利用虛擬世界及基于代理的模型學(xué)習(xí)科學(xué)探究

曹鷺　Michael J.Jacobson　徐光濤

摘要：目前，針對(duì)中學(xué)課堂科學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)，長(zhǎng)期以來(lái)的問(wèn)題之一是教師認(rèn)為很難開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)探究（Scientific Inquiry）這一復(fù)雜的知識(shí)。為了幫助中學(xué)生更好地學(xué)習(xí)科學(xué)探究，該文提供并介紹了一種名為計(jì)算機(jī)化科學(xué)探究（computational Scientific Inquiry，以下簡(jiǎn)#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(shí)現(xiàn)，并使用了名為有效失敗（Productive Failure）的教學(xué)理念支撐學(xué)習(xí)活動(dòng)的設(shè)計(jì)。根據(jù)CSI模型，我們打造了一個(gè)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(jì)了相應(yīng)的教學(xué)活動(dòng)，三者共同構(gòu)成了一個(gè)基于課堂的短期課程，來(lái)幫助學(xué)生在生物學(xué)科背景下學(xué)習(xí)科學(xué)探究。悉尼兩個(gè)八年級(jí)班級(jí)參與了實(shí)證研究。在課堂中獲得的實(shí)證結(jié)果證明，學(xué)生明顯提高了他們?cè)诳茖W(xué)探究方面的學(xué)習(xí)，CSI的應(yīng)用是卓有成效的。

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究；虛擬世界；基于代理的模型；有效失敗

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

21世紀(jì)科學(xué)學(xué)科課堂的教學(xué)目標(biāo)正從僅僅針對(duì)概念的記憶與背誦積極轉(zhuǎn)向?qū)茖W(xué)探究（Scientifie Inquiry）能力的側(cè)重與培養(yǎng)。如今，科學(xué)探究能力已經(jīng)成為中外理科學(xué)習(xí)的重點(diǎn)目標(biāo)之一。我國(guó)的《義務(wù)教育初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）》對(duì)于科學(xué)探究給出了以下定義：“通常意義上的科學(xué)探究指的是科學(xué)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。科學(xué)教育中所說(shuō)的科學(xué)探究則是指學(xué)生經(jīng)歷與科學(xué)家相似的探究過(guò)程，為獲取知識(shí)、領(lǐng)域科學(xué)的思想觀念、學(xué)習(xí)和掌握方法而進(jìn)行的各種活動(dòng)。”

然而，在以教師講授主要形式的傳統(tǒng)課堂教學(xué)中，學(xué)生很難真正通過(guò)課堂學(xué)習(xí)提高科學(xué)探究能力。近年來(lái)，越來(lái)越多的教育研究者提倡利用虛擬世界（virtual World，以下簡(jiǎn)稱VW）和基于代理的模型（Agent-Based Modeling，以下簡(jiǎn)稱ABM）等計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)幫助學(xué)生學(xué)習(xí)復(fù)雜困難的理科知識(shí)。

虛擬世界是一種類似真實(shí)世界的計(jì)算機(jī)模擬環(huán)境，往往基于3D技術(shù)，用戶一般會(huì)通過(guò)一個(gè)Avatar（即一個(gè)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(jìn)行探索，也可以和非玩家角色（Non-Player Character，簡(jiǎn)稱NPC）或其它在線用戶在環(huán)境中進(jìn)行互動(dòng)。過(guò)去使用VW學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的項(xiàng)目主要有有哈佛大學(xué)團(tuán)隊(duì)的River City項(xiàng)目和EcoMUVE項(xiàng)目、亞利桑那州立大學(xué)的Quest Atlantis項(xiàng)目等。在River City項(xiàng)目中，學(xué)生需要在一個(gè)模擬的中世紀(jì)的城市中解決當(dāng)?shù)氐奈烈邌?wèn)題。他們的目標(biāo)是幫助學(xué)生學(xué)習(xí)解決復(fù)雜的科學(xué)問(wèn)題。在這個(gè)項(xiàng)目中，學(xué)生合作探究場(chǎng)景并進(jìn)行觀察，利用仿真的工具收集現(xiàn)實(shí)世界中無(wú)法觀測(cè)到的數(shù)據(jù)，例如使用顯微鏡觀察細(xì)菌，一般課堂里不允許每個(gè)學(xué)生能夠獲得這樣的設(shè)備，亦或是通過(guò)虛擬世界中的圖書(shū)館獲得閱讀書(shū)籍獲得資源，和NPC談話，與其他在線學(xué)員通過(guò)聊天窗口在線交流等。結(jié)果顯示通過(guò)虛擬世界的學(xué)習(xí)，學(xué)生顯著提高了他們的生物學(xué)知識(shí)以及他們的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，但是在這個(gè)項(xiàng)目中并沒(méi)有顯示虛擬世界對(duì)于學(xué)習(xí)科學(xué)探究有明顯支持。EcoMUVE則是一個(gè)用于學(xué)習(xí)生態(tài)學(xué)復(fù)雜因果關(guān)系的虛擬世界。該項(xiàng)目的研究結(jié)果同樣表明經(jīng)過(guò)了虛擬世界的學(xué)習(xí)，學(xué)生顯著提高了他們?cè)谏鷳B(tài)學(xué)知識(shí)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(kāi)正式學(xué)習(xí)的實(shí)踐，也有校外的非正式學(xué)習(xí)實(shí)踐，例如學(xué)生可以使用家里的電腦自由進(jìn)入虛擬世界學(xué)習(xí)。相關(guān)的結(jié)果也表明學(xué)生明顯提高了科學(xué)探究能力和對(duì)學(xué)習(xí)的興趣?？偠灾?，整體的結(jié)果表明虛擬世界能夠有效地幫助學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。

