国外基于模型的科学学习环境比较研究

文章从基于模型的科学学习环境相关概念出发，在文献研究基础上，提炼了此类学习环境比较研究的分析框架，讨论了分析框架的要素。

在分析框架的基础上，将国外当前基于模型的科学学习环境分为三类：主界面只含一种模型的学习环境、主界面含多种模型的学习环境、主界面含共享建模区的学习环境，并进行了比较，讨论了不同类型的学习环境在设计要素方面的特点，得出了异同点。从而提出了在面向不同的学习者和不同主题的教学内容时，基于模型的科学学习环境的设计和应用策略，为我国相关研究提供借鉴。

随着技术的进步，计算机支持的学习环境也得到了不断更新和发展，越来越多此类产品用于支持学生的认知及其相关能力的培养和发展，尤其是各种基于模型的科学学习环境的开发和应用，为研究者所关注和重视。大量研究显示，基于模型的科学学习环境在教学中的应用，不但有助于促进学生科学概念的学习，且能够培养学生的批判性思维、推理能力、自我监控能力以及合作学习能力等。[1][2]所以，基于这些优点，国外研究者开发了大量基于模型的科学学习环境(Model-based Science Learning Environment，以下简称MbSLE)，有学科专用型和学科通用型两种。[3]学科专用型学习环境，如生物学科适用的BioLogica 和PlantMod， 化学学科适用的Connected Chemistry和ChemNet;学科通用型学习环境， 如ModelingSpace、Model-It 和 Belvedere。

除了适用学科的范围有所不同外，由于设计要素的不同，学习对象也会有所不同，如STELLA对于高年级学生科学概念的学习有帮助;[4]与只含模型的学习环境相比，含有建模工具的学习环境对于培养学生的反思和调控能力更有帮助。因此，依据学科范围、知识以及使用对象等的不同，不同的MbSLE在设计和使用效果方面会呈现不同的特点。作为教师，应如何根据教学环境和影响因素，选择适合教学的科学学习环境;作为开发者或研究者，如何从已有学习环境中提取开发要素，设计出对科学学习更有价值的学习环境。

　　一、相关概念的界定

　　计算机支持的科学模型是指借助计算机技术通过一定的表达方式对科学现象，尤其是抽象或复杂科学现象、过程、概念以及理论的一种模拟或概括。其特点是能够最大程度地通过对科学现象机制、因果关系、功能等的体现，对科学现象及其相关概念进行描述、解释和预测。科学模型能够体现科学现象最为基本的属性和特质，体现要素之间的基本联系。[5][6]在已有研究中，对计算机支持的科学模型进行了不同的分类。本文将分类依据和相应的类型进行了归纳，见表1。

　　在MbSLE中，建模是一个重要的概念。建模是指建构和产生模型的过程。研究表明，以形成、测试和修改模型为基本步骤的科学建模过程是科学学习的一个重要方法，不同类型的模型的形成与建模工具密切相关，学生对于建模工具的使用和相应模型的形成，可以表现学生对于概念理解的水平。因此，建模成为教师评价学生心智模型及其水平的重要依据。研究表明，建模不但可以促进学生对科学知识的深度理解，还能促成其有意义学习

　　二、分析框架的形成

　　在文献研究基础上，本文将MbSLE的分析要素归纳为学科内容、教学理论、设计特点以及预期学习效果等四个方面。[13][14][15]通过对四个方面中不同内容的分析，得出不同类型的MbSLE设计及其应用特点。分析要素及其内容见表2。

　　三、 基于模型的科学学习

　　环境的比较和分析

　　本文将国外MbSLE主要分为三种类型：主界面只含一种模型的学习环境、主界面含多种模型的学习环境、主界面含共享建模区(shared modeling workspace)的学习环境。依据分析框架，以下对这些学习环境的设计要素进行分析和比较，得出有关结论。

　　(一)主界面含一种模型的MbSLE特点分析

　　类型1中主界面一般只提供一个模型或一种模型，界面设计相对比较简单。类型1中的模型有直接模拟实物现象，也有模拟抽象事物，如数据等。本文选取PhET、WOW、APoME、Belvedere、Simquest和PlantMod，对这些属于类型1的MbSLE进行要素的分析。其主界面分别如图1a~f所示。

