蔡慧英 董海霞 王琦

[摘? ?要] 在STEM課程教學(xué)中，教師一般無法有效設(shè)計學(xué)習(xí)技術(shù)且存在“不教或少教”的現(xiàn)象。針對這些問題，學(xué)習(xí)科學(xué)領(lǐng)域的研究者提倡教師設(shè)計圖示化支架以有效干預(yù)STEM課程教學(xué)。但目前對圖示化支架在STEM課程教學(xué)中的作用并未進(jìn)行系統(tǒng)研究。研究采用元分析方法，對近五年關(guān)注STEM課程教學(xué)中圖示化支架效用的30項實驗和準(zhǔn)實驗研究進(jìn)行了深度分析。研究發(fā)現(xiàn)：在STEM課程中圖示化支架對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)效果具有中等偏上的積極影響。不僅能提升學(xué)習(xí)者的認(rèn)知理解和學(xué)習(xí)動機(jī)，還能降低認(rèn)知負(fù)荷、提升學(xué)習(xí)者的空間表征能力與問題解決能力?？梢暬畔?、知識結(jié)構(gòu)、動態(tài)知識、思維和學(xué)習(xí)過程的圖示化支架在提升STEM課程學(xué)習(xí)效果上有不同的積極影響。另外，學(xué)段、學(xué)科、教學(xué)方式等因素會影響圖示化支架在STEM課程中的效用。因此，為了充分發(fā)揮圖示化支架在STEM課程中的育人價值，教師可以有意識地、個性化地、針對性地設(shè)計圖示化支架，從而達(dá)到提升STEM課程教育教學(xué)質(zhì)量的目的。

[關(guān)鍵詞] STEM教育; 教師; 圖示化支架; 可視化; 元分析

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A

[作者簡介] 蔡慧英（1988—），女，湖北武漢人。副教授，博士，主要從事計算機(jī)支持的協(xié)作學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)科學(xué)與技術(shù)設(shè)計、STEM教育研究。E-mail：caihy@jiangnan.edu.cn。

一、引? ?言

《普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中提出，要綜合運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)、社會等學(xué)科知識、方法和技能，以專題學(xué)習(xí)或項目學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行問題解決與科技創(chuàng)新[1]。為了響應(yīng)新課標(biāo)的要求，我國STEM課程教師進(jìn)行了大量教學(xué)實踐探索和創(chuàng)新，但也暴露出很多問題。從技術(shù)整合角度看，學(xué)習(xí)者在STEM課程中只體驗了Arduino、Scratch、3D打印機(jī)、機(jī)器人套件等技術(shù)的新奇感，并未很好地借用學(xué)習(xí)技術(shù)理解學(xué)習(xí)背后的科學(xué)原理，造成了過分關(guān)注技術(shù)本身而不關(guān)注技術(shù)支持學(xué)習(xí)的宗旨[2]。從教學(xué)角度看，STEM課程教師一般只給學(xué)習(xí)者提供特定學(xué)習(xí)主題和教學(xué)步驟指導(dǎo)，對學(xué)習(xí)者自主探究過程缺乏針對性的支架設(shè)計[3]。這種讓學(xué)習(xí)者在復(fù)雜學(xué)習(xí)項目中自行摸索的“不教或少教”的教學(xué)方式會增加學(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)荷，不利于學(xué)習(xí)者綜合能力的提升[4]。