ABM則是一種計(jì)算機(jī)可視化模型，它能夠提供一種“從底向上”的科學(xué)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(guò)獨(dú)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(guò)去更多地僅僅將計(jì)算機(jī)視為一種測(cè)量與計(jì)算的量化工具，可視化技術(shù)更能實(shí)現(xiàn)視覺(jué)上的呈現(xiàn)，作為一種質(zhì)性工具更好地幫助學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)實(shí)踐。早期的研究中，ABM被用于幫助學(xué)生學(xué)習(xí)例如自我組織性和正反饋等復(fù)雜系統(tǒng)的知識(shí)。在近年的研究中，ABM主要被用于模擬科學(xué)學(xué)科中的復(fù)雜的現(xiàn)象，例如自然中的溫室效應(yīng)，電流中的電子運(yùn)動(dòng)等。結(jié)果表明學(xué)生通過(guò)ABM學(xué)習(xí)顯著提升了他們對(duì)復(fù)雜知識(shí)的理解。不僅如此，通過(guò)ABM還能進(jìn)一步幫助學(xué)習(xí)知識(shí)遷移，即學(xué)生能夠?qū)⒄n堂知識(shí)應(yīng)用在解決現(xiàn)實(shí)生活中的問(wèn)題中。

在前人的研究基礎(chǔ)上，針對(duì)理科科學(xué)探究的學(xué)習(xí)，邁克爾·J·雅各布森（Michael J.Jacobson）教授首次提出了名為計(jì)算機(jī)化科學(xué)探究（ComputationalScientific Inquirv）的模型。該模型旨在利用計(jì)算機(jī)可視化、計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)讓學(xué)生在課堂內(nèi)展開(kāi)模擬科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，從而學(xué)習(xí)和體會(huì)真實(shí)的科學(xué)探究過(guò)程。本研究中，團(tuán)隊(duì)分別選擇了3D虛擬世界和Netlogo來(lái)分別實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的可視化和計(jì)算機(jī)的模擬實(shí)驗(yàn)，二者共同實(shí)現(xiàn)了CSI模型的實(shí)體化。本研究將詳細(xì)介紹：（1）CSI模型是如何通過(guò)其團(tuán)隊(duì)的“拯救Omosa星球原住民”項(xiàng)目被具體打造和實(shí)現(xiàn)的；（2）CSI模型的課堂應(yīng)用實(shí)證研究過(guò)程和結(jié)果。

一、“拯救Omosa星球原住民”項(xiàng)目介紹

Omosa虛擬星球項(xiàng)目是由悉尼大學(xué)Jacobson教授領(lǐng)銜，悉尼大學(xué)、麥考瑞大學(xué)兩所大學(xué)的研究者聯(lián)合研發(fā)的一個(gè)跨學(xué)科項(xiàng)目，整個(gè)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期跨度歷時(shí)約9年（2008-2017）。本項(xiàng)目的主要研究目的，是幫助傳統(tǒng)課堂解決中學(xué)生難以學(xué)習(xí)科學(xué)探究這一問(wèn)題。研究目的又可以分為兩個(gè)層面：理論層面和實(shí)際層面。從理論層面，本項(xiàng)目旨在通過(guò)實(shí)際應(yīng)用學(xué)習(xí)理論（即有效失?。?yàn)證該理論在中學(xué)科學(xué)學(xué)科學(xué)習(xí)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用效果，并進(jìn)一步探究和完善該理論的運(yùn)行機(jī)制，推進(jìn)學(xué)習(xí)科學(xué)領(lǐng)域?qū)W習(xí)理論的發(fā)展。從實(shí)際層面，該項(xiàng)目旨在打造一套完整的課程，包括計(jì)算機(jī)技術(shù)和教學(xué)材料在內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了科研產(chǎn)品能夠直接應(yīng)用于課堂，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)探究。

本項(xiàng)目獲得了澳大利亞研究局的支持，整個(gè)項(xiàng)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(wàn)（2010-2012）和333萬(wàn)（2015-2017）。經(jīng)過(guò)近十年的努力，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)3D虛擬世界Omosa，以及名為“拯救Omosa星球原住民”的配套課程。學(xué)生可以在該虛擬世界中扮演科學(xué)家的角色，與行星環(huán)境調(diào)查機(jī)構(gòu)（IEIA）的科學(xué)家們一起，探索導(dǎo)致Omosa星球某島嶼上動(dòng)物瀕危的原因所在。學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生像真正的生物學(xué)家一樣收集數(shù)據(jù)，運(yùn)行計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)展探究，并最終以報(bào)告的形式將他們的探究結(jié)果與同學(xué)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(gè)跨學(xué)科項(xiàng)目，研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員主要由三部分組成：

