智慧课堂教学新形态：纸笔数字书写技术教学应用
张晓梅 胡钦太 田雪松 刘思琪
摘要：纸笔数字书写是指对手持工具进行自然书写产生的轨迹或图形等视觉符号进行数字化处理的过程，具有保留传统纸笔书写行为、采集完整书写数据、实现远程共享书写空间等优势。纸笔数字书写技术是对传统纸笔书写的信息技术赋能，它与传统课堂教学的融合能为当前信息化教学“屏幕过度依赖”带来的健康和教学问题提供新的解决方案，因而也可能成为一种新型的智慧课堂教学形态。为了证实纸笔数字书写技术的教学应用潜力，以“腾讯企鹅智笔课堂”为例开展的实证调查表明：学生使用点阵笔的整体满意度较高，女生满意度水平普遍高于男生;技术自我效能感、互动学习活动、技术使用态度和感知有用性是影响学生使用点阵笔满意度的主要因素，其中技术自我效能感和互动学习活动的影响程度最大;技术接受模型中的感知易用性对学生使用点阵笔的满意度影响并不显著，因此还需要在教学实践中不断摸索以纸笔数字书写技术为支持的最佳教学策略。
关键词：智慧课堂;纸笔数字书写;信息化教学;满意度
中图分类号：G434? ?文献标识码：A? ? 文章编号：1009-5195（2020）01-0077-07? doi10.3969/j.issn.1009-5195.2020.01.009
作者简介：张晓梅，博士研究生，华南师范大学教育信息技术学院（广东广州 510631）;胡钦太（通讯作者），博士，教授，博士生导师，华南师范大学教育信息技术学院（广东广州 510631）;田雪松，博士研究生，华南师范大学教育信息技术学院（广东广州 510631）;刘思琪，硕士研究生，华南师范大学教育信息技术学院（广东广州 510631）。
一、背景：纸笔数字书写教学是智慧课堂教学的新形态
近年来，随着教育信息化进程的推进，纸笔作为曾经必备的教学书写介质正在被各式各样的电子设备所取代，许多国家都在竞相尝试或推广“无纸化课堂”（Paperless Classroom），其中以电子书包项目最为主流。但是，长时间、近距离地使用电子产品（如计算机、手机、平板电脑等），荧光屏上闪烁的画面和强弱光线的刺激会使儿童睫状肌长期处于高度紧张状态，长时间得不到松弛就会导致睫状肌痉挛，从而产生视力不良的后果（French et al.，2013）。儿童使用电子产品的时间越长、距离屏幕越近，揉眼、偏头、眯眼以及注意力不集中等不良情况就会愈发严重（曹斌等，2018）。即使是对教师和家长开展了视力健康教育培训的前提下，使用电子书包仍可能对学生的视力发育产生不良影响（杨爱莉等，2014）。面对我国居高不下的青少年近视率，教育部等八部门于2018年8月联合发布《综合防控儿童青少年近视实施方案》，明确指出“学校布置作业不依赖电子产品，原则上采用纸质作业”“教学不依赖电子产品，使用电子产品开展教学时长原则上不超过教学总时长的30%”。
除了健康问题，基于无纸化电子产品的学习效果也受到不少质疑。有研究通过对比发现，使用电子书包和使用传统紙质课本的学生在学习的各方面并没有显著性的差异（张文兰等，2013;Terpend et al.，2014）。多项研究表明，传统的纸笔技术比电子书写工具（如Microsoft Word）更有利于满足学生学习和思考的认知需求，获得更好的及时性、个性和在交流实践中可移植性（Sakari，2014）等体验。学生在教学中使用连接了互联网的信息技术设备，不仅影响他们的阅读和写作技能，而且容易造成分心、纪律涣散、信息过载、信息混沌等问题（Shonfeld et al.，2017）。普林斯顿大学联合加利福尼亚大学开展的研究也发现，利用便携式电脑做笔记的学生和做纸笔笔记的学生相比，前者在回答概念性问题上表现得更糟糕，纸笔书写事实上比键盘输入在实践中表现得更为便捷，纸笔书写为写作提供了更多的想象空间，有助于句子的表达（Mueller et al.，2014）。