在學(xué)習(xí)科學(xué)領(lǐng)域，研究者倡導(dǎo)在復(fù)雜學(xué)習(xí)中設(shè)計并整合“支架”用以提升學(xué)習(xí)效果[5-6]。維果茨基的“最近發(fā)展區(qū)”理論指出，學(xué)習(xí)者獨自解決問題的實際發(fā)展水平與學(xué)習(xí)者在外界幫助下解決問題的潛能發(fā)展水平之間存在差距[7]。因此，為學(xué)習(xí)者提供支架能幫助他們在沒有外界幫助的情況下完成無法解決的學(xué)習(xí)任務(wù)。已有研究證明，在眾多支架類型中，圖示化支架是復(fù)雜學(xué)習(xí)活動中一種有效的學(xué)習(xí)干預(yù)手段[8]。它不僅可以在復(fù)雜問題解決中促進(jìn)學(xué)習(xí)者的深度理解，還可以降低交流成本，促進(jìn)學(xué)習(xí)者進(jìn)行有效的社會性交互[9]。在科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域，研究者倡導(dǎo)運(yùn)用多元可視化表征方式支持教學(xué)實踐[10]。因此，圖示化支架具備支持STEM課程教學(xué)的潛質(zhì)。但目前對圖示化支架在STEM課程教學(xué)中的作用并未進(jìn)行系統(tǒng)研究[11]。因此，本研究將采用元分析方法[12]，探究圖示化支架在STEM課程教學(xué)中的效用以及如何有效設(shè)計圖示化支架等問題，試圖為STEM課程教師有效組織教學(xué)提供指導(dǎo)，為提升STEM課程教學(xué)質(zhì)量貢獻(xiàn)力量。

二、文獻(xiàn)綜述

學(xué)習(xí)科學(xué)領(lǐng)域的大量研究表明，在復(fù)雜學(xué)習(xí)中設(shè)計圖示化支架能表征學(xué)習(xí)者認(rèn)知及社會性交互過程。它不僅能促進(jìn)學(xué)習(xí)者認(rèn)知，還對學(xué)習(xí)者的情感與技能具有積極影響[13]。常見的圖示化支架大致可分為五類[14]：（1）可視化信息的支架。運(yùn)用圖片、表格等方式表征知識或信息，幫助學(xué)習(xí)者理解。（2）可視化知識結(jié)構(gòu)的支架。運(yùn)用概念圖形式表征知識間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，幫助學(xué)習(xí)者全局性地理解知識，引發(fā)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)造性思維。（3）可視化動態(tài)知識的支架。側(cè)重于建立模型以模擬問題解決中的動態(tài)過程性知識，引發(fā)學(xué)習(xí)者的概念轉(zhuǎn)變。（4）可視化思維的支架。運(yùn)用圖形組織器等方式幫助學(xué)習(xí)者有序思考，促進(jìn)學(xué)習(xí)者解決復(fù)雜問題。（5）可視化學(xué)習(xí)過程支架。應(yīng)用可視化技術(shù)表征學(xué)習(xí)者在問題解決中生成的學(xué)習(xí)制品，并可視化協(xié)作交流時產(chǎn)生的想法、觀點等，典型代表是WISE平臺、語義圖示工具等。

通過文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，在STEM課程中整合圖示化支架能提升學(xué)習(xí)效果。例如：Marshall等人探究了交互式建模工具對本科生和研究生物理建模學(xué)習(xí)效果的影響，結(jié)果表明，該工具不僅可以幫助學(xué)習(xí)者掌握知識，還能優(yōu)化學(xué)習(xí)體驗[15];Suthers與Hundhausen探究了可視化論證思維工具對大學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)效果的影響，研究發(fā)現(xiàn)，整合該工具不僅可以提升學(xué)習(xí)者的論證思維，還可以提高其問題解決能力[16];陳文莉等人探究了Group Scribbles學(xué)習(xí)平臺對四年級學(xué)生科學(xué)課中協(xié)作學(xué)習(xí)的影響，研究表明，該平臺可以促進(jìn)學(xué)習(xí)者的協(xié)作探究過程，提高學(xué)習(xí)者的參與度，并改善學(xué)生對科學(xué)學(xué)習(xí)的認(rèn)知與態(tài)度[17]。

但也有研究發(fā)現(xiàn)，在STEM課程中整合圖示化支架并不能提升學(xué)習(xí)效果。例如：Lin等人對比分析了十年級學(xué)生閱讀科學(xué)漫畫與科學(xué)文本對學(xué)習(xí)效果的影響，結(jié)果表明，兩組學(xué)生在知識理解上無顯著差異[18];Wagaba等人發(fā)現(xiàn)，在科學(xué)課中整合概念圖對九年級學(xué)習(xí)者元認(rèn)知能力的發(fā)展沒有顯著影響[19];Cindy等人探究了科學(xué)圖表和樣例對初中生科學(xué)內(nèi)容理解的影響，結(jié)果表明，這兩種支架都對學(xué)生科學(xué)內(nèi)容的獲取和保留沒有積極影響[20]。

