基于網(wǎng)絡(luò)模擬的化學(xué)學(xué)習(xí)工具

顧瑩+孫紅淼+陳凱

摘要：對Molecules & Minds網(wǎng)站中的教學(xué)資源進(jìn)行了詳盡的梳理，并從“擴(kuò)散”主題出發(fā)，具體分析其教學(xué)活動，體現(xiàn)了“互動式教學(xué)”、“可視化模擬實(shí)驗(yàn)”和“探究式問題設(shè)置”。在分析比較的基礎(chǔ)上，從環(huán)境創(chuàng)設(shè)、服務(wù)學(xué)習(xí)者、互動等方面作出一些思考，并針對國內(nèi)學(xué)習(xí)國外學(xué)科教育技術(shù)方面的狀況進(jìn)行批判性反思。

關(guān)鍵詞：Molecules & Minds；模擬實(shí)驗(yàn)；科學(xué)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(xiàn)標(biāo)識碼：B

由美國教育部教育科學(xué)研究所資助，Molecules & Minds于2005年在紐約大學(xué)（New York University）啟動，該網(wǎng)站教育資源（http：// create.nyu.edu/mm/）將化學(xué)學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)成基于因特網(wǎng)模擬程序的探究過程，圍繞化學(xué)學(xué)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(yùn)動理論、擴(kuò)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?yàn)樯婕叭庋劭床坏降奈⒘＿\(yùn)動特征，應(yīng)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(xué)習(xí)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(qiáng)）的影響。學(xué)習(xí)者可以觀察到：當(dāng)升高溫度時(shí)，容器內(nèi)的氣體粒子運(yùn)動速率加快，容器內(nèi)壓強(qiáng)隨之升高。Molecules & Minds的所有模擬建立在科學(xué)學(xué)科學(xué)習(xí)理論和認(rèn)知研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)過了教育技術(shù)、科學(xué)教育、教育心理學(xué)等方面專家的論證和評估，并根據(jù)學(xué)生應(yīng)用工具學(xué)習(xí)狀況對模擬的效果進(jìn)行定性的描述和定量的測量，以保證設(shè)計(jì)的實(shí)用性和學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)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(dǎo)下，進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，并在理解知識的基礎(chǔ)上對網(wǎng)站提供的情境瑕疵進(jìn)行完善和補(bǔ)充。學(xué)生、教師、家長和研究人員等都可以對任務(wù)實(shí)施過程提問和評價(jià)，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(dān)任課程資源的主要開發(fā)者和實(shí)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(yùn)動微粒和模擬變量的關(guān)系圖示。它強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)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(xué)原理與建構(gòu)化學(xué)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(shè)計(jì)及其設(shè)計(jì)意圖。

1.1 學(xué)生模擬模塊內(nèi)容

學(xué)生模擬是網(wǎng)站的主要模塊，表1對圖1 [模擬]中每一學(xué)習(xí)主題從主要內(nèi)容、漫畫情境和對應(yīng)于國內(nèi)中學(xué)化學(xué)教科書所適合的教學(xué)模塊進(jìn)行了梳理。

1.2 欄目設(shè)計(jì)思路

Molecules & Minds的整個設(shè)計(jì)思路體現(xiàn)了教學(xué)策略和應(yīng)用途徑，思路如圖2。

表2以“擴(kuò)散”（Diffusion）為例，闡述Molecules& Minds中每個功能模塊融入課堂教學(xué)的設(shè)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(shí)驗(yàn)的互動模擬教學(xué)是Molecules& Minds的主要特色，教學(xué)應(yīng)用主要依托可視化模擬實(shí)驗(yàn)來完成，并嵌入網(wǎng)站提供的情境素材和問題。

1.3 學(xué)生學(xué)習(xí)步驟

下面以“擴(kuò)散”（Diffusion）為例，說明網(wǎng)站呈現(xiàn)學(xué)習(xí)者進(jìn)入學(xué)生模擬后的具體學(xué)習(xí)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(xué)活動。整個教學(xué)流程可以概括成：學(xué)習(xí)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(jìn)行可視化模擬實(shí)驗(yàn)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(jìn)行多方面拓展。

第一步：打開網(wǎng)站主頁，點(diǎn)擊“學(xué)生”欄目——模擬或者點(diǎn)擊“教師”欄目——模擬。

第二步：選擇擴(kuò)散（Diffusion）學(xué)習(xí)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(dǎo)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(kuò)散的嗎？

（3）這個故事的主題是什么？你認(rèn)為這個故事哪個地方需要改善？

第四步：進(jìn)入可視化實(shí)驗(yàn)界面，學(xué)習(xí)者先自行探索如何點(diǎn)擊按鈕進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)，然后思考其探究性問題。

[活動與探究]圖4展示了擴(kuò)散（Diffusion）的部分模擬實(shí)驗(yàn)情境：

[觀察與思考]呈現(xiàn)過渡性問題，貫穿整個可視化實(shí)驗(yàn)，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(kuò)散的快慢？

（3）請用生活中的一個例子來說明擴(kuò)散？

第五步：點(diǎn)擊“繼續(xù)”按鈕，頁面會顯示網(wǎng)站提供的正確的虛擬實(shí)驗(yàn)視頻，學(xué)習(xí)者可以觀看它并對比自己剛剛的實(shí)驗(yàn)操作，自行糾正。

[復(fù)習(xí)鞏固]可用于測試并評價(jià)學(xué)習(xí)成果。

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

[延伸探究]設(shè)計(jì)拓展性問題，發(fā)散學(xué)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(kuò)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(diǎn)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(xué)習(xí)者找到與剛學(xué)完的主題相關(guān)的模擬，互動交流評價(jià)并完善創(chuàng)新。

