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听或看模型:盲人和有视力的学生学习科学中的动态复杂系统
背景
在许多国家,盲人学生被纳入公立学校,但由于大多数学习材料都是视觉材料,他们往往无法充分参与科学。为了创建一个补偿性的途径,通过语音化(增加了代表动态信息的非语音声音)的方式,对现有的基于模型的学习环境进行了调整。学习环境采用基于代理商的模型和复杂的系统方法来教授动力学分子理论和气体定律。模型附有一个由文本(印刷或听觉)和图像(印刷或触觉)组成的工作簿。
目标
目前的研究考察了这种感性补偿是否为盲人的学习者创造了一个可比较的学习环境,而与使用原始学习环境的盲人学习者相比。这项研究的目的是扩大有关听觉通道如何补偿盲人的视觉通道的知识。
方法
利用问卷前和后的方法对科学中的概念学习和复杂系统的推理进行了评估。为了探索学习者在整个单元的学习进度,选择了四个进展分析"窗口"。这些是工作簿中的相邻或接近相邻的项目组,这些项目允许对学习者的发展进行一窥。
结果
声光环境不仅支持盲人学习,而非视觉材料学习者的学习,甚至促进了他们的传播学习,这是国民党更有挑战性的概念之一。这项研究中使用的超声化表示的类型似乎增加了听众对微观层次交互的敏感性,在视觉表示中更难获得。
吸引
超声环境可以通过补偿和补充视觉通道为盲人提供公平参与。听声对盲人和有视力的学生都有暗示意义。
非正式描述
已经知道的
声音化是使用非语音语音来表示动态信息。声化可能被用来让盲人学生公平参与。
本文补充的内容
为了验证这一点,该研究将使用超声化学习环境的盲人学习者的结果与使用视觉环境的盲人学习者的结果进行了比较。
对实践的影响
盲人的学习者与视觉模型的学习者相比,使用超声模型的学习结果相同或更好。将盲人学生融入公立学校教室具有重大意义。
1.导言
我们如何支持盲人学生获得科学探索性学习材料?
在以色列等许多国家,盲人学生几十年来一直被纳入公立学校。尽管如此,大多数科学教育中的学习材料都是基于视觉信息,因此对盲人学生不利(贝克-温查茨∓里奇波诺, 2008 )。传统上高度依赖可视化的一个具体领域是模型和模拟。这使学习者能够操纵、探索和发现世界上的模式,将其作为科学学习的主要途径(德容和范乔林根, 1998 )。若干文献回顾表明,有强有力的证据表明,模型和模拟能够显著提高其他形式的科学教学(卢卡和扎查利亚, 2012 鲁腾等人, 2012 斯梅塔纳和贝尔, 2012 ),以及过去二十年发展的学习环境,逐步包括以模式为基础的学习,作为课程的重要组成部分。
听复杂性(L2c)是一种环境,旨在为盲人学生及其教师提供基于模型的学习机会:因此,努力提供平等进入科学教室的机会。它的设计是基于这样的假设,即通过补偿性感官渠道提供适当的信息可能有助于盲人学生的学习。 1988 ),而这些资讯是以声音化的方式提供的(非语音声音代表某些资讯)。环境允许与探索性材料充分互动,独立收集数据并控制其学习过程。
本文着重介绍了这种基于模型的学习环境,这种学习环境适合于完全盲人且没有剩余视觉的学习者。该模型使用一种复杂的方法来学习使用基于代理人的模型。这些术语将在文献综述中详细研究。具体而言,本文研究了为盲人学习者建立的超声识别主体模型是否能够为有视力的学习者提供一种类似于原始识别主体模型的替代方法。
2文献回顾
2.1复杂系统教学方法
在若干不同的科学和教育领域,复杂的系统方法已成为人们关注的焦点,并基于以下理念:系统可以模拟许多实体的模式,这些实体根据一小部分简单规则运作,它们的并行行动和正在形成的全球模式中的相互作用(Bar-Yam, 1997 )。复杂系统方法的重点是单一实体的地方行为和相互作用如何形成一种全球模式,并可促成一系列广泛的系统性现象(Baraabsi和Banaboou, 2003 尼科利斯和普里戈因, 1989 ; Turchin, 2003 )。这项研究与美国科学教育框架(国家研究委员会, 2013它强调系统和模型是核心的交叉概念。
为了帮助学生克服这些障碍,人们展示了一种复杂的化学教学系统(霍伯特和威伦斯基, 2014 利维和威伦斯基, 2009b )。向学生介绍动态复杂系统的一种方法是采用基于代理商的建模方法,在这种建模中,计算机模型模拟系统中许多自主的、相互作用的实体,使用户能够观察各个实体之间的互动是如何形成全球模式的。
(威伦斯基, 1999b )是一个可免费下载的模型环境,能够使用反弹道导弹。在这项研究中,模型是基于气体实验室(威伦斯基, 1999a )和关联化学(cc1) 2009a )可在可观察的宏观和分子微观层面学习化学系统的课程。以往对有远见的学生利用这些环境进行的研究表明,在对气体微粒的行为以及这种行为如何影响全球可观测现象的概念理解方面,有了很大的学习成果。 2009b 萨满&莱维, 2017 ).
