崔雪梅 黃宇林 韓今花 吳東旭

（1.延邊大學(xué) 師范學(xué)院，吉林 延吉 133000；2.延邊大學(xué) 理學(xué)院，吉林 延吉 133000；3.延吉市第十中學(xué)，吉林 延吉 133000；4.延邊第一中學(xué)，吉林 延吉 133000）

一、引言

為了適應(yīng)社會發(fā)展對人才培養(yǎng)的需求，中學(xué)《科學(xué)》課程立足學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展，將學(xué)生核心素養(yǎng)確定為科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐、態(tài)度責(zé)任四個(gè)方面。其中，探究實(shí)踐旨在了解和探索自然、獲得科學(xué)知識、解決科學(xué)問題以及技術(shù)與工程實(shí)踐過程中形成科學(xué)探究能力、技術(shù)與工程實(shí)踐能力和自主學(xué)習(xí)能力。[1]讓學(xué)生掌握了解和探索自然的方法，成為培養(yǎng)學(xué)生探究實(shí)踐能力的重要前提。

隨著計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)的發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)軟件開展探究活動(dòng)備受關(guān)注。近年來，通過計(jì)算機(jī)軟件開展科學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)，支持學(xué)生提出問題、建立科學(xué)模型、探究科學(xué)問題，發(fā)展學(xué)生的探究實(shí)踐能力受到了越來越多教育研究者與實(shí)踐者的關(guān)注[2-9]。NetLogo 作為一款適合開展中學(xué)科學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)的免費(fèi)軟件，其中內(nèi)含豐富的模型庫，可為教學(xué)提供便捷的科學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)平臺，在一線教學(xué)中有著較為廣泛的應(yīng)用。

二、NetLogo 科學(xué)仿真平臺的功能及其教學(xué)應(yīng)用優(yōu)勢

NetLogo 是免費(fèi)的開源軟件，是一種用于模擬復(fù)雜現(xiàn)象的多主體建模仿真開發(fā)環(huán)境，是用來對自然現(xiàn)象和社會現(xiàn)象進(jìn)行仿真的可編程工具，通過對多個(gè)個(gè)體相互作用的模擬，可以涌現(xiàn)出許多復(fù)雜現(xiàn)象。例如：蟻群鳥群、生態(tài)系統(tǒng)、病毒傳播、社會暴動(dòng)、交通仿真等。通過模型仿真，還可以幫助我們在現(xiàn)實(shí)世界中做決策。[10]NetLogo 不僅能呈現(xiàn)數(shù)百數(shù)千個(gè)獨(dú)立個(gè)體的行為，而且還能分析部分個(gè)體的行為和個(gè)體間相互的聯(lián)系，因此，有利于自然現(xiàn)象和社會現(xiàn)象的仿真。NetLogo 軟件上方有“界面”“信息”“代碼”三個(gè)標(biāo)簽。其中“界面”標(biāo)簽是運(yùn)行程序時(shí)所呈現(xiàn)的畫面，用戶可在其中添加按鈕、進(jìn)行設(shè)置；“信息”標(biāo)簽里呈現(xiàn)相關(guān)程序的說明，有利于程序使用者盡快了解相應(yīng)程序的功能；“代碼”標(biāo)簽里呈現(xiàn)程序的代碼，供用戶編寫程序、修改界面?！敖缑妗睒?biāo)簽下主要包括“視圖”（以圖形化的形式輸出模型運(yùn)行結(jié)果）、“編輯”(如添加按鈕、滑塊、開關(guān)、選擇器、輸入框、監(jiān)視器、圖、輸出區(qū)及注釋控件，可用于調(diào)整模型參數(shù))、“輸出”（可輸出模型相應(yīng)的文本信息）等區(qū)域。

在技術(shù)操作層面，NetLogo 軟件應(yīng)用于中學(xué)《科學(xué)》課程的探究實(shí)踐活動(dòng)，有如下優(yōu)勢：

第一，NetLogo 軟件的視圖區(qū)中可實(shí)時(shí)觀察目標(biāo)對象的行為，有助于學(xué)生觀察現(xiàn)象發(fā)生的動(dòng)態(tài)過程，思考現(xiàn)象發(fā)展的規(guī)律，建立物理模型。

第二，NetLogo 軟件提供的監(jiān)視器、圖、輸出區(qū)等按鈕可提供現(xiàn)象相關(guān)的數(shù)據(jù)表征、圖形表征，多角度呈現(xiàn)因變量和自變量的關(guān)系，有助于學(xué)生定量分析現(xiàn)象背后的規(guī)律，建立真實(shí)問題的數(shù)學(xué)模型。

