数字媒体在促进低收入家庭儿童早期科学能力方面的应用

Xintian Tu，Lena Lee

【摘要】随着数字媒体设备在儿童早期教育环境中的应用越来越多，包括平板电脑在内的设备对儿童尤其是学龄前儿童的认知和学科学习有着重要影响。本研究以美国中西部低收入家庭为主的幼儿园（参与者均为三至五岁的儿童）为例，深入考察了平板电脑（iPad）是否能够融入学前教育课堂，以提高科学学习能力的可能性。本研究运用方差分析方法，针对来自低收入家庭中的非英语母语学习者、有特殊教育需要的儿童和无特殊教育需要的英语母语儿童，对其整体的提高和差异进行检验。结果显示平板电脑（iPad）教学使所有参与者都提高了科学学习能力。在所有组别中，非英语母语的儿童在具有较少英语语言指令的游戏中比其他组别儿童受益更多。

【关键词】儿童教育；数字媒体；科学教育

【中图分类号】G612 【文献标识码】A 【文章编号】1005-6017（2019）07/08-0054-06

【作者简介】Xintian Tu（1990-），女，辽宁大连人，印第安纳大学学习与科技研究中心研究助理、学习科学专业博士生；Lena Lee（1971-），女，韩国首尔人，迈阿密大学师范教育系早期与学前教育专业教授，印第安纳大学学前教育博士，法国巴黎第八大学女性研究博士。

一、问题的提出

进入21世纪以来，视频游戏和多媒体设备逐渐演变成一种主要的娱乐和教育中介[1]，数字媒体为儿童和成人提供了丰富的非正式学习环境。儿童也有更多的途径与数字媒体互动，这帮助了他们获得新的知识并开始接触学习环境[2][3][4][5][6]。在这样的环境下，为学前儿童设计一种适合他们的数字媒体课堂使用方式是具有重要意义的。鉴于平板电脑（iPad）是较为常见的数字媒体工具，在许多的学前教育机构以及小学都有使用，本研究将平板電脑作为主要的科学教育的课堂教学使用的数字媒体工具，旨在帮助开端教育（Head Start）中非英语母语以及有特殊教育需要的儿童能够更有效地通过运用平板电脑来学习科学知识。

早在2012年，全美幼儿教育协会（NA E YC [7]）表示互动媒体应该作为中介来帮助儿童增加与多媒体技术的中介，而且相关研究也证明了数字媒体与平板电脑是有价值的学习工具[8]。但是，相比高收入家庭，来自低收入家庭的儿童，非英语母语的儿童以及一些美国少数族群的儿童获得的教育资源及其他得益更少。对于他们来说，家中缺乏接触平板电脑以及智慧手机等高科技工具的途径，同时家长对儿童使用多媒体监管有限，这些儿童更容易通过电视或者网路看到更多没有教育意义的东西[9][10]。

科学学习的定义是“通过观察系统地获得知识和信息，通过多种方法包括实验法对信息进行验证”[11]。科学学习的过程其实是一个看不到的过程，儿童可以通过日常生活经验来帮助他们发展科学概念[12][13]。在幼儿对自然环境的科学探索中，他们日常亲自体验到的活动经历和交互式教学对于让他们参与学习过程是有效的[14][15][16]。这种学习过程可以发生在不同的日常活动中：体育活动，或者进行一些游戏等[17][18]。随着技术的逐渐发展，平板电脑逐渐成为新兴的学习工具，为儿童提供了科学学习比较好的条件。其次，大量的科学学习中涉及可视化的科学模型，也说明可视化的学习能够更好地对儿童的科学学习进行辅助[19]。视频游戏和平板电脑应用能够将较为抽象的科学概念进行可视化，从而帮助儿童建立情境理解教学内容。通过平板电脑游戏，儿童能学习如何操作对科学学习至关重要的材料和程序，教育者也可以通过数字应用来帮助儿童学习科学，激发他们的学习兴趣[20][21][22][23]。

