國外基于模型的科學(xué)學(xué)習環(huán)境比較研究論文
文章從基于模型的科學(xué)學(xué)習環(huán)境相關(guān)概念出發(fā)，在文獻研究基礎上，提煉了此類(lèi)學(xué)習環(huán)境比較研究的分析框架，討論了分析框架的要素。
在分析框架的基礎上，將國外當前基于模型的科學(xué)學(xué)習環(huán)境分為三類(lèi)：主界面只含一種模型的學(xué)習環(huán)境、主界面含多種模型的學(xué)習環(huán)境、主界面含共享建模區的學(xué)習環(huán)境，并進(jìn)行了比較，討論了不同類(lèi)型的學(xué)習環(huán)境在設計要素方面的特點(diǎn)，得出了異同點(diǎn)。從而提出了在面向不同的學(xué)習者和不同主題的教學(xué)內容時(shí)，基于模型的科學(xué)學(xué)習環(huán)境的設計和應用策略，為我國相關(guān)研究提供借鑒。
隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，計算機支持的學(xué)習環(huán)境也得到了不斷更新和發(fā)展，越來(lái)越多此類(lèi)產(chǎn)品用于支持學(xué)生的認知及其相關(guān)能力的培養和發(fā)展，尤其是各種基于模型的科學(xué)學(xué)習環(huán)境的開(kāi)發(fā)和應用，為研究者所關(guān)注和重視。大量研究顯示，基于模型的科學(xué)學(xué)習環(huán)境在教學(xué)中的應用，不但有助于促進(jìn)學(xué)生科學(xué)概念的學(xué)習，且能夠培養學(xué)生的批判性思維、推理能力、自我監控能力以及合作學(xué)習能力等。[1][2]所以，基于這些優(yōu)點(diǎn)，國外研究者開(kāi)發(fā)了大量基于模型的科學(xué)學(xué)習環(huán)境(Model-based Science Learning Environment，以下簡(jiǎn)稱(chēng)MbSLE)，有學(xué)科專(zhuān)用型和學(xué)科通用型兩種。[3]學(xué)科專(zhuān)用型學(xué)習環(huán)境，如生物學(xué)科適用的BioLogica 和PlantMod， 化學(xué)學(xué)科適用的Connected Chemistry和ChemNet;學(xué)科通用型學(xué)習環(huán)境， 如ModelingSpace、Model-It 和 Belvedere。
除了適用學(xué)科的范圍有所不同外，由于設計要素的不同，學(xué)習對象也會(huì )有所不同，如STELLA對于高年級學(xué)生科學(xué)概念的學(xué)習有幫助;[4]與只含模型的學(xué)習環(huán)境相比，含有建模工具的學(xué)習環(huán)境對于培養學(xué)生的反思和調控能力更有幫助。因此，依據學(xué)科范圍、知識以及使用對象等的不同，不同的MbSLE在設計和使用效果方面會(huì )呈現不同的特點(diǎn)。作為教師，應如何根據教學(xué)環(huán)境和影響因素，選擇適合教學(xué)的科學(xué)學(xué)習環(huán)境;作為開(kāi)發(fā)者或研究者，如何從已有學(xué)習環(huán)境中提取開(kāi)發(fā)要素，設計出對科學(xué)學(xué)習更有價(jià)值的學(xué)習環(huán)境。
一、相關(guān)概念的界定