（1）教學(xué)設(shè)計(jì)小組：成員由多位學(xué)習(xí)科學(xué)領(lǐng)域?qū)＜?、一位生物系的生物學(xué)家，以及多名教師教育和學(xué)習(xí)技術(shù)領(lǐng)域的研究員和研究生組成。該小組主要負(fù)責(zé)確定學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)習(xí)內(nèi)容，完成虛擬環(huán)境Omosa星球的設(shè)計(jì)和其與配套的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)工作。其中生物學(xué)家夏洛特·E·泰勒（Charlotte E.Taylor）教授和當(dāng)?shù)氐纳飳W(xué)老師負(fù)責(zé)梳理并確定項(xiàng)目相關(guān)的生物學(xué)知識(shí)和內(nèi)容；

（2）圖形設(shè)計(jì)與技術(shù)開(kāi)發(fā)小組：由麥考瑞大學(xué)的黛博拉·理查德（Deborah Richards）教授主導(dǎo)，主要負(fù)責(zé)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(kāi)發(fā)；

（3）學(xué)習(xí)研究設(shè)計(jì)小組：由悉尼大學(xué)Jacobson教授主導(dǎo)，成員與教學(xué)設(shè)計(jì)小組的成員相同。該研究小組主要負(fù)責(zé)制訂詳細(xì)的實(shí)證研究計(jì)劃，以考察Omosa虛擬世界在中學(xué)中應(yīng)用的效果，有序推進(jìn)該研究項(xiàng)目，確保項(xiàng)目的初始研究目標(biāo)按期達(dá)成，并將相關(guān)成果在各大渠道（如期刊、著作章節(jié)、學(xué)術(shù)會(huì)議等）進(jìn)行發(fā)表。

整個(gè)項(xiàng)目的研究過(guò)程大致分為三步：首先，由教學(xué)設(shè)計(jì)小組展開(kāi)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)理念等有關(guān)的教學(xué)設(shè)計(jì)。伴隨第一步展開(kāi)的同時(shí)，技術(shù)與圖形設(shè)計(jì)小組則進(jìn)行3D虛擬環(huán)境的研發(fā)，研發(fā)工具為Unity3D （http：//unity3d.com/），一個(gè)跨平臺(tái)游戲開(kāi)發(fā)引擎，2D的ABM模型也被開(kāi)發(fā)完畢。最后，團(tuán)隊(duì)開(kāi)展基于課堂的實(shí)證研究和應(yīng)用，并整理成果逐步進(jìn)行公開(kāi)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(shí)現(xiàn)了CSI模型，作為一個(gè)整體應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐。

1.Omosa VWorld

Omosa VWorld是一個(gè)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(xué)生能夠以第一視角探索該島嶼，其移動(dòng)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(jiǎn)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(shū)包（用于存放道具）、幫助、退出等工具。通過(guò)點(diǎn)擊右上角的衛(wèi)星按鈕，學(xué)生能夠以俯視的角度觀察島嶼上葉鹿和花斑狼的運(yùn)動(dòng)和捕食鏈行為（花斑狼以葉鹿為食）。其中，葉鹿與花斑狼的運(yùn)動(dòng)與捕食鏈行為背后的運(yùn)行規(guī)則由ABM算法實(shí)現(xiàn)。關(guān)于算法實(shí)現(xiàn)部分的詳細(xì)內(nèi)容，本文不作詳細(xì)介紹，請(qǐng)參考麥考瑞大學(xué)Richards教授的文章《評(píng)估在捕食鏈關(guān)系下3D智能虛擬動(dòng)物的行為和模型》。

島嶼擁有諸多地點(diǎn)與場(chǎng)景供學(xué)生開(kāi)展各式各樣的探究性活動(dòng)（例如：觀察動(dòng)物，與村民溝通等），如圖2所示。主要的區(qū)域有：（1）村莊：學(xué)生可以觀察Omosa原住民的生活或者與他們交流；（2）狩獵場(chǎng)：學(xué)生可以在那里發(fā)現(xiàn)并觀察成群的動(dòng)物；（3）研究機(jī)構(gòu)：學(xué)生可以和機(jī)構(gòu)中各種不同專業(yè)背景的科學(xué)家交流；（4）氣象站：學(xué)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(xué)生需要扮演科學(xué)家解決島嶼上某種動(dòng)物（即葉鹿，原型來(lái)自于澳洲已經(jīng)滅絕的古代似鹿生物）為何瀕危的問(wèn)題，以上一系列場(chǎng)景將為此提供各類實(shí)用的信息與數(shù)據(jù)，如右圖3所示。學(xué)生可以通過(guò)自身的觀察，與NPC交流等活動(dòng)一步步地收集信息，并進(jìn)而提出各種科研設(shè)想。通過(guò)前期探索與收集到的信息，學(xué)生一般會(huì)得到最主流的三種推論：（1）氣候變化導(dǎo)致葉鹿瀕危；（2）火耕農(nóng)業(yè)破壞當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境進(jìn)而導(dǎo)致葉鹿瀕危；（3）原住民過(guò)度捕殺導(dǎo)致生物瀕危。

