曹鷺　Michael J.Jacobson　徐光濤

摘要：目前，針對中學課堂科學學科的學習，長期以來的問題之一是教師認為很難開展教學活動以幫助學生學習科學探究（Scientific Inquiry）這一復雜的知識。為了幫助中學生更好地學習科學探究，該文提供并介紹了一種名為計算機化科學探究（computational Scientific Inquiry，以下簡#cso的模型。該模型由3D沉浸式虛擬世界（Virtualwodd）和基于代理的模型（Agent-BasedModeling）共同實現(xiàn)，并使用了名為有效失?。≒roductive Failure）的教學理念支撐學習活動的設(shè)計。根據(jù)CSI模型，我們打造了一個虛擬的3D星球omosa Virtual World，2D基于代理的模型Omosa Nedogo，并根據(jù)有效失敗設(shè)計了相應的教學活動，三者共同構(gòu)成了一個基于課堂的短期課程，來幫助學生在生物學科背景下學習科學探究。悉尼兩個八年級班級參與了實證研究。在課堂中獲得的實證結(jié)果證明，學生明顯提高了他們在科學探究方面的學習，CSI的應用是卓有成效的。

關(guān)鍵詞：科學探究；虛擬世界；基于代理的模型；有效失敗

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

21世紀科學學科課堂的教學目標正從僅僅針對概念的記憶與背誦積極轉(zhuǎn)向?qū)茖W探究（Scientifie Inquiry）能力的側(cè)重與培養(yǎng)。如今，科學探究能力已經(jīng)成為中外理科學習的重點目標之一。我國的《義務(wù)教育初中科學課程標準（2011版）》對于科學探究給出了以下定義：“通常意義上的科學探究指的是科學家們用以研究自然界并基于此種研究獲得的證據(jù)提出種種解釋的多種不同途徑?？茖W教育中所說的科學探究則是指學生經(jīng)歷與科學家相似的探究過程，為獲取知識、領(lǐng)域科學的思想觀念、學習和掌握方法而進行的各種活動。”

然而，在以教師講授主要形式的傳統(tǒng)課堂教學中，學生很難真正通過課堂學習提高科學探究能力。近年來，越來越多的教育研究者提倡利用虛擬世界（virtual World，以下簡稱VW）和基于代理的模型（Agent-Based Modeling，以下簡稱ABM）等計算機可視化技術(shù)幫助學生學習復雜困難的理科知識。

虛擬世界是一種類似真實世界的計算機模擬環(huán)境，往往基于3D技術(shù)，用戶一般會通過一個Avatar（即一個用戶的3D虛擬角色或該角色的2D圖形展示）在其中漫游探索。用戶可以使用虛擬環(huán)境中提供的一系列工具進行探索，也可以和非玩家角色（Non-Player Character，簡稱NPC）或其它在線用戶在環(huán)境中進行互動。過去使用VW學習科學知識的項目主要有有哈佛大學團隊的River City項目和EcoMUVE項目、亞利桑那州立大學的Quest Atlantis項目等。在River City項目中，學生需要在一個模擬的中世紀的城市中解決當?shù)氐奈烈邌栴}。他們的目標是幫助學生學習解決復雜的科學問題。在這個項目中，學生合作探究場景并進行觀察，利用仿真的工具收集現(xiàn)實世界中無法觀測到的數(shù)據(jù)，例如使用顯微鏡觀察細菌，一般課堂里不允許每個學生能夠獲得這樣的設(shè)備，亦或是通過虛擬世界中的圖書館獲得閱讀書籍獲得資源，和NPC談話，與其他在線學員通過聊天窗口在線交流等。結(jié)果顯示通過虛擬世界的學習，學生顯著提高了他們的生物學知識以及他們的學習動機，但是在這個項目中并沒有顯示虛擬世界對于學習科學探究有明顯支持。EcoMUVE則是一個用于學習生態(tài)學復雜因果關(guān)系的虛擬世界。該項目的研究結(jié)果同樣表明經(jīng)過了虛擬世界的學習，學生顯著提高了他們在生態(tài)學知識方面的理解。與River City以及EcoMUVE相比，Quest Ahantis的環(huán)境更為混合，既有配合教室內(nèi)展開正式學習的實踐，也有校外的非正式學習實踐，例如學生可以使用家里的電腦自由進入虛擬世界學習。相關(guān)的結(jié)果也表明學生明顯提高了科學探究能力和對學習的興趣。總而言之，整體的結(jié)果表明虛擬世界能夠有效地幫助學生學習科學知識，增強學習動機。

