支持科學(xué)課程探究學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M的交互因素分析

[摘要]科學(xué)課程教學(xué)中利用軟件模擬實(shí)驗(yàn)是探究學(xué)習(xí)途徑的有益補(bǔ)充和擴(kuò)展。文章針對當(dāng)前實(shí)驗(yàn)?zāi)M在交互方面存在的問題，結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)探究要求，分析實(shí)驗(yàn)?zāi)M的交互因素，包括學(xué)生操作行為、學(xué)習(xí)支持和系統(tǒng)的反饋，并結(jié)合實(shí)例提出設(shè)計(jì)的考慮。

[關(guān)鍵詞]科學(xué)課程；探究學(xué)習(xí)；實(shí)驗(yàn)?zāi)M；交互

[中圖分類號]G40-057 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [論文編號]1009－8097(2011)10－0041－04

《科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱“標(biāo)準(zhǔn)”)提出“科學(xué)課程將通過科學(xué)探究的學(xué)習(xí)方式，讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究活動的過程和方法，發(fā)展初步的科學(xué)探究能力。”在科學(xué)課程中，實(shí)驗(yàn)既是探究的方式，又是探究的過程?！稑?biāo)準(zhǔn)》對實(shí)驗(yàn)提出了具體的學(xué)習(xí)要求和達(dá)成標(biāo)準(zhǔn)。然而，由于實(shí)驗(yàn)條件和教學(xué)指導(dǎo)等多方面的原因，僅僅依靠實(shí)驗(yàn)室教學(xué)難以達(dá)到課程標(biāo)準(zhǔn)的要求。

《標(biāo)準(zhǔn)》明確提出要“充分運(yùn)用現(xiàn)代教育技術(shù)”進(jìn)行科學(xué)課程的學(xué)習(xí)。隨著我國中小學(xué)信息技術(shù)條件的改善，在科學(xué)課程中利用軟件模擬實(shí)驗(yàn)受到教師和軟件開發(fā)商的重視。合理設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M能夠彌補(bǔ)真實(shí)條件的不足，開拓科學(xué)探究的途徑。當(dāng)學(xué)生以個體或小組的形式通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M軟件學(xué)習(xí)時，軟件相當(dāng)于教師作為指導(dǎo)者的角色。然而，目前一些市場化的實(shí)驗(yàn)?zāi)M軟件在交互的設(shè)計(jì)方面存在缺陷，使模擬軟件不能充分發(fā)揮引導(dǎo)探究的作用。

科學(xué)課程實(shí)驗(yàn)的探究學(xué)習(xí)既不是“嘗試—錯誤”的探索，也不是完全遵循預(yù)設(shè)步驟的觀察驗(yàn)證，而是指導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)?zāi)M中交互的設(shè)計(jì)關(guān)系著如何指導(dǎo)及指導(dǎo)的程度。交互的作用在于引導(dǎo)觀察，啟發(fā)思考，使學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理，掌握相關(guān)的理論知識，以及學(xué)會科學(xué)方法。而這些是在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中容易被掩蓋或被學(xué)生忽略的，模擬中有意義的交互能夠引導(dǎo)學(xué)生注意這些方面。此外，充分的交互能夠使學(xué)生注意到實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)和重點(diǎn)，保持學(xué)習(xí)的興趣，促進(jìn)記憶。

實(shí)驗(yàn)?zāi)M的交互由三方面組成：學(xué)生操作行為、學(xué)習(xí)支持和系統(tǒng)的反饋。交互在學(xué)生操作的推動下發(fā)生和持續(xù)，學(xué)習(xí)支持和反饋引導(dǎo)學(xué)生正確的觀察和思考，學(xué)生操作行為與系統(tǒng)的反饋構(gòu)成了探究學(xué)習(xí)過程。本文依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，結(jié)合作者設(shè)計(jì)的系列實(shí)驗(yàn)?zāi)M軟件實(shí)例，分析實(shí)驗(yàn)?zāi)M軟件的交互因素，并提出設(shè)計(jì)的考慮。

一 學(xué)生操作行為

在實(shí)驗(yàn)?zāi)M中學(xué)生操作行為是學(xué)習(xí)者控制的具體表現(xiàn)，包括選擇、運(yùn)行、反應(yīng)、查看等。學(xué)生操作的對象、方式、時機(jī)和頻度主要取決于教學(xué)目的。