纵观世界范围内的学习场景，尤其是学校，纸笔书写依然是最主流的写作工具（Graham et al.，2016）。对美国在校大学生的调查显示，在电子阅读器、便携式电脑和纸质书中选择最喜欢的阅读媒介时，63.6%的学生选择了纸质书（Kretzschmar et al.，2013）。对我国天津市731名大学生的调查显示，62.1%的学生在上课或者开会时更乐意采用手写记录的方式做笔记，选择用手机拍照或备忘录、电脑的学生占31.48%（夏习英，2015）。不论是课堂教学还是校外自主学习都存在大量以书写为表现形式的输入输出行为，贯穿于教师的备课、作业批改、教学总结和学生的作业、笔记、考试等环节，甚至师生之间的互动也常以书写作为沟通媒介。有研究显示，在课堂上经常使用便携式电脑的学生，其学习满意度往往低于采用传统纸笔课堂教学的学生（Wurst et al.，2008）。
纸笔书写在教学实践中具有不可忽视的存在价值，因此认为纸笔书写将会消失的想法是过激且不成熟的（Graham，2018），盲目推行“无纸化教学”可能带来始料未及的后果。但是，正视无纸化课堂的弊端和现实困境，重申纸笔书写的现实性和必要性，并非是对电子产品甚至教育信息化进行宣战或摒弃。无纸化课堂是教育信息化的一种可能形态，但绝不是唯一或必须的形态。技术循环理论认为，技术总是进行这样的循环，为解决老问题去采用新技术，新技术又引起新问题，新问题的解决又要诉诸更新的技术（布莱尔·阿瑟，2014）。科技的进步和传统的延续并不矛盾，传统的纸笔技术和电子设备的交互并不相互排斥（Fortunati et al.，2014）。作为数据采集与交互入口的智能终端设备是新一代智慧课堂环境不可或缺的关键组成部分（吴晓如等，2019），而近年来出现的以智能书写笔为代表的新一代纸笔数字书写技术，在保留传统纸笔书写行为、采集完整书写数据、实现远程共享书写空间等方面，比目前使用较为广泛的平板教学具有相对优势，有可能成为今后一段时期智慧课堂教学的主流形态之一。
目前有关纸笔数字书写的研究较少，多集中在书写纸技术（刘增辉，2011;郭建辉，2016）、书写笔迹的提取与识别技术（陈健等，2018;余佳航等，2018）等技术层面的开发研究。近年来开始有少量纸笔数字书写工具支持的课堂教学效果与策略研究，比如点阵数码笔支持的学生英语口语阅读效果（Chen et al.，2016）和数学网络教学效果（Colak，2015）、数码笔和交互式电子白板支持下的协作式问题解决教学对新媒介素养的影响（Alvarez et al.，2013）、数字板书对学科领域知识学习的影响（孙丹等，2018）、数码笔支持下面向有学习障碍的初中生教学策略（Min et al.，2017）、基于数字书写技术的课堂互动系统的教学应用策略（魏丽，2017），以及点阵数码笔在高中数学教学中的应用（夏蓓菡，2017）等。目前很少有研究从整体上考察纸笔数字书写技术在未来教学中的应用优势以及从满意度的角度来分析纸笔数字书写技术的实际应用效果。
二、优势：纸笔数字书写技术赋能传统纸笔课堂教学
1.纸笔数字书写技术
数字书写（Digital Handwriting）也叫书写数字化，是对手持工具进行自然书写产生的轨迹或图形等视觉符号进行数字化处理的过程。实现书写数字化的方式包括前期数字化和同步数字化两种，前者是通过拍照、扫描等方式对任意书写笔迹进行后期采集以获得数字化的笔迹;后者则是通过特殊的智能书写工具实现书写笔迹与过程的实时采集与处理，无须后期处理，由于这种方式保留了纸笔书写的行为习惯，因此又被称为纸笔数字书写。
目前实现纸笔数字书写的技术主要有电磁感应技术和光学点阵技术两种。基于电磁感应技术的智能书写笔通过电磁信号实现书写数据的采集和传输，书写时需将纸张覆盖在专门配备的电磁垫板的限定位置，垫板后台系统对笔触坐标定时采样得到笔触运动的记录点集，由此还原书写“笔迹”。这一技术对纸张没有特殊要求，目前可支持对100多页厚度的纸张上书写笔迹的识别。基于光学点阵技术的智能书写笔通过光学信号实现书写数据的采集和传输，需要在印有点阵图案的普通纸张上书写，通过智能笔前端的高速摄像头随时捕捉笔尖的运动轨迹，同时压力传感器将压力数据传回数据处理器，从而实现对包括纸张类型、来源、页码、位置、笔迹坐标、运动轨迹、笔尖压力、笔画顺序、运笔时间、运笔速度等书写信息的精准数字化还原（田雪松等，2019）。从某种程度上说，纸笔数字书写技术是对传统纸笔书写的信息技术赋能，以期在实现纸笔自然书写的同时让书写信息得到数字化地呈现和智能化地处理。