ABM則是一種計算機可視化模型，它能夠提供一種“從底向上”的科學現(xiàn)象展示，并能夠表現(xiàn)系統(tǒng)高層面的內(nèi)容是如何通過獨立低層面的元素之間的不斷交互從而產(chǎn)生的?？偠灾?，在教育領(lǐng)域，比之過去更多地僅僅將計算機視為一種測量與計算的量化工具，可視化技術(shù)更能實現(xiàn)視覺上的呈現(xiàn)，作為一種質(zhì)性工具更好地幫助學生體驗科學實踐。早期的研究中，ABM被用于幫助學生學習例如自我組織性和正反饋等復雜系統(tǒng)的知識。在近年的研究中，ABM主要被用于模擬科學學科中的復雜的現(xiàn)象，例如自然中的溫室效應，電流中的電子運動等。結(jié)果表明學生通過ABM學習顯著提升了他們對復雜知識的理解。不僅如此，通過ABM還能進一步幫助學習知識遷移，即學生能夠?qū)⒄n堂知識應用在解決現(xiàn)實生活中的問題中。

在前人的研究基礎(chǔ)上，針對理科科學探究的學習，邁克爾·J·雅各布森（Michael J.Jacobson）教授首次提出了名為計算機化科學探究（ComputationalScientific Inquirv）的模型。該模型旨在利用計算機可視化、計算機模擬實驗技術(shù)讓學生在課堂內(nèi)展開模擬科學實踐活動，從而學習和體會真實的科學探究過程。本研究中，團隊分別選擇了3D虛擬世界和Netlogo來分別實現(xiàn)計算機的可視化和計算機的模擬實驗，二者共同實現(xiàn)了CSI模型的實體化。本研究將詳細介紹：（1）CSI模型是如何通過其團隊的“拯救Omosa星球原住民”項目被具體打造和實現(xiàn)的；（2）CSI模型的課堂應用實證研究過程和結(jié)果。

一、“拯救Omosa星球原住民”項目介紹

Omosa虛擬星球項目是由悉尼大學Jacobson教授領(lǐng)銜，悉尼大學、麥考瑞大學兩所大學的研究者聯(lián)合研發(fā)的一個跨學科項目，整個設(shè)計開發(fā)周期跨度歷時約9年（2008-2017）。本項目的主要研究目的，是幫助傳統(tǒng)課堂解決中學生難以學習科學探究這一問題。研究目的又可以分為兩個層面：理論層面和實際層面。從理論層面，本項目旨在通過實際應用學習理論（即有效失?。?，驗證該理論在中學科學學科學習領(lǐng)域的實際應用效果，并進一步探究和完善該理論的運行機制，推進學習科學領(lǐng)域?qū)W習理論的發(fā)展。從實際層面，該項目旨在打造一套完整的課程，包括計算機技術(shù)和教學材料在內(nèi)，實現(xiàn)了科研產(chǎn)品能夠直接應用于課堂，幫助學生學習科學探究。

本項目獲得了澳大利亞研究局的支持，整個項目資助分為兩期，研發(fā)基金均由澳大利亞政府支持，分別約合人民幣175萬（2010-2012）和333萬（2015-2017）。經(jīng)過近十年的努力，研究團隊設(shè)計開發(fā)了一個3D虛擬世界Omosa，以及名為“拯救Omosa星球原住民”的配套課程。學生可以在該虛擬世界中扮演科學家的角色，與行星環(huán)境調(diào)查機構(gòu)（IEIA）的科學家們一起，探索導致Omosa星球某島嶼上動物瀕危的原因所在。學習過程中，學生像真正的生物學家一樣收集數(shù)據(jù)，運行計算機模擬實驗開展探究，并最終以報告的形式將他們的探究結(jié)果與同學和老師分享，從而有助于探究能力的培養(yǎng)和提升。

