國外基於模型的科學學習環境比較研究論文
國外基於模型的科學學習環境比較研究論文
文章從基於模型的科學學習環境相關概念出發，在文獻研究基礎上，提煉了此類學習環境比較研究的分析框架，討論了分析框架的要素。
在分析框架的基礎上，將國外當前基於模型的科學學習環境分為三類：主介面只含一種模型的學習環境、主介面含多種模型的學習環境、主介面含共享建模區的學習環境，並進行了比較，討論了不同型別的學習環境在設計要素方面的特點，得出了異同點。從而提出了在面向不同的學習者和不同主題的教學內容時，基於模型的科學學習環境的設計和應用策略，為我國相關研究提供借鑑。
隨著技術的進步，計算機支援的學習環境也得到了不斷更新和發展，越來越多此類產品用於支援學生的認知及其相關能力的培養和發展，尤其是各種基於模型的科學學習環境的開發和應用，為研究者所關注和重視。大量研究顯示，基於模型的科學學習環境在教學中的應用，不但有助於促進學生科學概念的學習，且能夠培養學生的批判性思維、推理能力、自我監控能力以及合作學習能力等。[1][2]所以，基於這些優點，國外研究者開發了大量基於模型的科學學習環境(Model-based Science Learning Environment，以下簡稱MbSLE)，有學科專用型和學科通用型兩種。[3]學科專用型學習環境，如生物學科適用的BioLogica 和PlantMod， 化學學科適用的Connected Chemistry和ChemNet;學科通用型學習環境， 如ModelingSpace、Model-It 和 Belvedere。
除了適用學科的範圍有所不同外，由於設計要素的不同，學習物件也會有所不同，如STELLA對於高年級學生科學概念的學習有幫助;[4]與只含模型的學習環境相比，含有建模工具的學習環境對於培養學生的反思和調控能力更有幫助。因此，依據學科範圍、知識以及使用物件等的不同，不同的MbSLE在設計和使用效果方面會呈現不同的特點。作為教師，應如何根據教學環境和影響因素，選擇適合教學的科學學習環境;作為開發者或研究者，如何從已有學習環境中提取開發要素，設計出對科學學習更有價值的學習環境。
一、相關概念的界定
計算機支援的科學模型是指藉助計算機技術透過一定的表達方式對科學現象，尤其是抽象或複雜科學現象、過程、概念以及理論的一種模擬或概括。其特點是能夠最大程度地透過對科學現象機制、因果關係、功能等的體現，對科學現象及其相關概念進行描述、解釋和預測。科學模型能夠體現科學現象最為基本的屬性和特質，體現要素之間的基本聯絡。[5][6]在已有研究中，對計算機支援的科學模型進行了不同的分類。本文將分類依據和相應的型別進行了歸納，見表1。
在MbSLE中，建模是一個重要的概念。建模是指建構和產生模型的過程。研究表明，以形成、測試和修改模型為基本步驟的科學建模過程是科學學習的一個重要方法，不同型別的模型的形成與建模工具密切相關，學生對於建模工具的使用和相應模型的形成，可以表現學生對於概念理解的水平。因此，建模成為教師評價學生心智模型及其水平的重要依據。研究表明，建模不但可以促進學生對科學知識的深度理解，還能促成其有意義學習
二、分析框架的形成
在文獻研究基礎上，本文將MbSLE的分析要素歸納為學科內容、教學理論、設計特點以及預期學習效果等四個方面。[13][14][15]透過對四個方面中不同內容的分析，得出不同型別的MbSLE設計及其應用特點。分析要素及其內容見表2。
三、 基於模型的科學學習
環境的比較和分析
本文將國外MbSLE主要分為三種類型：主介面只含一種模型的學習環境、主介面含多種模型的學習環境、主介面含共享建模區(shared modeling workspace)的學習環境。依據分析框架，以下對這些學習環境的設計要素進行分析和比較，得出有關結論。
(一)主介面含一種模型的MbSLE特點分析
型別1中主介面一般只提供一個模型或一種模型，介面設計相對比較簡單。型別1中的模型有直接模擬實物現象，也有模擬抽象事物，如資料等。本文選取PhET、WOW、APoME、Belvedere、Simquest和PlantMod，對這些屬於型別1的MbSLE進行要素的分析。其主介面分別如圖1a~f所示。