2.Omosa NetLogo

當(dāng)學(xué)生在Omosa VWorld中進(jìn)行了足夠的觀察及信息獲取后，他們會(huì)形成對(duì)于探究問(wèn)題的一些初步的推論。接下來(lái)，為了進(jìn)一步驗(yàn)證他們的推論，學(xué)生會(huì)被要求使用2D可視化ABM——Omosa NetLogo進(jìn)一步觀察和證明他們的推論。Omosa NetLogo是一種由NetLogo語(yǔ)言編寫(xiě)的可視化ABM，在本項(xiàng)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(dòng)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(huì)引入火耕和捕食葉鹿兩個(gè)變量）。這種變量的持續(xù)動(dòng)態(tài)變化直接以2D圖像的形式呈現(xiàn)，同時(shí)系統(tǒng)也會(huì)顯示傳統(tǒng)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)趨勢(shì)圖。以下頁(yè)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(gè)變量的動(dòng)態(tài)變化情況。右方的2D圖形顯示的是實(shí)時(shí)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(shì)圖。

與在Omosa VWorld中學(xué)生只能進(jìn)行觀察不同，Omosa NetLogo能夠讓學(xué)生操控多個(gè)自變量進(jìn)行賦值，并觀察賦值后因變量的動(dòng)態(tài)變化情況。通過(guò)這個(gè)小實(shí)驗(yàn)，學(xué)生根據(jù)推論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并收集計(jì)算機(jī)最終呈現(xiàn)的種種數(shù)據(jù)。完成數(shù)據(jù)收集后，學(xué)生再基于數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和分析，最后得出相應(yīng)的結(jié)論。此外，學(xué)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(duì)照。這一系列借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和分析的活動(dòng)與21世紀(jì)科學(xué)家開(kāi)展的科學(xué)探究活動(dòng)在過(guò)程上是相互對(duì)應(yīng)的。

（二）Omosa的教學(xué)理念與課程設(shè)計(jì)

1.Omosa的課程目標(biāo)——針對(duì)科學(xué)探究

Omosa學(xué)習(xí)活動(dòng)所開(kāi)展的科學(xué)探究步驟與目標(biāo)均與澳大利亞理科課程標(biāo)準(zhǔn)一一對(duì)應(yīng)。表1中給出了具體的五個(gè)步驟。在每個(gè)年齡段，這五個(gè)步驟又會(huì)針對(duì)不同的層次給出更具體的要求。本項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的是13-15歲（即7-9年級(jí)）年齡段要求的科學(xué)探究能力。

2.Omosa項(xiàng)目教學(xué)理論核心：“由低到高”的教學(xué)結(jié)構(gòu)順序（Sequences of Pedagogical Structure）和有效失?。≒roductive Failure）

在教學(xué)方式的選擇上，Omosa項(xiàng)目選擇了“由低到高”的教學(xué)結(jié)構(gòu)順序和有效失?。ㄒ韵潞?jiǎn)稱PF）作為核心支持。PF的教學(xué)理念的主要主張是學(xué)生在沒(méi)有結(jié)構(gòu)性指導(dǎo)的情況下參與解決復(fù)雜、非良構(gòu)問(wèn)題，此時(shí)遇到的挫折是一種有價(jià)值的練習(xí)。具體而言，傳統(tǒng)教學(xué)更主張“先學(xué)后練”，即課堂上由老師傳授知識(shí)，結(jié)構(gòu)性地一一指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)當(dāng)如何理解和處理問(wèn)題，然后布置習(xí)題讓學(xué)生練習(xí)或嘗試解決問(wèn)題。相應(yīng)地，這是一種“由高到低”的教學(xué)順序。但是PF則是一種相反的教學(xué)理論，它更鼓勵(lì)“先練后學(xué)”，即讓學(xué)生先試著利用有限的幫助和材料（例如指導(dǎo)手冊(cè)）自行解決問(wèn)題，在這個(gè)過(guò)程中學(xué)生往往會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的理解和遇到許多失敗和挫折。學(xué)生嘗試過(guò)程完畢后，再由教師為學(xué)生糾正他們錯(cuò)誤的概念，并對(duì)知識(shí)進(jìn)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(xué)順序。越來(lái)越多的相關(guān)研究結(jié)果顯示PF能夠顯著提高學(xué)生的概念性理解并能促進(jìn)遷移（Transfer）。