作為一個跨學科項目，研發(fā)團隊成員主要由三部分組成：

（1）教學設(shè)計小組：成員由多位學習科學領(lǐng)域?qū)＜?、一位生物系的生物學家，以及多名教師教育和學習技術(shù)領(lǐng)域的研究員和研究生組成。該小組主要負責確定學習目標和學習內(nèi)容，完成虛擬環(huán)境Omosa星球的設(shè)計和其與配套的教學活動設(shè)計工作。其中生物學家夏洛特·E·泰勒（Charlotte E.Taylor）教授和當?shù)氐纳飳W老師負責梳理并確定項目相關(guān)的生物學知識和內(nèi)容；

（2）圖形設(shè)計與技術(shù)開發(fā)小組：由麥考瑞大學的黛博拉·理查德（Deborah Richards）教授主導，主要負責3D虛擬世界Omosa VWorld及配套的2D可視化ABM模型Omosa NetLogo環(huán)境的開發(fā)；

（3）學習研究設(shè)計小組：由悉尼大學Jacobson教授主導，成員與教學設(shè)計小組的成員相同。該研究小組主要負責制訂詳細的實證研究計劃，以考察Omosa虛擬世界在中學中應用的效果，有序推進該研究項目，確保項目的初始研究目標按期達成，并將相關(guān)成果在各大渠道（如期刊、著作章節(jié)、學術(shù)會議等）進行發(fā)表。

整個項目的研究過程大致分為三步：首先，由教學設(shè)計小組展開教學內(nèi)容、教學理念等有關(guān)的教學設(shè)計。伴隨第一步展開的同時，技術(shù)與圖形設(shè)計小組則進行3D虛擬環(huán)境的研發(fā)，研發(fā)工具為Unity3D （http：//unity3d.com/），一個跨平臺游戲開發(fā)引擎，2D的ABM模型也被開發(fā)完畢。最后，團隊開展基于課堂的實證研究和應用，并整理成果逐步進行公開發(fā)表。

（一）Omosa軟件環(huán)境

Omosa環(huán)境主要由兩部分組成：3D虛擬世界Omosa VWorld和2D可視化ABM模型Omosa NetLogo。兩者共同作用具體實現(xiàn)了CSI模型，作為一個整體應用于教學實踐。

1.Omosa VWorld

Omosa VWorld是一個3D虛擬世界。該虛擬世界的主體是Omosa星球上的一片島嶼，它模仿和呈現(xiàn)了古代澳洲干旱島嶼的生態(tài)環(huán)境。虛擬世界中學生能夠以第一視角探索該島嶼，其移動和操作方式都和市面上流行的角色扮演類游戲相似，十分簡單和易于上手，如圖1所示。界面的左上角是工具區(qū)，提供了地圖、書包（用于存放道具）、幫助、退出等工具。通過點擊右上角的衛(wèi)星按鈕，學生能夠以俯視的角度觀察島嶼上葉鹿和花斑狼的運動和捕食鏈行為（花斑狼以葉鹿為食）。其中，葉鹿與花斑狼的運動與捕食鏈行為背后的運行規(guī)則由ABM算法實現(xiàn)。關(guān)于算法實現(xiàn)部分的詳細內(nèi)容，本文不作詳細介紹，請參考麥考瑞大學Richards教授的文章《評估在捕食鏈關(guān)系下3D智能虛擬動物的行為和模型》。

島嶼擁有諸多地點與場景供學生開展各式各樣的探究性活動（例如：觀察動物，與村民溝通等），如圖2所示。主要的區(qū)域有：（1）村莊：學生可以觀察Omosa原住民的生活或者與他們交流；（2）狩獵場：學生可以在那里發(fā)現(xiàn)并觀察成群的動物；（3）研究機構(gòu)：學生可以和機構(gòu)中各種不同專業(yè)背景的科學家交流；（4）氣象站：學生可以和其中的氣象專家交流或查看與氣候相關(guān)的數(shù)據(jù)。