綜上所述，圖示化支架對STEM課程學(xué)習(xí)效果的影響還沒有定論。另外，基于相關(guān)元分析研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)段、學(xué)科、教學(xué)方式等因素會影響支架在STEM課程中的學(xué)習(xí)效果[11]。所以，本研究采用元分析方法，試圖回答的研究問題包括：（1）不同類型的圖示化支架對STEM課程學(xué)習(xí)結(jié)果產(chǎn)生了何種影響？（2）不同調(diào)節(jié)因素（如學(xué)段、學(xué)科、教學(xué)方式）對圖示化支架在STEM課程中發(fā)揮作用會產(chǎn)生何種影響？

三、研究方法與過程

（一）文獻(xiàn)數(shù)據(jù)收集與整理

為了找到符合本研究要求的元分析論文，本研究運(yùn)用PRISMA流程[21]開展了文獻(xiàn)數(shù)據(jù)收集與整理工作，具體過程如圖1所示。

在識別階段，本研究對Science Direct、Springer link等6個數(shù)據(jù)庫的標(biāo)題、關(guān)鍵詞、摘要進(jìn)行了文獻(xiàn)檢索。為了全面獲取工程、數(shù)學(xué)和STEM綜合課程相關(guān)的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，本研究手動檢索了Computer Applications in Engineering Education等6個學(xué)術(shù)期刊。文獻(xiàn)檢索字段是：（Map OR Diagram OR Graphics OR Visual） AND （STEM OR Science OR Technology OR Engineering OR Math*） AND （Scaffold OR Script OR Support OR Aid） AND （Learning OR Teaching OR Education）。檢索的文獻(xiàn)發(fā)表時間是2015年1月至2019年12月。為了獲取到高質(zhì)量的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，在檢索過程中設(shè)置了相應(yīng)的限制條件，包括：同行評審、期刊論文、英語書寫、涉及教育技術(shù)領(lǐng)域。最終檢索出6125篇論文。

在篩選階段，剔除了重復(fù)文獻(xiàn)題錄后，兩名研究人員閱讀了剩余題錄對應(yīng)的摘要，選出301篇可能符合要求的論文。接著，由第三名研究人員加入，共同對301篇論文進(jìn)行了再次篩選，最終確定88篇論文有待后續(xù)篩選。

在納入階段，兩名研究人員共同閱讀了88篇論文的全文并進(jìn)行了篩選。篩選標(biāo)準(zhǔn)為：關(guān)注STEM課程教學(xué);有圖示化支架干預(yù);研究對象是學(xué)生;開展了隨機(jī)實驗或準(zhǔn)實驗研究，其中，單組實驗有前后測數(shù)據(jù)，雙組實驗有對比實驗組;清晰呈現(xiàn)完整的數(shù)據(jù)，如樣本量、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等。兩名研究者篩選結(jié)果重合比例達(dá)85%以上，對篩選結(jié)果不一致的論文進(jìn)行了討論，最終決定將30篇論文計入數(shù)據(jù)編碼階段。

（二）數(shù)據(jù)編碼

通過改編相關(guān)文獻(xiàn)的編碼框架[11]，研究者確定了適合本研究的編碼體系，見表1。根據(jù)表1的編碼體系，對計入的30篇文獻(xiàn)中的字段內(nèi)容進(jìn)行編碼，最終得到了79條元分析數(shù)據(jù)。

（三）元分析過程

本研究運(yùn)用Comprehensive Meta Analysis Version 2.0（CMA-v2.0）工具對編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行了發(fā)表偏倚、異質(zhì)性檢驗、效應(yīng)量計算。發(fā)表偏倚檢驗主要衡量當(dāng)有多少未達(dá)到顯著水平的研究時，才能使得研究結(jié)論逆轉(zhuǎn)[22]。通過定性漏斗圖分析發(fā)現(xiàn)，大部分效應(yīng)值相對均勻地分布在漏斗圖的平均效應(yīng)值的兩側(cè)（如圖2所示）。這說明存在偏差的可能性較小。Begg檢驗結(jié)果顯示，Z=0.867<1.96，p=0.192>0.05，表明發(fā)表偏倚不明顯。