由于選擇了PF作為教學(xué)理念，為了能幫助學(xué)生在沒(méi)有教師授課的情況下依然能夠獲得幫助與指導(dǎo)，Omosa課程為學(xué)生準(zhǔn)備了一份在線的指導(dǎo)手冊(cè)。這份指導(dǎo)手冊(cè)用于向?qū)W生介紹應(yīng)該如何使用OmosaVWorld和Omosa NetLogo軟件，并提供他們每天需要完成的學(xué)習(xí)活動(dòng)內(nèi)容及每日測(cè)評(píng)。學(xué)生通過(guò)計(jì)算機(jī)在線系統(tǒng)回答手冊(cè)上的問(wèn)題，這些測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)最終會(huì)被儲(chǔ)存在MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便用于科研數(shù)據(jù)采集與分析。由于軟件的使用對(duì)學(xué)生們來(lái)說(shuō)非常容易上手，所以課程中針對(duì)Omosa VWorld和Omosa NetLogo僅給出了簡(jiǎn)單的使用說(shuō)明，用來(lái)代替針對(duì)軟件應(yīng)用的集體課堂教學(xué)。課堂上其它突發(fā)的技術(shù)問(wèn)題（例如無(wú)法登錄/密碼錯(cuò)誤等問(wèn)題）則由研究團(tuán)隊(duì)協(xié)助解決。

另外，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)針對(duì)軟件和配套課程的使用對(duì)教師進(jìn)行了有針對(duì)f生的培訓(xùn)。研究成員指導(dǎo)和幫助老師學(xué)習(xí)使用Omosa VWorld和Omosa NetLogo，老師也會(huì)使用學(xué)生的指導(dǎo)手冊(cè)在正式學(xué)習(xí)活動(dòng)開(kāi)始前先行嘗試在0mosa軟件環(huán)境內(nèi)熟悉學(xué)生需要開(kāi)展的學(xué)習(xí)活動(dòng)。

3 Omosa課程學(xué)習(xí)活動(dòng)

Omosa課程一共分為9天，每天學(xué)習(xí)時(shí)間為50分鐘，完成整個(gè)學(xué)習(xí)活動(dòng)共計(jì)使用兩周時(shí)間。課程的情境是：學(xué)生是一名科學(xué)家，他們要與行星環(huán)境調(diào)查機(jī)構(gòu)（IEIA）一起，探索究竟是什么導(dǎo)致了Omosa星球某島嶼上一種叫做葉鹿的動(dòng)物的瀕危。詳細(xì)的教學(xué)設(shè)計(jì)和學(xué)習(xí)活動(dòng)安排如表2所示。

通過(guò)表2我們可以看到，整個(gè)學(xué)習(xí)活動(dòng)分為兩周，除最后一天為純展示活動(dòng)外，每周均是從低教學(xué)結(jié)構(gòu)到高教學(xué)結(jié)構(gòu)（Davl-4，Day5-7），形成了兩個(gè)循環(huán)，這符合“由低到高”的教學(xué)順序和哦《學(xué)理念。另外值得一提的是，盡管在表格中我們將學(xué)生在指導(dǎo)手冊(cè)下展開(kāi)探究性學(xué)習(xí)稱之為高教學(xué)結(jié)構(gòu)，但是實(shí)際上大部分PF教學(xué)中這一部分是由教師而非指導(dǎo)手冊(cè)完成對(duì)知識(shí)的鞏固和糾正。因此，整個(gè)Omosa學(xué)習(xí)活動(dòng)中，學(xué)生比一般的基于PF的學(xué)習(xí)活動(dòng)更加獨(dú)立自主，因?yàn)榻處煕](méi)有在其間參與知識(shí)的鞏固。事實(shí)上這種PF的教學(xué)結(jié)構(gòu)比之傳統(tǒng)的“高教學(xué)結(jié)構(gòu)”更應(yīng)稱為“中等教學(xué)結(jié)構(gòu)”。如對(duì)于經(jīng)典的“從低到高”的PF教學(xué)理論感興趣，Jacobson教授的另-個(gè)項(xiàng)目Climate Change對(duì)此進(jìn)行了更為詳細(xì)的研究。

學(xué)生每日的學(xué)習(xí)活動(dòng)一般由教師先行進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的介紹開(kāi)始。在那以后，教師在整個(gè)學(xué)習(xí)活動(dòng)中主要扮演監(jiān)管、回答問(wèn)題、促進(jìn)思考的角色，而并非傳統(tǒng)的授課角色。學(xué)生則一般以二人一組的形式展開(kāi)探究學(xué)習(xí)活動(dòng)，兩個(gè)學(xué)生共同使用一臺(tái)電腦，這能夠更好地幫助學(xué)生開(kāi)展合作學(xué)習(xí)。正式探究活動(dòng)開(kāi)始后，學(xué)生會(huì)通過(guò)閱讀指導(dǎo)手冊(cè)明確當(dāng)天的學(xué)習(xí)任務(wù)，這些學(xué)習(xí)任務(wù)也被稱之為“挑戰(zhàn)”。這些挑戰(zhàn)與每天的學(xué)習(xí)目標(biāo)——對(duì)應(yīng)，例如學(xué)習(xí)初期，學(xué)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(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，記錄通過(guò)Omosa NetLogo～擬實(shí)驗(yàn)獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生需要多次提出各種問(wèn)題和假設(shè)并實(shí)施實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比進(jìn)行驗(yàn)證。在此，以Day 6要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為例進(jìn)行說(shuō)明，這部分也是學(xué)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(xué)生團(tuán)隊(duì)需要在指導(dǎo)手冊(cè)上按照科學(xué)探究的5個(gè)步驟填寫(xiě)他們自己的回答（如表4所示）。