2.纸笔数字书写技术的教学应用优势
整体而言，将纸笔数字书写技术应用于课堂教学相比于平板或电子书包教学具有以下三大优势：
第一，纸笔书写行为符合具身认知理论倡导的认知规律。相比基于平板或电子书包教学，保留了传统纸笔书写行为习惯的纸笔数字书写技术在教学中的应用更契合具身认知理论所主张的“身体的知觉是行为产生的基础，身体的物理属性、状态及其感知运动经验会改变认知”的规律（王靖等，2014）。已有研究证实，纸笔书写和键盘输入或屏幕触写分别呈现的是具身的（Embody）和使能的（Enable）兩种不同的技术参与模式。纸笔书写是一种更多感官刺激并具有元交际（Metacommunicative）特性的行为，而键盘输入或屏幕触写则倾向于思维过程的碎片化，既掩盖了写作的过程，也缺少写作的亲密感，因此容易在思维和输出之间造成一定的距离（Fortunati et al.，2014）。在手写过程中，同步的、连续的和并发的视觉、感知觉和动觉信息会以空间信息的形式反馈给大脑，诸如画直线、曲线、圆圈等书写标记反馈给大脑的是刚刚写下的某个字母的视觉形象。而如果使用键盘输入，敲击键盘上的键则不会给大脑反馈这样的信息（Mangen，2016）。行为和神经成像研究也证实，手写过程中的感知觉有助于视觉表征并回忆写下的内容，但是键盘输入却没有这样的效果（Mangen et al.，2015）。尤其对科学、技术、工程、数学等本质上用符号来表达的学科，笔更适合人类自如地表达视觉空间内容（Urban，2017）。还有研究发现，缺少手写的训练可能会导致其他精细运动技能的丧失或退化，经常手写的成年人比经常使用键盘的成年人的运动技能要好很多（Longcamp et al.，2006）。
第二，实现线下书写数据的采集和数据的智能化处理。虽然混合学习逐渐兴起，但是师生的教学活动仍以线下为主，即使可穿戴设备已逐渐走进课堂，很多线下数据依然无法实现数字化（祝智庭等，2017），尤其是师生的自然书写数据。教学大数据包含课堂教学数据、在线学习数据以及课外辅导数据三大模块，然而目前课堂教学数据与校外辅导和自主学习的数据并未实现互联互通（杨现民等，2018）。纸笔数字书写技术的引入，不仅可以保留学生的纸笔书写习惯，还能采集师生在线下和课外产生的书写数据，有助于搭建完整的教学大数据生态链条。受技术限制和社会阻力的影响，现阶段信息技术的教学应用主要集中在备课和课堂教学两个环节，在测试、考试以及作业等环节的应用较少（吴砥等，2018），作业和考试仍以纸笔为主，这里的技术限制主要是自然书写数据的识别和处理技术。目前，纸笔数字书写技术已经实现对全球70种语言文字、200多个特殊符号、20多个基本几何图形和100多个音乐符号的精确手写识别（MyScript，2018），可实现手写作业和考试中的客观题和部分主观题的自动化批阅，这为实现书写数据的智能化处理提供了技术保障。
第三，为远程直播交互提供了共同书写空间。纸笔数字书写技术引入远程直播教学，能够支持不同教学主体在信息互动过程中对同一书写空间进行异地书写、批阅或标注，增强在线学习的临场感，提高沟通效率。师生以智能书写笔作为主要的输入工具，教师可以一边讲解一边写下数理化教学中包含的大量符号、公式、函数、结构等复杂图形或做出各种圈批符号，学生则可以一边接收教师的视音频信息一边观看教师的同步书写过程。学生的答题轨迹也被同时传输到教师端，教师可以及时做出批改和反馈，营造面对面的远程互动体验，这样有助于打破在线教学中授课老师“一言堂”的局面，促进学生主动参与到教学互动中。
三、实证：纸笔数字书写技术满意度调查与分析