計算機支持的科學(xué)模型是指借助計算機技術(shù)通過(guò)一定的表達方式對科學(xué)現象，尤其是抽象或復雜科學(xué)現象、過(guò)程、概念以及理論的一種模擬或概括。其特點(diǎn)是能夠最大程度地通過(guò)對科學(xué)現象機制、因果關(guān)系、功能等的體現，對科學(xué)現象及其相關(guān)概念進(jìn)行描述、解釋和預測�？茖W(xué)模型能夠體現科學(xué)現象最為基本的屬性和特質(zhì)，體現要素之間的基本聯(lián)系。[5][6]在已有研究中，對計算機支持的科學(xué)模型進(jìn)行了不同的分類(lèi)。本文將分類(lèi)依據和相應的類(lèi)型進(jìn)行了歸納，見(jiàn)表1。
在MbSLE中，建模是一個(gè)重要的概念。建模是指建構和產(chǎn)生模型的過(guò)程。研究表明，以形成、測試和修改模型為基本步驟的科學(xué)建模過(guò)程是科學(xué)學(xué)習的一個(gè)重要方法，不同類(lèi)型的模型的形成與建模工具密切相關(guān)，學(xué)生對于建模工具的使用和相應模型的形成，可以表現學(xué)生對于概念理解的水平。因此，建模成為教師評價(jià)學(xué)生心智模型及其水平的重要依據。研究表明，建模不但可以促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)知識的深度理解，還能促成其有意義學(xué)習
二、分析框架的形成
在文獻研究基礎上，本文將MbSLE的分析要素歸納為學(xué)科內容、教學(xué)理論、設計特點(diǎn)以及預期學(xué)習效果等四個(gè)方面。[13][14][15]通過(guò)對四個(gè)方面中不同內容的分析，得出不同類(lèi)型的MbSLE設計及其應用特點(diǎn)。分析要素及其內容見(jiàn)表2。
三、 基于模型的科學(xué)學(xué)習
環(huán)境的比較和分析
本文將國外MbSLE主要分為三種類(lèi)型：主界面只含一種模型的學(xué)習環(huán)境、主界面含多種模型的學(xué)習環(huán)境、主界面含共享建模區(shared modeling workspace)的學(xué)習環(huán)境。依據分析框架，以下對這些學(xué)習環(huán)境的設計要素進(jìn)行分析和比較，得出有關(guān)結論。
(一)主界面含一種模型的MbSLE特點(diǎn)分析
類(lèi)型1中主界面一般只提供一個(gè)模型或一種模型，界面設計相對比較簡(jiǎn)單。類(lèi)型1中的模型有直接模擬實(shí)物現象，也有模擬抽象事物，如數據等。本文選取PhET、WOW、APoME、Belvedere、Simquest和PlantMod，對這些屬于類(lèi)型1的MbSLE進(jìn)行要素的分析。其主界面分別如圖1a~f所示。
由表3可知，類(lèi)型1大多為單機型軟件，便于在無(wú)網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下使用。在模型類(lèi)型來(lái)看，類(lèi)型1中以相對抽象的數據模型居多，因此，適用對象大多為高中生甚至高中以上年級學(xué)生。在模型的支持性工具設計方面，為增強模型的調控功能，大多設置可控制因素及其數值大小的操作工具，有些則結合數據輸出和輸入功能，為觀(guān)察實(shí)時(shí)數據提供支持。
與其他由開(kāi)發(fā)人員設計模型的方式不同，Simquest為教師提供了自行設計模型的后臺工具，借助該工具，教師可以使用簡(jiǎn)單的設計語(yǔ)言，設計模型及編輯配套的教學(xué)內容，如問(wèn)題、前測等;另外，作為唯一一種含有建模工具的學(xué)習環(huán)境，Belvedere為學(xué)生提供了三種表征方式從簡(jiǎn)單到復雜的建模工具，為不同學(xué)習水平學(xué)生的模型建構提供了支持。研究者還為不同的學(xué)習環(huán)境提出了不同教學(xué)模式及策略，如應用5E教學(xué)模式APoME，采用發(fā)現式學(xué)習理論設計的Simquest。從預期學(xué)習效果來(lái)看，類(lèi)型1的設計特點(diǎn)向設計者和研究者傳達了一種信息，即抽象數據模型面向的群體為相對認知水平較高的學(xué)生，已有研究表明，對于這些學(xué)生的科學(xué)學(xué)習，側重概念的深度認知、培養其推理能力、批判性思維、數據管理能力、探究能力以及用系統觀(guān)點(diǎn)認識復雜概念的能力。[16][17][18](二)主界面含多種模型的MbSLE特點(diǎn)分析