由表3可知，型別1大多為單機型軟體，便於在無網路環境下使用。在模型型別來看，型別1中以相對抽象的資料模型居多，因此，適用物件大多為高中生甚至高中以上年級學生。在模型的支援性工具設計方面，為增強模型的調控功能，大多設定可控制因素及其數值大小的操作工具，有些則結合資料輸出和輸入功能，為觀察實時資料提供支援。
與其他由開發人員設計模型的方式不同，Simquest為教師提供了自行設計模型的後臺工具，藉助該工具，教師可以使用簡單的設計語言，設計模型及編輯配套的教學內容，如問題、前測等;另外，作為唯一一種含有建模工具的學習環境，Belvedere為學生提供了三種表徵方式從簡單到複雜的建模工具，為不同學習水平學生的模型建構提供了支援。研究者還為不同的學習環境提出了不同教學模式及策略，如應用5E教學模式APoME，採用發現式學習理論設計的Simquest。從預期學習效果來看，型別1的設計特點向設計者和研究者傳達了一種資訊，即抽象資料模型面向的群體為相對認知水平較高的學生，已有研究表明，對於這些學生的科學學習，側重概念的深度認知、培養其推理能力、批判性思維、資料管理能力、探究能力以及用系統觀點認識複雜概念的能力。[16][17][18](二)主介面含多種模型的MbSLE特點分析
從上述分析也可知，型別1在使用上存在一定侷限性，如適用物件、適用的學科範圍不廣;雖提供了一些支援性工具，但模型的可操作性不強，支援學生自主建模的設計不多。因此，此類MbSLE對學生自我調控、推理能力以及反思能力等方面的培養支援不夠，也不利於教師分析學生科學概念的形成和修正過程。從型別2的設計特點來看，此類學習環境的開發在一定程度上彌足了型別1的不足，也體現了其特點。本文選擇該類學習環境的典型設計Co-Lab、 ModelingSpace、Model-It、NetLogo進行分析。其主介面分別如圖2a~d所示，具體分析內容見表4。
從型別2的性質看，均為軟體，可以在無網路的環境下使用，且大多數可支援聯網後學生的合作學習。這些學習環境的共同點是主介面含多種型別的模型，且面向的適用物件和學科範圍較廣，絕大多數可以滿足不同年級水平學生的學習，尤其是中學階段學生的學習。
此類MbSLE強調建模工具在科學學習中的應用，因此，在模型工具設計中，均設計了建模工具，使得學生能夠依據自身對概念系統的理解，建構不同水平的模型，並執行模型後再修改模型，在一定程度上有助於促進學生對學習過程的分析、反思和自我調控，也為教師評價提供了依據。部分設計則融入了漸進式建模的觀點，支援學生模型建構水平的逐級遞增，如Co-Lab和ModelingSpace，使得建模工具能夠面向不同認知能力和建模水平的學習者。
如在ModelingSpace中，學習者可以建構兩種形式的模型，一種為概念圖，屬定性模型，一種為結構圖，結構圖又分為定性結構和定量結構模型兩種;在Co-lab中，存量—流量圖變數之間的關係的描述也可以由定性和定量兩種來表徵。型別2中支援性工具的設計也更為多樣化，融入了模型要素庫及共享建模區和聊天工具的設計，使得學生的學習方式更為多元。如ModelingSpace中， 建模者對自己建構的模型具有所有權，可以決定是否與其他學習者共享模型，如同意，其他人可以在此基礎上，對該模型提出修改意見;[20]在Co-lab中，其構成要素中增加了合作白板和建模白板區，聊天框及其聊天記錄查詢等工具，這些設計均為學生合作學習提供了有力支援。
所以，型別2的MbSLE設計特點，決定了其在科學教學的應用中，除了有助於學生概念的深度學習外，在思維能力訓練以及合作學習能力培養方面更有優勢。
(三)主介面為共享建模區的MbSLE特點分析