信息系统相关研究表明，用户满意度是评估系统应用成效的最重要因素之一（Delon et al.，1992），满意度与学习效果存在正相关关系（Maki et al.，2000），缺乏满意度成为使用者采纳信息系统的障碍。学习者对学习经历的满意度越高，其持续学习的能力越强（Johnson et al.，2008）。满意度作为影响学习目标达成的重要因素，是探究信息技术促进学习效果的重要研究主题之一。
1.调查工具
满意度模型参考周晨蕊等人（2016）构建的电子书包满意度影响因素模型，由于感知有用性和感知有效性在考察内容上存在高度的相似性，因此删除感知有效性，认为感知有用性、感知易用性、技术使用态度、技术自我效能感、互动学习活动和学生的个人特征对学生使用智能书写笔的满意度有积极影響。其中感知有用性和感知易用性两个变量参考戴维斯（Davis）于1993年修订的信息技术接受模型（TAM）量表，并选取了其中得到广泛验证的9个题项（Teo，2009）。技术使用态度变量参考文卡塔斯（Venkatesh）和戴维斯等人在TAM模型基础上开发的技术接受使用同一理论模型（UTAUT）量表（Venkatesh et al.，2003）。互动学习活动、技术自我效能感、感知满意度三个变量参考廖（Liaw）考察学生使用Blackboard系统时使用的满意度调查量表（Liaw，2008）。研究所使用的调查工具包含两大部分，第一部分涉及学生的性别、年级、学校、班级等基本信息;第二部分包含上述6个维度（或变量）的23道李克特5级量表题项，量表题项的5级分别为“非常不同意”“不同意”“不确定”“同意”“非常同意”，对应的分值依次为1分、2分、3分、4分、5分，具体的量表题项见数据分析部分。
2.研究对象
研究对象来自我国天津市2所小学，学校部分班级于2019年9月初开始在教学中使用腾讯教育基于点阵技术开发的“企鹅智笔课堂”教学系统，师生在教学中使用外观与普通书写笔类似的点阵笔完成课堂书写和答题。点阵笔是信息采集与交互的移动端，其使用范围覆盖备课、授课、互动、测验、批改、学情分析等教学环节，如教师使用点阵笔可进行纸笔备课或录制纸笔微课，师生使用点阵笔书写的过程和结果可即时同步到教学大屏，学生使用点阵笔完成的测验将由系统自动批阅并生成个性化的“错题本”等。调查以纸质问卷的形式发放给学生，调查时间为2019年11月22日和29日，共回收298份问卷，剔除无效问卷后剩余273份问卷用于正式分析，问卷有效率为91.6%。
3.数据分析
（1）描述性统计结果分析
根据学生的选择，描述性统计结果显示，参与此次调查的男生有128人（46.9%），女生有145人（53.1%）;三年级学生有45人（16.5%），四年级学生有154人（56.4%），六年级学生有74人（27.1%）。6个变量（或维度）的均值均大于4，处于较高水平的认同度，各变量及题项的均值和标准差见表1，其中技术使用态度的均值最高（均值4.45，标准差0.571），感知有用性的均值最低（均值4.01，标准差0.644）。
（2）信度与效度分析
6个变量构成的问卷整体Cronbach α系数为0.952，各维度的Cronbach α系数最小值为0.793，最大值为0.952，基本在0.8以上水平，表明该问卷具有良好的信度。问卷中23个题项的因子负荷量均介于0.665～0.911，全部高于0.6，表明所有题项都具有效度。6个变量的组合信度（CR）全部高于0.6，平均萃取方差（AVE）全部高于0.5，说明该问卷具有较好的聚合效度（见表2）。各变量的AVE平方根大于该变量与其他变量的相关系数，说明问卷具有良好的区分效度（见表3）。综合来看，该问卷具有良好的信度和效度，能够很好地测量学生使用点阵笔的满意度和其他影响满意度的因子。
（3）回归分析
将感知满意度作为因变量，将感知易用性、感知有用性、技术使用态度、互动学习活动和技术自我效能感作为自变量进行逐步多元回归分析，回归系数的估计方式采用普通最小二乘法（OLS）。结果显示，进入回归方程的显著变量有4个，分别是互动学习活动、技术自我效能感、感知有用性和技术使用态度，复相关系数（R）为0.838，联合解释变异量为0.698（调整后的R2），即4个自变量整体上能够解释69.8%的感知满意度，模型拟合度较好。其中，互动学习活动的影响最大，对感知满意度的解释量达到54.2%（β=0.275，调整后的R2=0.542，p<0.001）;其次是技术自我效能感，对感知满意度的解释量为11.2%（β=0.311，调整后的R2=0.112，p<0.001），详见表4。