異質(zhì)性檢驗是為了評價獨立樣本的效應(yīng)值是否具有可合并性。通常采用I2檢驗和Q 檢驗兩種方法進(jìn)行判斷。當(dāng) I2>50%，或當(dāng)Q值越大，且p<0.05時，說明存在異質(zhì)性。若研究樣本出現(xiàn)異質(zhì)性時，可以采用考慮研究內(nèi)與研究間變異的隨機(jī)模型開展元分析效應(yīng)值檢驗[23]。經(jīng)分析，研究發(fā)現(xiàn)，本研究存在異質(zhì)性，Q=931.095（p<0.05），I2=92.623。故將采用隨機(jī)模型進(jìn)行元分析。

四、研究結(jié)果

（一）圖示化支架對STEM課程學(xué)習(xí)效果的影響

為了探究STEM課程中圖示化支架對學(xué)習(xí)效果的影響，本研究進(jìn)行了效應(yīng)值檢驗，結(jié)果見表2。根據(jù)效應(yīng)值統(tǒng)計理論，當(dāng)d<=0.2 時，認(rèn)為干預(yù)影響較小;當(dāng)d>=0.5 時，認(rèn)為干預(yù)影響中等;當(dāng)d>=0.8 時，認(rèn)為干預(yù)影響較大[24]。從表2可以發(fā)現(xiàn)，STEM課程中圖示化支架對學(xué)習(xí)效果總體效應(yīng)量d=0.568，p<0.05。由此可以推斷，圖示化支架對STEM課程學(xué)習(xí)效果具有中等偏上的積極影響。說明圖示化支架在STEM課程中能較好地提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果。

為了探究STEM課程中圖示化支架對學(xué)習(xí)者認(rèn)知、情感、技能、認(rèn)知負(fù)荷的影響，本研究進(jìn)行了效應(yīng)值檢驗，結(jié)果見表3。由表3可知，STEM課程中圖示化支架對學(xué)習(xí)者認(rèn)知發(fā)展影響的效應(yīng)值d=0.805，p<0.05。其中，對深層理解影響的效應(yīng)值（d=0.860，p<0.05）大于對淺層理解的效應(yīng)值（d=0.719，p<0.05）。這說明在STEM課程中圖示化支架能較好地促進(jìn)學(xué)習(xí)者的認(rèn)知發(fā)展，尤其有利于促進(jìn)學(xué)習(xí)者的深層理解。同理分析可知，將圖示化支架整合到STEM課程中，在情感層面能有效提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動機(jī)，但不能提升自我效能感;在技能層面能有效提升學(xué)習(xí)者的空間表征能力和問題解決能力，但不能提升元認(rèn)知能力;另外，能降低學(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)荷。

（二）不同類型的圖示化支架對STEM課程學(xué)習(xí)效果的影響

為了探究不同類型的圖示化支架對STEM課程學(xué)習(xí)效果的影響，本研究進(jìn)行了效應(yīng)值分析，結(jié)果見表4。由表4可知，在STEM課程中，可視化學(xué)習(xí)過程支架對學(xué)習(xí)效果影響最大（d=0.807，p<0.05）。在認(rèn)知層面，可視化學(xué)習(xí)過程支架對STEM課程中學(xué)習(xí)者淺層理解的影響（d=1.041，p<0.05）優(yōu)于對深層理解的影響（d=0.711，p<0.05）;在技能層面，可視化學(xué)習(xí)過程支架對STEM課程的元認(rèn)知能力發(fā)展（d=0.786，p<0.05）影響較大，其次是問題解決能力（d=0.416，p<0.05）;可視化學(xué)習(xí)過程支架對空間表征能力沒有顯著影響（d=0.366，p>0.05）。