由表3可知，类型1大多为单机型软件，便于在无网络环境下使用。在模型类型来看，类型1中以相对抽象的数据模型居多，因此，适用对象大多为高中生甚至高中以上年级学生。在模型的支持性工具设计方面，为增强模型的调控功能，大多设置可控制因素及其数值大小的操作工具，有些则结合数据输出和输入功能，为观察实时数据提供支持。

与其他由开发人员设计模型的方式不同，Simquest为教师提供了自行设计模型的后台工具，借助该工具，教师可以使用简单的设计语言，设计模型及编辑配套的教学内容，如问题、前测等;另外，作为唯一一种含有建模工具的学习环境，Belvedere为学生提供了三种表征方式从简单到复杂的建模工具，为不同学习水平学生的模型建构提供了支持。研究者还为不同的学习环境提出了不同教学模式及策略，如应用5E教学模式APoME，采用发现式学习理论设计的Simquest。从预期学习效果来看，类型1的设计特点向设计者和研究者传达了一种信息，即抽象数据模型面向的群体为相对认知水平较高的学生，已有研究表明，对于这些学生的科学学习，侧重概念的深度认知、培养其推理能力、批判性思维、数据管理能力、探究能力以及用系统观点认识复杂概念的能力。[16][17][18](二)主界面含多种模型的MbSLE特点分析

　　从上述分析也可知，类型1在使用上存在一定局限性，如适用对象、适用的学科范围不广;虽提供了一些支持性工具，但模型的可操作性不强，支持学生自主建模的设计不多。因此，此类MbSLE对学生自我调控、推理能力以及反思能力等方面的培养支持不够，也不利于教师分析学生科学概念的形成和修正过程。从类型2的设计特点来看，此类学习环境的开发在一定程度上弥足了类型1的不足，也体现了其特点。本文选择该类学习环境的典型设计Co-Lab、 ModelingSpace、Model-It、NetLogo进行分析。其主界面分别如图2a~d所示，具体分析内容见表4。

从类型2的性质看，均为软件，可以在无网络的环境下使用，且大多数可支持联网后学生的合作学习。这些学习环境的共同点是主界面含多种类型的模型，且面向的适用对象和学科范围较广，绝大多数可以满足不同年级水平学生的学习，尤其是中学阶段学生的学习。

此类MbSLE强调建模工具在科学学习中的应用，因此，在模型工具设计中，均设计了建模工具，使得学生能够依据自身对概念系统的理解，建构不同水平的模型，并运行模型后再修改模型，在一定程度上有助于促进学生对学习过程的分析、反思和自我调控，也为教师评价提供了依据。部分设计则融入了渐进式建模的观点，支持学生模型建构水平的逐级递增，如Co-Lab和ModelingSpace，使得建模工具能够面向不同认知能力和建模水平的学习者。

　　如在ModelingSpace中，学习者可以建构两种形式的模型，一种为概念图，属定性模型，一种为结构图，结构图又分为定性结构和定量结构模型两种;在Co-lab中，存量—流量图变量之间的关系的描述也可以由定性和定量两种来表征。类型2中支持性工具的设计也更为多样化，融入了模型要素库及共享建模区和聊天工具的设计，使得学生的学习方式更为多元。如ModelingSpace中， 建模者对自己建构的模型具有所有权，可以决定是否与其他学习者共享模型，如同意，其他人可以在此基础上，对该模型提出修改意见;[20]在Co-lab中，其构成要素中增加了合作白板和建模白板区，聊天框及其聊天记录查询等工具，这些设计均为学生合作学习提供了有力支持。

　　所以，类型2的MbSLE设计特点，决定了其在科学教学的应用中，除了有助于学生概念的深度学习外，在思维能力训练以及合作学习能力培养方面更有优势。

　　(三)主界面为共享建模区的MbSLE特点分析

　　共享工作平台是一种能够使不同地点的人在用一时间一起工作或学习的设计方式，通过共享工作平台的设计来促进实时在线合作是计算机支持的合作学习的一种重要途径。[21]从上述分析可知，在MbSLE中，也融入了这种重要的设计理念，如Belvedere、Co-Lab 以及ModellingSpace。以下本文选取更为典型的含共享建模区的平台进行MbSLE分析：Cool Modes、Cacoo和 CmapTools。其主界面如图3a~c所示。分析结果见表5。