從上述分析也可知，類(lèi)型1在使用上存在一定局限性，如適用對象、適用的學(xué)科范圍不廣;雖提供了一些支持性工具，但模型的可操作性不強，支持學(xué)生自主建模的設計不多。因此，此類(lèi)MbSLE對學(xué)生自我調控、推理能力以及反思能力等方面的培養支持不夠，也不利于教師分析學(xué)生科學(xué)概念的形成和修正過(guò)程。從類(lèi)型2的設計特點(diǎn)來(lái)看，此類(lèi)學(xué)習環(huán)境的開(kāi)發(fā)在一定程度上彌足了類(lèi)型1的不足，也體現了其特點(diǎn)。本文選擇該類(lèi)學(xué)習環(huán)境的典型設計Co-Lab、 ModelingSpace、Model-It、NetLogo進(jìn)行分析。其主界面分別如圖2a~d所示，具體分析內容見(jiàn)表4。
從類(lèi)型2的性質(zhì)看，均為軟件，可以在無(wú)網(wǎng)絡(luò )的環(huán)境下使用，且大多數可支持聯(lián)網(wǎng)后學(xué)生的合作學(xué)習。這些學(xué)習環(huán)境的共同點(diǎn)是主界面含多種類(lèi)型的模型，且面向的適用對象和學(xué)科范圍較廣，絕大多數可以滿(mǎn)足不同年級水平學(xué)生的學(xué)習，尤其是中學(xué)階段學(xué)生的學(xué)習。
此類(lèi)MbSLE強調建模工具在科學(xué)學(xué)習中的應用，因此，在模型工具設計中，均設計了建模工具，使得學(xué)生能夠依據自身對概念系統的理解，建構不同水平的模型，并運行模型后再修改模型，在一定程度上有助于促進(jìn)學(xué)生對學(xué)習過(guò)程的分析、反思和自我調控，也為教師評價(jià)提供了依據。部分設計則融入了漸進(jìn)式建模的觀(guān)點(diǎn)，支持學(xué)生模型建構水平的逐級遞增，如Co-Lab和ModelingSpace，使得建模工具能夠面向不同認知能力和建模水平的學(xué)習者。
如在ModelingSpace中，學(xué)習者可以建構兩種形式的模型，一種為概念圖，屬定性模型，一種為結構圖，結構圖又分為定性結構和定量結構模型兩種;在Co-lab中，存量—流量圖變量之間的關(guān)系的描述也可以由定性和定量?jì)煞N來(lái)表征。類(lèi)型2中支持性工具的設計也更為多樣化，融入了模型要素庫及共享建模區和聊天工具的設計，使得學(xué)生的學(xué)習方式更為多元。如ModelingSpace中， 建模者對自己建構的模型具有所有權，可以決定是否與其他學(xué)習者共享模型，如同意，其他人可以在此基礎上，對該模型提出修改意見(jiàn);[20]在Co-lab中，其構成要素中增加了合作白板和建模白板區，聊天框及其聊天記錄查詢(xún)等工具，這些設計均為學(xué)生合作學(xué)習提供了有力支持。
所以，類(lèi)型2的MbSLE設計特點(diǎn)，決定了其在科學(xué)教學(xué)的應用中，除了有助于學(xué)生概念的深度學(xué)習外，在思維能力訓練以及合作學(xué)習能力培養方面更有優(yōu)勢。
(三)主界面為共享建模區的MbSLE特點(diǎn)分析