以上的一系列學(xué)習(xí)活動(dòng)完成以后，學(xué)生從Day7開(kāi)始使用PowerPoint制作演示文稿來(lái)呈現(xiàn)他們利用Omosa NetLogo開(kāi)展計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)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(gè)小組利用演示文稿向全班展示并進(jìn)行結(jié)果討論。

二、Omosa應(yīng)用與實(shí)證研究結(jié)果

為了檢驗(yàn)Omosa項(xiàng)目的實(shí)際效果，Jacobson教授團(tuán)隊(duì)在悉尼的一所初中開(kāi)展了具體的教學(xué)應(yīng)用實(shí)踐。

（一）樣本

樣本學(xué)校是悉尼內(nèi)城的一所多文化（即學(xué)生來(lái)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(jí)是兩個(gè)8年級(jí)（即初二）的初中生班級(jí)，共53名學(xué)生。參與的兩名教師是校內(nèi)學(xué)科帶頭人，他們均是生物教師，并在實(shí)驗(yàn)前已獲得有關(guān)如何應(yīng)用Omosa系統(tǒng)開(kāi)展教學(xué)的有關(guān)指導(dǎo)?；诓煌嗉?jí)先前在理科學(xué)習(xí)方面的表現(xiàn)，教師將班級(jí)區(qū)分為“基礎(chǔ)班”（C班）和“進(jìn)階班”（S班）。C班的學(xué)生成績(jī)整體屬于低中游，S班的學(xué)生成績(jī)整體屬于上游。C班由29名學(xué)生組成。S班由24名學(xué)生組成。

正式實(shí)驗(yàn)展開(kāi)時(shí)間是在2013年。在那之前，研究團(tuán)隊(duì)于2011年和2012年在該校開(kāi)展過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)。在預(yù)實(shí)驗(yàn)期間，團(tuán)隊(duì)的Omosa VWorld和Omosa NetLogo都得到了不斷的完善與開(kāi)發(fā)，并且將指導(dǎo)手冊(cè)從紙筆方式修改為電子版，這能夠保證團(tuán)隊(duì)通過(guò)在線系統(tǒng)不斷地收集學(xué)生每天的學(xué)習(xí)過(guò)程數(shù)據(jù)。

另外，近兩年來(lái)國(guó)內(nèi)華東師范大學(xué)學(xué)習(xí)科學(xué)研究中心獲得了來(lái)自Jacobson教授團(tuán)隊(duì)的授權(quán)，以合作研究的形式在上海的兩所初中開(kāi)展了Omosa項(xiàng)目研究。華東師范大學(xué)方負(fù)責(zé)了Omosa虛擬世界以及指導(dǎo)手冊(cè)的漢化。

（二）測(cè)評(píng)材料

在學(xué)習(xí)活動(dòng)的第一天和最后一天，研究組使用前后測(cè)的方式，通過(guò)同一份問(wèn)卷測(cè)評(píng)學(xué)生的科學(xué)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(xué)探究測(cè)試量表。第十三題是一道開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題。最后一題第十四題則取自2003年P(guān)ISA測(cè)試的一道科學(xué)論證題。由于在研究過(guò)程中第十四題的數(shù)據(jù)收集出現(xiàn)了問(wèn)題，因此本文以下的探討以前十三題為主。

除此之外，學(xué)生最后制作的成果匯報(bào)演示文稿也作為研究數(shù)據(jù)的一部分保留下來(lái)。研究小組制定了具體的評(píng)分規(guī)則，用以評(píng)估學(xué)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的五個(gè)元素一一對(duì)應(yīng)（如上頁(yè)表4所示），分別為：（1）基本信息采集；（2）研究問(wèn)題；（3）提出假設(shè)；（4）自變量；（5）因變量。以上五點(diǎn)每一個(gè)點(diǎn)滿分1分，共計(jì)5分。錯(cuò)誤回答計(jì)0分，半對(duì)0.5分，全對(duì)則計(jì)1分。兩位評(píng)分者進(jìn)行了前20%試卷的記分，得到該量表的評(píng)定者信度為98%。隨后兩位評(píng)分者分別完成了40%的剩余試卷評(píng)估。

除了定量數(shù)據(jù)以外，團(tuán)隊(duì)還收集了兩個(gè)焦點(diǎn)小組的討論內(nèi)容，這兩個(gè)組分別來(lái)自C班和S班。學(xué)生的討論被錄音。他們參與回答的一些主要問(wèn)題有：是否喜歡這樣的學(xué)習(xí)形式；本次學(xué)習(xí)生物學(xué)和科學(xué)探究?jī)煞矫娴氖斋@；如果你是老師，你如何設(shè)計(jì)虛擬世界并展開(kāi)教學(xué)設(shè)計(jì)等。另外，在探究學(xué)習(xí)過(guò)程中，每個(gè)大組被分為六個(gè)小組，每?jī)蓚€(gè)學(xué)生一組，研究團(tuán)隊(duì)采集了他們的屏幕截屏數(shù)據(jù)、活動(dòng)過(guò)程中的視頻和音頻數(shù)據(jù)。

