. B. Learning how to learn [M]. Cambridge, London: Cambridge University Press. 1984: 625-645.

[7] Kwon, S. Y., Cifuentes, L. the comparative effect of individually-constructed vs. Collaboratively-constructed computer-based concept maps [J]. Computers & Education, 2009,52(2):365-375.

[8] Hwang, G.-J., Wu, C.-H., Kuo, F.-R. Effects of touch technology-based Concept Mapping on Students' Learning Attitudes and Perceptions [J]. Educational technology & Society, 2013,16 (3):274-285.

[9] 丁兴富.基础教育信息化的突破口:从校校通到班班通[J]. 中国电化教育,2004,11:8-12.

[10] Yang, C. C., Hwang, G.-J., Hung, C. M., tseng, S. S. An Evaluation of the Learning Effectiveness of Concept Map-Based Science Book Reading via Mobile devices [J].Educational technology & Society, 2013,16 (3):167-178.