2.2盲人学生辅助技术
盲人学生已被纳入公立学校数十年。因此,他们的科学学习通常得到科学教师的支持,而不是专家的支持。然而,由于大多数科学教材都是以视觉信息为基础的,所以科学教育未能为盲人学生提供包容性教育(贝克-温查茨∓里奇博诺, 2008 )。只创建了少数几种专门的手册和学习环境,向盲人学生教授科学(例如:,威洛比和达菲, 1989 )。辅助技术可以通过提供获取信息的替代途径来弥补这一差距。
科学教育中的辅助性技术系统是罕见的,部分原因是使用了独特的符号、字符和非线性的写作风格。 2013 …………………………… 2010 )。过去的例子包括使用音频和二维触觉图像学习数学和科学图表的触觉片(兰道等人)。, 2003 ),是一种触觉模拟,它能让失明的小学生和中学生学习粒子运动、温度和压力。, 2014 ),基于听觉和触觉反馈的线图技术,以学习数学为导向(拉姆洛等人。, 2000 )和物理教育中的动力反馈鼠标(法雷尔等人。, 2001)。这些例子需要有特殊的硬件来部署,这对每一位科学教师来说可能并不容易。
用于帮助盲人学习的辅助技术是基于触觉(如盲文屏幕)和/或听觉方式(如屏幕阅读器)。后者的优点是它通常不需要专门的硬件。听觉输出可由普通计算机产生,而触觉输出则需要专门设备,如盲文屏幕或触觉反馈装置。听觉模式的目的是通过提供语音(如屏幕阅读器)或非语音音的声化信息来弥补视觉信息的不足(克雷默, 1994 )。语音信息的表达适合于文本,而声音化更适合于提供非语音信息,如时空信息(KATZ∓皮奇纳利), 2011 ; Leuders, 2015 ;桑切斯等人, 2008 )。超声化的例子可以是心脏监护器的鸣叫声、警车的警笛声或通过音调变化表示大气中二氧化碳含量的音频图(例如,参见。,这段视频,随着时间的推移,它能提高大气中的二氧化碳含量- https://www.youtube.com/watch?v=O5AhP1I61sU ).
2.3L-C2环境
L2c环境采用复杂的系统方法和反弹道导弹,向学生传授动力分子理论和气体定律,这些理论是了解许多物理学高级概念的基本理论(国家研究委员会,NGSS)。 2013 )。要获得充分理解的挑战之一是,化学系统至少可以用三种不同的方式来描述:一种看不见的分子亚微观层次、一种经验丰富的宏观层次和一种符号表示(约翰斯通, 1993 )。研究表明,学生往往缺乏对所有三种模式的深刻理解(努斯鲍姆, 1985 ).
为了这个目标,一个现有的基于模型的学习环境(莱维威伦斯基, 2009a , 2009b 萨满&莱维, 2017 )是为盲人的学习者而改编的,采用的是声音化、非语音音频来传递信息(克雷默, 1994 )。超声接口至少可以利用通用设计七个原则中的五个原则:(1)适当使用;(2)灵活可用性;(3)简单、直观的使用;(4)可访问和易于记住的信息;(5)抵抗错误(McGuire等人)。, 2006 ).
L2c模型使用户能够与实时计算的动态物体进行互动,在了解复杂科学现象的同时,提供了更高的现实感。动态复杂系统的声像化表示,提供了一个系统中快速变化的微观和宏观信息的存取。这是一种基于强大且持续发展的免费网络标志平台的低成本技术,对于未来的传播和可行的公平性至关重要。 1999b )。此外,声音是通过简单的立体声耳机传递的,通过调整两个耳机之间的音量和相对音量,可以得到粒子的二维表示。继作者的原著之后, 2011 ;征收和拉哈夫, 2012 ),位于科罗拉多大学的一个专门研究交互式模拟的项目,已经开始开发类似的超声模型(摩尔, 2015 ; PhET, n.d. 托姆林森等人。, 2019 , 2021 ;温特斯等人, 2019 ).