由于本課程中學生需要扮演科學家解決島嶼上某種動物（即葉鹿，原型來自于澳洲已經(jīng)滅絕的古代似鹿生物）為何瀕危的問題，以上一系列場景將為此提供各類實用的信息與數(shù)據(jù)，如右圖3所示。學生可以通過自身的觀察，與NPC交流等活動一步步地收集信息，并進而提出各種科研設(shè)想。通過前期探索與收集到的信息，學生一般會得到最主流的三種推論：（1）氣候變化導致葉鹿瀕危；（2）火耕農(nóng)業(yè)破壞當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境進而導致葉鹿瀕危；（3）原住民過度捕殺導致生物瀕危。

2.Omosa NetLogo

當學生在Omosa VWorld中進行了足夠的觀察及信息獲取后，他們會形成對于探究問題的一些初步的推論。接下來，為了進一步驗證他們的推論，學生會被要求使用2D可視化ABM——Omosa NetLogo進一步觀察和證明他們的推論。Omosa NetLogo是一種由NetLogo語言編寫的可視化ABM，在本項目中用于呈現(xiàn)若干變量在一定的初始條件下發(fā)生的動態(tài)變化關(guān)系，這些變量包括：（1）葉鹿數(shù)；（2）花斑狼數(shù)；（3）草地；（4）是否有原住民（有原住民則會引入火耕和捕食葉鹿兩個變量）。這種變量的持續(xù)動態(tài)變化直接以2D圖像的形式呈現(xiàn)，同時系統(tǒng)也會顯示傳統(tǒng)的數(shù)字數(shù)據(jù)和動態(tài)趨勢圖。以下頁圖4為例，圖4顯示的是在一定數(shù)量的葉鹿、花斑狼和草地的條件下，引入原住民和火耕行為后其它幾個變量的動態(tài)變化情況。右方的2D圖形顯示的是實時的草地面積、葉鹿和花斑狼的數(shù)量與位置，左側(cè)上方顯示的是各種變量的初始情況，下方是變量的數(shù)量和該數(shù)據(jù)的變化趨勢圖。

與在Omosa VWorld中學生只能進行觀察不同，Omosa NetLogo能夠讓學生操控多個自變量進行賦值，并觀察賦值后因變量的動態(tài)變化情況。通過這個小實驗，學生根據(jù)推論設(shè)計實驗，并收集計算機最終呈現(xiàn)的種種數(shù)據(jù)。完成數(shù)據(jù)收集后，學生再基于數(shù)據(jù)進行判斷和分析，最后得出相應的結(jié)論。此外，學生也可以將2D環(huán)境收集到的數(shù)據(jù)與3D虛擬世界中獲得的數(shù)據(jù)互相對照。這一系列借助計算機進行數(shù)據(jù)收集和分析的活動與21世紀科學家開展的科學探究活動在過程上是相互對應的。

（二）Omosa的教學理念與課程設(shè)計

1.Omosa的課程目標——針對科學探究

Omosa學習活動所開展的科學探究步驟與目標均與澳大利亞理科課程標準一一對應。表1中給出了具體的五個步驟。在每個年齡段，這五個步驟又會針對不同的層次給出更具體的要求。本項目對應的是13-15歲（即7-9年級）年齡段要求的科學探究能力。

2.Omosa項目教學理論核心：“由低到高”的教學結(jié)構(gòu)順序（Sequences of Pedagogical Structure）和有效失敗（Productive Failure）

在教學方式的選擇上，Omosa項目選擇了“由低到高”的教學結(jié)構(gòu)順序和有效失?。ㄒ韵潞喎QPF）作為核心支持。PF的教學理念的主要主張是學生在沒有結(jié)構(gòu)性指導的情況下參與解決復雜、非良構(gòu)問題，此時遇到的挫折是一種有價值的練習。具體而言，傳統(tǒng)教學更主張“先學后練”，即課堂上由老師傳授知識，結(jié)構(gòu)性地一一指導學生應當如何理解和處理問題，然后布置習題讓學生練習或嘗試解決問題。相應地，這是一種“由高到低”的教學順序。但是PF則是一種相反的教學理論，它更鼓勵“先練后學”，即讓學生先試著利用有限的幫助和材料（例如指導手冊）自行解決問題，在這個過程中學生往往會產(chǎn)生錯誤的理解和遇到許多失敗和挫折。學生嘗試過程完畢后，再由教師為學生糾正他們錯誤的概念，并對知識進行統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)性講解和鞏固，這是一種“由低到高”的教學順序。越來越多的相關(guān)研究結(jié)果顯示PF能夠顯著提高學生的概念性理解并能促進遷移（Transfer）。