（三）結(jié)果

由于本文的重點(diǎn)在于Omosa的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，因此本部分將簡(jiǎn)要介紹本次實(shí)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(guò)了Omosa項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，學(xué)生的科學(xué)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(xué)生。然而，數(shù)據(jù)還顯示，在部分的小題上S班和C班學(xué)生的后測(cè)表現(xiàn)均有了顯著的提升。不僅如此，在某些題目的后測(cè)表現(xiàn)上，C班學(xué)生和S班學(xué)生沒(méi)有明顯差異。甚至有的題目，只有C班學(xué)生提高了正確率，反而S班學(xué)生沒(méi)有明顯的成績(jī)變化。在針對(duì)第13題實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)開(kāi)放題和成果匯報(bào)PPT的數(shù)據(jù)分析上，S班的學(xué)生的表現(xiàn)明顯優(yōu)于C班的學(xué)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(xué)生的整體科學(xué)探究能力并沒(méi)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(xué)生在完成學(xué)習(xí)活動(dòng)后，在好幾個(gè)小題的回答上有了明顯的進(jìn)步，并且回答得和S班的學(xué)生一樣好。不僅如此，在PPT匯報(bào)的表現(xiàn)上，C班學(xué)生與S班學(xué)生的平均分也沒(méi)有拉開(kāi)差距。

定性數(shù)據(jù)方面，團(tuán)隊(duì)從每個(gè)班級(jí)采訪了三組共六名學(xué)生，兩個(gè)班級(jí)共計(jì)六組十二名學(xué)生。從訪談數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，C班的學(xué)生對(duì)于他們學(xué)習(xí)的體驗(yàn)有著具體的理解。同時(shí)，由于學(xué)習(xí)環(huán)境類似游戲，兩個(gè)班級(jí)的采訪中學(xué)生都對(duì)這種在虛擬環(huán)境展開(kāi)學(xué)習(xí)的方式與體驗(yàn)給出了非常積極的評(píng)價(jià)。在問(wèn)及他們最喜歡的部分時(shí)，C班的一位學(xué)生提到了將收集和學(xué)習(xí)到的知識(shí)運(yùn)用于探索虛擬世界并創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)和假設(shè)是最令人高興的。而另外的一名C班學(xué)生和S班的學(xué)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(xué)習(xí)方式與傳統(tǒng)課堂聽(tīng)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(xué)實(shí)踐活動(dòng)的感受。不僅如此，教師也對(duì)這種基于虛擬世界和ABM的學(xué)習(xí)方式給出了非常積極的評(píng)價(jià)。特別令教師感到驚喜的是，她認(rèn)為對(duì)學(xué)習(xí)理科毫無(wú)興趣的C班學(xué)生在這次學(xué)習(xí)過(guò)程中表現(xiàn)出了出乎意料的學(xué)習(xí)熱情，這是她不曾想到的。

總而言之，通過(guò)定性數(shù)據(jù)，我們能看到學(xué)生和老師整體上都對(duì)于這種基于CSI模型學(xué)習(xí)科學(xué)探究的模式給予了非常積極的評(píng)價(jià)，學(xué)生認(rèn)為自己仿佛經(jīng)歷了真正的野外科學(xué)實(shí)踐，并且學(xué)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(xué)生。

三、結(jié)論與啟示

本文介紹了一種利用計(jì)算機(jī)技術(shù)學(xué)習(xí)科學(xué)探究的CSI模型，并闡述了該模型是如何通過(guò)基于3D技術(shù)的Omosa VWorld和基于2D技術(shù)的Omosa NetLogo得以實(shí)現(xiàn)的，以及其對(duì)應(yīng)課程的教學(xué)方法和學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)思路。與傳統(tǒng)的“從高到低”的教學(xué)順序相反，本項(xiàng)目采用了PF和從低到高的教學(xué)順序兩種教學(xué)理論的結(jié)合，即先給予學(xué)生充分的獨(dú)立探究，后接人指導(dǎo)手冊(cè)和班級(jí)討論等腳手架支撐。最后，該研究簡(jiǎn)要介紹了該項(xiàng)目的課堂實(shí)證研究過(guò)程及其結(jié)果。