本研究以作者及其同事的长期研究与开发工作为基础。作为第一步,通过研究和测试如何利用健全的调解模式支持盲人的科学学习,研究了声化方法的可行性。 2011 ;征收和拉哈夫, 2012 )。在此基础上,随后的研究通过研究盲人参与者对不同类型的听觉表现和复杂的声音模式的听觉感知来完善这些模型。这使人们能够更好地理解如何将声音模式感知并转化为概念模型的过程(Lahav等人)。, 2017 , 2019 )。更多详情见以前的出版物。简而言之,由此产生的环境声音在语义上与它们的引用相关;例如,粒子碰撞被两个台球的碰撞所声音化。普通计算机容易产生的声音效果被用来方便转移。通过L2B学习活动,用户逐渐接触到两到五个声音流,这有助于建立用户的流隔离。以下的视频连结展示了声音化的学习环境( https://www.youtube.com/watch?v=BQpM-oM7hI8 )。主要的技术用于发展超声化的表示是网标平台(威伦斯基, 1999b)用于建模系统。我们还使用了一个扩展到网络标志,我们开发的声音输出立体声和更精确的处理声音文件。最后,应用了计算机的MIDI音响系统和外部WVV文件。
在这些精益求精的超声模型基础上,下一步是比较L2B系统与盲人学生的现有教学方法相比将如何发展(Lahav等人)。, 2018)。20名盲人分为两组(参加者年龄在17-33岁;14人是本科生,2人是高中生,其余人没有参加教育方案)。所有参与者都是根据当地盲人组织制定的标准挑选的,该组织也帮助招募参与者。所有参与者都在学校学习过科学,但不是在大学或大学。以前没有人研究过国民党的煤气。一个小组使用以课程为基础的教科书学习,另一个小组使用与L2c相结合的相同课程。使用L2c模型的参与者的表现优于同龄人,因此支持听音方法作为一种补偿帮助,使盲人学生能够获得实际学习经验。
到目前为止,这项工作只是由盲人来研究学习环境的设计及其相关的感性、认知和学习过程。除了这项工作之外,本研究还包括有视力的人,他们通过更典型的视觉模拟学习,并将他们的学习与盲人学习进行比较。我们比较了盲人学习者和视觉学习者的一组超声模型教材的学习结果和过程。这项研究有助于扩大关于听觉通道如何补偿和补充盲人学习科学复杂系统的视觉通道的知识。实际上,这项研究有助于了解课程材料如何能够被改编为学生有视力和学生盲人一起学习的课程。
总之,在本研究中,我们希望研究盲人的声音化是否可以补偿基于复杂系统方法的学习环境中的视觉暗示。我们既评估科学中的概念学习,又评估盲人学习者和在引导下探索反弹道导弹学习环境的学习者对复杂系统的推理,在这种环境中,微观和宏观层面的变量和事件是视觉的,也是听觉的。我们的研究问题是:盲人的概念学习、系统推理和具有超声反馈的学习过程如何与有视力的学习者通过视觉反馈进行的学习相比较?
3方法和材料
3.1研究设计和参与者
为了研究盲人学习者和有视力的学习者之间的比较学习,采用了两组试验前干预-试验后准实验设计。对于那些不熟悉特殊教育研究的人来说,重要的是要知道盲人或视障学生是罕见的人群(18岁及以下儿童的3%; 2020 )他们中的每一个人都花了很大力气招募。参与者是在盲人组织的帮助下通过雪球抽样招募的。需要与参与者经常沟通,以确保流动问题不会成为一个障碍。没有向参与者提供奖励或奖励。
必须指出的是,由于盲人难以参与,比较盲人和盲人的研究很少。另一种研究方法是用眼睛被蒙住的有视力的人代替盲人(见,例如。法律与范德海顿, 1999 , 2000 )。在我们看来(与其他人分享)。班尼特和罗斯纳, 2019 ; Tigwell, 2021),这是一个不恰当的选择,因为在盲人身上会出现额外的问题,例如更多地使用替代感官方式,专门寻找替代方法来弥补缺乏视力的情况,以及在使用无视觉技术方面的经验等等。因此,该项目的决定是让盲人参与进来。为这一决定付出的代价是两个研究群体之间的不对等。由于许多盲人没有行动能力,因此很难获得盲人的参与,因此不得不放宽纳入研究的标准,导致平均年龄和抽样规模的差异。因此,实验组由10名盲人组成。比较组包括31名七年级学生(12至13岁),他们被发现就读于一所社会经济高中。
为了补偿这种年龄上的不对等,为研究选择的学习单元经过了很好的测试,并在第七年被广泛使用(萨蒙∓利维, 2017 )升至十一年级(列维伦斯基, 2009a , 2009b ),并被发现在不同教育层次具有挑战性和参与性。另外,在我们早期对盲人成年人的研究中, 2011 ),我们可以看到很大的学习成果,与本研究中的学生相似。
选择盲人参加者的标准有三个:完全盲人,没有剩余视力,没有额外残疾,没有以前学习过国民党的气体。参与者的自我报告和帮助我们招募盲人的盲人组织的代表对这些标准进行了验证。他们19-28岁, M =24,SD=2.68;9名男性和1名女性;9名先天失明;3名有残余视力(光感知)。八个是本科生,两个在一家工厂工作。没有一个有剩余视力的参与者将其用于阅读或写作。所有参与者都在学校学习过科学,但不是在大学或大学。所有参与者都知道如何操作计算机以供日常使用。虽然大多数参与者阅读和书写盲文,但在研究会议期间,所有参与者都倾向于使用听觉解释文件和触觉图像(测试前和测试后问卷和工作指南)。参与者是在盲人组织的帮助下通过雪球抽样招募的。所有参与者在开始研究之前都表示同意。他们可以随时退出研究.退出不会影响他们继续在该股学习的权利。