由于選擇了PF作為教學理念，為了能幫助學生在沒有教師授課的情況下依然能夠獲得幫助與指導，Omosa課程為學生準備了一份在線的指導手冊。這份指導手冊用于向?qū)W生介紹應該如何使用OmosaVWorld和Omosa NetLogo軟件，并提供他們每天需要完成的學習活動內(nèi)容及每日測評。學生通過計算機在線系統(tǒng)回答手冊上的問題，這些測評數(shù)據(jù)最終會被儲存在MySQL數(shù)據(jù)庫中，以便用于科研數(shù)據(jù)采集與分析。由于軟件的使用對學生們來說非常容易上手，所以課程中針對Omosa VWorld和Omosa NetLogo僅給出了簡單的使用說明，用來代替針對軟件應用的集體課堂教學。課堂上其它突發(fā)的技術(shù)問題（例如無法登錄/密碼錯誤等問題）則由研究團隊協(xié)助解決。

另外，項目團隊針對軟件和配套課程的使用對教師進行了有針對f生的培訓。研究成員指導和幫助老師學習使用Omosa VWorld和Omosa NetLogo，老師也會使用學生的指導手冊在正式學習活動開始前先行嘗試在0mosa軟件環(huán)境內(nèi)熟悉學生需要開展的學習活動。

3 Omosa課程學習活動

Omosa課程一共分為9天，每天學習時間為50分鐘，完成整個學習活動共計使用兩周時間。課程的情境是：學生是一名科學家，他們要與行星環(huán)境調(diào)查機構(gòu)（IEIA）一起，探索究竟是什么導致了Omosa星球某島嶼上一種叫做葉鹿的動物的瀕危。詳細的教學設(shè)計和學習活動安排如表2所示。

通過表2我們可以看到，整個學習活動分為兩周，除最后一天為純展示活動外，每周均是從低教學結(jié)構(gòu)到高教學結(jié)構(gòu)（Davl-4，Day5-7），形成了兩個循環(huán)，這符合“由低到高”的教學順序和哦《學理念。另外值得一提的是，盡管在表格中我們將學生在指導手冊下展開探究性學習稱之為高教學結(jié)構(gòu)，但是實際上大部分PF教學中這一部分是由教師而非指導手冊完成對知識的鞏固和糾正。因此，整個Omosa學習活動中，學生比一般的基于PF的學習活動更加獨立自主，因為教師沒有在其間參與知識的鞏固。事實上這種PF的教學結(jié)構(gòu)比之傳統(tǒng)的“高教學結(jié)構(gòu)”更應稱為“中等教學結(jié)構(gòu)”。如對于經(jīng)典的“從低到高”的PF教學理論感興趣，Jacobson教授的另-個項目Climate Change對此進行了更為詳細的研究。

學生每日的學習活動一般由教師先行進行一些簡單的介紹開始。在那以后，教師在整個學習活動中主要扮演監(jiān)管、回答問題、促進思考的角色，而并非傳統(tǒng)的授課角色。學生則一般以二人一組的形式展開探究學習活動，兩個學生共同使用一臺電腦，這能夠更好地幫助學生開展合作學習。正式探究活動開始后，學生會通過閱讀指導手冊明確當天的學習任務(wù)，這些學習任務(wù)也被稱之為“挑戰(zhàn)”。這些挑戰(zhàn)與每天的學習目標——對應，例如學習初期，學生的挑戰(zhàn)是在Omosa VWorld中收集各種數(shù)據(jù)和道具，中后期則要求學生進行實驗設(shè)計，記錄通過Omosa NetLogo～擬實驗獲得的實驗數(shù)據(jù)等。在整個學習過程中，學生需要多次提出各種問題和假設(shè)并實施實驗，通過對比進行驗證。在此，以Day 6要進行的實驗設(shè)計為例進行說明，這部分也是學生最后要制作PPTY～向全班展示的內(nèi)容（如表3所示）。

