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(17.1)基于课堂视频分析的小学机器人协作学习的应用研究

[日期:2017-06-08] 来源:丰台区东高地科技馆  作者:刘雯 [字体: ]

协作学习在各个学科都有广泛的应用,机器人教学活动有其自身特点,课堂实践教学中我经常采用小组协作的方式进行教学,但却没有系统的研究过我采用的协作教学模式对学生的学习效率是否有积极的影响。所以设计了本次研究加以探究。

    一、研究背景

(一) 机器人教学活动的特点

机器人教学活动是培养学生创新能力、综合素质的高科技教育平台,学生通过它对科学、技术、工程、数学等方面产生了浓厚的兴趣。机器人教学活动的特点:

第一,它具有教育性,在机器人教学活动中,学生可以学习到数学、物理、电子电路、计算机、机械工程设计等多方面的知识和技能。机器人教学活动培养了学生的动手制作能力、手脑协调的能力、创新思维的能力、分析问题解决问题的能力、项目研究能力等,以及在团队协作中,学生的交流沟通能力、责任心和团队意识。

第二,它具有综合性,机器人教学活动内容具有多学科交叉的特点,比如给机器人编程计算机器人行驶的路程,就涉及到了计算机编程语言、数学的测量与计算方面的知识。

第三,它具有实践性,通常机器人活动的主题都是与实际生活相关的,或是从实际生活中的问题提炼概括出来的。

第四,它具有技术性,机器人教学活动内容包含了高水平的科学技术,比如各种传感器的应用,它可以使机器人变得越来越智能,比如可以使它能够感觉是不是碰到了障碍物或者是不是自己要摔倒了,从而自动做出动作的改变。

    (二)协作学习的概念及要素

协作学习的重要代表人物斯莱文认为:协作学习是指学生在小组中进行一系列学习活动,并依据整个小组的成绩获取奖励或认可的课堂教学技术。协作学习的特点是有共同的学习活动,主体是学生组成的学习小组;小组成员之间要进行交流互动,合作互助;协作学习有共同的目标导向,使小组成果和个人成果达到最优。

协作学习的要素有积极互赖,面对面的促进性交互,个人责任,社交技能是维持协作学习顺利开展的关键因素。

    (三)协作学习在机器人教学活动中的必要性

协作学习能够有效激发学生参与机器人学习活动的兴趣。教学活动以小组为单位,小组内成员要通力协作,才能共同达成目标,小组间以竞争的方式获得小组的竞赛成绩,这样的协作学习方式激发了学生的学习动机,使学生体会到什么是同舟共济,荣辱与共。

由于机器人学科的综合性、复杂性以及实践性等特点,它需要让学生自己动手设计、搭建、编程、调试,尝试制作具有某些功能的机器人,活动的过程中,学生通过相互讨论、协作、资源共享等方式彼此分享学习的经验、取长补短,丰富学生的认知世界,达到共同建构知识的目的。

综上所述,在机器人教学活动中教师有必要为学生创建适合协作的学习条件,充分发挥协作的优势,促进学生更有效的学习机器人。

    (四)协作学习在机器人教学活动中存在的问题以及研究目标

基于机器人教学活动的特点,我在实际的教学过程中采用了协作学习的教学策略。但是在学生协作学习的过程中存在着一些问题。比如小组协作学习时,有的学生积极主动,有的学生却无所事事。有的学生在遇到问题时能够与同伴沟通交流,有的学生却埋头只做自己的事情。有的小组完成任务的效率很高,有的小组却磨磨蹭蹭总也完成不了任务。由于目前机器人教学还没有统一的课程标准也就决定了没有可以参考的评价标准和方法,我无法对学生的协作情况进行考察。因此,为了解决以上问题,我确定了本次研究课题,希望通过此研究改善我的教学设计,设计出适合机器人活动的协作学习教学模式,探究在施行此种教学模式后学生课堂上的协作效率是否比以前有所改善。

    二、研究设计

    (一)研究方法和工具

    1. FIAC互动分析编码

课堂教学视频分析是将课堂教学过程录制为影像资料进行分析的一种研究方法。国外最有代表性的也是最为著名的编码体系德海弗兰德斯的互动分析分类体系(FIAC). FIAC对师生的言语互动进行研究,把课堂的言语活动分为十个种类,每个种类都有一个代码。(见表1)

表1 弗兰德斯互动分类分析体系的类别

教师说话

间接影响

1.接受感情

2.表扬和鼓励

3.接受或使用学生的主张

4.提问

直接影响

5.讲解

6.给与指导或指令

7.批评或维护权威性

学生说话

8.学生被动说话(比如回答教师提问)