第三，NetLogo 軟件通過滑塊和輸入框等按鈕控制多個(gè)變量，便于有針對性地控制仿真系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的交互性。

為了便于用戶有效利用NetLogo 平臺，軟件還提供了豐富的“模型庫（Model Library）”。模型庫是分學(xué)科組織的，包含的學(xué)科有：藝術(shù)、生物學(xué)、化學(xué)與物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、地球科學(xué)、游戲、數(shù)學(xué)、網(wǎng)絡(luò)、哲學(xué)、心理學(xué)、社會科學(xué)、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)等，目前包含200 多個(gè)模型，在不斷地向它添加新模型。模型庫的Sample Models 中有些文件夾下包含“（unverified）”的子文件夾，這些模型是完整的，功能相對齊全的。

教師在教學(xué)過程中可以通過NetLogo 平臺促進(jìn)學(xué)生更好觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、研究實(shí)驗(yàn)問題，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力以及自主設(shè)計(jì)、自行開發(fā)實(shí)驗(yàn)的能力。比如，在牛頓第一定律的學(xué)習(xí)中，通過科學(xué)仿真讓學(xué)生真實(shí)感受到物體在沒有受到力的作用時(shí)，根據(jù)初始狀態(tài)的不同，保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（可以用圖顯示實(shí)時(shí)速度）；也可以通過物體的分子熱運(yùn)動(dòng)和溫度的科學(xué)仿真，讓學(xué)生認(rèn)識到微觀層面的物體分子熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度和宏觀層面的溫度是相關(guān)聯(lián)的，可以培養(yǎng)學(xué)生從微觀和宏觀的角度分析問題的能力。NetLogo 軟件對呈現(xiàn)自然現(xiàn)象，分析數(shù)據(jù)、建立模型有較大的優(yōu)勢，并且編程語言與人類語言相近，有利于學(xué)生掌握編程語言，自行開發(fā)仿真實(shí)驗(yàn)。

三、選擇NetLogo模型庫支持中學(xué)《科學(xué)》仿真實(shí)驗(yàn)

NetLogo 軟件模型庫包括六個(gè)類型：樣本模型（Sample Models）、課程模型（Curricular Models）、代碼示例（Code Examples）、HubNet 活 動(dòng)（HubNet Activities）、IABM 教科書（IABM Textbook）、替代可視化（Alternative Visualizations）。模型庫里的所有程序有自帶代碼，用戶可以根據(jù)模型庫里的程序?qū)W習(xí)如何編寫NetLogo 代碼。

在中學(xué)科學(xué)及相關(guān)課程教學(xué)中，可借助樣本模型提供的案例，開展科學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)，待學(xué)生掌握編程方法后，進(jìn)一步拓展模型庫案例或自行編寫NetLogo 程序，實(shí)現(xiàn)所需的仿真效果。適合中學(xué)科學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)的模型庫有以下幾種：

1.病毒（virus）模型

模型基于生態(tài)生物學(xué)家Yorke等[11]提出的一些可能影響直接傳播的病毒在人群中存活的因素，模擬了病毒在人群中的傳播和延續(xù)情況。

模型中人們在世界上以三種狀態(tài)中的一種隨機(jī)移動(dòng)：健康但易受感染（綠色）、已感染（紅色）、健康并具有免疫（灰色），人們可能死于感染或年老。當(dāng)人口下降到環(huán)境的“承載能力”（本模型中設(shè)定為300）以下時(shí)，健康人可能會生育健康（但易受影響）的后代。

三個(gè)輸出監(jiān)視器顯示受感染人口的百分比、免疫的百分比以及過去的時(shí)間（以年為單位），以不同的顏色顯示易感、感染和免疫人群的數(shù)量，還以藍(lán)色顯示總?cè)丝谥械膫€(gè)體數(shù)量。

例如，為了讓學(xué)生更好地了解新冠肺炎病毒的傳播方式與速度，更好地做好防控工作，教師可以利用Net-Logo 的病毒（virus）模型進(jìn)行新冠病毒傳播模型的建構(gòu)，探究新冠病毒傳播的病理機(jī)制與特點(diǎn)，不但有助于學(xué)生理解病毒傳播機(jī)理的相關(guān)知識，也有助于培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任意識——關(guān)注現(xiàn)實(shí)問題并對其進(jìn)行深入的研究，培養(yǎng)解決問題的能力。