同理分析可知，在STEM課程中，可視化信息支架對學(xué)習(xí)效果影響中等偏上。在認(rèn)知層面，可視化信息支架對學(xué)習(xí)者深層理解的影響優(yōu)于對淺層理解的影響;在技能層面，該支架對空間表征能力具有中等影響，雖然對問題解決能力不產(chǎn)生顯著影響，但能較好地降低認(rèn)知負(fù)荷。

在STEM課程中，可視化思維支架對學(xué)習(xí)效果影響中等。在認(rèn)知層面，可視化思維支架對學(xué)習(xí)者淺層和深層理解影響中等偏上;在情感層面，該支架對學(xué)習(xí)動機(jī)影響中等，對自我效能感影響不顯著;在技能層面，該支架對問題解決能力影響中等偏上，且能較好地降低認(rèn)知負(fù)荷。

在STEM課程中，可視化知識結(jié)構(gòu)支架對學(xué)習(xí)效果影響一般。雖然可視化知識結(jié)構(gòu)支架對學(xué)習(xí)者深層理解、淺層理解、學(xué)習(xí)動機(jī)影響較大，但對問題解決能力和元認(rèn)知能力沒有顯著影響。

在STEM課程中，可視化動態(tài)知識支架對學(xué)習(xí)效果影響一般。在認(rèn)知層面，可視化動態(tài)知識支架對學(xué)習(xí)者深層理解的影響優(yōu)于對淺層理解的影響。在情感層面，該支架對學(xué)習(xí)動機(jī)影響中等偏下;在技能層面，該支架對學(xué)習(xí)者空間表征能力具有中等偏上影響，對問題解決能力影響不顯著，但能降低認(rèn)知負(fù)荷。

（三）不同調(diào)節(jié)因素對圖示化支架在STEM課程中發(fā)揮效果的影響

為了探究不同調(diào)節(jié)變量對圖示化支架在STEM課程中發(fā)揮效果的影響，本研究進(jìn)行了相應(yīng)的效應(yīng)值分析，結(jié)果見表5。由表5可知，對學(xué)段調(diào)節(jié)變量而言，圖示化支架對高中和小學(xué)STEM課程學(xué)習(xí)會產(chǎn)生較大影響（d=1.129，p<0.05;d=0.818，p<0.05），圖示化支架對初中STEM課程學(xué)習(xí)具有中等影響（d=0.500，p<0.05），對大學(xué)STEM課程學(xué)習(xí)的影響偏低（d=0.328，p<0.05）。

同理分析可知，對學(xué)科而言，對STEM綜合課程學(xué)習(xí)影響較大，對工程和數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)影響中等偏上，對技術(shù)和科學(xué)的學(xué)習(xí)影響中等。

對教學(xué)方式而言，以探究學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)方式開展STEM課程教學(xué)時，圖示化支架對學(xué)習(xí)效果影響中等偏上;以問題解決學(xué)習(xí)方式、基于項目的學(xué)習(xí)方式開展STEM課程教學(xué)時，圖示化支架對學(xué)習(xí)效果影響偏低。

五、研究討論與總結(jié)