了解了具體的任務(wù)要求以后，學生團隊需要在指導手冊上按照科學探究的5個步驟填寫他們自己的回答（如表4所示）。

以上的一系列學習活動完成以后，學生從Day7開始使用PowerPoint制作演示文稿來呈現(xiàn)他們利用Omosa NetLogo開展計算機實驗獲得的結(jié)果和他們之間的討論，Day 8和Day 9的安排是各個小組利用演示文稿向全班展示并進行結(jié)果討論。

二、Omosa應用與實證研究結(jié)果

為了檢驗Omosa項目的實際效果，Jacobson教授團隊在悉尼的一所初中開展了具體的教學應用實踐。

（一）樣本

樣本學校是悉尼內(nèi)城的一所多文化（即學生來自白人、華人等不同文化背景的家庭）初中。其中本文討論的樣本班級是兩個8年級（即初二）的初中生班級，共53名學生。參與的兩名教師是校內(nèi)學科帶頭人，他們均是生物教師，并在實驗前已獲得有關(guān)如何應用Omosa系統(tǒng)開展教學的有關(guān)指導。基于不同班級先前在理科學習方面的表現(xiàn)，教師將班級區(qū)分為“基礎(chǔ)班”（C班）和“進階班”（S班）。C班的學生成績整體屬于低中游，S班的學生成績整體屬于上游。C班由29名學生組成。S班由24名學生組成。

正式實驗展開時間是在2013年。在那之前，研究團隊于2011年和2012年在該校開展過預實驗。在預實驗期間，團隊的Omosa VWorld和Omosa NetLogo都得到了不斷的完善與開發(fā)，并且將指導手冊從紙筆方式修改為電子版，這能夠保證團隊通過在線系統(tǒng)不斷地收集學生每天的學習過程數(shù)據(jù)。

另外，近兩年來國內(nèi)華東師范大學學習科學研究中心獲得了來自Jacobson教授團隊的授權(quán)，以合作研究的形式在上海的兩所初中開展了Omosa項目研究。華東師范大學方負責了Omosa虛擬世界以及指導手冊的漢化。

（二）測評材料

在學習活動的第一天和最后一天，研究組使用前后測的方式，通過同一份問卷測評學生的科學探究能力。這份試卷前十二題為選擇題，取自一份高信度效度的科學探究測試量表。第十三題是一道開放的實驗設(shè)計題。最后一題第十四題則取自2003年P(guān)ISA測試的一道科學論證題。由于在研究過程中第十四題的數(shù)據(jù)收集出現(xiàn)了問題，因此本文以下的探討以前十三題為主。

除此之外，學生最后制作的成果匯報演示文稿也作為研究數(shù)據(jù)的一部分保留下來。研究小組制定了具體的評分規(guī)則，用以評估學生最后演講環(huán)節(jié)的表現(xiàn)。這份規(guī)則與先前提到的實驗設(shè)計的五個元素一一對應（如上頁表4所示），分別為：（1）基本信息采集；（2）研究問題；（3）提出假設(shè)；（4）自變量；（5）因變量。以上五點每一個點滿分1分，共計5分。錯誤回答計0分，半對0.5分，全對則計1分。兩位評分者進行了前20%試卷的記分，得到該量表的評定者信度為98%。隨后兩位評分者分別完成了40%的剩余試卷評估。

除了定量數(shù)據(jù)以外，團隊還收集了兩個焦點小組的討論內(nèi)容，這兩個組分別來自C班和S班。學生的討論被錄音。他們參與回答的一些主要問題有：是否喜歡這樣的學習形式；本次學習生物學和科學探究兩方面的收獲；如果你是老師，你如何設(shè)計虛擬世界并展開教學設(shè)計等。另外，在探究學習過程中，每個大組被分為六個小組，每兩個學生一組，研究團隊采集了他們的屏幕截屏數(shù)據(jù)、活動過程中的視頻和音頻數(shù)據(jù)。

