探究式教学方法自提出以来一直是教育界的研究热点。探究式科学教育能加深学生对科学知识的理解、掌握科学探究过程的技能、并增强对待科学的兴趣。然而,在探究式教学过程中如何实时掌握学生的学习状态、理解水平、兴趣活动、探究成效,一直是探究式教学面临的难点所在。本研究将无线传感技术引入探究式教学课堂,设计并构建了实时监测学生行为响应和认知状态的实验研究平台(wireless based response and cognitive computing system, WBRCCS),开展探究式科学教育的实证研究。主要研究成果包括：通过使用WBRCCS系统采集学生的脑电信号,对学生课堂中的注意力和行为模式进行了实时监测。脑电信号由专门的头戴式无线传感器进行采集,实时传送至计算机,计算出学生的注意力指数值,直观地显示学生注意力集中程度的分布情况。同时,分析脑电信号中眨眼的频次和模式,进行学生课堂行为模式的识别。该研究为教师在教学过程中实时掌握学生的注意力和行为状态,并及时动态地调整和优化教学策略提供了依据。通过WBRCCS系统对中学生科学推理能力进行了实证研究。科学推理训练是探究式科学教育的重要内容,也是探究式科学教育的结果。本研究使用LCTSR量表(Lawson’s Classroom Test of Scientific Reasoning,2000年),利用WBRCCS系统的实时评测和分析功能,对南京、苏州等地初中生和高中生的科学推理能力发展现状进行了研究。研究结果发现：初中一年级与初中三年级、初中每个年级与高中每个年级间科学推理能力存在显著的统计差异。研究表明,学生在经历整个初中阶段之后科学推理能力有了较显著的提升,而在整个高中阶段科学推理能力并没有显著变化。该研究还表明,WBRCCS系统是人群认知和思维活动(如观察、概念理解、批判性思维等)评测的有效工具。通过WBRCCS系统在探究式课堂教学中引入了形成性测评。该研究直接在教学环节过程中开展形成性评测,实时对评测结果进行分析并呈现和反馈给教师。在教学活动结束后教师仍可进行后续查询和跟踪,分析不同班级之间、不同学生之间、不同性别之间、不同届别之间等的数据差异,对特定学生进行个性化服务,给予更有针对性的指导。研究表明,形成性测评能够提升教学成效、加深学生对科学概念的理解并增强学生的学习动机。本研究能够有效提高教师的教学能力和教学质量,为教育改革和教育政策的制定提供实证工具和数据支撑,并在以下三个方面显示出较高的理论和应用价值：其一,在学生的内在思维活动和外在行为表征之间尝试建立了实时的联系；在教学课堂上学生的学习状态是其对科学探究的内心想法的行为表征；在考核环节中学生答题的正确率、答题时间、前测与后测的表现差异等是其努力程度、掌握程度、学习心向的结果表征。应用WBRCCS系统,能够在教学进程中通过学生的外在行为表征去了解和掌握学生的内在思维活动,对探究式教学课件和模块进行实时、深入的评测。其二,通过帮助教师捕捉课堂“可教瞬间”,架设学习和教学之间的桥梁,为更好地创造与学生心理需求同步的教学情境打开了思路。其三,通过自动识别学习者的基础特性、学习风格和学习效果,进而为每一个学习者提供个体性的教学内容、练习和指导,为适应性学习和个性化教学提供技术支撑,这对于探究式科学教育中提高和激发学生的创新思维和创新行为是十分重要的。