标准化回归方程为：感知满意度=0.102+0.311×技术自我效能感+0.275×互动学习活动+0.215×技术使用态度+0.197×感知有用性
（4）T检验与单因素方差分析
对男生和女生感知的满意度进行独立样本T检验显示，男生和女生感知到的满意度具有统计学意义上的差异（p<0.05），即女生感知的满意度要高于男生。对不同年级学生感知的满意度进行单因素方差分析（ANOVA）显示，虽然描述性统计结果显示年级越高的学生其感知的满意度越低，但是这种差异并不具有统计学上的显著性意义（p>0.05），见表5。
4.结论分析
根据上述统计结果可以得出以下三方面的结论：
第一，总体来看，学生对于课堂上使用点阵笔的满意度是比较高的（满意度均值=4.34，标准差=0.630），女生的满意度水平普遍要高于男生。学生对点阵笔表现出较大的兴趣（技术使用态度均值=4.45，标准差=0.571），学生对于观测指标中涉及“好主意”“更有趣”“挺好的”“喜欢”等关键词表现出较大程度的肯定。
第二，互动学习活动、技术自我效能感、技术使用态度和感知有用性是影响学生使用点阵笔满意度的主要因素，其中互动学习活动和技术自我效能感对满意度的影响作用最大。这反映出学生本身的信息素养水平是影响学生使用感受的重要因素。另外教师在纸笔课堂上能否有效地实现师生互动、生生互动、学习分享等教学活动，将在很大程度上决定学生使用技术工具的效果。
第三，技术接受模型中的感知易用性和感知有用性对学生的感知满意度影响作用较小。在这5个变量中，感知易用性是唯一没有进入多元回归模型的因素，在逐步多元回归模型中对感知满意度并没有统计学意义上的作用关系。而感知有用性在所有变量当中的均值也是最低的（均值=4.01，标准差=0.644），对于“使用企鹅智笔课堂和点阵笔后，我的成绩提高了”这一题项，学生的认同度并不高（均值=3.58，标准差为=0.842）。由此可见，纸笔数字书写技术的引入虽然为传统教学营造了信息化交互學习环境，能帮助师生更好地开展信息技术赋能的教学，但其本身并不能带来成绩的改变。另外，被试学生使用点阵笔的时间为三个月，时间短也可能是导致学生认为无法提高学习成绩的原因之一。
四、反思：纸笔数字书写技术教学应用之不足
纸笔数字书写技术与教学的融合为信息化教学“屏幕过度依赖”带来的健康和教学问题提供了新的解决方案，是一种不干扰原有教学秩序的新型信息化教学融合形态，能够很好地体现信息技术的支撑与消隐、与教学实践的无缝融合、对教学模式创新的支持等，具有较大的教学应用价值和潜力。但是，由于纸笔数字书写技术在教学中提供给学生的智能端只有信息输出，而没有信息接收和呈现功能，因此与平板或电子书包相比，其在数字资源存储和推送功能上的缺失让该技术的课堂教学应用存在一定的不足。
首先，学生的信息反馈需要其他工具的支持。平板或电子书包可以方便地获取资源推送，但是基于纸笔数字书写技术的纸笔课堂，教师无法直接把资源推送到学生智能端，只能在课堂教学终端上展示，或者需要教师提前准备好纸质学习资源。学生的书写信息和测试答案需借助特殊的纸质答题本或电磁板才能完成互动，这给学生保管答题本或电磁板带来一定的负担。
其次，这一技术并不天然地利于开展信息技术支持的探究式教学。电子书包最大的功能是拥有丰富海量的数字资源，显然纸笔课堂并不具备，学生进行网络主题探究时还是需要借助其他的信息技术设备才能获取学习资源。因此，要克服纸笔数字教学的弊端，还需要在教学实践中不断摸索以纸笔数字书写技术为支持的最佳教学策略。
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收稿日期 2019-05-13 責任编辑 刘选
