虛擬分子生物學(xué)學(xué)習(xí)實驗室構(gòu)建

楊冬梅 李朝陽 張麗 李俊年

摘 要 本文提出一種將有指導(dǎo)的知識獲取與在計算機學(xué)習(xí)環(huán)境下的實踐經(jīng)驗相結(jié)合，以計算機為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)環(huán)境，包括學(xué)習(xí)環(huán)境的教學(xué)原理是在學(xué)習(xí)科學(xué)的研究中得到的科學(xué)教育的方法。對有各種臺架工具的虛擬實驗工作臺和演示工具進(jìn)行了評估，結(jié)果顯示學(xué)生們參與該項目的同時，不受預(yù)知識和興趣的差異的影響。

關(guān)鍵詞 虛擬實驗室 分子生物學(xué)

中圖分類號：G482 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.01.030

Abstract This paper proposes a computer-based learning environment that combines guided knowledge acquisition with practical experience in a computer learning environment. The teaching principle of the learning environment is a scientific education method obtained in the study of learning science. A virtual lab bench and demonstration tools with various bench tools were evaluated and the results showed that students were not affected by differences in pre-knowledge and interest while participating in the project.

Keywords virtual lab； molecular biology

培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)科學(xué)素養(yǎng)是當(dāng)代生物、化學(xué)和物理領(lǐng)域高等學(xué)校和大學(xué)教育的主要目標(biāo)之一?？茖W(xué)素養(yǎng)包括在科學(xué)的背景下的認(rèn)知能力和元認(rèn)知知識以及應(yīng)用這些知識的能力?？茖W(xué)素養(yǎng)要求能夠識別和發(fā)展科學(xué)的問題，然后從理論考慮和經(jīng)驗性的研究中得出結(jié)論。[1]分子生物學(xué)的實踐研究主要是通過實驗和解釋其結(jié)果來驗證理論和假設(shè)。在科學(xué)教育中缺乏實驗研究是有很多原因的，包括安全問題、實驗室的高成本和不符合學(xué)校時間表的耗時實驗。在這種情況下，老師們通常會在課堂上使用“展示和講述”的方法，這讓大多數(shù)學(xué)生處于被動接受的角色。學(xué)生將在這種情況下獲得知識，但它是零碎的，沒有融入更大的腦力模型，[2]而且過于抽象和不專業(yè)，可以被廣泛使用和轉(zhuǎn)移。[3]這并不一定意味著在傳統(tǒng)教育中學(xué)習(xí)是無效的；然而，課外學(xué)習(xí)往往會導(dǎo)致學(xué)生無法運用自己的知識。[4]以計算機為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)環(huán)境，被認(rèn)為能夠提供真實性和“動手”體驗，即使在那些學(xué)校不能提供“真實”的學(xué)習(xí)環(huán)境的地區(qū)。[5]然而，對模擬學(xué)習(xí)多年的經(jīng)驗和研究[6]表明，設(shè)計模擬環(huán)境來促進(jìn)學(xué)習(xí)并不是一件簡單的任務(wù)，在模擬時設(shè)計師需要非常小心地決定要將現(xiàn)實的哪些方面結(jié)合起來。此外，從這個研究我們知道，除了提供真實的模型，學(xué)習(xí)者能夠充分利用提供的信息將精心設(shè)計的工具整合到仿真環(huán)境，并能夠應(yīng)對探索式學(xué)習(xí)的要求。[7]此外，開始逐漸了解社會互動對科學(xué)學(xué)習(xí)的作用，以及如何將群體學(xué)習(xí)融入到模擬和探索式學(xué)習(xí)的環(huán)境中。[8]這里報告的研究旨在為設(shè)計師提供基于計算機的學(xué)習(xí)環(huán)境生命科學(xué)：將高品質(zhì)（三維）實驗室模擬與許多“心智工具”[9]結(jié)合起來進(jìn)行有效的規(guī)劃、分析和報告。我們由這種情況的分析和模擬環(huán)境需要的工具開始，來捕捉分子生物學(xué)實驗室工作的關(guān)鍵要素。

