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高中信息技术学生实验中概念认知状况调查研究

郭梦妤+王小玉+施智勇+董玉琦

● 引言
高中信息技术课程越来越致力于提升学生解决问题的能力，培养学生的创新精神和实践能力，为学生步入信息化社会提供最优化的课程体系。正在修订的《高中信息技术课程标准》必修模块二“信息系统与社会”中，明确提出增加“远程控制系统”学生实验。信息技术实验课程要充分调动学生的能动性，以提升学生的应用、实践能力为目的，提升学生的信息素养以顺应时代的潮流。笔者经过研究，从“远程控制系统”学生实验中提取出了两个核心概念——远程控制、传感器。
傳感器是实现控制系统、自动控制、远程控制的前提和基础。传感器是满足信息获取和信息转换的重要手段，是实现现代化测量和自动控制的主要环节。传感器的定义是：一种检测装置，相当于人的感觉器官，它能感受到被测量的信息，并按照一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。[1]控制则是指为了改善系统的性能或达到某个特定目的，通过对系统输出信号的采集、加工而产生控制信号施加到系统的过程。控制系统则是一种由诸多因素以特定的内在结构方式而联结起来的动态系统，由控制部分和被控对象组成。控制部分一般由传感器、控制器和执行器组成。远程控制定义是：人们可以通过简单的终端机完全地控制网络另一端的受控机，从而完成强大的控制功能，获取受控机的任何信息。[2]这两个概念是学习远程控制系统必须掌握的两个核心概念。
● 调查问卷的编制及调查结果分析
本次问卷调查主要采用二段式诊断测验方式进行调查，主要分为两个阶段：开放式问卷调查和二阶选择题问卷调查。
1.开放式问卷
开放式问卷提出了关于“远程控制的定义”和“传感器的定义”的问答型问题，被调查者要自行构思答案，按照自己的知识存储自行回答“什么是远程控制以及传感器”，意在了解、收集学生对这两个概念已有的知识经验和认知状况。[3]开放式调查问卷的编制主要经过了三个过程：题目拟定、讨论修改和试做修改。笔者根据这两个科学概念，从生活实例出发，给出相应的情境，引出问题，并追问“为什么”，让学生给出答题理由。对于“远程控制的定义”，很多学生从已有的经验出发，给出了“利用常用的第三方软件使一台电脑控制另一台电脑的实例”；对于“传感器的定义”，给出的情境是“楼道照明灯，天黑时出现声音就亮起，而在白天，即使有声音也没有反应”，引出了光敏传感器和声音传感器的作用。题目拟定之后，经过25位硕士研究生、一位高中信息技术教师和一位博士生导师的试验与讨论，然后进行语言文字上的修改。
本次开放式问卷调查选取了上海市普通A高中高一A班为调查对象，共发放了36份问卷，回收了36份，有效问卷33份。研究者从回答中搜集到学生的多种答案，并尽量保留学生给出的所有答案类型，从而尝试发现学生的认知错误及其背后的原因，再把这些回答进行分析归类，设计成二阶选择题问卷的选项，对学生进行进一步的测试。
2.二阶选择题问卷
二阶选择题问卷依然是对上述两个知识点进行测试，概念“远程控制的定义”在开放式问卷中的题目为：小明想在电脑上装一款办公软件，但又不知道如何操作。正当小明在QQ群里抱怨的时候，小花同学伸出了援助之手，让小明点击QQ上的“远程控制请求”按钮，帮助小明成功地装好了软件。那么，远程控制是什么含义？写出自己的理解，为什么？其调查结果分析情况如表1所示。
由此生成的一般二阶题目如下：
小明想在自己电脑上安装一款办公软件，但又不知道如何操作，正当他QQ群里抱怨时，小花同学伸出了援助之手。小花在QQ窗口上点击“控制对方电脑”按钮，成功地帮助小明装好了软件。你知道控制是什么含义吗？以下选项中你认为正确的是（ ）。
A.用自己电脑操作他人电脑
B.通过网络协议或者第三方软件，使用户从一台设备上控制另一台设备
C.远程登录对方的桌面进行控制，通过权限授予与远程建立连接。用后台终端系统达成连接
D.使用网络传输指令或后台程序来操作远端计算机
E.在遥远的地方通过硬件和软件进行控制
F.以上都不对，应该是————————
你选择该项的理由是：————————
概念“传感器的定义”在开放式问卷中的题目为：许多楼道照明灯具有这样的功能——天黑时，出现声音它就亮起；而在白天，即使有声音也没有反应。这些都是传感器在起作用，那什么是传感器呢？为什么要这样理解呢？表2是开放式问卷的调查结果。
由此形成的一般二阶题目如下：
许多小区门口电子栏杆都具有这样的功能：车来时，杆就自动抬起，车过后，杆就自动落下。许多路灯也具有自动开关功能：天黑时，它就亮起，天亮时，它就熄灭。这是不同的传感器在起作用。你认为传感器是如何工作的？以下选项中你认为正确的是（ ）。