共享工作平臺是一種能夠使不同地點的人在用一時間一起工作或學習的設計方式，透過共享工作平臺的設計來促進實時線上合作是計算機支援的合作學習的一種重要途徑。[21]從上述分析可知，在MbSLE中，也融入了這種重要的設計理念，如Belvedere、Co-Lab 以及ModellingSpace。以下本文選取更為典型的含共享建模區的平臺進行MbSLE分析：Cool Modes、Cacoo和 CmapTools。其主介面如圖3a~c所示。分析結果見表5。
由表中分析可知，含有共享建模區的MbSLE 設計有簡單也有複雜。該類環境均強調不同型別的建模工具的使用，高年級學生側重定量建模工具的應用，低年級學生則側重定性模型工具的使用。建模工具的設計大多比較簡單，易於大多數學生學習並使用。在共享程度的設計方面，共享水平有高有底，有些能夠共享已有模型，有些則是共享建模的過程，且提供了多種合作學習的支援性工具，如共享聊天框以及共享資料夾等。
如Cacoo，該軟體不但提供了共享建模區，使得不同的學習者透過同一個建模區達到實時合作的效果，並且可以輔以聊天框，以便在建模過程中進行交流、討論並對模型結果作出評價，有利於學生在學習過程中的互評和反思。這種基於共享建模區的合作建模方式不但有助於促進學生完成複雜任務形成專家導向的概念模型，更有助於提高學生的'反思和評價能力。
四、結論和啟示
(一)模型和建模工具的設計
1. 提供簡單的建模方式
透過以上分析，本文總結國外MbSLE的建模方式主要分為三種，一種是以PhET和WOW等為代表的需程式設計人員針對特定學科、特定主題而設計的模型，是基於程式語言的建模方式。使用者較難依據自己需求修改並設計新的模型，因此，該類方法設計的模型種類也相對比較單一，更新慢，適用範圍較窄。第二種是以NetLogo和 Simquest 為代表的透過為教師提供模型編輯區，提供相對程式語言簡單的建模語言供教師建構所需模型，並可編輯一定的教學內容，是基於模型編輯區的建模方式。這種環境中往往還提供共享平臺或模型庫來幫助使用者上傳、儲存以及共享所建的模型，模型種類豐富，更新率高，但不適合建模水平較低的學生使用。
第三種是以Co-Lab、Cacoo、ModelingSpace和 Model-It為代表的透過提供面向學生的簡單建模工具，並輔以所需的相簿或符號庫等，以結構圖的方式透過一定的關係來形成模型的設計，是基於建模工具的建模方式。這種建模方式更為簡便、直觀，適合不同認知水平的學生使用。這三種方式的建模難度層層遞減，從面向程式設計人員到面向學生，適用群體也進一擴大。第三種方式中除了提供簡單的建模方法外，還為建模提供符號、圖片、影片、動畫等，使學生從更為直觀的角度來理解概念系統的組成。因此，相對於前兩種，第三種建模方式更適合中學的科學學習，建議教師在日常教學中多選擇含有此類建模方式的科學學習環境。而對於教師自身，也應適當關注並使用第二種建模方式的學習環境，不但有助於增強自身的建模水平，更能為學生提供多樣化的學習模型。
2. 使用結構圖來表徵模型
結構圖對科學原理或概念的高度概括能力，使得其普適性較其他形式的模型表達方式更強。用結構圖表徵科學模型能夠加強學生推理、概念的深度認知以及系統觀點的形成，[22][23]研究也表明，學生更容易透過這種方式表達對概念的認知。[24]在這些結構圖示的組成要素中，主要包括主體、變數以及變數與變數之間的關係。本文對上述學習環境涉及的結構圖中模型的要素、要素的表達方式進行了總結，見表6。可見，大多數結構圖用特定的圖形或符號來表徵概念系統中的主體、變數及其關係。
面向不同的使用者，設計策略不同。當面向低水平學習者時，資源庫中包含更多能夠表徵一定主體和變數的圖片、影片以及動畫等。在面向高水平的學習者時，資源庫則提供了不同種類的符號以及圖形等。在結構圖變數關係的表徵中，也使用了不同的符號，如直接用直線、直接加文字描述、直線加方程、直線加符號等。便於學習者依據自身能力，建立不同水平的模型關係。這樣的設計，也為相關研究者提供了啟示，即面向不同水平的學習者，認知符號和表達方式的設計需要有一定的層次性，從具體到抽象、從簡單到複雜、從顯性到隱性描述的設計原理，為使用者提供一個更為靈活的學習環境。
(二)支援性工具的設計