我們可以看到，團(tuán)隊(duì)初期得到的結(jié)果有一部分令人失望，即從定量測(cè)試上學(xué)生總體的科學(xué)探究能力反而下降。對(duì)此團(tuán)隊(duì)后續(xù)也對(duì)此進(jìn)行了可能性的解釋——由于測(cè)試的時(shí)間是學(xué)期末，學(xué)生可能認(rèn)為后測(cè)并不會(huì)影響他們的正式課堂的成績(jī)，所以帶著隨意的態(tài)度完成了測(cè)試。即使如此，在小題目上我們依然可以看到好幾個(gè)題目學(xué)生的表現(xiàn)有了明顯的提高。其中尤為值得注意的是，無(wú)論是科學(xué)探究能力測(cè)評(píng)還是匯報(bào)演示文稿的測(cè)評(píng)，我們均能發(fā)現(xiàn)原先基礎(chǔ)較差的C班學(xué)生的表現(xiàn)上逐漸追上了基礎(chǔ)較好的S班學(xué)生。定性數(shù)據(jù)也顯示C班學(xué)生表現(xiàn)出了連他們老師都意外的學(xué)習(xí)興趣和參與度。從這一點(diǎn)我們可以推測(cè)，CSI對(duì)于基礎(chǔ)較差的學(xué)生或許有著更好的應(yīng)用價(jià)值。這一點(diǎn)國(guó)內(nèi)的合作研究者通過(guò)研究也得到了類似的結(jié)果。另外值得注意的一點(diǎn)是，由于S班的學(xué)生對(duì)科學(xué)探究的理解更為深刻，他們?cè)谶\(yùn)用ABM開(kāi)展計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候的表現(xiàn)明顯優(yōu)于C班的學(xué)生?？偠灾?，我們希望未來(lái)能夠有更多的有力數(shù)據(jù)支持更多的結(jié)論。

此外，本項(xiàng)目也有一些不足，例如樣本量小，數(shù)據(jù)部分遺失問(wèn)題等。我們希望能夠通過(guò)團(tuán)隊(duì)未來(lái)的工作來(lái)彌補(bǔ)。

盡管本項(xiàng)目有一些不足，但我們依然認(rèn)為本項(xiàng)目有著諸多意義。長(zhǎng)期以來(lái)，在傳統(tǒng)教室中學(xué)習(xí)科學(xué)探究這樣的知識(shí)非常困難。從科研角度來(lái)說(shuō)，我們填補(bǔ)了行業(yè)內(nèi)針對(duì)學(xué)習(xí)和培養(yǎng)科學(xué)探究能力、“玩中學(xué)”等領(lǐng)域的研究空白，并在教學(xué)理念上創(chuàng)新地實(shí)踐了“PF+由低到高的教學(xué)順序”的教學(xué)方法。與許多玩中學(xué)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(dāng)下玩中學(xué)必須給予合理的教法支撐才能真正幫助學(xué)生提高學(xué)習(xí)。從技術(shù)角度，我們貢獻(xiàn)了Omosa這一3D虛擬世界和2D的ABM模型等教學(xué)軟件與環(huán)境。特別是在3D虛擬世界中展示合理的動(dòng)物行為模型，為相關(guān)算法做出了貢獻(xiàn)。從應(yīng)用角度，我們?cè)O(shè)計(jì)了一整套完整的學(xué)習(xí)課程與配套軟件，能夠幫助現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)課堂的學(xué)生足不出戶就能模擬體驗(yàn)戶外的科學(xué)探究活動(dòng)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)課堂針對(duì)該部分教學(xué)的困難和傳統(tǒng)教室客觀物理?xiàng)l件上的不足。不僅如此，由于虛擬世界可以模擬各種現(xiàn)實(shí)中不存在的場(chǎng)景，本次研究的虛擬世界能夠帶領(lǐng)學(xué)生前往類似古代澳洲的環(huán)境并讓學(xué)生展開(kāi)研究，這一點(diǎn)是現(xiàn)實(shí)世界無(wú)法做到的，也是虛擬世界的優(yōu)勢(shì)。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(xué)生模擬體驗(yàn)戶外科研的過(guò)程，進(jìn)而通過(guò)這樣的學(xué)習(xí)活動(dòng)提高他們的科學(xué)探究能力。

針對(duì)本項(xiàng)目，我們認(rèn)為未來(lái)可以改進(jìn)及開(kāi)展的方向有：進(jìn)一步修正CSI學(xué)習(xí)課程，并觀察將其融入常規(guī)課堂后學(xué)生的學(xué)習(xí)情況；通過(guò)更多大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)探索與驗(yàn)證“由低到高”的教學(xué)順序是否優(yōu)于傳統(tǒng)課堂“由高到低”的教學(xué)方法；通過(guò)發(fā)掘更多細(xì)節(jié)，進(jìn)一步探究如何通過(guò)搭載先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，利用CSI模型更好地幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和培養(yǎng)各類理科科目中各種復(fù)雜的知識(shí)與能力等。

如今許多學(xué)生對(duì)于傳統(tǒng)課堂帶來(lái)的科學(xué)探究和理科學(xué)習(xí)依然表現(xiàn)得較為消極和抵觸，探究類問(wèn)題依舊是初高中理科教學(xué)的難點(diǎn)。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(jì)算機(jī)技術(shù)幫助學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)探究和理科知識(shí)的領(lǐng)域中來(lái)。所以，我們十分希望未來(lái)我們能夠通過(guò)將這些計(jì)算機(jī)技術(shù)與先進(jìn)教學(xué)方式的結(jié)合，設(shè)計(jì)出能夠真正培養(yǎng)學(xué)生對(duì)理科知識(shí)產(chǎn)生深刻理解和興趣的課程。

收稿日期：2017年3月1日

責(zé)任編輯：趙云建