（一）在STEM課程中教師可以有意識地設(shè)計圖示化支架

通過元分析發(fā)現(xiàn)，STEM課程中圖示化支架對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)效果具有中等偏上的積極影響。不僅能提升學(xué)習(xí)者的認(rèn)知理解和學(xué)習(xí)動機(jī)，還能降低認(rèn)知負(fù)荷，提升學(xué)習(xí)者的空間表征能力與問題解決能力。這一研究發(fā)現(xiàn)具有合理性。首先，由多媒體學(xué)習(xí)理論可知，在STEM課程中圖示化支架能輔助呈現(xiàn)抽象概念，為學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)提供補(bǔ)充性信息。這能讓學(xué)習(xí)者更好地將新知識整合到已有認(rèn)知圖式中，達(dá)到促進(jìn)認(rèn)知發(fā)展的目的[25]。其次，在STEM課程中圖示化支架會刺激和調(diào)動學(xué)習(xí)者的認(rèn)知活動。不僅能促使學(xué)習(xí)者在頭腦中從不同空間角度對所學(xué)知識進(jìn)行省思[26]，還能刺激學(xué)習(xí)者在頭腦中動態(tài)演示或模擬知識的動態(tài)變化過程[27]，從而提升學(xué)習(xí)者的空間表征能力。最后，依據(jù)認(rèn)知負(fù)荷理論可知，人的工作記憶容量是有限的，任何學(xué)習(xí)信息或活動都會消耗學(xué)習(xí)者的認(rèn)知資源[28]。由于圖示化支架可以外化學(xué)習(xí)過程中的信息和活動，這樣能夠較少地消耗學(xué)習(xí)者的認(rèn)知資源，達(dá)到降低學(xué)習(xí)者認(rèn)知負(fù)荷的目的[13]。另外，被釋放的認(rèn)知資源可用于解決問題，因此，有助于提升問題解決能力和學(xué)習(xí)動機(jī)[29]。

本研究還發(fā)現(xiàn)，在STEM課程中圖示化支架對學(xué)習(xí)者元認(rèn)知能力和自我效能感沒有顯著積極影響。對其可能的解釋是：第一，圖示化支架在STEM課程中可以激發(fā)學(xué)習(xí)者的認(rèn)知活動，但不能較好地刺激學(xué)習(xí)者對自己認(rèn)知過程的再認(rèn)知。對此，學(xué)習(xí)科學(xué)研究者提倡在復(fù)雜學(xué)習(xí)活動中整合支架的基礎(chǔ)上，需要輔助問題提示、反饋、專家模型引導(dǎo)等支架策略，從而提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果[30]。第二，自我效能感是個體對其行動控制的知覺或信念，一般會在直接經(jīng)驗、觀察同伴行為的替代經(jīng)驗或他人說服等方式的長期干預(yù)下發(fā)生改變[31]。因此，大約八、九周學(xué)習(xí)周期的STEM課程學(xué)習(xí)難以改變學(xué)習(xí)者的自我效能感。

從以上研究發(fā)現(xiàn)可以得到啟示：在STEM課程教學(xué)中，教師可以有意識地設(shè)計圖示化支架，用以從認(rèn)知、技能和情感等三個方面提升STEM課程教學(xué)質(zhì)量。為了充分發(fā)揮圖示化支架在STEM課程中的作用，教師可以輔助添加提示、問題引導(dǎo)、反饋等支架策略。例如：在設(shè)計和整合圖示化支架的基礎(chǔ)上，教師可以采用提示支架策略，為學(xué)習(xí)者提供推進(jìn)學(xué)習(xí)活動的線索或建議[32];采用問題引導(dǎo)支架策略，為學(xué)習(xí)者提供具有引導(dǎo)性的問題，使其注意力轉(zhuǎn)移到重要的問題元素上，從而促進(jìn)學(xué)習(xí)者的深度思考與推理[33];采用反饋支架策略，對學(xué)生的行為表現(xiàn)給予及時的總結(jié)和提示[30]。另外，STEM課程教師可以將圖示化支架當(dāng)作長期使用的教學(xué)干預(yù)手段，有意識地在不同教學(xué)項目或環(huán)節(jié)中設(shè)計圖示化支架，提升學(xué)習(xí)者自我效能感，并促進(jìn)學(xué)習(xí)者深度理解和綜合能力的培養(yǎng)。

（二）在STEM課程中教師可以個性化地設(shè)計圖示化支架

通過元分析發(fā)現(xiàn)，可視化信息、可視化知識結(jié)構(gòu)、可視化動態(tài)知識、可視化思維過程、可視化學(xué)習(xí)過程等五種圖示化支架均對STEM課程學(xué)習(xí)效果具有中等偏上的積極影響。其中，對學(xué)習(xí)者淺層和深層理解均產(chǎn)生中等偏上的積極影響，并能降低學(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)荷。不同的是，不同類型圖示化支架對STEM課程中學(xué)習(xí)者的情感和技能發(fā)展具有不同程度的影響。