被发现的参与者是两个中学科学班的学生。所有学生都在七年级(通常为11-12岁),性别分布大致平均。
以色列教育部和大学道德委员会获得了对这项研究的道德认可。对于有视力的学生,学校副校长获得了管理该单元和收集数据的初步许可。在该小组运作前几天,向家长发出了一封信,让他们选择不参加数据收集。学生也可以选择在任何时候退出学习而不承担任何后果。没有参加数据收集的学生仍然参加教学活动。没有收集个人数据(如年龄或性别)。确保姓名与数据分开,教师无法查阅数据。为了匹配问卷前,调查问卷后,学生在工作簿上匿名回复,给学生唯一的身份号码。这一数字只在会议期间提供给研究人员。它保存在调查表的一个保密和单独的档案中,并在数据收集结束时销毁。在学校,教师和学校行政部门都无法查阅身份号码档案。
3.2学习环境
学习环境由一个指南(工作簿)和一套模型组成。指南提出了新的概念,解释了技术的使用并指导了活动。模型是用网标创建的(威伦斯基, 1999b ),加上本地创建的支持立体声和声音文件使用的扩展名(图 1 )。这些模型是根据以前开发的模型改编而成的--气体实验室(威伦斯基, 1999a )及相关化学(列维威伦斯基, 2009a )。这些模型包括容器中气体的微观表示,其形式是位于矩形(代表容器)内的微粒(点)。这套模型可以让学习者逐渐了解气体和国民党,然后进行调查,了解基本的天然气法律。课程中的一个关键要素是发展学习者建模的认识论,这是支持学习者概念学习的一个重要方面。 2012 利维和威伦斯基, 2009a , 2009b )。随着每个额外的模型学习者探索一个新的功能,使他们能够发现一个新的特性,气体的性质在课程详细(表) 2 ). Table 1 描述了用来调整盲人学习者模型的声声化框架,并将其与有视力的学生使用的视觉表现进行了比较。这些声音是在对盲人的偏好、他们用尽可能多的流识别声音的能力以及将其转换为有意义的信息的能力进行广泛研究后选定的(Lahav等)。, 2017 , 2022 ).
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图1
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幻灯片
听容器中气体微粒复杂度模型的屏幕。
TABLE 1. L2c计算机模型中超声化和视觉化表示的比较。
事件、地点、变量 视觉表现 超声波表示 A
事件 碰撞:从一个焦点粒子的角度看粒子之间的碰撞 两个点在直线上移动,在一个地方相遇,在直线上分开 一个简短的声音:台球碰撞 b
从一个焦点粒子的角度来看,一个粒子撞击容器(正方形)的壁 一个点以一个角度撞击墙壁,接触点的墙变轻,点从墙上反弹 一个简短的声音:纳瓦霍鼓声 b
入口:容器中的新微粒进入 半圆形的圆点从盒子的开口开始 一个简短的声音:平 b
地点/速度 位置:焦点粒子通过容器时的位置;位置的变化率也表示速度 通过在焦点粒子上放置光晕或使其留下痕迹来提供全部信息 定期的间歇性声音,每一单位距离,所以更大的速率意味着粒子移动更快:电话繁忙信号 b
可变的 压力 压力与时间的对比 连续声音:巴松管 C
温度 温度与时间的对比 连续音:大提琴 C
A 所有的声音都是均匀的,同时曝光(其中所有的声音都在同一卷72-75db-sps上播放)。
b 无线电文件记录声音。
C 米迪发出的声音。
L-C2课程的核心是由八项活动组成的工作手册(表1)。 2 )。它是基于两个早期的课程(利维威伦斯基, 2009a , 2009b 萨满&莱维, 2017 ),包括以代理商为基础的电脑模型的探索,短期的实验室示范和课堂讨论。对于大多数单元,学习者可以以自己的速度提供指导信息和问题。
TABLE 2. 学习单元概览显示进展分析窗口。
活动 详细情况 进步分析窗口
单位前问卷 学生填写单元前问卷。
导言 学生们看到三种与气压有关的现象.他们被问到这三种现象有什么共同点,并被要求解释一个现象。 T1: 6 items, 5 open, 1 closed
活动1
什么是模特?
讨论了科学模型的概念.向学生展示一个自行车轮子,将在以下活动中以网络标志为模型。
活动2
电脑化模型
学生学习如何使用计算机化的网标模型,并研究模型中粒子的运动。 T2: 6 items, 3 open, 3 closed
活动3
动力学分子理论
介绍了动力学分子理论的主要原理.这项活动总结了活动2。
活动4
压力
通过调查,学生们了解到压力是粒子撞击表面造成的.
