K-12 STEM教育中圖形化數值數據的實證研究系統回顧

Conceitos essenciais

圖形化教學可以有效提升K-12 STEM教育中学生的圖形構造和數據解讀能力，但學生在圖形構造、數據解讀和應用方面仍面臨諸多挑戰。

Resumo

簡介
本系統性文獻回顧旨在探討圖形化在 K-12 STEM 教育中的應用、有效性和學生所面臨的挑戰。圖形化是指根據數值數據構建基於慣例的圖形表示，是圖形能力的關鍵組成部分。
圖形化在 STEM 教育中的理論基礎
多重表徵學習理論（如整合文字與圖像理解模型 ITPC 和多媒體學習認知理論 CTML）認為，同時使用多種表徵可以促進學習。主動生成活動理論（如 ICAP 架構和生成學習理論）則強調學習者主動生成表徵的積極作用。
圖形化的實施方式
研究設計與情境
大多數研究在問題解決環境中分析圖形化，部分研究則在實驗或教學環境中進行。研究對象以高中生為主，研究主題以數學居多，其次是生物、物理、化學和計算機科學。
圖形類型、繪圖方法和指導
最常構建的圖形類型是折線圖，其次是長條圖和表格。大多數研究要求學生手動繪製圖形，也有部分研究使用計算機工具。指導方式多樣，包括明確指示、最小程度指導、完成表徵、比較表徵和基於學生的反饋等。
圖形化所使用的數值數據
學生使用的數據來源包括自行生成和研究者提供兩種。大多數研究使用雙變量數據，其次是單變量和多變量數據。
圖形化教學的有效性
研究結果和調節因素
大多數研究採用定性或混合方法分析，較少報告量化結果和效應量。部分研究發現圖形化教學對學生的圖形構造和數據解讀能力有積極影響。
學生在圖形化過程中遇到的困難
構造上的困難
學生在圖形構造、變量排序和數據轉換等方面存在困難。
理論上的困難
學生在將圖形與概念聯繫起來以及解讀圖形方面存在困難。
總結
圖形化教學是 K-12 STEM 教育中一項重要的教學方法，可以有效提升學生的圖形構造和數據解讀能力。然而，學生在圖形化過程中仍面臨諸多挑戰，需要教師關注並提供適當的指導。

Estatísticas

Principais Insights Extraídos De

A Systematic Review of Empirical Research on Graphing Numerical Data in K-12 STEM Education

by Verena Ruf, ... às arxiv.org 11-21-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.13195.pdf

Perguntas Mais Profundas

如何將圖形化教學與其他教學方法（如探究式學習、合作學習）相結合，以更好地促進學生的學習？

將圖形化教學與探究式學習和合作學習相結合，可以更有效地促進學生學習，以下是一些具體方法：
1. 結合探究式學習，引導學生主動建構知識：

提出驅動性問題： 在開始圖形化教學前，設計與課程內容相關的驅動性問題，引發學生探究數據和資訊的興趣。
設計探究活動： 讓學生親自收集、整理和分析數據，並引導他們選擇合適的圖形來呈現和解釋數據。
鼓勵學生提出假設和驗證： 在圖形化的過程中，鼓勵學生根據圖形提出假設，並設計實驗或收集更多數據來驗證。
2. 結合合作學習，促進學生深度思考和交流：

分組合作，共同完成圖形化任務： 將學生分成小組，讓他們合作完成數據收集、圖形製作和結果分析等任務。
組織學生進行圖形解讀和討論： 讓學生展示和分享他們製作的圖形，並引導他們分析圖形、解釋數據、提出問題和進行討論。
同伴互評，促進反思和改進： 讓學生互相評估彼此的圖形化作品，並提供建設性的意見和建議，促進學生反思和改進。
3. 利用科技工具，提升圖形化教學效率和趣味性：

使用數據可視化工具： 利用線上數據可視化工具，例如 CODAP、TinkerPlots 等，讓學生更輕鬆地創建各種圖形，並進行數據探索和分析。
結合互動式模擬： 利用互動式模擬，讓學生觀察變量之間的關係，並將模擬結果以圖形化方式呈現，加深學生對概念的理解。
總之，將圖形化教學與探究式學習、合作學習和科技工具相結合，可以創造更積極、互動和富有成效的學習環境，幫助學生更深入地理解和應用知識。

如果學生已經具備良好的數據解讀能力，那麼圖形化教學是否還有必要？

即使學生已經具備良好的數據解讀能力，圖形化教學仍然是必要的，理由如下：

圖形化是數據分析和表達的重要工具： 圖形化不僅僅是數據解讀的結果，更是數據分析和表達的重要工具。

圖形化可以幫助學生更清晰地呈現數據的規律、趨勢和關係，並從中發現隱藏的資訊。
圖形化可以幫助學生更有效地與他人溝通數據分析的結果，並支持自己的觀點。

圖形化促進深度思考和批判性思維：

選擇合適的圖形類型、設計圖形的呈現方式等過程，可以促進學生對數據和問題的深度思考。
圖形化可以幫助學生識別數據中的偏差、誤差和局限性，培養學生的批判性思維。

圖形化能力是未來社會的必備技能： 在當今數據驅動的社會，圖形化能力已經成為各行各業的必備技能。

學生需要具備從大量數據中提取有用資訊、進行分析和解讀，並以清晰易懂的方式呈現結果的能力。

圖形化教學可以與其他教學方法相結合： 如前所述，圖形化教學可以與探究式學習、合作學習等教學方法相結合，創造更豐富的學習體驗。

總之，即使學生已經具備良好的數據解讀能力，圖形化教學仍然是必要的，它可以幫助學生更全面地掌握數據分析和表達的技能，培養學生的深度思考和批判性思維，為學生未來在學業和職業上的發展做好準備。

在當今數據可視化技術日新月異的時代，傳統的圖形化教學是否還具有 relevance？

在數據可視化技術日新月異的時代，傳統的圖形化教學仍然具有 relevance，但需要與時俱進，進行適當的調整和創新。
傳統圖形化教學的價值：

奠定基礎知識和技能： 傳統圖形化教學強調圖形的基本要素、類型、繪製方法和解讀技巧，這些基礎知識和技能是學生理解和應用數據可視化技術的基石。
培養批判性思維： 傳統圖形化教學強調數據的準確性、客觀性和完整性，以及圖形設計的合理性和有效性，這些都有助於培養學生的批判性思維。
與時俱進的圖形化教學：

整合數據可視化技術： 將數據可視化軟件和工具融入教學，例如 Tableau、Gephi 等，讓學生體驗更直觀、互動和高效的數據可視化方式。
拓展圖形化類型和應用： 除了傳統的圖表類型，介紹更豐富的數據可視化形式，例如網絡圖、地圖、信息圖等，並結合實際案例，拓展學生的視野。
培養數據敘事能力： 數據可視化不僅僅是呈現數據，更要講述數據背後的故事。

引導學生思考如何利用圖形、色彩、文字等元素，將數據轉化為引人入勝的故事，提升學生的數據敘事能力。
總之，傳統的圖形化教學仍然具有 relevance，它為學生理解和應用數據可視化技術奠定了基礎。
在數據時代，更需要將傳統圖形化教學與數據可視化技術相結合，培養學生更全面的數據素養，讓學生能夠在信息爆炸的時代中，有效地獲取、分析、解讀和傳播信息。