顧瑩+孫紅淼+陳凱

摘要：對Molecules & Minds網(wǎng)站中的教學資源進行了詳盡的梳理，并從“擴散”主題出發(fā)，具體分析其教學活動，體現(xiàn)了“互動式教學”、“可視化模擬實驗”和“探究式問題設置”。在分析比較的基礎(chǔ)上，從環(huán)境創(chuàng)設、服務學習者、互動等方面作出一些思考，并針對國內(nèi)學習國外學科教育技術(shù)方面的狀況進行批判性反思。

關(guān)鍵詞：Molecules & Minds；模擬實驗；科學教育；探究性；互動式

文章編號：1005–6629（2017）7–0092–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

由美國教育部教育科學研究所資助，Molecules & Minds于2005年在紐約大學（New York University）啟動，該網(wǎng)站教育資源（http：// create.nyu.edu/mm/）將化學學習設計成基于因特網(wǎng)模擬程序的探究過程，圍繞化學學科概念和原理，合理組織信息，并簡化了對圖形和文本信息的使用。通過有效的多媒體互動模擬，向高中生呈現(xiàn)了分子運動理論、擴散、氣體定律和相變等主題。

理解這些主題中的概念具有一定難度，因為涉及肉眼看不到的微粒運動特征，應用教科書中的靜態(tài)圖片難以呈現(xiàn)。Molecules & Minds提供了所有氣體定律影響因素的變化圖示，允許學習者通過操縱某一變量（如溫度）來觀察它對另一個變量（如壓強）的影響。學習者可以觀察到：當升高溫度時，容器內(nèi)的氣體粒子運動速率加快，容器內(nèi)壓強隨之升高。Molecules & Minds的所有模擬建立在科學學科學習理論和認知研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)過了教育技術(shù)、科學教育、教育心理學等方面專家的論證和評估，并根據(jù)學生應用工具學習狀況對模擬的效果進行定性的描述和定量的測量，以保證設計的實用性和學習者的學習效果。高中生主要在網(wǎng)站提供的漫畫小人（可將它視為教師）的指導下，進行自主學習，并在理解知識的基礎(chǔ)上對網(wǎng)站提供的情境瑕疵進行完善和補充。學生、教師、家長和研究人員等都可以對任務實施過程提問和評價，他們通過發(fā)送電子郵件發(fā)表自身看法開展互動。教師也可以擔任課程資源的主要開發(fā)者和實踐者，利用這些資源在課堂上開展活動。

Molecules & Minds模擬旨在將宏觀現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為可視化的運動微粒和模擬變量的關(guān)系圖示。它強調(diào)學習是一個主動的過程，把可觀察的、具有解釋性和象征性動態(tài)表征的模型作為理解化學原理與建構(gòu)化學知識的重要途徑。

1 網(wǎng)站欄目介紹

圖1展示了Molecules & Minds網(wǎng)站的欄目設計及其設計意圖。

1.1 學生模擬模塊內(nèi)容

學生模擬是網(wǎng)站的主要模塊，表1對圖1 [模擬]中每一學習主題從主要內(nèi)容、漫畫情境和對應于國內(nèi)中學化學教科書所適合的教學模塊進行了梳理。

1.2 欄目設計思路

Molecules & Minds的整個設計思路體現(xiàn)了教學策略和應用途徑，思路如圖2。

表2以“擴散”（Diffusion）為例，闡述Molecules& Minds中每個功能模塊融入課堂教學的設想（問題探究模塊化為三部分，穿插在其他模塊中）。

其中可視化實驗的互動模擬教學是Molecules& Minds的主要特色，教學應用主要依托可視化模擬實驗來完成，并嵌入網(wǎng)站提供的情境素材和問題。

1.3 學生學習步驟

下面以“擴散”（Diffusion）為例，說明網(wǎng)站呈現(xiàn)學習者進入學生模擬后的具體學習步驟。Molecules & Minds主要通過文字描述、超鏈接注釋、互動動畫等形式展開教學活動。整個教學流程可以概括成：學習者首先結(jié)合主題案例與漫畫情境，解決基本的小概念，再進行可視化模擬實驗探究深層關(guān)系，其次引出更深層的大概念，最后再對大概念進行多方面拓展。