A.人工控制
B.它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号
C.与开关组成串联电路
D.物理指标发生变化，传感器将获得的模拟信号转换成为数字信号，进入系统产生指令
E.以上都不对，应该是————————
你选择该项的理由是：————————
需要说明的是，在形成一般二阶选择题选项的过程中，选项的文字描述尽量按照学生的原意给出，贴近学生的描述语言。[4]把占比较多的答案整理合并后作为一般二阶选择题的选项，删除占比最少的特殊回答，其中包含一个表述全面的科学答案，打乱选项顺序并调整文字长短。
● 学生认知状况分析
一般二阶选择题问卷调查选取了上海市普通B高中高一B班，共发放47份问卷，回收47份，有效问卷46份。由笔者与该班级班主任共同发放问卷并收回问卷，问卷作答情况较好。回收二阶选择题问卷调查之后，笔者对其结果进行了分析，以“远程控制的定义”为例，选择C选项的学生占66%，占比最多，B选项其次，占比22%。在“远程控制的定义”的一般二阶测试题中，B选项是正确完整的选项，C选项是表述不全面、表未及里完全从题目出发的选项。从整体的统计可以看出，约一半以上的学生容易从一个常见的远程控制现象去理解知识，而不清楚其科学的定义和内涵，并不能做到由表及里、举一反三。笔者再对选择B、C选项的理由进行统计和分析，如表3所示。endprint
选择B选项的第二种理由准确地描述出了远程控制的科学内涵，只有一位学生选择，占总比例的2%，说明只有极少数的学生能够选出正确答案并做到正确理解答案。回答第三种和第四种理由的人数较多，说明很多学生虽然选出了正确答案，但对于“远程控制”，存在只是电脑终端控制电脑的片面认知。从C选项的理由可以看出，由Keys产生的认知有可能是有偏差或不全面的，“远程控制”易与“远程登录”“权限授予”“联机”等Keys产生混淆和干扰。
对“传感器的定义”进行同样的分析，笔者发现，超过一半的学生能够从传感器的工作现象出发，从而理解到其内在原理。从选择C选项的理由统计可以看出，有五分之一的学生能够意识到传感器的工作原理是光电信号、物理信号与数字信号之间的转换。传感器也会产生Keys混淆，并且占比在一半以上。例如，与“数字信号、模拟信号、电信号”产生模糊不清、乱用的现象。约17%选择C选项的理由是“无理由，从题中的自动开关说明不是人为控制”，说明学生是根据做题技巧如排除法等来选出正确答案的。
从调查结果分析，笔者得出以下结论：对于“远程控制的定义”的概念，开放式问卷和一般二阶问卷是在两所不同的学校做的调查，调查结果基本吻合。只有不到10%的学生对“远程控制的定义”的概念真正理解，90%的学生对此概念的理解仅仅停留于“电脑控制电脑”。
对于“传感器的定义”概念，两次调查结果也基本吻合。显示有20%的学生对“传感器的定义”的概念能由特殊到一般，推测出一般传感器的定义及工作原理等。60%左右的学生能够根据特殊传感器的工作现象推测出该传感器的工作过程，而涉及不到一般传感器的定义。
● 对实验教材开发的启示
对这两个核心概念的认知状况调查结果的分析以及对研究结论的归纳，可以为信息技术学生实验教材的编写提供以下参考：在实验内容的选取上，要打破以往“电脑控制电脑”的惯性认知，在系统中加入“摄像头”或“家电”形成物联网；不同的是对传感器的相关概念可以从贴近生活的实例出发，如灯光开关、车载压力传感等模拟实验。在实验教材内容顺序的安排上，对“远程控制系统”的定义和组成有明确强调，应从原理出发到现象，而对“传感器工作原理”则相反，可由现象出发，从特殊到一般。
从调查数据中可以看出，“远程控制”易与“远程登录”“权限授予”“联机”等Keys产生混淆、干扰。在教材中可以通过案例与学生尝试进行区分。与传感器相关的“数字信号、模拟信号、电信号”易产生混淆、乱用现象，这需要学生做明确的概念辨析。另外，调查表明，知识之间结构体系的建立是学生的短板，教师在实验教材中可做框架图，让学生明确所实验的内容在整个“信息系统”知识体系中所占的位置及其与相关知识的结构关系。
Reference：
[1]霍思含.初三学生简单电路错误概念现状调查研究[D].新乡：河南师范大学，2011（5）：12-13.
[2]万百五，韩崇昭.控制论——概念、方法与应用[M].北京：清华大学出版社，2009.
[3]李高峰.科學教育中的前科学概念[J].教育学术月刊，2010（9）：12-13.
[4]王秋爽.信息技术学生实验课程开发研究[D].长春：东北师范大学，2015.endprint

-全文完-