共享工作平臺是一種能夠使不同地點(diǎn)的人在用一時(shí)間一起工作或學(xué)習的設計方式，通過(guò)共享工作平臺的設計來(lái)促進(jìn)實(shí)時(shí)在線(xiàn)合作是計算機支持的合作學(xué)習的一種重要途徑。[21]從上述分析可知，在MbSLE中，也融入了這種重要的設計理念，如Belvedere、Co-Lab 以及ModellingSpace。以下本文選取更為典型的含共享建模區的平臺進(jìn)行MbSLE分析：Cool Modes、Cacoo和 CmapTools。其主界面如圖3a~c所示。分析結果見(jiàn)表5。
由表中分析可知，含有共享建模區的MbSLE 設計有簡(jiǎn)單也有復雜。該類(lèi)環(huán)境均強調不同類(lèi)型的建模工具的使用，高年級學(xué)生側重定量建模工具的應用，低年級學(xué)生則側重定性模型工具的使用。建模工具的設計大多比較簡(jiǎn)單，易于大多數學(xué)生學(xué)習并使用。在共享程度的設計方面，共享水平有高有底，有些能夠共享已有模型，有些則是共享建模的過(guò)程，且提供了多種合作學(xué)習的支持性工具，如共享聊天框以及共享文件夾等。
如Cacoo，該軟件不但提供了共享建模區，使得不同的學(xué)習者通過(guò)同一個(gè)建模區達到實(shí)時(shí)合作的效果，并且可以輔以聊天框，以便在建模過(guò)程中進(jìn)行交流、討論并對模型結果作出評價(jià)，有利于學(xué)生在學(xué)習過(guò)程中的互評和反思。這種基于共享建模區的合作建模方式不但有助于促進(jìn)學(xué)生完成復雜任務(wù)形成專(zhuān)家導向的概念模型，更有助于提高學(xué)生的'反思和評價(jià)能力。
四、結論和啟示
(一)模型和建模工具的設計
1. 提供簡(jiǎn)單的建模方式
通過(guò)以上分析，本文總結國外MbSLE的建模方式主要分為三種，一種是以PhET和WOW等為代表的需編程人員針對特定學(xué)科、特定主題而設計的模型，是基于編程語(yǔ)言的建模方式。使用者較難依據自己需求修改并設計新的模型，因此，該類(lèi)方法設計的模型種類(lèi)也相對比較單一，更新慢，適用范圍較窄。第二種是以NetLogo和 Simquest 為代表的通過(guò)為教師提供模型編輯區，提供相對編程語(yǔ)言簡(jiǎn)單的建模語(yǔ)言供教師建構所需模型，并可編輯一定的教學(xué)內容，是基于模型編輯區的建模方式。這種環(huán)境中往往還提供共享平臺或模型庫來(lái)幫助用戶(hù)上傳、存儲以及共享所建的模型，模型種類(lèi)豐富，更新率高，但不適合建模水平較低的學(xué)生使用。
第三種是以Co-Lab、Cacoo、ModelingSpace和 Model-It為代表的通過(guò)提供面向學(xué)生的簡(jiǎn)單建模工具，并輔以所需的圖庫或符號庫等，以結構圖的方式通過(guò)一定的關(guān)系來(lái)形成模型的設計，是基于建模工具的建模方式。這種建模方式更為簡(jiǎn)便、直觀(guān)，適合不同認知水平的學(xué)生使用。這三種方式的建模難度層層遞減，從面向編程人員到面向學(xué)生，適用群體也進(jìn)一擴大。第三種方式中除了提供簡(jiǎn)單的建模方法外，還為建模提供符號、圖片、視頻、動(dòng)畫(huà)等，使學(xué)生從更為直觀(guān)的角度來(lái)理解概念系統的組成。因此，相對于前兩種，第三種建模方式更適合中學(xué)的科學(xué)學(xué)習，建議教師在日常教學(xué)中多選擇含有此類(lèi)建模方式的科學(xué)學(xué)習環(huán)境。而對于教師自身，也應適當關(guān)注并使用第二種建模方式的學(xué)習環(huán)境，不但有助于增強自身的建模水平，更能為學(xué)生提供多樣化的學(xué)習模型。