活动5
什么影响压力
学生学习颗粒量、体积和温度对压力的影响.实际上,他们学习了天然气定律的一个定性版本。 T3: 5 items, 1 open, 4 closed
活动6
扩散
学生学习扩散是一种可以用微观粒子行为解释的宏观现象。
活动7
大气压力
学生们学习到压力随高度而变化。这是一项高级活动,是为那些在其他单元中表现出色的学生准备的。只有少数学生参加了这项活动。 T4:3个项目,全部开放
活动8
概括的
学生被要求参考介绍中提出的三种现象,并试图用他们学到的东西来解释它们。
单元后测试问卷 学生填写单元后问卷。
3.3数据来源
对于盲人和盲人,数据都来自两个来源:(1)学生对张贴前问卷的答复和(2)选定的工作簿项目。在这两组中,每个学生都有一个独特的识别号。
3.3.1调查表
为了与课程保持一致,编制了一份张贴前的调查表(Shavelson等人)。, 2003 ;调查表载于 辅助资料 )。这是通过两阶段分析完成的:
第一阶段----课程的特点。
工作簿中229个问题的每一个都根据四个维度进行了定性:
公开的。
课程中的话题。包括下列专题:国民党、压力(p)粒子对压力的影响(n)、体积的变化及其对压力的影响(p)、温度(t)、温度对压力的影响(p)、微粒数量对压力和体积的影响(n-p)(粒子数量、压力、体积和温度之间的关系(n-p)、扩散(d)、大气气体-重力对压力的影响(d)空气颗粒的密度和压力.
用于正确解释的系统成分:微观层次、宏观层次、影响宏观层次的微观层次、影响微观层次的宏观层次、微观层次之间的桥梁。
通常用于确定科学成就的知识水平:声明性、程序性、示意性、战略性。所采用的定义(沙夫森等人), 2003 )。当我们对此进行编码时,我们提出了这样一个问题:"为了回答这个问题,学生需要使用哪种知识?"': 声明的 对工作簿中以前所述内容的任何回忆; 程序性的 要求雇用学生在工作簿中已经掌握或发展的技能的问题(阅读模型、阅读图表、观察); 图解的 -沙夫森等人。( 2003 知识示意图的定义涉及"知道原因"。了解为什么需要一个科学模型或概念的心理表现。因此,需要采用心理模式的每一个问题都被标为示意图; 战略的 需要知道上述分类知识的哪一类的问题必须被召回和使用。一个需要思考的问题。
第二阶段----编制评估课程学习的问卷。
收集了一堆问题。在以前的研究中,大多数物品都被使用和验证过。 2009b 萨满&莱维, 2017 )。其他的问题是从文献中收集到的或者是捏造出来的。这个问题库的特点是在第一阶段。然后设计了一个调查表,以便在第一阶段中,这些问题代表了每个维度的类似比例。例如,如果229个工作簿问题中有26%需要有程序知识,那么在20个问题的最后调查表中,有5个问题(25%)需要有程序知识来回答。在这种情况下,工作簿和调查表中的比例非常吻合。在其他情况下,适合度并不那么接近,但总是在10%左右。
最后,调查表按四个不同的顺序印发,以避免因问题顺序而产生的偏见。
3.3.2进展分析窗口
为了探索学习者在整个单元的学习进度,选择了四个"窗口"(因此,进展分析窗口)。这些是工作簿中的相邻或接近相邻的项目组,这些项目允许对学习者的发展进行一窥。选择项目时考虑到下列标准(表1) 2 ):
窗户应该在整个单元中平均分布.
每个窗口中的项目应该由打开和关闭的项目组成,这些项目反映了不同程度的困难。
这些项目引起了对系统行为的丰富解释。
3.4程序
盲人参与者分别工作和观察.每次会议持续60分钟,研究包括10次会议,在5-8周内分发。被观察到的参与者在他们学校的计算机实验室工作,1-2名学生在两个多星期的四个双周期内使用计算机。教师和研究人员很少进行交谈,主要是为了帮助学生理解作业手册的说明。两组完成相同的测试前和测试后问卷(包括在 辅助资料 ).
3.5分析和编码方案
一些被观察到的参与者的数据被排除在分析之外(7个人留下了一组样本。 n =24)因为他们没有完成至少四分之一的调查前或调查后调查(即:,不到18/24的问卷项目)或因为他们的工作簿几乎是空的,表明他们没有参与课程。
进行了三类分析:
总体学习收益:每个问卷前和后项目的总分是通过每个正确答案的1分计算出来的。根据这一数据,每个学生的总体学习收益是按以下公式计算的:.由于盲人抽样规模小,盲人参与者和被观察到的参与者的综合学习收益与非参数统计数据进行了比较。
学习不同的科学概念和系统学习:编码方案(表格) 3 )是在先前研究中制定的计划基础上制定的(利维和威伦斯基, 2009b 萨满&莱维, 2017 )。问卷项目根据其所包含的科学概念和系统思想的概念进行分类。同一项目可纳入不止一个科学概念和/或系统思维概念。每个学生在系统思考中对每一个科学概念和每一个思想给予一个分数.比较了盲人和盲人参与者的得分(表)。 5 ).