9.学生主动说话

 

10.沉默或混乱

弗兰德斯的编码体系的优点在于比较客观,益于观察者、教师的理解,每种观察的行为都有特定的编码和操作性定义,单位时间内的任何行为都可以记录,因而都可以转化成时间百分比,便于分析。

    2.ITIAS基于信息技术的互动编码系统

顾小清在《支持教师专业发展的课堂分析技术新探索》中针对FIAC系统中的不足加以改进:第一、对教师言语第四类提问进行细分;第二,增加学生言语行为的类别,增加第11项主动提问;第三,增加技术类别,反应技术在课堂中的意义。(见表2)

表2  基于信息技术的互动编码系统 ITIAS

    3.FIAC和ITIAS互动编码应用于协作学习分析的缺陷

     以上两种互动编码系统主要针对课堂上教师与学生之间的言语互动,而协作学习的核心是通过学生面对面互动、相互之间的促进性交互完成共同的目标任务。FIAC没有涉及到这面的编码,ITIAS对与同伴讨论的行为进行了编码,但是机器人协作学习不仅如此,学生要对所要完成的目标任务进行前期的讨论、交流,制定解决方案。在制作过程中,学生也要面对面交流,分别完成各自分配的任务的过程中,要不断的进行相互促进性的交流,比如:学生可能会沟通在机器人的机械结构与程序之间的适应性,可能会对方案的设计提出自己的见解,经过讨论,从而达成一致。所以我设计的编码系统,只保留了在课堂上学生的言语编码,并且根据机器人课堂的学习特点进行了修改,而且添加了学生在机器人课程学习时特有的行为编码,就是用这套自行设计的编码对课堂教学视频进行编码分析。(见表3)

表 3 课堂教学视频编码表

分类

编码

内容

学生言语

1

对教师应答(被动反应)

 

2

对教师应答(主动反应)

 

3

向教师主动提问

 

4

与同伴讨论与任务相关的内容,帮助同伴解决问题。

沉寂

5

无助于教学的混乱(说笑、打闹、发呆、搭建非任务要求的模型,玩电脑游戏)

 

6

听讲、思考问题、观察同伴

 

7

做课堂练习(编程、填写实验报告、搭建与任务相关的模型、调试程序)

技术

8

学生呈现机器人(竞赛、展示)

 

9

学生观察媒体演示

无记录

0

学生离开了录像范围,无法捕捉。

 

采用记号体系对记录表中所观察的学生特定的行为进行记录,并且认真观看了采用自行设计的协作学习模式前后的两堂课中的学生制作部分视频,分别从中各截取40分钟作为视频分析依据。按照表3的编码方法每隔两分钟记录一次学生在该时间点的行为,得到12个学生共40个时间节点的行为统计数据。我将编码1、2、3、4、6、7、8、9所代表的行为定义为“学习时间”,将其中的编码4所代表的行为定义为“协作学习时间”。

   (二)研究过程

    1.小学机器人协作学习活动教学模式的设计

基于协作学习的机器人教学活动的教学模式设计可以用后面的框图来表示,框图中分为四个要素来考虑,学生活动、教学过程、教师活动、合作要素。活动过程主要分为六个环节,包括:情景设置环节、讲授环节、完成小任务环节(小任务是为情景任务项目的完成做准备而设计的,讲授环节和完成小任务环节需要反复推进)、竞赛或展示环节、评价环节。在各环节中要分别考虑学生和教师的活动,以及每个环节中协作要素有哪些。

图1 基于协作学习的机器人教学活动的教学模式模型

    2.课堂教学视频分析的研究步骤

(1)编码阶段:对于学生在教学活动中的协作过程中可能出现的情况进行分类整理,结合机器人学科的特点,以及小学生的行为特点,同时借鉴FIAS和ITIAS的编码系统,设计了一套编码表,经过对视频的多次反复观看,对编码表也进行了多次修改,力求真实、全面的反应学生在协作学习的过程的言语和行为。

(2)记录阶段:对教学模式改变前后的两次课中,抽取20分钟的观察时段,每两分钟记录一次全班学生的发生行为。为了保证采用本人设计的编码记录的客观和可靠性,特请同事协助,复核记录的数据。

(3)数据统计分析阶段:将记录表中的的数据输入到Excel软件中,对每个学生个体进行比例分析和前后的对比分析,以及对班级整体的协作效率提升进行前后对比分析,验证自行设计的协作学习教学模式对学生课堂的协作有积极的影响。

    三、课堂教学视频的数据统计与分析

通过编码,所得数据结果如下表表4所示:

表4  课堂教学视频观测统计数据表

姓名

学习时间在观察时间中所占比例(前)

协作学习在学习时间中所占比例(前)

学习时间在观察时间中所占比例(后)

协作学习在学习时间中所占比例(后)

学习时间占比变化量

协作学习在学习时间中所占比例变化量

丁斯宇

0.4

0.50 

0.9

0.50 

0.5

0.00 

董廓然

1

0.40 

0.85

0.65 

-0.15

0.25 

管成语

0.9

0.50 

0.9

0.50 

0

0.00 

李想

0.55

0.18 

0.7

0.50 

0.15

0.32 

梁萧

0.7

0.36 

0.6

0.50 

-0.1

0.14 

尚嘉禾

0.75

0.67 

0.8

0.63 

0.05

-0.04 

唐宏泽

0.95

0.42 

0.95

0.47 

0

0.05 

王书行

0.75

0.33 

0.95

0.32 

0.2

-0.02 

王维帆

0.35

0.29 

0.4

0.63 

0.05

0.34 

王宇鑫

0.5

0.60 

0.9

0.28 

0.4

-0.32 

杨承林

0.25

0.40 

0.3

0.67 

0.05

0.27 

周铮蕊

1

0.30 

0.95

0.47 

-0.05

0.17 

    注:名字均为化名

可见学生的学习时间和协作学习时间普遍都有所提高,为了验证笔者的判断,我将数据导入SPSS 22,进行配对样品T检验,首先经过检验前后两次变化量符合正态分布。(见表5)

表5 常定

 

Kolmogorov-Smirnova

Shapiro-Wilk

df

著性

df

著性

学习时间占比变化量

.252

12

.034

.896

12

.141

协作学习时间占比变化量

.153

12

.200*

.930

12

.375

*. 是 true 著的下限。

   根据描述性统计资料显示(见表6)

表6 描述性料

 

N

最小值

最大值

平均

偏差

课堂学习占比(前测)

12

.25

1.00

.6750

.26242

协作学习时间在学习时间中占比(前测)

12

.18

.67

.4125

.13765

课堂学习占比(后测)

12

.30

.95

.7667

.22293

协作学习时间在学习时间中占比(后测)

12

.28

.67

.5100

.12307

学习时间占比变化量

12

-.15

.50

.0917

.19404

协作学习时间占比变化量

12

-.32

.34

.0967

.18990

有效的 N (listwise)

12

 

 

 

 

可见,被试平均课堂学习时间从67.50%增长到76.67%,课堂学习时间在总的观测时间段中增长了9.17%,增长量还是比较明显的,而被试平均协作学习时间所占比例从41.25%增长到51.00%,增长量为9.67%,基本可以认为,是协作学习的形式促进了被试总体学习时间的增长。而学生在短时间内学习能力不会有太大变化,所以学生的学习时间和学习效果基本是正相关,由此我们可以认为协作学习有助于提高学生的学习效果。

另外,我对观测统计数据进行配对样本T检验,结果如表7:

 

表7 成本定

 

 1

 2

课堂学习占比(后测) - 课堂学习占比(前测)

协作学习时间在学习时间中占比(后测) - 协作学习时间在学习时间中占比(前测)

程差

平均

.09167

.09750

偏差

.19404

.18936

平均值

.05601

.05466

95% 差的信

下限

-.03162

-.02281

上限

.21495

.21781

T

1.636

1.784

df

11

11

著性(尾)

.130

.102

虽然显著性没有预期的明显但也在0.1左右,这里我们判断会有多种原因对数据分析结果产生影响,其中包括新的分组没有考虑到学生性格的兼容性,导致个别学生不愿跟其他组员一起协作,这作为一个新的课题有待进一步探讨。

    四、 讨论与反思

    (一)本研究的创新之处

本人认为课堂教学视频分析是一种非常好的研究方法,它可以帮助教师回顾课堂上发生的事件,学生在课堂上的表现,以及教师自身在教学过程中的问题。本研究将课堂教学视频分析引入到小学生机器人教学活动的协作学习状况的研究中,是对这方面实践研究的一个扩展和补充。尤其是借鉴了FIAS和ITIAS的编码系统,并在此基础上结合自身的教学实际做了适合的修改。

    (二)本研究的不足之处

研究对象范围小,研究数据样本少。本人设计的学习策略仍有不足之处,在今后的教学实践中再加以改进。

本人借助课堂视频分析的方法对小学机器人协作学习的行为和言语方面进行了编码分析,证实了自行设计的协作学习模式对个人的协作行为和言语有较积极的改变,协作效率有所提高。

 

 

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