除此之外，在使用科技产品来学习的过程中的性别差异也越来越被研究者所重视[24]，但在不同情境中，研究者对性别差异所得出的结论并不完全一致。Hallstr m， Elvstrand，and Hellberg（2015）[25]在瑞典幼儿园中的实验调查了儿童使用科技产品中，分别对参与儿童和教师进行了问答，结果显示该研究中没有明显的性别差异。在2016年美国中西部幼儿园儿童使用平板电脑学习数学和社会科学的研究中，研究者也发现了类似结果，即3～5岁的儿童没有明显的性别差异[26]。但是在其他验证青少年使用电脑或平板电脑学习的其他研究中，却出现了显著的性别差异[27][28]，例如女孩在对如何使用相关技术产品的时候接受较慢，而男孩则在后测的表现更好。因此，我们也将会比较参与的儿童中是否有显著的性别差异。

虽然数字媒体在科学学习中的实践的论文有很多，但大部分还是停留于中学以及大学的范围，针对小学以及学龄前儿童的相关文章还很少。本研究中我们主要关心的不仅仅是技术和数字媒体是否应该加入到儿童的课堂，而是这些工具应该如何作为一种有效的媒体来丰富儿童的学习经验。本研究的目的是检验数字媒体工具，即平板电脑，是否能够为来自低收入家庭的学前儿童的科学学习培养出一个有吸引力的基础的学习环境。因为本研究主要关注的低收入阶层的幼儿园群体包括非英语母语儿童（English Language Learner）和有特殊需要（Special Education Need）的儿童，同时探讨两种群体是否在使用数字媒体的学习过程中与英语母语的儿童有显著差异。

二、研究方法

（一）研究对象

本文按照方便取样的原则，选取来自4个位于美国中西部的幼儿园为研究对象，总计为10个班级。一共有161名幼儿参加了本研究，其中包括90名男孩和71名女孩；平均年龄3.5岁（SD=4个月）。37名是非英语母语的儿童即英语学习者（English Language Leaner），这37名儿童全部以西班牙语为母语的儿童，18名有特殊教育需要的儿童，其余的106名是英语母语并没有其他特殊教育需要的儿童。

（二）研究工具

研究者根据Hillman 和 Marshall 在2010年提出的适宜儿童使用的教学工具主要标准——互动、恰当性、结果的知识和参与性，2010年的美国科学教师协会（National Science Teacher Association）[29]提供的对幼儿科学教育的指导、全美幼儿教育协会针对幼儿数字媒体的评估指南（2014）[30]，以及咨询了参与教师的教学需要后，选取教育应用“GazzliScience”中的围绕 “季节”“五感”“植物”三个主题游戏为本研究主要教学工具。本项目的前后测评估包括6个针对科学概念的条目。其中第一项到第三项检测儿童对四季知识的概念，第四项检测儿童对五个感官感觉的理解，第五、第六项检测儿童对植物的理解（见表1，下页）。针对这六项的评估标准，研究者使用了项目反应理论里的Rasch 模型进行了检测[31]，通过WINSTEP 3.8 的分析结果，这六项评估标准的信度为0.95。

（三）研究过程

在这个研究项目中，我们调查了平板电脑教学对上述161名学前儿童这一学期在上述六个评估条目上的表现。本研究包括1名研究儿童早期课程的大学教授以及10名研究助理。研究一共持续10周，第一周和最后一周进行前测和后测。其余时间中研究助理作为主试每人会负责1～2个班级，他们每周都有两次和儿童一起用平板电脑科学APP进行独立教学的时间，每次教学持续60分钟左右。在教学中，我们采取一对一的辅导制，上面提及了每个科学游戏有一个侧重的科学概念，在教学课程中研究助理会使用该游戏进行两周到三周。