2. 使用結構圖來(lái)表征模型
結構圖對科學(xué)原理或概念的高度概括能力，使得其普適性較其他形式的模型表達方式更強。用結構圖表征科學(xué)模型能夠加強學(xué)生推理、概念的深度認知以及系統觀(guān)點(diǎn)的形成，[22][23]研究也表明，學(xué)生更容易通過(guò)這種方式表達對概念的認知。[24]在這些結構圖示的組成要素中，主要包括主體、變量以及變量與變量之間的關(guān)系。本文對上述學(xué)習環(huán)境涉及的結構圖中模型的要素、要素的表達方式進(jìn)行了總結，見(jiàn)表6�？梢�(jiàn)，大多數結構圖用特定的圖形或符號來(lái)表征概念系統中的主體、變量及其關(guān)系。
面向不同的使用者，設計策略不同。當面向低水平學(xué)習者時(shí)，資源庫中包含更多能夠表征一定主體和變量的圖片、視頻以及動(dòng)畫(huà)等。在面向高水平的學(xué)習者時(shí)，資源庫則提供了不同種類(lèi)的符號以及圖形等。在結構圖變量關(guān)系的表征中，也使用了不同的符號，如直接用直線(xiàn)、直接加文字描述、直線(xiàn)加方程、直線(xiàn)加符號等。便于學(xué)習者依據自身能力，建立不同水平的模型關(guān)系。這樣的設計，也為相關(guān)研究者提供了啟示，即面向不同水平的學(xué)習者，認知符號和表達方式的設計需要有一定的層次性，從具體到抽象、從簡(jiǎn)單到復雜、從顯性到隱性描述的設計原理，為用戶(hù)提供一個(gè)更為靈活的學(xué)習環(huán)境。
(二)支持性工具的設計
支持性工具主要分為三種：支持控制和執行模型的工具、支持學(xué)生學(xué)習過(guò)程的內容設計、促進(jìn)學(xué)生合作交流的工具。[25][26]
1. 提供不同控制程度的模型支持性工具
在模型的建構中，學(xué)習者主要通過(guò)改變模型要素，參數以及變量關(guān)系等來(lái)形成模型。在模型的形成中，通過(guò)模型建構來(lái)生成模型的方式，變化性最強，由學(xué)習者全新建構而成，對學(xué)生認知水平和建模技能要求較高;附有因素控制的支持性工具的模型可控制性次之，如在類(lèi)型1中，大多通過(guò)設計可控制按鈕使因素種類(lèi)和大小改變來(lái)觀(guān)察模型的變化。
這些均屬于可調控模型的范疇，模型的要素大多已經(jīng)確定，變量關(guān)系也由計算機生成而非學(xué)習者定義，因此，這樣的模型對于學(xué)生的認知水平和建模水平的要求相應降低。而無(wú)調控工具的模型則適合教師演示和學(xué)生觀(guān)察，對于學(xué)生自主探究能力的要求降低。所以，在實(shí)際教學(xué)中，教師應針對學(xué)習者的學(xué)習水平，選擇不同層次控制程度的建模支持性工具，便于學(xué)生觀(guān)察和控制各種模型。適當對認知水平較高的學(xué)生，提供相應的建模工具，為鍛煉學(xué)生思維、促進(jìn)系統觀(guān)點(diǎn)的形成提供更為有力的支持。
2. 設計不同程度的共享工具
除其他支持性工具外，當前國外MbSLE的最大特點(diǎn)是共享建模區的設計。該設計使建模過(guò)程融合學(xué)生的討論、互評、自我反思等方法，[27]進(jìn)一步體現了基于計算機的合作學(xué)習的價(jià)值。在共享建模區中依據共享程度的不同，分為實(shí)時(shí)建模和非實(shí)時(shí)建模，實(shí)時(shí)建模往往表現為共享建模過(guò)程，非實(shí)時(shí)建模則表現為共享建模結果。實(shí)時(shí)建模是一種更為嚴格的共享方式，允許少量的合作者共同建模，技術(shù)難度較大。