為了將實驗過程與重要的生物學(xué)原理概念聯(lián)系起來，需要有兩種知識：關(guān)于因果關(guān)系的知識（“因果知識”），它允許學(xué)生在時間上向前和向后推理（例如，“凝膠中的探針因帶負(fù)電荷由負(fù)極向正極遷移”）。此外，關(guān)于目標(biāo)—子目標(biāo)關(guān)系，關(guān)于實驗室儀器的功能，以及實驗步驟和某些工具的使用與目標(biāo)相關(guān)（“規(guī)劃知識”）的知識允許學(xué)生去思考（實驗）計劃。規(guī)劃知識不僅是創(chuàng)造實驗程序的必要條件，而且在我們的語境中更重要的是理解實驗過程：計劃識別。雖然在教科書和教師中廣泛傳播因果關(guān)系，但規(guī)劃知識很少，也很少有系統(tǒng)地與學(xué)生交流。我們的目標(biāo)是培養(yǎng)這兩種知識，因為我們相信，復(fù)雜的實驗過程，包括先進(jìn)的儀器，并不是完全基于因果知識的。也許更世俗的計劃和計劃識別知識在科學(xué)教育中沒有得到足夠的關(guān)注，這在一定程度上可能是由于實驗的概念非常有限，這是大部分研究的基礎(chǔ)。[10]

基于該領(lǐng)域的學(xué)習(xí)目標(biāo)的序列模型，Lifelab在引導(dǎo)探索學(xué)習(xí)中為學(xué)生提供了許多教學(xué)措施和工具。第一次評估研究的結(jié)果達(dá)到了期望，即Lifelab非常適合不同程度的領(lǐng)域知識和對生命科學(xué)的不同興趣的學(xué)生。

最主要的結(jié)果是，學(xué)生們實際上是通過使用虛擬實驗室來有效地學(xué)習(xí)，無論先驗知識水平如何，學(xué)習(xí)收益都差不多。有興趣的學(xué)生和不太感興趣的學(xué)生都從與這個項目的互動中得到了支持。據(jù)報道，這項研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了具體的條件和參與的專業(yè)學(xué)生的范圍。其他方法問題，如隨機抽樣和避免自我選擇效應(yīng)，將需要在今后的工作中加以解決。我們需要記錄過程數(shù)據(jù)，以便更近距離地觀察單個工具和設(shè)計特征的使用，以及課堂研究，以了解教師和學(xué)生如何在更有效的生態(tài)條件下使用和適當(dāng)?shù)厥褂迷摮绦?。幾乎無法獲得知識獲取過程的細(xì)節(jié)，這將證實我們的主張，即在Lifelab中開發(fā)出兩種知識：因果知識和規(guī)劃知識。令人沮喪的是，在評估進(jìn)行時，項目的狀態(tài)不允許觀察交流和表示，這是非常重要的。

科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展是一個復(fù)雜的過程，需要多年的專業(yè)知識發(fā)展。很明顯，像Lifelab這樣的項目不能僅僅為這種擴展和持續(xù)的學(xué)習(xí)提供必要的挑戰(zhàn)和支持。然而，在這種環(huán)境下，這種學(xué)習(xí)的方式在學(xué)校全面的科學(xué)素養(yǎng)方面的進(jìn)步帶來相當(dāng)大的發(fā)展，應(yīng)該是大學(xué)水平課程的良好準(zhǔn)備。這是因為，通過認(rèn)真使用Lifelab，它的推理過程與專業(yè)研究人員的推理有許多相似之處。Lifelab不僅在尊重學(xué)生的問題，模擬實驗室環(huán)境和儀器是真實的，而且在認(rèn)識論意義上是真實的。

“認(rèn)識論”是由Chinn和Malhotra（2001）提出的：“指導(dǎo)關(guān)于何時以及如何改變一個人的知識以回應(yīng)證據(jù)的決定的基本原則”。工作中的Lifelab，是與一個歐洲領(lǐng)先的生命科學(xué)研究中心分子生物學(xué)家們建立密切互動，在認(rèn)識論規(guī)范內(nèi)學(xué)生正在進(jìn)行著同真正的科學(xué)家做的和想的具有密切相似之處的實驗活動和解釋。這種關(guān)于認(rèn)識論的重要性的論證是如此重要以至于它的優(yōu)點需要進(jìn)一步詳細(xì)闡述。

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