【摘要】哈佛大學教育學院和亞利桑那州立大學教育技術專業(yè)人員借助于信息技術設計，開發(fā)了基于MUVE的中學科學課程“River City”并在北美中學科學教育中得到了廣泛的應用。論文總結和分析了River City的課程設計特點，以期對我國相關課程的改革有所啟發(fā)和借鑒。

【關鍵詞】科學教育課程;多用戶虛擬環(huán)境(MUVE);River City;探究

【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097(2010)05—0023—04

相對于中學其他課程的教學而言，美國的科學教育教學方法中一直有著探究的傳統(tǒng)[1]。然而在現(xiàn)實的課堂教學中，科學探究由于受到時間、空間、資源及環(huán)境的種種限制很難真正實施。尤其對于那些美國城市中的公立學校而言，由于缺乏合格的科學課程教師，由于學生對于科學教育的內容不感興趣，或由于學生基礎薄弱而難以理解和掌握科學教育的課程內容，傳統(tǒng)的科學教育方法很難為學生提供參與科學探究的完整而真實的體驗。

在美國國家科學基金會(NSF)和史密森美國歷史國家博物館(Smithsonian's National Museum of American History)信息技術和社會部的資助之下，哈佛大學教育學院和亞利桑那州立大學教育技術專業(yè)人員利用信息技術為學生提供了一種支持創(chuàng)造性探究的虛擬環(huán)境――多用戶虛擬環(huán)境(multi-user virtual environment，MUVE)River City[2]，幫助中學生在虛擬世界中利用各種探究工具體驗科學科研的過程和方法，尤其是幫助那些基礎比較差、學習成績不好的中學生掌握復雜的科學概念及科學研究的技能。[3]

基于MUVE 的River City是一門英語和西班牙語的雙語科學教育課程，主要應用于美國城區(qū)中的薄弱公立中學――這些學校中的學生群體主要來自城市中的貧困家庭和移民家庭，教師在傳統(tǒng)的科學教育中難以找到激發(fā)學生學習科學的動機、興趣的有效方法，不知如何幫助那些基礎薄弱的學生。另外，對于移民學生而言，還存在一個語言理解的障礙問題。River City是一個17個小時的、基于團隊協(xié)作(每個小組由2-4人組成)的探究性課程，是傳統(tǒng)科學課程的替代(而不是課堂教學的補充)。該課程的設計和開發(fā)遵從了美國國家研究理事會(the National Research Council)提出的科學教育標準、國家教育技術標準和21世紀的技能需求[4]，以科學教育課程內容為主，涵蓋了生態(tài)學、健康、生物學、化學、地球科學及歷史學等學科領域。課程從2002年開始在北美6-9年級的中學科學教育課程中實施，2007至2008年北美有12個州的近百名教師和五千多名中學生參與了該課程的學習，課程還從美國推廣到了加拿大和墨西哥。

一MUVE簡介

自從20世紀70年代末期英國艾塞克斯大學(University of Essex)的Richard Bartle和Roy Trubshaw開發(fā)出第一代基于計算機網(wǎng)絡的MUD1游戲以來，隨著計算機和網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，不斷出現(xiàn)了許多新型的多用戶虛擬環(huán)境模式，比如MOOs(面向對象的MUDs)、MUVE(多用戶虛擬環(huán)境)、MMORPGs (大型多人在線角色扮演游戲)等[5]。這些虛擬現(xiàn)實技術目前已在游戲(特別是網(wǎng)絡游戲)中得到了廣泛的應用，但卻很少能夠應用于學校的教育教學。哈佛大學教育學院和亞利桑那州立大學教育技術專業(yè)人員設計和開發(fā)的基于MUVE的中學科學課程River City，就是虛擬現(xiàn)實技術MUVE在中學科學教學課程中應用的一種嘗試和探索。