由表中分析可知，含有共享建模区的MbSLE 设计有简单也有复杂。该类环境均强调不同类型的建模工具的使用，高年级学生侧重定量建模工具的应用，低年级学生则侧重定性模型工具的使用。建模工具的设计大多比较简单，易于大多数学生学习并使用。在共享程度的设计方面，共享水平有高有底，有些能够共享已有模型，有些则是共享建模的过程，且提供了多种合作学习的支持性工具，如共享聊天框以及共享文件夹等。

如Cacoo，该软件不但提供了共享建模区，使得不同的学习者通过同一个建模区达到实时合作的效果，并且可以辅以聊天框，以便在建模过程中进行交流、讨论并对模型结果作出评价，有利于学生在学习过程中的互评和反思。这种基于共享建模区的合作建模方式不但有助于促进学生完成复杂任务形成专家导向的概念模型，更有助于提高学生的反思和评价能力。

　　四、结论和启示

　　(一)模型和建模工具的设计

　　1. 提供简单的建模方式

通过以上分析，本文总结国外MbSLE的建模方式主要分为三种，一种是以PhET和WOW等为代表的需编程人员针对特定学科、特定主题而设计的模型，是基于编程语言的建模方式。使用者较难依据自己需求修改并设计新的模型，因此，该类方法设计的模型种类也相对比较单一，更新慢，适用范围较窄。第二种是以NetLogo和 Simquest 为代表的通过为教师提供模型编辑区，提供相对编程语言简单的建模语言供教师建构所需模型，并可编辑一定的教学内容，是基于模型编辑区的建模方式。这种环境中往往还提供共享平台或模型库来帮助用户上传、存储以及共享所建的模型，模型种类丰富，更新率高，但不适合建模水平较低的学生使用。

第三种是以Co-Lab、Cacoo、ModelingSpace和 Model-It为代表的通过提供面向学生的简单建模工具，并辅以所需的图库或符号库等，以结构图的方式通过一定的关系来形成模型的设计，是基于建模工具的建模方式。这种建模方式更为简便、直观，适合不同认知水平的学生使用。这三种方式的建模难度层层递减，从面向编程人员到面向学生，适用群体也进一扩大。第三种方式中除了提供简单的建模方法外，还为建模提供符号、图片、视频、动画等，使学生从更为直观的角度来理解概念系统的组成。因此，相对于前两种，第三种建模方式更适合中学的科学学习，建议教师在日常教学中多选择含有此类建模方式的科学学习环境。而对于教师自身，也应适当关注并使用第二种建模方式的学习环境，不但有助于增强自身的建模水平，更能为学生提供多样化的学习模型。

　　2. 使用结构图来表征模型

　　结构图对科学原理或概念的高度概括能力，使得其普适性较其他形式的模型表达方式更强。用结构图表征科学模型能够加强学生推理、概念的深度认知以及系统观点的形成，[22][23]研究也表明，学生更容易通过这种方式表达对概念的认知。[24]在这些结构图示的组成要素中，主要包括主体、变量以及变量与变量之间的关系。本文对上述学习环境涉及的结构图中模型的要素、要素的表达方式进行了总结，见表6。可见，大多数结构图用特定的图形或符号来表征概念系统中的主体、变量及其关系。

　　面向不同的使用者，设计策略不同。当面向低水平学习者时，资源库中包含更多能够表征一定主体和变量的图片、视频以及动画等。在面向高水平的学习者时，资源库则提供了不同种类的符号以及图形等。在结构图变量关系的表征中，也使用了不同的符号，如直接用直线、直接加文字描述、直线加方程、直线加符号等。便于学习者依据自身能力，建立不同水平的模型关系。这样的设计，也为相关研究者提供了启示，即面向不同水平的学习者，认知符号和表达方式的设计需要有一定的层次性，从具体到抽象、从简单到复杂、从显性到隐性描述的设计原理，为用户提供一个更为灵活的学习环境。

　　(二)支持性工具的设计

　　支持性工具主要分为三种：支持控制和执行模型的工具、支持学生学习过程的内容设计、促进学生合作交流的工具。[25][26]