在前测中，研究助理根据评估标准对参与的儿童进行一对一的问答，也会借图片来评估儿童对科学概念的理解。前测之后，每个项目团队成员在他指导的班级里给儿童介绍平板电脑工具，着重强调平板电脑是来帮助儿童学习的， 并告诉他们会一个一个地和研究助理一起在平板电脑上完成游戏。在儿童完成所有的平板电脑游戏后，我们会在最后一周进行后测。前测和后测使用相同的设备、道具和用法来更加精确地评估每个儿童的进步。在儿童第一次使用和他们第一次玩新游戏时，研究团队成员会给儿童示范如何去用平板电脑。当儿童开始一个游戏，研究团队成员会观察儿童如何解决游戏问题，策略的使用，并及时发现儿童缺乏理解和困惑的地方。需要注意的是，虽然本研究中有一些非英语母语学龄前儿童，但所有的研究助理全部使用英语。

研究团队成员负责进行自己班级儿童的前测以及后测问答，在评估中，所有研究团队的成员对每个科学概念评估条目使用相同的评估编码：是，即儿童完全掌握技能，能够独立完成和对研究项目成员做出反应，计2分；部分，即儿童能够理解该问题，但并不能回答出全部内容，计1分；否，儿童不能理解题目且不能对评估项目做出反应，计0分。

三、研究结果与分析

（一）APP互动对学生提高的影响

如上所述，这6个评估条目的总和被记成儿童的总成绩，其中后测减去前测的成绩被记为该幼儿的提高值。针对全体161名幼儿的提高，我们使用了配对t检验，结果显示在前测和后测成绩之间有显著差异（t=-3.32，p<0.001），儿童在后测中获得的分数（M=8.22，SD=3.47）显著高于他们在前测中获得的分数（M = 5.42，SD = 3.40）。这表明所有儿童在10周和平板电脑的互动后，他们在6个评估项目上的表现都有了显著提高，掌握了更多科学相关的概念知识。在下一步针对三组儿童：英语母语、非英语母语和有特殊教育需要的儿童，是否在这10周互动中有差异，我们进行了一个2×3的多因素方差分析来测试三个不同的儿童组以及两个性别组是否差异显著。结果显示，儿童组别和性别没有显著的交互作用，F（2， 159）=0.31，p>0.05；儿童组别的主效应显著，F（2，159）= 7.31，p<0.001，η2=0.08；性别的主效应不显著，F（1，160）= 0.17，p>0 .05 。

然而，數据的显著差异仅仅是在有代表性的没有特殊需要的英语母语儿童和非英语母语儿童中出现。非英语儿童的评估成绩显著低于英语母语儿童，但英语母语儿童和有特殊需要的儿童之间差异是不显著的。三个儿童组的整体进步的差异也是不显著的。

（二）儿童在各个主题上的提高

为了更好地了解儿童在每个科学主题中的提高情况，我们针对每一个评估条目进行前测和后测分数的配对样本 t 检验，结果显示六个条目上所有儿童的后测分数相比前测分数都有明显提高。

对于三个儿童组的成绩提高是否存在差别，采用了六个独立的单因素方差分析来确定在没有特殊教育需要的英语母语儿童、非英语母语的英语学习儿童和有特殊教育需要的儿童间是否有显著的差异性，结果显示在评估条目3和条目6中，不同组儿童有极其显著的差异，其中在条目3“儿童能够描述不同季节的事物”中，F（2，161）=8.527，p<0.001，英语母语的儿童比非英语母语的儿童提高得更多；在测评条目6即“儿童能够说出帮助植物生长的元素”中，F（2，161）= 4.522，p<0.01，在三个组中，非英语母语儿童提高得最少，有特殊需要的儿童比英语母语且没有特殊教育需要的儿童少。

在后续的分析中，我们单独使用独立t检验比较了非英语母语以及英语母语儿童在每一个评估条目上的差异。结果显示，英语母语的儿童和非英语母语的儿童在条目1、条目3、条目5和条目6的提高上有显著性差异。首先，在条目1上，英语母语的儿童明显提高多于非英语母儿童，t（1，141）=2.142，p<0.05。在评估条目3上，同样英语母语的儿童比非英语母语的儿童提高得更多，t（1，141）=4.298，p<0.001。在评估条目6中，也是英语母语的儿童提高更多，t（1，141）=3.133，p<0.01。在项目5上，非英语母语的儿童提高得比英语母语的儿童更多，t（1，141）=–2.208，p<0.05。