（三）結(jié)果

由于本文的重點在于Omosa的項目設(shè)計，因此本部分將簡要介紹本次實證研究的結(jié)果。

定量數(shù)據(jù)的方面，令人失望的是，利用量表前12題（即選擇題）采集的數(shù)據(jù)分析顯示，經(jīng)過了Omosa項目的學習，學生的科學探究能力不增反降（F（1，41）=6.56，p<.05）。另外，S班的表現(xiàn)明顯優(yōu)秀于C班學生。然而，數(shù)據(jù)還顯示，在部分的小題上S班和C班學生的后測表現(xiàn)均有了顯著的提升。不僅如此，在某些題目的后測表現(xiàn)上，C班學生和S班學生沒有明顯差異。甚至有的題目，只有C班學生提高了正確率，反而S班學生沒有明顯的成績變化。在針對第13題實驗設(shè)計開放題和成果匯報PPT的數(shù)據(jù)分析上，S班的學生的表現(xiàn)明顯優(yōu)于C班的學生。然而，兩者的平均分是比較相近的。

根據(jù)定量的結(jié)果，我們不難看到，盡管學生的整體科學探究能力并沒有提高反而下降了，但令人眼前一亮的是原先基礎(chǔ)比較差的C班學生在完成學習活動后，在好幾個小題的回答上有了明顯的進步，并且回答得和S班的學生一樣好。不僅如此，在PPT匯報的表現(xiàn)上，C班學生與S班學生的平均分也沒有拉開差距。

定性數(shù)據(jù)方面，團隊從每個班級采訪了三組共六名學生，兩個班級共計六組十二名學生。從訪談數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，C班的學生對于他們學習的體驗有著具體的理解。同時，由于學習環(huán)境類似游戲，兩個班級的采訪中學生都對這種在虛擬環(huán)境展開學習的方式與體驗給出了非常積極的評價。在問及他們最喜歡的部分時，C班的一位學生提到了將收集和學習到的知識運用于探索虛擬世界并創(chuàng)建實驗和假設(shè)是最令人高興的。而另外的一名C班學生和S班的學生都提到Omosa VWorld和Omosa NetLogo之間的交互和比較令他們感到最有趣，這些新型的學習方式與傳統(tǒng)課堂聽課記筆記的方式存在鮮明的差異，讓他們有一種真正參與科學實踐活動的感受。不僅如此，教師也對這種基于虛擬世界和ABM的學習方式給出了非常積極的評價。特別令教師感到驚喜的是，她認為對學習理科毫無興趣的C班學生在這次學習過程中表現(xiàn)出了出乎意料的學習熱情，這是她不曾想到的。

總而言之，通過定性數(shù)據(jù)，我們能看到學生和老師整體上都對于這種基于CSI模型學習科學探究的模式給予了非常積極的評價，學生認為自己仿佛經(jīng)歷了真正的野外科學實踐，并且學有所得。此外，不僅是Omosa VWorld本身，Omosa NetLogo以及其與Omosa VWorld的交互也十分吸引學生。

三、結(jié)論與啟示

本文介紹了一種利用計算機技術(shù)學習科學探究的CSI模型，并闡述了該模型是如何通過基于3D技術(shù)的Omosa VWorld和基于2D技術(shù)的Omosa NetLogo得以實現(xiàn)的，以及其對應課程的教學方法和學習活動設(shè)計思路。與傳統(tǒng)的“從高到低”的教學順序相反，本項目采用了PF和從低到高的教學順序兩種教學理論的結(jié)合，即先給予學生充分的獨立探究，后接人指導手冊和班級討論等腳手架支撐。最后，該研究簡要介紹了該項目的課堂實證研究過程及其結(jié)果。