在STEM課程中，可視化信息與可視化動態(tài)知識支架具有提升學(xué)習(xí)者空間表征能力的特質(zhì)。通過梳理文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，這兩類支架在STEM課程中的應(yīng)用體現(xiàn)在三個方面：第一，運(yùn)用二維視覺表征手段（如圖形、圖像）或三維模型（如3D技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實的虛擬模型）等靜態(tài)方式可視化呈現(xiàn)抽象概念或復(fù)雜現(xiàn)象;第二，運(yùn)用基于計算機(jī)的模擬動畫、虛擬現(xiàn)實等動態(tài)方式可視化呈現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容或?qū)W習(xí)場景;第三，運(yùn)用基于增強(qiáng)現(xiàn)實的平臺、交互式建模軟件等交互方式可視化設(shè)計學(xué)習(xí)資源，支持學(xué)習(xí)者以交互的方式理解知識動態(tài)發(fā)展的過程。

在STEM課程中，可視化知識結(jié)構(gòu)支架可以提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動機(jī)。目前，可視化知識結(jié)構(gòu)支架主要有兩種應(yīng)用方式：一種是借助概念圖工具幫助學(xué)習(xí)者對STEM課程中所學(xué)知識進(jìn)行結(jié)構(gòu)性梳理;另一種是在概念圖工具的基礎(chǔ)上整合其他技術(shù)支架用于STEM課程學(xué)習(xí)。例如：Chen等人設(shè)計了整合增強(qiáng)現(xiàn)實的概念圖CMAR工具，這一工具能以增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)為學(xué)習(xí)者可視化學(xué)習(xí)內(nèi)容，還能使學(xué)習(xí)者運(yùn)用概念圖工具梳理所學(xué)知識，研究發(fā)現(xiàn)，CMAR工具可以幫助學(xué)生理解學(xué)習(xí)內(nèi)容和知識框架，還可以增加學(xué)習(xí)者的信心與學(xué)習(xí)動機(jī)[34]。Farrokhnia等人為學(xué)習(xí)者設(shè)計了基于計算機(jī)的協(xié)作概念圖支架工具，運(yùn)用這一支架工具，學(xué)習(xí)者不僅可以訪問同伴的概念圖，還可以與同伴協(xié)同創(chuàng)建概念圖，研究表明，這一方式能消除孤獨感，提升學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)動機(jī)[35]。

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How Teachers Design Graphical Scaffolds to Support STEM Teaching Effectively：

A Meta-analysis Based on 30 Experiments and Quasi-experimental Studies

CAI Huiying1，? DONG Haixia1，? WANG Qi2

（1.Research Center of Educational Informatization， Jiangnan University， Wuxi Jiangsu 214122;

2.School of Physical Science and Engineering， Tongji University， Shanghai 200092）

[Abstract] In the teaching of STEM courses， teachers generally cannot effectively design learning techniques and there is a phenomenon of "no teaching or less teaching". To address these problems， researchers in the field of learning science advocate teachers to design graphical scaffolds to effectively intervene in the teaching of STEM courses. However， there has been no systematic research on the role of graphical scaffolds in the teaching of STEM courses. This study uses the meta-analysis method to conduct an in-depth analysis of 30 experimental and quasi-experimental studies focusing on the effectiveness of the graphical scaffolds in the teaching of STEM courses in the past five years. The results indicate that the graphical scaffolds in STEM teaching has a moderately positive effect on learners' learning. It can not only improve learners' cognitive understanding and learning motivation， but also reduce cognitive load and improve their spatial representation ability and problem-solving ability. The visualized information， knowledge structure， dynamic knowledge， thinking and the graphical scaffold of learning process have different positive effects on improving the learning effects of STEM courses. In addition， learning stages， subjects， teaching methods and other factors will affect the effectiveness of graphical scaffolds in STEM courses. Therefore， in order to give full play to the educational value of graphical scaffolds in STEM courses， teachers can design graphical scaffolds consciously， individually and pertinently， so as to achieve the goal of improving the education and teaching quality of STEM courses.

[Keywords] STEM Education; Teacher; Graphical Scaffolds; Visualization; Meta-analysis