1 操作方式的真實(shí)度

學(xué)生能夠使用基本儀器進(jìn)行安全操作是科學(xué)課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)之一。然而，在實(shí)驗(yàn)?zāi)M中操作對象不限于儀器或材料的圖像，并且操作行為通常是利用鼠標(biāo)或鍵盤來實(shí)現(xiàn)的，例如選擇圖形或文本、拖放物體、撥動滑塊、用鍵盤的方向鍵移動物體等。操作方式的真實(shí)度是指模擬中學(xué)生的操作方式與真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的操作方式的相近程度。例如用鼠標(biāo)點(diǎn)擊開關(guān)來使燈泡發(fā)光與真實(shí)行為很相似，而用鼠標(biāo)點(diǎn)擊釋放小球則與真實(shí)的操作則很不相同。

教學(xué)模擬不是復(fù)制真實(shí)現(xiàn)象或活動，而是強(qiáng)化和簡化，選擇和突出與學(xué)習(xí)目標(biāo)有關(guān)的方面，添加必要的控制因素，成為增強(qiáng)的可控的真實(shí)，因而真實(shí)度的高低是相對的要求。再者，操作方式受到計(jì)算機(jī)輸入方式的制約，在很多情況下難以與真實(shí)行為相似。由此可知，實(shí)驗(yàn)?zāi)M并不能訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能，而應(yīng)側(cè)重于使學(xué)生熟悉和領(lǐng)會實(shí)驗(yàn)操作步驟及其結(jié)果。

因此，設(shè)計(jì)模擬的操作方式時不應(yīng)盲目追求形式，而是側(cè)重于功能和效果的真實(shí)，這需要考慮下面三點(diǎn)：第一，采用學(xué)生能夠理解和接受的操作方式；第二，真實(shí)表現(xiàn)操作及其效果之間的關(guān)系；第三，有充分、準(zhǔn)確的操作提示。例如在測量固體密度的模擬中，提示學(xué)生用鼠標(biāo)單擊天平橫梁的平衡螺母，則天平橫梁轉(zhuǎn)為平衡狀態(tài)，而不是表現(xiàn)為擰螺母調(diào)節(jié)。類似的處理如用膠頭滴管吸取和滴加液體的操作是用鼠標(biāo)單擊“吸取”和“點(diǎn)滴”兩個文字選項(xiàng)來實(shí)現(xiàn)，也可以設(shè)計(jì)為單擊一次為吸取，再單擊一次為點(diǎn)滴。但是所操縱對象的表現(xiàn)，也即效果的呈現(xiàn)應(yīng)盡可能真實(shí)，如滴管吸入和滴出液體應(yīng)該有動態(tài)的變化。

2 操作行為與探究學(xué)習(xí)相關(guān)聯(lián)

學(xué)生的操作要有助于理解實(shí)驗(yàn)對科學(xué)探究的作用，即依據(jù)一定的原理和方法獲取數(shù)據(jù)及驗(yàn)證假設(shè)。模擬中允許學(xué)生控制的機(jī)會多，就意味著學(xué)生的操作動作頻繁，而在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中學(xué)生并不能頻繁地操作。這種模擬與真實(shí)的差別是由于模擬對時間的壓縮造成的，模擬需要在很短時間內(nèi)完成真實(shí)實(shí)驗(yàn)中必要的操作。過于頻繁的操作會影響學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理與方法的思考。而另一方面，控制的數(shù)量過少又使真實(shí)世界的探究活動在模擬中變得過分簡單，在設(shè)置學(xué)生的控制和選擇時要仔細(xì)權(quán)衡這兩個方面。特別是要避免僅僅為了使學(xué)生有“更自由的選擇”或“更自主的實(shí)驗(yàn)”而增添不必要的控制機(jī)會，例如允許學(xué)生在多個實(shí)驗(yàn)方案中選擇、自由調(diào)節(jié)化學(xué)反應(yīng)速度、羅列過多的可選器材和試劑等?！皢栴}——猜想——驗(yàn)證——反思”是科學(xué)探究中學(xué)生科學(xué)思維運(yùn)作的內(nèi)在機(jī)制。州實(shí)驗(yàn)?zāi)M的操作設(shè)計(jì)要有助于學(xué)生進(jìn)行有目的有計(jì)劃的“問題——猜想——驗(yàn)證——反思”活動。