我们还使用了单因素方差分析来测量男孩和女孩之间是否存在显著的性别差异。结果表明，尽管男孩和女孩在一些项目上平均得分有所差别，但性别在所有的项目上没有显著的统计差异，p>0.05。我们认为在本研究中儿童在使用数字媒体学习科学的时候性别差异不显著。

四、讨论

这个研究探索了将平板电脑设备在幼儿园科学课堂中运用的可能，基于前测和后测的数据，3个组别的儿童（非英语母语的儿童、有特殊教育需要儿童、和没有特殊需要英语母语儿童）在本项目的科学知识评估条目上都有显著性提高，并且性别上没有差异。儿童在评估条目1上有较少的提高，这是关于四季的顺序。季节的观念是一个早期儿童科学课程的主要部分之一，这鼓励幼儿发展将他们的现实生活与自然科学相关联。另外，四季顺序的概念是与顺序、时间和改变的概念理解紧密相关的——所有的这些抽象概念是幼儿很难感知到的。有时，四季顺序的概念对于年长一点的儿童都不容易理解。一些能够区分四季差异的研究项目的儿童在后测中不能够说对四季的顺序。其次对于参与研究的助理来说，他们能够提供的帮助也是有限的，它不同于评估条目4即五感相关的问题，五感对于儿童来说是相对较简单的概念，在进行五感相关的游戏和评估时，儿童们能够和研究成员讨论以及运用自己的身体部分来学习对应的感觉。但是在四季的顺序的学习上，因为这是一个相对五感比较宏观而且抽象的概念，参与的儿童并不能直接地将这个概念与他们每天的生活相联系。这也让参与研究的幼儿教育工作者明白，即使平板电脑中的教育应用提供了丰富的画面素材，为儿童提供了更直观的情境，但在实际应用中，即便儿童多次完成该游戏，在评估中他们其实并不能够准确地理解四季的顺序。

如上文结果中所述，我们发现尽管在本研究中三个组全部成绩有了明显的提高，但是我们也发现非英语母语儿童的进步相比其他两个组别的儿童幅度较小。其中一个可能性是因为本次平板电脑使用的应用Gazzili Science，以及参与项目的研究助理全为英语使用者有关。例如在条目3和条目6中，研究助理会在前后测的问答中问学生“你可以描述不同的季节中都有什么事物吗”，以及“你可以告訴老师植物（苹果、向日葵）生长需要什么吗”，这些指令在进行问答时对于非英语母语的儿童来说，都是难度较高的词汇，尽管我们用了照片和图片卡来帮助儿童理解我们的问题，也允许儿童借助图片来表达，但受到其语言能力的限制，儿童能够理解的和回答的内容都很有限，这也是本研究中的一个限制因素。但在评估条目5，植物种植需要的步骤中，非英语母语的儿童则提高得比英语母语的儿童更多。考虑到在植物游戏中，比较少见高级的英语词汇，而且游戏情境有大量的重复。例如虽然儿童在该应用中需要指引动画里的小人进行向日葵、苹果、玫瑰等的种植，但是这些植物种植的顺序是完全相同的：即先挖坑，再撒种，接着按时浇水，而后丰收。在这种需要理解的高级词汇较少，而情境又有大量重复的应用中，非英语母语的儿童更容易理解情境，因此能够比其他的评估问题更准确地回答问题。其次，在条目4中也有类似发现，虽然在条目4中三个组别的儿童差距并没有显著性的差异，但是就平均值来说，英语母语儿童的提高相对较少，非英语母语的儿童和有特殊教育需求的儿童在该项目上的提高比其他概念项目的更多。像先前讨论的，条目4评估的是儿童对五感的理解，也是将感觉与身体相关部位进行匹配，是这个研究项目中最简单的评估条目。在这里，非英语母语的儿童和有特殊需要儿童表现出更大的提高。从这个观点出发，如果在这个研究项目中通过平板电脑应用能够使儿童要学习的概念变得更加容易理解，那么平板电脑教学对于非英语母语的儿童和有特殊教育需求的儿童将成为更有效的学习工具。