第一步：打開網(wǎng)站主頁，點擊“學生”欄目——模擬或者點擊“教師”欄目——模擬。

第二步：選擇擴散（Diffusion）學習主題。

第三步：觀看情境漫畫，思考其提供的啟發(fā)式問題。

[情境導入] Molecules & Minds提供漫畫情境。圖3截選了部分漫畫，具體情境的表述請見表1。

[問題與討論]提供啟發(fā)式問題：

（1）為什么Gabriella可以聞到爆米花的氣味？

（2）你知道氣味是怎樣擴散的嗎？

（3）這個故事的主題是什么？你認為這個故事哪個地方需要改善？

第四步：進入可視化實驗界面，學習者先自行探索如何點擊按鈕進行探究實驗，然后思考其探究性問題。

[活動與探究]圖4展示了擴散（Diffusion）的部分模擬實驗情境：

[觀察與思考]呈現(xiàn)過渡性問題，貫穿整個可視化實驗，并再次聯(lián)系生活。

（1）你知道氣味是由各種微粒組成的嗎？

（2）什么因素影響氣味擴散的快慢？

（3）請用生活中的一個例子來說明擴散？

第五步：點擊“繼續(xù)”按鈕，頁面會顯示網(wǎng)站提供的正確的虛擬實驗視頻，學習者可以觀看它并對比自己剛剛的實驗操作，自行糾正。

[復習鞏固]可用于測試并評價學習成果。

第六步：點擊“繼續(xù)”按鈕，頁面會呈現(xiàn)與擴散有關(guān)的理論知識和一些拓展延伸問題。

[延伸探究]設計拓展性問題，發(fā)散學生思維。

（1）男孩在屋子里吃爆米花，爆米花的香味到處都有，它和電腦模擬中的氣體分子不停擴散的現(xiàn)象相似嗎？

（2）漫畫中的屋子和模擬中的容器一模一樣嗎？

（3）屋子里的空氣和模擬中的氖氣相似嗎？

第七步：返回網(wǎng)站主頁，點擊“教師”欄目——早期相關(guān)教材，里面包含著許多等待被完善的瑕疵情境，學習者找到與剛學完的主題相關(guān)的模擬，互動交流評價并完善創(chuàng)新。

[課后應用]運用所學知識解決問題。

Molecules & Minds在“擴散”（Diffusion）一節(jié)中設置了一個不完善情境：兩個同學認為游泳池里的含氯消毒劑會危害他們，然后一起回憶了氯氣作為化學武器在二戰(zhàn)時的各種危害以及防護措施（情境中展示了多張二戰(zhàn)圖片，從歷史的角度講述氯氣的擴散）。這些模擬只是草稿，學習者根據(jù)它們自主完善生成新的情境漫畫。

2 Molecules & Minds的教育實證效果研究

National Center for Education Research（簡稱NCER）中Milne，Catherine和Plass，Jan分別研究了Molecules & Minds項目。

2005～2008年，Plass，Jan開展了“課題一：優(yōu)化模擬化學教育”研究。約720名中學生（15～17歲）參與研究，學習并被測試分子運動理論和氣體定律相關(guān)知識。在2010年出版的Cognitive Load Theory[1]，著重說明了Molecules & Minds深刻貫徹認知負荷理論，尤其強調(diào)其中視覺認知負荷的優(yōu)化使其適合不同認知層次的學生。視覺模擬（圖像、表格、靜態(tài)和動態(tài)圖像等）會降低學生的認知難度，色彩鮮艷，互動交流頻繁的網(wǎng)站風格又深得青少年的喜愛。

2009～2012年，Milne，Catherine開展了“課題二：開發(fā)橋接支架來支持化學學習”研究。紐約的四所公立高中生參與了這項研究，學習并被測試擴散、分子運動理論、氣體定律和相變相關(guān)知識。研究者探究互動式模擬教學對學生化學認知的影響，以及哪種模擬方式更適合學生認知，詳細見表3。研究發(fā)現(xiàn)：被研究學生的學習水平高低不一，然而他們經(jīng)歷了模擬教學后，測試后的成績差不多。

研究者認為模擬是學科和游戲的結(jié)合體，具有極大的“互動性”，因此直接將模擬實驗稱為“play games”。研究者對互動性做出了新的定義，認為用戶、學習環(huán)境和系統(tǒng)的模型設計是互動性的三個重要前提。研究者在三個重要前提的基礎(chǔ)上，劃分了五個要素（學習環(huán)境、行為活動、認知活動、情感動機、心智模型），構(gòu)成了互動多媒體綜合模型（INTERACT），如圖5所示。五種因素相互影響，相輔相成，導致了多種形式網(wǎng)站的建立（精英式的純學術(shù)交流論壇的誕生和大眾化科普學習網(wǎng)站）。