支援性工具主要分為三種：支援控制和執行模型的工具、支援學生學習過程的內容設計、促進學生合作交流的工具。[25][26]
1. 提供不同控制程度的模型支援性工具
在模型的建構中，學習者主要透過改變模型要素，引數以及變數關係等來形成模型。在模型的形成中，透過模型建構來生成模型的方式，變化性最強，由學習者全新建構而成，對學生認知水平和建模技能要求較高;附有因素控制的支援性工具的模型可控制性次之，如在型別1中，大多透過設計可控制按鈕使因素種類和大小改變來觀察模型的變化。
這些均屬於可調控模型的範疇，模型的要素大多已經確定，變數關係也由計算機生成而非學習者定義，因此，這樣的模型對於學生的認知水平和建模水平的要求相應降低。而無調控工具的模型則適合教師演示和學生觀察，對於學生自主探究能力的要求降低。所以，在實際教學中，教師應針對學習者的學習水平，選擇不同層次控制程度的建模支援性工具，便於學生觀察和控制各種模型。適當對認知水平較高的學生，提供相應的建模工具，為鍛鍊學生思維、促進系統觀點的形成提供更為有力的支援。
2. 設計不同程度的共享工具
除其他支援性工具外，當前國外MbSLE的最大特點是共享建模區的設計。該設計使建模過程融合學生的討論、互評、自我反思等方法，[27]進一步體現了基於計算機的合作學習的價值。在共享建模區中依據共享程度的不同，分為實時建模和非實時建模，實時建模往往表現為共享建模過程，非實時建模則表現為共享建模結果。實時建模是一種更為嚴格的共享方式，允許少量的合作者共同建模，技術難度較大。在ModelingSpace 和CmapTools中，建模主體為一人，其他學習者若想共享模型，則需提出請求。這種一個共享介面在固定的時間只能允許一人建模，是非實時建模的一種。而在Cacoo 和Cool Modes的設計中，建模過程和結果均可以和其他人實時共享，多個合作者可以在同一時間同一介面合作建構一個模型為實時建模方式。與非實時建模方式相比，實時建模方式對於學習者的交流、合作能力提出了更高的要求，適合具有較高水平合作能力的學習者使用，教師在教學過程中需要介入更多的干預，以加強學生的配合。
3. 為教學提供內容設計方法
在MbSLE中，除了基於模型的教學理論應用外，其他教學方法和原理也滲透於教學內容的設計和工具的使用中。比如，學生在使用Simquest時，該軟體會為學生提供一系列與模型內容配套的學習內容及其測評工具，如作業、反饋、前側和後側等。
[28]這種與模型緊密結合的學習內容，本文稱之為聯結性教學內容設計;另一種則是設計共享內容，該共享內容以獨立的模組存在於該環境中，包括基本知識、技能、方法等，如WOW中為學生提供了基本概念、教學計劃以及資料收集和分析方法等，這些共享內容的提供為學生科學探究提供了幫助，但是其內容設計與具體建模活動是分離的，本文稱之為獨立性教學內容設計;除了教學內容設計外，還有依據學習環境的要素特點，提供相應的教學模式，如APoME的教學，研究者提倡透過5E教學模式，即按照參與(Engage)、探究(Explore)、解釋(Explain)、拓展(Elaborate)以及評價(Evaluate)等過程組成的模式來設計教學內容;Simquest則是依據發現式學習的方式來設計教學內容;Model-It的計劃、建構和測試的科學建模程式為教學提供了技術支援;在ModelingSpace中，漸進式建模理論的設計，為不同學習水平學生的學習提供了支援，有助於其模型水平的逐級提高。
利用這些教學理論，基於模型的科學學習環境可以更有效地為課堂教學服務。當面向學生中心的教學情境時，基於模型的環境設計需要更關注學生的推理能力、自我調控能力以及反思能力的培養，建議使用聯結性教學內容設計方法，該方法也適用於低年級學生的使用。共享式的獨立教學內容設計則更適用於高年級學生的學習活動。因此，建模工具和環境設計的教學原理之間的結合關係的確定，依據實際適用物件以及教學情境而定，教師在使用各種性質的基於模型的科學學習環境時，應掌握該環境設計時使用的教學理論，結合教學理論和課堂實際來設計基於MbSLE的教學內容，使得該類學習環境能夠體現其應有的價值。