五、建议

虽然本研究的参与者全部为美国中西部开端教育课堂以及低收入班级中的儿童，但是对中国幼儿教育中数字媒体的引入还是有一定的借鉴意义。首先，中国现有幼儿教育中，有些幼儿园已经引入了英语教育以及英语主导的课堂和学习资料。鉴于本研究的数据采集于全英文课堂，并且所有的数字媒体英语都是全英文，研究团队中可以使用西班牙语交流的研究助理也比较少，对我国实施双语教育的幼儿园比较有借鉴意义。本研究中，参与者的组别覆盖的儿童类型比较广泛，包括非英语母语的儿童和有其他特殊教育需求的儿童，这也是比较少见于其他研究的。相对于美国定义的较为宽泛的有其他特殊教育需求的儿童，在本研究中非英语母语儿童的学习和进步更值得国内的教育者思考。本研究表明非英语母语的儿童在学习的过程中处于劣势，参加本研究的非英语母语儿童，对英语课堂理解有限，他们使用数字媒体的时候，更多的是依靠他们对图像程序的记忆，而不是对科学概念的理解。因此，在使用英语多媒体的过程中，中国教育者应该更多注意到儿童在使用多媒体的时候，是单纯地对图像和应用流程做出反应，还是对科学概念的理解。针对儿童不理解的部分，应该着重练习。对于中国数字媒体的应用来说，如何去发展和设计适合非英语学习者，以及适合我国儿童发展情况的数字媒体应用而不是单单地选择英文原版的应用也是一个值得思考的事情。

第二个启示源于本文教师在多媒体的使用方法上的设计，本研究设计在开端教育的科学教育课堂中。值得注意的是，这些班级本身并没有统一的科学教材，教学目标是由研究团队的教授以及研究助理根据全美幼儿教育协会（NAEYC）来制定的。同时在使用上，不同于传统课堂中儿童在较少引导下独自使用多媒体，每一个儿童在本研究中使用多媒体的时候都是由一个研究助理或者本科志愿者一对一进行引导。这些研究助理在帮助儿童使用数字媒体中也担当了重要的角色，例如当儿童注意力不集中，或者对应用内容不理解的时候，能够及时发现儿童面临的困难，并及时地帮助他们突破他们的最近发展区。在这些研究助理的辅导下，儿童经常展现出较高的用平板电脑学习的兴趣。从这个角度出发，早期教育工作者和父母都应该注意到，虽然市场上有很多教育应用，但是实际使用中，儿童的注意力很容易转移，他们在使用教育软件的时候很容易过于被卡通画面以及数字媒体里预存的其他软件所干扰，因此成人的存在对于提高儿童用数字媒体学习的能力是至关重要的。在儿童使用数字媒体的时候，教育者以及家长都应该尽可能地进行辅导，及时发现儿童在使用中所出现的困难，对其进行积极正向的引导。

最后，科学教育以及平板电脑的使用在我国幼儿教育中所占比重尚有限，笔者希望借此论文能为国内从事幼儿教育的教师提供借鉴，从而帮助幼儿教师以及教育研究者思考如何用数字媒体来支持学龄前儿童的科学学习，为他们提供更加有趣的学习体验。我们希望在未来的课堂教学中，幼儿教师也能够从本文中学习适合他们的平板电脑在班级内的使用方法。

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本文系由低收入幼兒园强化PNC基金项目（Low Income Preschool Enhancement， funded by PNC foundation）支持的“低收入家庭学前儿童的ipad学习项目”的中期成果。

通讯作者：Xintian Tu，tuxi@iu.edu

（责任编辑 张付庆）