在ModelingSpace 和CmapTools中，建模主體為一人，其他學(xué)習者若想共享模型，則需提出請求。這種一個(gè)共享界面在固定的時(shí)間只能允許一人建模，是非實(shí)時(shí)建模的一種。而在Cacoo 和Cool Modes的設計中，建模過(guò)程和結果均可以和其他人實(shí)時(shí)共享，多個(gè)合作者可以在同一時(shí)間同一界面合作建構一個(gè)模型為實(shí)時(shí)建模方式。與非實(shí)時(shí)建模方式相比，實(shí)時(shí)建模方式對于學(xué)習者的交流、合作能力提出了更高的要求，適合具有較高水平合作能力的學(xué)習者使用，教師在教學(xué)過(guò)程中需要介入更多的干預，以加強學(xué)生的配合。
3. 為教學(xué)提供內容設計方法
在MbSLE中，除了基于模型的教學(xué)理論應用外，其他教學(xué)方法和原理也滲透于教學(xué)內容的設計和工具的使用中。比如，學(xué)生在使用Simquest時(shí)，該軟件會(huì )為學(xué)生提供一系列與模型內容配套的學(xué)習內容及其測評工具，如作業(yè)、反饋、前側和后側等。
[28]這種與模型緊密結合的學(xué)習內容，本文稱(chēng)之為聯(lián)結性教學(xué)內容設計;另一種則是設計共享內容，該共享內容以獨立的模塊存在于該環(huán)境中，包括基本知識、技能、方法等，如WOW中為學(xué)生提供了基本概念、教學(xué)計劃以及數據收集和分析方法等，這些共享內容的提供為學(xué)生科學(xué)探究提供了幫助，但是其內容設計與具體建�；顒�(dòng)是分離的，本文稱(chēng)之為獨立性教學(xué)內容設計;除了教學(xué)內容設計外，還有依據學(xué)習環(huán)境的要素特點(diǎn)，提供相應的教學(xué)模式，如APoME的教學(xué)，研究者提倡通過(guò)5E教學(xué)模式，即按照參與(Engage)、探究(Explore)、解釋(Explain)、拓展(Elaborate)以及評價(jià)(Evaluate)等過(guò)程組成的模式來(lái)設計教學(xué)內容;Simquest則是依據發(fā)現式學(xué)習的方式來(lái)設計教學(xué)內容;Model-It的計劃、建構和測試的科學(xué)建模程序為教學(xué)提供了技術(shù)支持;在ModelingSpace中，漸進(jìn)式建模理論的設計，為不同學(xué)習水平學(xué)生的學(xué)習提供了支持，有助于其模型水平的逐級提高。
利用這些教學(xué)理論，基于模型的科學(xué)學(xué)習環(huán)境可以更有效地為課堂教學(xué)服務(wù)。當面向學(xué)生中心的教學(xué)情境時(shí)，基于模型的環(huán)境設計需要更關(guān)注學(xué)生的推理能力、自我調控能力以及反思能力的培養，建議使用聯(lián)結性教學(xué)內容設計方法，該方法也適用于低年級學(xué)生的使用。共享式的獨立教學(xué)內容設計則更適用于高年級學(xué)生的學(xué)習活動(dòng)。因此，建模工具和環(huán)境設計的教學(xué)原理之間的結合關(guān)系的確定，依據實(shí)際適用對象以及教學(xué)情境而定，教師在使用各種性質(zhì)的基于模型的科學(xué)學(xué)習環(huán)境時(shí)，應掌握該環(huán)境設計時(shí)使用的教學(xué)理論，結合教學(xué)理論和課堂實(shí)際來(lái)設計基于MbSLE的教學(xué)內容，使得該類(lèi)學(xué)習環(huán)境能夠體現其應有的價(jià)值。
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