学习进展:通过深入分析工作簿中的四个进展分析窗口来分析学习进展。对这些项目进行了更深入的分析,以促进学习进展,包括对科学内容和系统思维方法进行编码(表1) 4 ).
TABLE 3. 封闭问卷项目编码方案。
类别 描述
科学内容
动力学分子理论 与物质的特殊性质有关的项目
气体定律 与气体宏观性质及其相互关系有关的项目
扩散 与扩散现象有关的项目
密度 与密度有关的东西。
系统思考
微小的 与微观层面思考有关的项目
宏观的 只在宏观层面思考的项目
从微观到宏观的转变 与微观和宏观层面的联系有关的项目
TABLE 4. 程序分析窗口中包含的工作簿项的编码方案。
科学内容
气体是由微粒组成的
有不同类型的微粒
粒子以直线移动
粒子相互碰撞
颗粒与含有气体的容器壁碰撞
粒子与墙壁碰撞时改变方向
粒子与墙壁碰撞时不会改变速度
粒子与墙壁碰撞时改变速度(错误)
粒子相互碰撞后改变方向
粒子相互碰撞时变化速度
粒子向随机方向移动
粒子散布在房间里
粒子没有自由意志
粒子有自由意志
压力是由微粒与容器壁碰撞造成的
宏观一级的压力参考
宏观一级的数量参考
参考密度
压力受容器(微量)中微粒数量的影响
压力受容器(宏观)气体量的影响
体积受船内气体量(宏观)的影响
压力受容器体积(宏观)变化的影响
压力受容器体积变化的影响(微相对于微粒)
压力随容器温度变化
扩散作为一种宏观现象(气体从高浓度转移到低浓度)
扩散作为一种微现象(粒子自由和随机移动)
系统思考中的思想
微观层面
宏观层面的参考
微观一级的代理人之间的相互作用
出现----微观一级的相互作用导致系统重新安排从而影响宏观行为
不同层次间的滑动--使用适合于微观层次的语言来描述宏观层次(反之亦然)
提及中央控制
关于分散控制的参考
不确定性
动态平衡
3.6有效性和可靠性
如上所述,在以前的研究中使用和验证的大多数问卷项目(利维威伦斯基, 2009b 萨满&莱维, 2017 支持问卷的结构和标准有效性。5名中学科学教师也对问卷进行了审查。所有人都确认,测试项目适合于审查在两种学习环境中研究的问题。
研究人员检查了评估结果。通过对独立评分和代码的比较,2208个项目的一致性达到97%。讨论一致解决了分歧。
4项调查结果
研究结果涉及两项分析:测试前和测试后成绩的学习收益,以及通过参与者工作簿分析窗口的学习进展。
4.1学习收益
盲人和有视力的参与者的测试前成绩没有显著差异(曼恩-惠特尼) U = 136, P =0.539)两组的学习成绩没有显著差异,但盲人参与者的成绩显著高于有视力的学生(表1)。 5 )。两个小组都显示了从测试前到测试后的整体团体得分的上升(对比前到测试后的得分:对于有视力的参与者来说--曼恩-惠特尼 U = 288, P 为盲人参加者提供的服务--曼恩-惠特尼 U = 50, P < 0.001).
TABLE 5. 总体上,并按概念对盲人和盲人学生的测试前和测试后分数(%)和学习收益进行比较。
学习概念(项目数目) 盲人学生 视觉学生 统计分析
预先测试, M (SD) 测试后, M (SD) 学习收益 A , M (SD) 预先测试, M (SD) 测试后, M (SD) 学习收益 A , M (SD) 曼恩-惠特尼小组的预先测试比较 U 两组人的测验后成绩比较曼恩-惠特尼 U 两组学习成果比较 b 曼-惠特尼 U
Overall (22)
58
(12)
83
(10)
25
(14)
53
(17)
64
(18)
12
(18)
136.0 204.0 *** 170
科学概念
KMT (10)
48
(19)
78
(14)
30
(18)
50
(21)
60
(21)
10
(19)
109.0 181.5 * 193.5 *
Diffusion (4)
45
(20)
80
(16)
35
(17)
53
(32)
47
(39)
−6
(31)
106.0 175.5 * 209.0 **
Density (3)
47
(28)
77
(16)
30
(25)
56
(35)
72
(25)
17
(41)
100.0 126.5 158.5
天然气法(9)
68
(13)
85
(7)
17
(17)
55
(19)
72
(20)
18
(25)
172.0 174.0 * 128.5
系统组件
Micro-level (7)
49
(22)
87
(16)
39
(22)
43
(22)
58
(24)
15
(18)
135.0 202.0 ** 192.0 *
Macro-level (7)
70
(8)
93
(14)
23
(17)
57
(21)
64
(21)
7
(29)
165.0 213.0 *** 174.5 *
Emergence (8)
56
(17)
70
(9)
14
(18)
57
(21)
70
(20)
13
(26)
112.5 107.0 117.0
注意事项 *使用曼恩-惠特尼进行统计分析 U 由于样品组的体积小,进行了试验.