　　1. 提供不同控制程度的模型支持性工具

在模型的建构中，学习者主要通过改变模型要素，参数以及变量关系等来形成模型。在模型的形成中，通过模型建构来生成模型的方式，变化性最强，由学习者全新建构而成，对学生认知水平和建模技能要求较高;附有因素控制的支持性工具的模型可控制性次之，如在类型1中，大多通过设计可控制按钮使因素种类和大小改变来观察模型的变化。

这些均属于可调控模型的范畴，模型的要素大多已经确定，变量关系也由计算机生成而非学习者定义，因此，这样的模型对于学生的认知水平和建模水平的要求相应降低。而无调控工具的模型则适合教师演示和学生观察，对于学生自主探究能力的要求降低。所以，在实际教学中，教师应针对学习者的学习水平，选择不同层次控制程度的建模支持性工具，便于学生观察和控制各种模型。适当对认知水平较高的学生，提供相应的建模工具，为锻炼学生思维、促进系统观点的形成提供更为有力的支持。

　　2. 设计不同程度的共享工具

　　除其他支持性工具外，当前国外MbSLE的最大特点是共享建模区的设计。该设计使建模过程融合学生的讨论、互评、自我反思等方法，[27]进一步体现了基于计算机的合作学习的价值。在共享建模区中依据共享程度的不同，分为实时建模和非实时建模，实时建模往往表现为共享建模过程，非实时建模则表现为共享建模结果。实时建模是一种更为严格的共享方式，允许少量的合作者共同建模，技术难度较大。在ModelingSpace 和CmapTools中，建模主体为一人，其他学习者若想共享模型，则需提出请求。这种一个共享界面在固定的时间只能允许一人建模，是非实时建模的一种。而在Cacoo 和Cool Modes的设计中，建模过程和结果均可以和其他人实时共享，多个合作者可以在同一时间同一界面合作建构一个模型为实时建模方式。与非实时建模方式相比，实时建模方式对于学习者的交流、合作能力提出了更高的要求，适合具有较高水平合作能力的学习者使用，教师在教学过程中需要介入更多的干预，以加强学生的配合。

　　3. 为教学提供内容设计方法

在MbSLE中，除了基于模型的教学理论应用外，其他教学方法和原理也渗透于教学内容的设计和工具的使用中。比如，学生在使用Simquest时，该软件会为学生提供一系列与模型内容配套的学习内容及其测评工具，如作业、反馈、前侧和后侧等。

[28]这种与模型紧密结合的学习内容，本文称之为联结性教学内容设计;另一种则是设计共享内容，该共享内容以独立的模块存在于该环境中，包括基本知识、技能、方法等，如WOW中为学生提供了基本概念、教学计划以及数据收集和分析方法等，这些共享内容的提供为学生科学探究提供了帮助，但是其内容设计与具体建模活动是分离的，本文称之为独立性教学内容设计;除了教学内容设计外，还有依据学习环境的要素特点，提供相应的教学模式，如APoME的教学，研究者提倡通过5E教学模式，即按照参与(Engage)、探究(Explore)、解释(Explain)、拓展(Elaborate)以及评价(Evaluate)等过程组成的模式来设计教学内容;Simquest则是依据发现式学习的方式来设计教学内容;Model-It的计划、建构和测试的科学建模程序为教学提供了技术支持;在ModelingSpace中，渐进式建模理论的设计，为不同学习水平学生的学习提供了支持，有助于其模型水平的逐级提高。

利用这些教学理论，基于模型的科学学习环境可以更有效地为课堂教学服务。当面向学生中心的教学情境时，基于模型的环境设计需要更关注学生的推理能力、自我调控能力以及反思能力的培养，建议使用联结性教学内容设计方法，该方法也适用于低年级学生的使用。共享式的独立教学内容设计则更适用于高年级学生的学习活动。因此，建模工具和环境设计的教学原理之间的结合关系的确定，依据实际适用对象以及教学情境而定，教师在使用各种性质的基于模型的科学学习环境时，应掌握该环境设计时使用的教学理论，结合教学理论和课堂实际来设计基于MbSLE的教学内容，使得该类学习环境能够体现其应有的价值。

　　作者：孙丹儿 张宝辉 来源：电化教育研究 2012年6期