[課后應(yīng)用]運(yùn)用所學(xué)知識解決問題。

Molecules & Minds在“擴(kuò)散”（Diffusion）一節(jié)中設(shè)置了一個不完善情境：兩個同學(xué)認(rèn)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(xué)武器在二戰(zhàn)時(shí)的各種危害以及防護(hù)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(kuò)散）。這些模擬只是草稿，學(xué)習(xí)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(shí)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(xiàng)目。

2005～2008年，Plass，Jan開展了“課題一：優(yōu)化模擬化學(xué)教育”研究。約720名中學(xué)生（15～17歲）參與研究，學(xué)習(xí)并被測試分子運(yùn)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(rèn)知負(fù)荷理論，尤其強(qiáng)調(diào)其中視覺認(rèn)知負(fù)荷的優(yōu)化使其適合不同認(rèn)知層次的學(xué)生。視覺模擬（圖像、表格、靜態(tài)和動態(tài)圖像等）會降低學(xué)生的認(rèn)知難度，色彩鮮艷，互動交流頻繁的網(wǎng)站風(fēng)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(xué)學(xué)習(xí)”研究。紐約的四所公立高中生參與了這項(xiàng)研究，學(xué)習(xí)并被測試擴(kuò)散、分子運(yùn)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(xué)對學(xué)生化學(xué)認(rèn)知的影響，以及哪種模擬方式更適合學(xué)生認(rèn)知，詳細(xì)見表3。研究發(fā)現(xiàn)：被研究學(xué)生的學(xué)習(xí)水平高低不一，然而他們經(jīng)歷了模擬教學(xué)后，測試后的成績差不多。

研究者認(rèn)為模擬是學(xué)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(shí)驗(yàn)稱為“play games”。研究者對互動性做出了新的定義，認(rèn)為用戶、學(xué)習(xí)環(huán)境和系統(tǒng)的模型設(shè)計(jì)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(xué)習(xí)環(huán)境、行為活動、認(rèn)知活動、情感動機(jī)、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(dǎo)致了多種形式網(wǎng)站的建立（精英式的純學(xué)術(shù)交流論壇的誕生和大眾化科普學(xué)習(xí)網(wǎng)站）。

以Molecules & Minds為例，它的用戶是不同認(rèn)知水平的學(xué)生，模型實(shí)驗(yàn)的學(xué)生主體性設(shè)計(jì)又給學(xué)生提供了可控化學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生是實(shí)驗(yàn)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(xué)生的心智模型、認(rèn)知活動、行為活動和情感動機(jī)等多方面因素，其他兩個要素都基于用戶而設(shè)計(jì)。比如學(xué)習(xí)環(huán)境可以根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知程度分成可控式和不可控式，模擬設(shè)計(jì)中的建模也可以根據(jù)學(xué)生的互動程度分為共享建模區(qū)和獨(dú)立建模區(qū)。

3 啟發(fā)和反思

Molecules & Minds網(wǎng)站對國內(nèi)科學(xué)教育網(wǎng)站的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了新穎、實(shí)用的導(dǎo)向作用。

3.1 基于模型創(chuàng)設(shè)科學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)境

作為含有建模工具的學(xué)習(xí)環(huán)境，Molecules & Minds為學(xué)生提供了根據(jù)三種表征方式、從簡單到復(fù)雜的建模工具，為不同水平學(xué)生的模型建構(gòu)提供了支持?？茖W(xué)探究方法和技能的學(xué)習(xí)一般以實(shí)驗(yàn)為載體，通過在科學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)中融入對方法和技能的學(xué)習(xí)要求，達(dá)到使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究，掌握基本技能，習(xí)得方法的教學(xué)目的[4]。大量研究表明，基于模型的科學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)境在教學(xué)中的應(yīng)用，不僅有助于促進(jìn)學(xué)生科學(xué)概念的學(xué)習(xí)，而且能夠培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維、推理能力、自我監(jiān)控能力以及合作學(xué)習(xí)能力等。

3.2 計(jì)算機(jī)模擬情境開發(fā)需要考慮學(xué)習(xí)者

Molecules & Minds網(wǎng)站的主要用戶群是中學(xué)生，尤其針對學(xué)習(xí)微觀知識較困難的學(xué)習(xí)者，文字表達(dá)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(shè)了真實(shí)、新異的教學(xué)情境。國內(nèi)化學(xué)教育網(wǎng)站充斥著各種知識點(diǎn)總結(jié)，試題成集等現(xiàn)象，尚缺乏這種風(fēng)格獨(dú)特、充滿個性的學(xué)習(xí)模塊，并且其網(wǎng)站風(fēng)格嚴(yán)肅呆板，以各種化學(xué)符號和文字等抽象知識模型為主，實(shí)驗(yàn)部分較少，不適合化學(xué)水平較弱的學(xué)生。

3.3 提供多樣化互動教學(xué)

與只含模型的學(xué)習(xí)環(huán)境相比，含有建模工具的學(xué)習(xí)環(huán)境對于培養(yǎng)學(xué)生的反思和調(diào)控能力更有幫助。學(xué)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(yán)肅的學(xué)科體系，表現(xiàn)形式活潑，學(xué)習(xí)者既可以在成熟的教學(xué)案例上，尤其在模擬實(shí)驗(yàn)上天馬行空，也可以把未成熟的案例當(dāng)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(xué)習(xí)者相互交流，共同完成新的模擬情境。

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

參考文獻(xiàn)：

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