A 每个学生的学习收益计算为学习收益=(后分-前分)。
b 每名学生的学习收益比较。
* P < 0.05;
** P < 0.01;
*** P < 0.001.
关于所学到的具体科学概念,被观察到的参与者主要表现为在一定程度上提高了气体法、国民党和密度的学习成绩,并在理解扩散方面出现倒退。盲人参与者的学习成果明显高于国民党和传播参与者。各小组之间不同系统组件的学习收益没有差异。总而言之,先声代表支持盲人参与者的学习,其方式可与有眼光的参与者的学习相媲美,甚至与更大程度的国民党学习、制度的微观理论和传播这一具有挑战性的概念有关。
4.2学习进步
这两个小组的学习过程通过四次窗口进行评估。从三个方面分析了这一点:根据系统思维的组成部分,根据三个科学概念和若干具体的科学概念。不同概念的学习进步图有不同的形状,其依据是:概念是否可供学生使用,是否与在具体活动中使用这一概念相关,以及是否有机会表达这一概念。这一分析共得出38个图表,对其进行了类似主题或模式分析。为了简洁起见,本文正文中我们展示了代表每个主题的图表(图)。 2 - 4 )。包括所有图表的数字可在 辅助资料 (数字) S1 和 S2 ).
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图2
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学习系统思考组件的进展。在四个进展分析窗口(T1、T2、T3、T4)中选择的项目中,系统思考的九个组件的表达式在图表中得到了表示。这表明了两个主题中的一个:(一)两组之间相似的学习模式(微观思维、宏观思维、滑移、动态平衡和出现);(二)证据表明,盲目的参与者在学习过程的早期提供了解释(代理人的相互作用、不确定性、动态平衡和分散控制)。为了简洁起见,图中显示了每个主题中的一个。图形 S1 显示所有九个组件的图表可在 辅助资料 .… y-轴显示项目中组件的表达式率。如果组件在窗口中的所有项中表示,则图表上显示的得分为1。
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图3
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学习三个科学概念在工作簿的四个窗口(T1,T2,T3,T4)中的学习过程。这些图表显示了四个进展分析窗口(T1、T2、T3、T4)中三个科学概念的表达。… y -轴显示项目中科学概念的表达率。如果在窗口中的所有项中表达了这个概念,那么图中显示的得分将是1。
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图4
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学习特定科学解释的发展。在图表中绘制了四个窗口(T1,T2,T3,T4)中26个科学解释的表达式。这些图表分为三个主题之一:(一)不一致的学习进步--显示两个群体学习进步的巨大差异的图表;(二)一致学习进步--显示两个群体之间相似的学习进步的图表;(三)没有科学解释的表达。为了简洁起见,图中显示了每个主题中的一个。图形 S2 所有26个组件的图表可在 辅助资料 .… y-轴显示项目中科学解释的表达率。如果在窗口中的所有项中表达了这个概念,那么图中显示的得分将是1。
比较系统思考类别的时间曲线表明,对于大多数概念(微观思维、宏观思维、滑移、动态平衡和出现)来说,两个群体的学习过程是相似的(图 2i )。对于代理人的相互作用、不确定性、动态平衡和分散控制,情况并非如此(图) 2ii ),在学习过程的早期,盲人提供更多的解释。
当比较三个主要科学概念的时间曲线时,差异很小或无差异(图 3 )。值得注意的是,虽然两组国民党的测试后结果存在很大差异,但在学习过程中,这些差异并不明显。同样,在测试后盲目的参与者中也发现了许多有关扩散的学习,但在抽样学习窗口中并不明显,因为扩散只是在分析窗口T3之后才引入教科书,而分析窗口T4并不直接讨论扩散。
KMTT需要更多地了解微观层面。在研究具体的科学解释时,两组之间的最大差异是涉及复杂微观思维的差异(见图)。 4i 即气体是由微粒组成,粒子以直线移动,粒子相互碰撞,粒子与含有气体的容器碰撞,粒子与墙壁碰撞时不会改变速度,粒子相互碰撞时会改变方向,粒子相互碰撞时会改变速度,微粒随机移动,微粒散布在房间里。一个例外是"粒子与墙壁碰撞时改变方向"的解释(图 4ii)。听起来听起来并没有清楚的表达出来。与宏观层面相关的解释表明,各群体之间的差别不大。