以Molecules & Minds為例，它的用戶是不同認知水平的學生，模型實驗的學生主體性設計又給學生提供了可控化學習環(huán)境，學生是實驗的操縱者。在三個重要前提中，用戶是主體，需考慮不同年齡段學生的心智模型、認知活動、行為活動和情感動機等多方面因素，其他兩個要素都基于用戶而設計。比如學習環(huán)境可以根據(jù)學生的認知程度分成可控式和不可控式，模擬設計中的建模也可以根據(jù)學生的互動程度分為共享建模區(qū)和獨立建模區(qū)。

3 啟發(fā)和反思

Molecules & Minds網(wǎng)站對國內(nèi)科學教育網(wǎng)站的創(chuàng)新設計提供了新穎、實用的導向作用。

3.1 基于模型創(chuàng)設科學學習環(huán)境

作為含有建模工具的學習環(huán)境，Molecules & Minds為學生提供了根據(jù)三種表征方式、從簡單到復雜的建模工具，為不同水平學生的模型建構(gòu)提供了支持?？茖W探究方法和技能的學習一般以實驗為載體，通過在科學實驗的設計中融入對方法和技能的學習要求，達到使學生通過實驗探究，掌握基本技能，習得方法的教學目的[4]。大量研究表明，基于模型的科學學習環(huán)境在教學中的應用，不僅有助于促進學生科學概念的學習，而且能夠培養(yǎng)學生的批判性思維、推理能力、自我監(jiān)控能力以及合作學習能力等。

3.2 計算機模擬情境開發(fā)需要考慮學習者

Molecules & Minds網(wǎng)站的主要用戶群是中學生，尤其針對學習微觀知識較困難的學習者，文字表達通俗易懂，電子講義的配色、布局和主題情境具有一定趣味性。Molecules & Minds在主題案例呈現(xiàn)過程中提供了大量啟發(fā)性或質(zhì)疑性問題，與漫畫情境相結(jié)合，更加創(chuàng)設了真實、新異的教學情境。國內(nèi)化學教育網(wǎng)站充斥著各種知識點總結(jié)，試題成集等現(xiàn)象，尚缺乏這種風格獨特、充滿個性的學習模塊，并且其網(wǎng)站風格嚴肅呆板，以各種化學符號和文字等抽象知識模型為主，實驗部分較少，不適合化學水平較弱的學生。

3.3 提供多樣化互動教學

與只含模型的學習環(huán)境相比，含有建模工具的學習環(huán)境對于培養(yǎng)學生的反思和調(diào)控能力更有幫助。學生成為模擬情境的開發(fā)者而不是虛擬觀察者。Molecules & Minds選材廣泛，情境多來源于生活又不拘泥于嚴肅的學科體系，表現(xiàn)形式活潑，學習者既可以在成熟的教學案例上，尤其在模擬實驗上天馬行空，也可以把未成熟的案例當作建模素材供給自己來完善成熟。Molecules & Minds中的未成熟案例組成了共享建模區(qū)，共享建模區(qū)的建立讓學習者相互交流，共同完成新的模擬情境。

兼具網(wǎng)絡教學和模擬實驗功能的Molecules & Minds與學習者有一份雙向互動評價：網(wǎng)站需通過一些生活問題來檢測學習者的知識掌握情況，學習者也需要對網(wǎng)站內(nèi)容做出評價，討論如何改善模擬學習活動以創(chuàng)造一個更有價值的情境。這種雙向互動的評價方式不僅可以更好地了解學習者的學習情況，而且也可以了解學習者真實的學習需求。

參考文獻：

[1] Plass ， J.L.， Moreno， R.， Brünken， R..Cognitive Load Theory [M]. Cambridge： Cambridge University Press， 2010.

[2] Homer， B.D.， and Plass， J.L. Expertise Reversal for Iconic Representations in Science Visulizations [J]. Instructional Science： An International Journal of the Learning Sciences， 2009， 38（3）： 259～276.

[3] Domagk， S.， Schwartz， R.N.， and Plass， J.L. Interactivity In Multimedia Learning： An Integrated Model [J]. Computers In Human Behavior， 2010， 26（5）： 1024～1033.

[4]孫丹兒，葉孝軒.計算機技術(shù)支持的中學科學探究式學習環(huán)境設計[J].中國電化教育，2012，（3）：104～108.