2.狼和羊的捕食（Wolf Sheep Predation）模型

模型探討了捕食—被捕食生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如果這種系統(tǒng)傾向于導(dǎo)致一個(gè)或多個(gè)物種滅絕，則稱為不穩(wěn)定系統(tǒng)。相反，如果一個(gè)系統(tǒng)傾向于在一段時(shí)間內(nèi)保持自身穩(wěn)定，那么它是穩(wěn)定的。該模型有“羊—狼”版本和“羊—狼—草地”版本。

在“羊—狼”版本中，狼和羊在景觀中隨機(jī)游蕩，而狼則尋找羊來捕食。每一步都消耗狼的能量，它們必須依靠吃羊來補(bǔ)充能量，當(dāng)它們耗盡能量時(shí)，它們就會死亡。為了讓種群繼續(xù)生存，每只狼或羊在每一個(gè)時(shí)刻（tick）都有一個(gè)固定的繁殖率。在這種變化中，將草建模為“無限”，這樣羊總是有足夠的食物，而沒有明確建模草的食用或生長。因此，羊不會通過進(jìn)食或移動(dòng)獲得或失去能量。這種變異產(chǎn)生了有趣的種群動(dòng)態(tài)，但最終是不穩(wěn)定的。該模型的這種變化特別適合于營養(yǎng)豐富的環(huán)境中的相互作用物種。

在“羊—狼—草”版本，除了狼和羊之外，還明確地模擬了草（綠色）。狼的行為與“羊—狼”版本相同，但在“羊—狼—草”版本中羊必須吃草以保持能量，當(dāng)能量耗盡時(shí)，它們就會死亡。一旦草被吃掉，它只會在一段固定的時(shí)間后再生。這種變化比第一種更復(fù)雜，但通常是穩(wěn)定的，提供了更現(xiàn)實(shí)的結(jié)果。

模型通過按鈕可設(shè)置初始狀態(tài)的羊和狼的數(shù)量、草的再生時(shí)間、羊吃草后獲得的能量、狼吃羊后獲得的能量、羊的生育率、狼的生育率；監(jiān)視器顯示羊的數(shù)量、狼的數(shù)量和草的數(shù)量；圖中顯示羊的數(shù)量、狼的數(shù)量和草的數(shù)量隨時(shí)間的變化情況。

借助該模型，中學(xué)生可以探究如下問題：羊和狼的生育率對生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有什么影響？羊（或狼）的生育率越高，那么種群的數(shù)量會更多嗎？可以讓學(xué)生基于已有知識進(jìn)行猜想與假設(shè)，并說明其理由。充分收集學(xué)生的猜想和假設(shè)后，可以利用NetLogo 程序展現(xiàn)不同情況下羊和狼的數(shù)量變化情況，進(jìn)而認(rèn)識到種群的生育率、食物的生長率等因素對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的影響。

3.滲透壓（Osmotic Pressure）模型

滲透壓通常定義為使溶劑通過半透膜達(dá)到平衡所需的壓力量，該模型試圖描述溶液顆粒穿過半透膜的運(yùn)動(dòng)，并說明滲透壓的依數(shù)性。作為一種依數(shù)性質(zhì)，滲透壓的變化與溶質(zhì)顆粒的數(shù)量成正比，而與顆粒的特性無關(guān)。通過對不同類型和數(shù)量的溶質(zhì)顆粒的實(shí)驗(yàn)，可以在該模型中探索滲透壓的依數(shù)性質(zhì)。

在這個(gè)模型中，藍(lán)色斑塊代表一個(gè)被半透膜（紅色方塊）分隔的容器，半透膜是一個(gè)物理的多孔屏障，將兩種溶液隔開，允許一些顆粒通過，但不允許其他顆粒通過。藍(lán)色圓圈表示可以自由通過膜的溶劑分子（在該模型中為水），在設(shè)置時(shí)會產(chǎn)生1000 個(gè)這些溶劑分子并隨機(jī)分布在整個(gè)容器中。白色圓圈表示添加的溶質(zhì)顆粒，由滑塊限定的溶質(zhì)量被放置在膜的一側(cè)。如果溶質(zhì)是離子化合物，它會分解成適當(dāng)數(shù)量的離子；如果溶質(zhì)是共價(jià)的，化合物就不會分解,溶質(zhì)顆粒不能通過膜。