5.讨论和意义
本研究旨在比较盲目者使用超声化计算机模型的情况,与视觉者使用视觉模型的情况。数据得出了两项重要结论。首先,L2c环境可以支持盲人学习者,其方式与视觉学习者相似。第二,使用超声环境学习某些概念是更好或更快。下文将阐述这些要点。
该研究表明,L2B环境充分补偿了盲人学习复杂系统、物质的气态阶段时无法获得视觉信息的情况,并支持动态计算机模型为有视力的学生提供的可比学习。通过使盲目的学习者能够参与微世界的可操作探索,探究学习成为可能,这是一种基于完善的建构主义理论的更为稳健的学习形式。鉴于这种低成本学习环境的成功,通过使用超声模型将这一设计扩展到学习其他STEM系统,为盲人公平参与开辟了道路。未来的研究可能会把重点放在这些发现是否可以与其他超声学习环境(如PIT提供的环境)重复。 n.d. 在真实的课堂环境中。
就所学习的个人概念而言,"超声化"的表现方式不仅支持盲人学习,其方式与使用类似视觉材料观察的学习者的学习方式相似,而且与更多地学习国民党、基本粒子行为和扩散有关,所有这些都是极具挑战性的概念。学习过程表明,个体科学和系统概念是在与学习材料相对应的类似时间学到的。然而,对于单个粒子之间的相互作用、不确定性、动态平衡和分散控制等中心系统概念,盲目学习者较早地学习并应用了这些概念。
基于早期对中央系统概念的理解,以及对盲人学习者的国民党深入理解,L2c的声音化表示似乎提高了对微观层面互动的敏感性(例如:,碰撞)的方式在视觉表现中较难达到。一方面,我们选择了对单个粒子的特定重要事件,另一方面,我们选择了对诸如容器中的压力等全局变量的时间进程进行分析。事实上,视觉阵列中的许多信息在听觉阵列中缺失了--其他许多粒子,它们都在移动,碰撞并从墙壁上弹起。似乎信息过滤帮助学习者专注于这些在许多粒子中很微妙的相互作用,并注意到它们随时间的变化,可从中得出不确定性的证据。
盲目的参与者,展示了对扩散的更大理解,这是一个被广泛误解的概念,是高度抵抗变化(中国) 2005 )。这似乎与他们早些时候对一些系统概念的学习进展的理解有关。系统概念有助于明确区分微观层面的行为和宏观层面的模式,并提供了调和可见行为和微粒相互作用的方法(萨蒙&弄; 2017 )。主要由于研究工具的局限性(即:,不存在与传播直接有关的问题)。
今后研究中需要跟进的一个有趣的问题是,是否为学习者或学生设计适当的超声材料。 有眼光的 可以以类似的方式促进他们对复杂系统的学习。某些通常通过视觉来传达的科学现象是否更能通过声音来传达?如果是,哪些以及如何将它们纳入科学教学?回答这些问题将不仅为为盲人学生提供更包容的教学方式铺平道路,而且还将使全体学生受益。
本文着重研究了基于复杂系统方法的仅一个基于模型的学习环境。此外,它还侧重于具体(但基本的)科学内容。关于L2c的工作突出了现有教材对视觉频道的依赖程度,通过相对简单的实现和研究,听觉频道的参与可以获得什么。这打开了一系列的机会--如何在其他科学主题甚至其他学科的教学中引入语音化?
本研究的一个主要局限是比较组与实验组之间的差异,这是由于本研究中盲人学生有限。这导致两个群体的平均年龄不同,学习条件也不同(学校和学校)。研究生/大学)。这是少数人工作的必然结果。在我们的研究中,测试前的分数并没有显著的差异,这表明两个组都有相似的起始知识,如果我们有相似的年龄,那么研究结果在本质上不会有差别(同时说明,虽然测试前的分数是相似的,但是年龄较大的参与者的外围背景知识会影响他们的表现和学习知识)。如果我们有更年轻的盲人参与者,他们可能更好玩,导致学习进展更慢(相比之下,成年参与者可能更"在执行任务")。然而,我们相信研究的主要结果是相同的,即声像化环境可以为盲人学生提供公平的参与,声像化表达可以提高学生对微观层次互动的敏感性。我们希望这项研究能够扩展到其他国家,以便在其他情况下并在更多的参与者的参与下核实这些结果。对微观层次相互作用的敏感性。我们希望这项研究能够扩展到其他国家,以便在其他情况下并在更多的参与者的参与下核实这些结果。对微观层次相互作用的敏感性。我们希望这项研究能够扩展到其他国家,以便在其他情况下并在更多的参与者的参与下核实这些结果。
这项研究的另一个限制是盲人参与实验室条件.一个有趣和相关的问题是,这种活动将如何在一个有一两个盲人学生和所有其他学生被发现的综合教室中进行。使用不同环境的学生之间的动态和互动将成为未来研究的一个有趣的焦点。继此之后,另一个有趣的调查范围是盲人教师如何能够从使用这种技术教育学生(盲人和盲人)中获益。
我们希望这项研究能够通过使用不需要特殊硬件来部署的低成本学习材料,使盲人学生对学习有更深入的了解,从而使他们能够更好地获得更多的机会和公平。