《標(biāo)準(zhǔn)》要求學(xué)生了解科學(xué)探究需要運(yùn)用科學(xué)原理、模型和理論，能把觀測到的現(xiàn)象、數(shù)據(jù)與科學(xué)知識聯(lián)系起來，體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)?zāi)M中，就是通過操作把形象、數(shù)值、圖表等多種表征物聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)具體與抽象的結(jié)合。軟件的設(shè)計(jì)要使學(xué)生的操作成為探究的必要步驟，盡可能使操作對象都成為學(xué)習(xí)的媒介。例如在凸透鏡成像的模擬實(shí)驗(yàn)中，使用單選按鈕和復(fù)選框，讓學(xué)生選擇是否顯示光線、焦點(diǎn)、光心等，當(dāng)學(xué)生點(diǎn)擊控制面板上的選項(xiàng)，看到圖像顯示變化的同時，加深了對相關(guān)概念的認(rèn)識。又如在圖1中當(dāng)學(xué)生選擇顯示小球的運(yùn)動軌跡和位移時，能意識到所觀察現(xiàn)象與物理規(guī)律之間的聯(lián)系。類似的處理如選擇顯示聲波的波形、磁感線、電流方向，在預(yù)設(shè)表格記錄電壓值、描述磁通量變化趨勢、分子式等。

學(xué)生的操作要有助于認(rèn)識實(shí)驗(yàn)步驟和過程，進(jìn)而理解科學(xué)探究過程。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及其操作發(fā)生的時間關(guān)系有線性的、周期的或更復(fù)雜的過程，或有多種過程。在設(shè)計(jì)模擬時，要對實(shí)際的順序進(jìn)行選擇和簡化，這種簡化處理應(yīng)能促進(jìn)學(xué)習(xí)。一些實(shí)驗(yàn)?zāi)M軟件忽略了這一點(diǎn)，用菜單給學(xué)生同時提供了許多選項(xiàng)，而菜單選擇本身就意味著無序，這不利于學(xué)生掌握操作程序或?qū)嶒?yàn)過程。因此要避免同時提供許多操作選項(xiàng)，要依據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，在特定時刻給學(xué)生提供可選的操作，同時使某些操作不可進(jìn)行，或者隨著步驟進(jìn)行而提示可操作的步驟。這樣就使操控順序中隱含了實(shí)驗(yàn)順序。例如圖2是在測定浮力大小的模擬中，列出并限定可以操作的步驟。

二 學(xué)習(xí)支持

《標(biāo)準(zhǔn)》把“能從多種信息源中選擇有關(guān)信息；能進(jìn)行一系列觀察、比較和測量”列為學(xué)習(xí)目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)?zāi)M的學(xué)習(xí)支持要引導(dǎo)學(xué)生達(dá)到這樣的目標(biāo)。學(xué)習(xí)支持是實(shí)驗(yàn)?zāi)M中除了對象的活動和變化之外的重要組成部分，提供與實(shí)驗(yàn)活動相關(guān)的幫助，包括提示、建議、注釋、強(qiáng)調(diào)等。學(xué)習(xí)支持相似于實(shí)驗(yàn)室中教師的現(xiàn)場指導(dǎo)，指導(dǎo)的程度和水平會影響學(xué)生學(xué)習(xí)的性質(zhì)，從無指導(dǎo)的“嘗試錯誤”學(xué)習(xí)到適度指導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)，或每一步驟都遵從教師示范的模仿學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)?zāi)M的學(xué)習(xí)支持能否起到引導(dǎo)探究的作用，與學(xué)習(xí)支持的類型、內(nèi)容、呈現(xiàn)方式和時機(jī)有關(guān)。

“提示”既用于針對學(xué)生操作行為的可能疏忽和遺漏，也用于引導(dǎo)學(xué)生有選擇地獲取信息。提示的內(nèi)容是關(guān)鍵知識點(diǎn)和操作要領(lǐng)。提示內(nèi)容的表達(dá)要盡量采用示意形式，給學(xué)生留有觀察和思考的余地。設(shè)置“建議”是為了促使學(xué)生深入思考或開闊思路，提高探究活動的目的性，使模擬操作成為有意義的活動。建議的內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)原理和方法相關(guān)，建議內(nèi)容的表達(dá)要有啟發(fā)性。“注釋”是給學(xué)生提供補(bǔ)充信息，涉及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和操作指南。過多的注釋會影響學(xué)生探究活動的連貫性，應(yīng)該只提供必要信息?！皬?qiáng)調(diào)”是用技術(shù)手段突出在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中容易忽略或難于觀察的現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生注意收集和處理模擬實(shí)驗(yàn)中的信息，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。強(qiáng)調(diào)是相對而言的，要用在關(guān)鍵和重要的內(nèi)容上。

呈現(xiàn)提示和建議信息的常見做法是當(dāng)模擬進(jìn)行到某一步時，自動彈出文本框或圖形。例如在觀測平拋運(yùn)動規(guī)律的實(shí)驗(yàn)中，釋放小球前檢查滑槽末端是否水平是重要的步驟和容易忽略的細(xì)節(jié)，在模擬中用同時彈出閃爍圖形和文本給予提示。又如圖3是在待測物體放入試管后，彈出眼睛和視線的圖形，提示學(xué)生要水平觀察液面。