我們可以看到，團隊初期得到的結(jié)果有一部分令人失望，即從定量測試上學生總體的科學探究能力反而下降。對此團隊后續(xù)也對此進行了可能性的解釋——由于測試的時間是學期末，學生可能認為后測并不會影響他們的正式課堂的成績，所以帶著隨意的態(tài)度完成了測試。即使如此，在小題目上我們依然可以看到好幾個題目學生的表現(xiàn)有了明顯的提高。其中尤為值得注意的是，無論是科學探究能力測評還是匯報演示文稿的測評，我們均能發(fā)現(xiàn)原先基礎(chǔ)較差的C班學生的表現(xiàn)上逐漸追上了基礎(chǔ)較好的S班學生。定性數(shù)據(jù)也顯示C班學生表現(xiàn)出了連他們老師都意外的學習興趣和參與度。從這一點我們可以推測，CSI對于基礎(chǔ)較差的學生或許有著更好的應用價值。這一點國內(nèi)的合作研究者通過研究也得到了類似的結(jié)果。另外值得注意的一點是，由于S班的學生對科學探究的理解更為深刻，他們在運用ABM開展計算機實驗的時候的表現(xiàn)明顯優(yōu)于C班的學生。總而言之，我們希望未來能夠有更多的有力數(shù)據(jù)支持更多的結(jié)論。

此外，本項目也有一些不足，例如樣本量小，數(shù)據(jù)部分遺失問題等。我們希望能夠通過團隊未來的工作來彌補。

盡管本項目有一些不足，但我們依然認為本項目有著諸多意義。長期以來，在傳統(tǒng)教室中學習科學探究這樣的知識非常困難。從科研角度來說，我們填補了行業(yè)內(nèi)針對學習和培養(yǎng)科學探究能力、“玩中學”等領(lǐng)域的研究空白，并在教學理念上創(chuàng)新地實踐了“PF+由低到高的教學順序”的教學方法。與許多玩中學研究得到的矛盾的結(jié)果不同，本次研究的結(jié)果表明CSI模型和PF的結(jié)合整體是卓有成效的。這一情況反映了當下玩中學必須給予合理的教法支撐才能真正幫助學生提高學習。從技術(shù)角度，我們貢獻了Omosa這一3D虛擬世界和2D的ABM模型等教學軟件與環(huán)境。特別是在3D虛擬世界中展示合理的動物行為模型，為相關(guān)算法做出了貢獻。從應用角度，我們設(shè)計了一整套完整的學習課程與配套軟件，能夠幫助現(xiàn)今國內(nèi)外傳統(tǒng)課堂的學生足不出戶就能模擬體驗戶外的科學探究活動，彌補了傳統(tǒng)課堂針對該部分教學的困難和傳統(tǒng)教室客觀物理條件上的不足。不僅如此，由于虛擬世界可以模擬各種現(xiàn)實中不存在的場景，本次研究的虛擬世界能夠帶領(lǐng)學生前往類似古代澳洲的環(huán)境并讓學生展開研究，這一點是現(xiàn)實世界無法做到的，也是虛擬世界的優(yōu)勢。我們希望這一整套包括軟件在內(nèi)的課程能夠真正普及，走向更多的傳統(tǒng)課堂，幫助學生模擬體驗戶外科研的過程，進而通過這樣的學習活動提高他們的科學探究能力。

針對本項目，我們認為未來可以改進及開展的方向有：進一步修正CSI學習課程，并觀察將其融入常規(guī)課堂后學生的學習情況；通過更多大規(guī)模的實驗探索與驗證“由低到高”的教學順序是否優(yōu)于傳統(tǒng)課堂“由高到低”的教學方法；通過發(fā)掘更多細節(jié)，進一步探究如何通過搭載先進的計算機技術(shù)，利用CSI模型更好地幫助學生學習和培養(yǎng)各類理科科目中各種復雜的知識與能力等。

如今許多學生對于傳統(tǒng)課堂帶來的科學探究和理科學習依然表現(xiàn)得較為消極和抵觸，探究類問題依舊是初高中理科教學的難點。作為總結(jié)，我們希望我們的研究能夠吸引更多的科研工作者著眼于利用虛擬世界和模型等計算機技術(shù)幫助學生學習科學探究和理科知識的領(lǐng)域中來。所以，我們十分希望未來我們能夠通過將這些計算機技術(shù)與先進教學方式的結(jié)合，設(shè)計出能夠真正培養(yǎng)學生對理科知識產(chǎn)生深刻理解和興趣的課程。

收稿日期：2017年3月1日

責任編輯：趙云建