與早期基于文本的MUD相比，MUVE的功能更加強大――可以使用戶進入虛擬情境，與數(shù)字器具(digital artifacts)進行交互，用“化身”(avatars)2來代表自己，與其他用戶進行交流，與虛擬角色(基于計算機的代理)進行交流，參與各種協(xié)作活動等[6]。作為一種虛擬現(xiàn)實技術，MUVE在教育教學領域具有非常廣闊的應用前景，比如創(chuàng)建職前教師培訓和職后教師專業(yè)發(fā)展的在線社區(qū)，通過再現(xiàn)真實的社會或政治事件使學生更好地學習和理解歷史，借助于一定的社會和文化情境促進學生的社會和道德發(fā)展，為學生提供協(xié)作的機會和創(chuàng)造性探索的機會等[7]。

與傳統(tǒng)的教學方法相比，MUVE能為學生提供沉浸式(immersive)、交互式的學習環(huán)境，使科學教育能夠更加吸引學生，能夠激發(fā)學生的好奇心，使學習變得更加具有趣味性。

二River City虛擬城市簡介

River City是一座典型的19世紀晚期的美國工業(yè)化城市(那時正是科學家剛剛發(fā)現(xiàn)細菌的時代)，有一條河流穿過該城，城市的地形有高有低，因此在低處就形成了一些洼地和沼澤。城市中的房屋、工廠、醫(yī)院、旅館、大學等分布在不同的地形之上，城市中既有富人的居住區(qū)，也有中產(chǎn)階級的聚集區(qū)和貧民區(qū)。River City中擁有史密森博物館收藏的五十多件藏品，設計者借助于博物館中的藏品來創(chuàng)設和重現(xiàn)19世紀晚期美國工業(yè)化城市的街道和建筑風貌。

該課程基于真實的歷史、社會和地理情境――River City遇到了環(huán)境和健康問題，流行病蔓延，城市中的居民人心惶惶。課程要求學生利用所學知識以小組的形式進行探究，在教師的指導下借助于科學研究的工具、方法和過程，來揭示引發(fā)城市疾病的原因，并提供相應的解決對策。

River City的地圖如圖1所示[8]，課程界面和主要窗口如圖2[9]。

該課程允許多用戶同時參與，每個學生在虛擬城市中有一個特定的角色(稱作“化身”)，這些“化身”能夠表達開心、悲傷、同意或不同意等表情，還允許“化身”通過“瞬間移動”(teleport)到達城市中的任何一個地方。學生可以使用虛擬城市中的所有物品(比如在線顯微鏡或圖片等)，可以與同伴進行交互，也可以和計算機代理(城市中的居民)進行交互[10]。學生在虛擬城市中參與不同類型的協(xié)作學習活動，還可以得到在線導師的指導。

如圖2所示，課程界面中有四個主要的窗口，一是觀看和行動窗口，允許用戶改變觀看的視角，允許各自的“化身”執(zhí)行不同的動作(旋轉、跳躍、揮手等);二是虛擬窗口，用戶的“化身”可以在此虛擬空間中自由行動，除了正常移動之外，還可以飛行、奔跑、傾斜、游泳等;三是聊天窗口，學生可以和自己的隊友聊天，也可以和城市中的居民聊天;四是學生的工作窗口，通過該窗口可以為學生在虛擬城市中的探究提供指導(比如在線《學生實驗指導手冊》)，還為學生提供在線學習記事薄和地圖(如圖1 所示，學生可以隨時知道自己處于虛擬城市中的具體位置)等。

三River City課程設計分析

本課程的設計主要針對中學科學教師在傳統(tǒng)教學中所面臨的問題和挑戰(zhàn):如何讓學生體驗和掌握科學探究的技能，如何讓學生理解和掌握科學研究的實驗設計。由于這是一項高階認知技能，僅僅依靠教師的課堂口頭講授是很難完成的，因此必須為學生提供進行科學探究和實驗的真實情境，而River City的難度和復雜性設計正好處于傳統(tǒng)的課堂教學和真實情境中科學家的科學研究之間[11]。River City課程的設計特點總結如下:

1 基于MUVE的科學課程River City首先為學生提供了一種“沉浸”于科學探究的復雜、真實而經(jīng)過精心設計的情境。所謂“沉浸”，即個體對某一復雜而真實經(jīng)歷的主觀感受。當學生沉浸于River City這個虛擬環(huán)境中時，他們由被動的觀察者變成了科學實驗的設計者，學生以一種全新的角色和身份主動參與虛擬環(huán)境中的協(xié)作和探究。[12]

2 學生在River City中可以親身體驗科學家的探究過程，體驗科學家群體通過觀察、推理、協(xié)作對問題進行識別的過程，體驗科學家形成和驗證假設的過程，體驗科學家基于證據(jù)導出結論的過程。學生在虛擬城市中可以借助于信息技術工具追蹤城市居民發(fā)病的原因，并形成假設，設計實驗來驗證假設，最終基于實驗數(shù)據(jù)提出問題解決的方案。River City可以支持學生開展如下活動:(1)科學概念和原理的學習;(2)體驗和學習科學家的觀察技能和推理技能;(3)設計和實施科學探究。(4)理解和體會科學探究的價值與意義。

3 設計者力圖使中學生能夠借助21世紀的技能和信息技術來解決19世紀的城市環(huán)境和健康問題。River City中提供了多種資源、工具來幫助學生進行探究――(1)首先是實驗手冊，實驗手冊中的問題是經(jīng)過精心設計的，是學生在River City中自主、協(xié)作探究的重要指導資源。實驗手冊首先指導學生探索和熟悉虛擬環(huán)境，學習和掌握與網(wǎng)絡界面進行交互的基本技能，并學習數(shù)據(jù)收集及處理的一些基本技能。另外，在課程進行的過程中學生還需要回答實驗手冊中提出的問題，教師可以根據(jù)學生的回答情況對學生的學習進行形成性評價。因此，實驗手冊為學生的探究提供了必要的指導和支架。課程同時還為教師設計了指導手冊，提供了更加詳細的、更有針對性的指導;(2)其次是課前的系列視頻，為學生在虛擬城市中的探究做好充分的準備;(3)River City中還提供了“數(shù)據(jù)收集站”，為學生提供世界各地的水樣本信息;(4)各種幫助學生探究的數(shù)字器具(比如各類音、視頻片斷資料，圖片，在線顯微鏡等)。

4 課程的評價方式設計:(1)形成性評價――學生在探究的過程中，可以隨時和虛擬城市中《River City時報》記者Kent Brock3交流。Kent Brock會對學生進行訪談，不但向學生尋求信息，而且會告知學生一些信息。他不但對事實感興趣，更關注于學生的以下能力:說明的精確性、解釋的意義性、應用的效果性、觀點的批判性和可信性、移情的敏感性和可理解性、自我意識性(了解自己知道的和不知道的)。除了回答Kent的問題，學生還需要對Kent即將在《River City時報》上發(fā)表的文章進行評論。學生與Kent的交互內容將作為學生形成性評價的一部分。另外，學生對于實驗手冊中問題的回答情況也是形成性評價的一部分;(2)總結性評價――所有學生都要基于自己對疾病傳播的探究向River City的市長提交一份科學研究報告，報告中必須解釋為什么城市中會有如此多的人感染疾病以及如何消除疾病等。

四River City中科學探究過程的設計與實施

美國國家科學教育標準中將探究界定為[14]:科學家研究自然界，并基于研究工作的證據(jù)對自然界進行解釋的種種活動，也包括學生形成和理解科學概念，理解科學家如何探索自然界的一系列活動。

在整個課程學習的過程中，每位學生都經(jīng)歷了一個從新手向專業(yè)科學人員成長的過程，完整體驗了科學探究的全過程:觀察――問題識別――形成假設――設計實驗――實施實驗――形成結論――提出建議――匯報分享――總結完善。學生在River City中的科學探究過程如表1所示[15]:

虛擬城市中有三條疾病傳播的途徑――水源污染、空氣傳播和昆蟲傳播，這三條疾病傳播途徑又是和特定的歷史、社會和地理因素交織在一起的，共同構成了一個影響虛擬城市健康問題的復雜環(huán)境。學生在這種真實的情境中以團隊的形式主動地對復雜的現(xiàn)實問題(城市中面臨的環(huán)境和疾病)進行科學探究，在這種跨時空的虛擬城市中，學生能夠借助21世紀的技能和信息技術來解決19世紀的城市環(huán)境和健康問題。最后，學生需要向市長提交研究報告，描述城市的環(huán)境和健康問題，并提出改進居民生活的建議。

數(shù)據(jù)的收集是科學研究中的關鍵，River City中設計了多種收集數(shù)據(jù)的途徑[16]:

#61548;與城市中的居民交談。

#61548;一些隱性的線索――河流及樹木的外觀，天氣及季節(jié)的變換，聲音(蚊子的嗡嗡聲、病人的咳嗽聲、水流聲等)。

#61548;醫(yī)院中病人的病歷(學生可以根據(jù)病人的癥狀和指標檢測數(shù)據(jù)來了解病情)。

#61548;環(huán)境監(jiān)測計(學生可以根據(jù)上面的數(shù)字推測城市環(huán)境的健康狀況)。

#61548;一些數(shù)字圖片中所提供的必要信息。

#61548;利用在線顯微鏡檢測水站中水的純度及蚊子繁衍狀況。

隨著課程學習的深入，學生需要分別在城市的四個不同季節(jié)進行數(shù)據(jù)的收集和探究:1878年10月，1879年元月，1879年4月和1879年7月，而城市中的疾病也在隨著時間的不同而發(fā)生著變化。通過數(shù)據(jù)的收集，學生需要思考和回答如下問題:為什么窮人比富人更容易生病?學生還需要對引發(fā)疾病的原因進行因果分析，包括低洼地的水源污染、濕地的昆蟲傳播、城市貧民區(qū)居住的過度擁擠、昂貴的醫(yī)療費用等等。

結語

在傳統(tǒng)的科學課堂教學中，由于課程資源或時間、空間的限制，學生們常常被直接告知一些簡單的、確定性的答案，往往無法親身體驗科學探究的過程和樂趣。而在基于MUVE的River City中，學生以團隊的形式可以根據(jù)各自的興趣對復雜的真實問題進行科學探究，從而能夠在虛擬的情境中親身體驗科學的觀察、數(shù)據(jù)的收集、問題的提出、實驗的設計、問題的分析與解決等。River City課程從2002年秋季開始在美國城區(qū)中的公立中學科學教育課程中實施，因為幾乎所有的學生都有過玩計算機或視頻游戲的經(jīng)歷，所有學生在初次使用MUVE界面時就很容易地學會了操作，除了網(wǎng)頁瀏覽工具之外，學生們還可以使用即時通訊工具及其它聊天工具。研究發(fā)現(xiàn)學生的參與度非常高，非常樂于合作，初步的研究表明MUVE能夠提高所有學生學習科學課程的動機，包括那些傳統(tǒng)課堂教學模式中表現(xiàn)不佳的學生。

除了River City之外，實際上還有許多的基于MUVE的課程或學習項目，比如阿巴拉契亞州立大學(Appalachian State University)的AppEdTech[17]，佐治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)的AquaMOOSE 3D[18]，印第安納大學(Indiana University)的Quest Atlantis(QA)[19]、斯坦福國際研究院(SRI)Tapped IN[20]等等。這些新型的教育教學模式，將為傳統(tǒng)教學方式的變革提供新的機遇和啟示。

參考文獻

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[18] AquaMOOSE 3D [OL].，2010-04-15.

[19]Quest Atlantis [OL].，2010.04.

[20] Tapped IN [OL].，2010.04.

注:1根據(jù)情境的不同，MUD可以代表“多用戶城堡/多用戶空間/多用戶空間”等不同的涵義，是一種早期的主要基于文本的多用戶、角色扮演類虛擬現(xiàn)實技術。

2網(wǎng)絡用戶在以圖像為主的虛擬世界中的虛擬形象。

3他自己也染上了城市中的流行疾病，因此急需得到研究者的幫助。