提供注釋和強(qiáng)調(diào)信息的普遍方法是使用翻轉(zhuǎn)技術(shù)，當(dāng)光標(biāo)移上對象時顯示出名稱、目的、使用說明、操作要點(diǎn)、操作細(xì)節(jié)、局部放大圖、醒目顏色等。例如圖4是用滑槽末端局部放大圖來強(qiáng)調(diào)坐標(biāo)原點(diǎn)的正確位置。

提供學(xué)習(xí)支持信息的時機(jī)與所起的支持作用有關(guān)，在操作之前的信息往往只針對隨后的操作本身，而在某個操作之后的信息能使學(xué)生注意與后續(xù)活動有關(guān)的重要方面，如觀察重點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)原理等。例如在接入電流表后，建議學(xué)生思考相關(guān)的實(shí)驗(yàn)原理。圖5是在改變磁極方向后，建議學(xué)生思考此后的電磁感應(yīng)現(xiàn)象與新的磁極方向的關(guān)系。

三 系統(tǒng)的反饋

新課程改革強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主探究，而這種探究活動不是沒有任何約束和指導(dǎo)的探究，是在教師指導(dǎo)下的自主探究，并且教師的指導(dǎo)要適時、對癥、講究方法?！稑?biāo)準(zhǔn)》要求學(xué)生能發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程和方法的問題，把觀察和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與猜想和假設(shè)進(jìn)行比較，能注意與預(yù)想結(jié)果不一致的現(xiàn)象，并作出簡單的解釋。以上兩個方面都要求在實(shí)驗(yàn)?zāi)M中關(guān)注系統(tǒng)對學(xué)生行為的反饋。實(shí)驗(yàn)?zāi)M應(yīng)能以多種形式反應(yīng)于學(xué)習(xí)者的一個行為，并給予反饋信息，及時提示不當(dāng)?shù)牟僮?，并證實(shí)操作的結(jié)果。反饋可以用文本、圖像、聲音等多種方式提供，例如當(dāng)學(xué)生把電池兩端用導(dǎo)線直接相連時，彈出文本框給予警示。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)?zāi)M軟件存在的一個普遍問題是缺乏恰當(dāng)?shù)姆答仭?/p>

學(xué)生操作行為一般可以分為四類：合適的、無關(guān)的、負(fù)面的、關(guān)鍵的，提供的反饋要適用于學(xué)生行為和探究學(xué)習(xí)要求。當(dāng)學(xué)生行為是合適的，指向正確的目標(biāo)，反饋就不是必要的。如果學(xué)生行為對于達(dá)到目的無關(guān)或無效，例如連接串并聯(lián)電路時修改一條連線的繞向，并不影響最終完成連接，反饋也不是必需的。學(xué)生的負(fù)面行為會偏離目的，或可能阻礙達(dá)到目的，例如將電流表端子連接反了，或是沒有斷開開關(guān)就更換電路中的元件，即時反饋的糾正是必要的，例如圖6所示。關(guān)鍵的行為，是使目的永遠(yuǎn)達(dá)不到的行為，或是會引起嚴(yán)重后果，例如將電池兩端短接，或是遺漏了一條連線。這種情況下，提供即時反饋，提出避免不良后果的建議，有助于學(xué)生改善進(jìn)一步的行為。對于負(fù)面的和關(guān)鍵的行為，也可以不給予即時反饋。例如任由學(xué)生完成電路連接，合上開關(guān)時呈現(xiàn)不良后果，這是延時的自然反饋，能給學(xué)生以深刻的印象，但是也可能引起學(xué)生的誤解或混淆。例如學(xué)生可能會認(rèn)為即使電流表端子接反，電路仍然是通的，而不會想到可能會損壞電流表。而對于電池短接或遺漏連線的情況，學(xué)生可能自己無法察覺。

總的來說，在科學(xué)課程中利用軟件模擬實(shí)驗(yàn)是促進(jìn)科學(xué)探究活動普遍開展的一條可行的和有效的途徑，但是在選擇和使用時要充分考慮實(shí)驗(yàn)?zāi)M的交互因素，因?yàn)閷W(xué)生是在與模擬系統(tǒng)的信息交互中學(xué)習(xí)的。只有合理設(shè)計(jì)才能充分發(fā)揮模擬在學(xué)習(xí)中的引導(dǎo)作用、啟發(fā)作用和動機(jī)作用，構(gòu)成與實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)相互補(bǔ)償?shù)目茖W(xué)探究環(huán)境。

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