當(dāng)模型運(yùn)行時(shí)，粒子根據(jù)分子動(dòng)力學(xué)理論通過容器移動(dòng)，所有粒子沿直線移動(dòng)，直到它們與另一個(gè)粒子、壁或膜碰撞（只有溶質(zhì)粒子與膜碰撞）。粒子在彈性碰撞中再彼此相互碰撞，雖然溶劑分子（藍(lán)色圓圈表示的水）可以自由通過膜，但溶質(zhì)顆粒（白色圓圈）僅限于其產(chǎn)生的一側(cè)。此外，在每一步中，溶劑分子有50%的機(jī)會“黏附”到占據(jù)同一斑塊的溶質(zhì)分子上（溶質(zhì)顆粒最多可容納五個(gè)溶劑分子）。在模型的每一步（tick），“黏滯”分子有2%的機(jī)會變?yōu)椴火Ｔ谠撃Ｐ椭?，每?cè)的體積變化是通過膜的移動(dòng)而發(fā)生。

模型中可嘗試添加不同的溶質(zhì)，改變?nèi)苜|(zhì)顆粒的數(shù)量，讓學(xué)生探究能否使氯化鈉像糖一樣起作用？膜運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)顆粒數(shù)量之間是否存在數(shù)學(xué)關(guān)系，這種關(guān)系是否取決于添加的溶質(zhì)類型？為什么或?yàn)槭裁床唬客ㄟ^開展探究性的實(shí)踐活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力、科學(xué)建模能力以及正確的科學(xué)態(tài)度。

4.氣候變化（Climate Change）模型

這是地球能量流動(dòng)的模型，尤其是熱能。它將地球顯示為玫瑰色，行星表面用黑色條紋表示。在長條的上方有一個(gè)藍(lán)色的氛圍，頂部有一個(gè)黑色的空間。云和二氧化碳分子可以被添加到大氣中，二氧化碳分子代表阻止地球發(fā)射的紅外光的溫室氣體。云層阻擋太陽光線的射入或射出，影響地球的升溫或降溫。

黃色箭頭向下流動(dòng)，代表陽光能量。一些陽光從云層反射，更多的陽光可以從地球表面反射。如果太陽光被地球吸收，它會變成一個(gè)紅點(diǎn)，代表熱能。每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)黃色陽光箭頭。紅點(diǎn)在地球周圍隨機(jī)移動(dòng)，地球上紅點(diǎn)的數(shù)量和地球的溫度之間有一種關(guān)系，這是因?yàn)榈厍驕囟入S著總熱能的增加而升高。

利用該模型可以探究一些影響地球溫度的其他因素。例如，添加植被斑塊，然后查看它們被人類占用時(shí)會發(fā)生什么。此外，也可以嘗試將可變反照率添加到模型中，而不是為整個(gè)地球添加一個(gè)值?？梢杂懈叻瓷渎实谋ê偷头瓷渎实暮Ｑ?，然后評估當(dāng)冰川融化到海洋中時(shí)會發(fā)生什么。

通過這樣的科學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅可以將物理知識和地理知識相融合解決實(shí)際問題，還可以認(rèn)識到人類的行為對氣候的影響，培養(yǎng)保護(hù)環(huán)境的意識和可持續(xù)發(fā)展的意識。

四、結(jié)語

科學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)不僅可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本，讓更多的學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)過程，也可以為學(xué)生提供安全的實(shí)驗(yàn)條件，在當(dāng)前物理、生物、化學(xué)、科學(xué)等課程教學(xué)中都有應(yīng)用。本文主要探討了NetLogo 虛擬仿真平臺在中學(xué)《科學(xué)》課程中的教學(xué)應(yīng)用，尤其是分析了NetLogo 中四個(gè)典型的科學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真模型的教學(xué)應(yīng)用場景。

值得注意的是，無論選擇何種科學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)平臺用于教學(xué)，都要基于課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，指向突破教學(xué)的重點(diǎn)難點(diǎn)問題，并對科學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)平臺的應(yīng)用進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。2022 年4 月，國家教育部發(fā)布了新版中學(xué)《科學(xué)》課程標(biāo)準(zhǔn)，新版課程標(biāo)準(zhǔn)中對于《科學(xué)》課程在新時(shí)代所擔(dān)負(fù)的使命、教育教學(xué)改革目標(biāo)、教育教學(xué)實(shí)踐提出了新的要求。更加注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力、科學(xué)探究能力和科學(xué)態(tài)度，對義務(wù)教育階段《科學(xué)》課程的核心素養(yǎng)進(jìn)行了凝練，而這些素養(yǎng)的培養(yǎng)需要讓學(xué)生經(jīng)歷解決真實(shí)問題的過程。解決真實(shí)問題首先應(yīng)該呈現(xiàn)自然現(xiàn)象，之后進(jìn)一步探究現(xiàn)象背后的規(guī)律。在中學(xué)《科學(xué)》課程教學(xué)中運(yùn)用NetLogo 軟件可有效開展跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)，進(jìn)而落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)。