基于NetLogo模型庫的中學科學仿真實驗教學研究*

崔雪梅 黃宇林 韓今花 吳東旭

（1.延邊大學 師范學院，吉林 延吉 133000；2.延邊大學 理學院，吉林 延吉 133000；3.延吉市第十中學，吉林 延吉 133000；4.延邊第一中學，吉林 延吉 133000）

一、引言

為了適應社會發(fā)展對人才培養(yǎng)的需求，中學《科學》課程立足學生核心素養(yǎng)的發(fā)展，將學生核心素養(yǎng)確定為科學觀念、科學思維、探究實踐、態(tài)度責任四個方面。其中，探究實踐旨在了解和探索自然、獲得科學知識、解決科學問題以及技術與工程實踐過程中形成科學探究能力、技術與工程實踐能力和自主學習能力。[1]讓學生掌握了解和探索自然的方法，成為培養(yǎng)學生探究實踐能力的重要前提。

隨著計算機軟件開發(fā)的發(fā)展，基于計算機軟件開展探究活動備受關注。近年來，通過計算機軟件開展科學仿真實驗，支持學生提出問題、建立科學模型、探究科學問題，發(fā)展學生的探究實踐能力受到了越來越多教育研究者與實踐者的關注[2-9]。NetLogo 作為一款適合開展中學科學仿真實驗的免費軟件，其中內含豐富的模型庫，可為教學提供便捷的科學仿真實驗平臺，在一線教學中有著較為廣泛的應用。

二、NetLogo 科學仿真平臺的功能及其教學應用優(yōu)勢

NetLogo 是免費的開源軟件，是一種用于模擬復雜現(xiàn)象的多主體建模仿真開發(fā)環(huán)境，是用來對自然現(xiàn)象和社會現(xiàn)象進行仿真的可編程工具，通過對多個個體相互作用的模擬，可以涌現(xiàn)出許多復雜現(xiàn)象。例如：蟻群鳥群、生態(tài)系統(tǒng)、病毒傳播、社會暴動、交通仿真等。通過模型仿真，還可以幫助我們在現(xiàn)實世界中做決策。[10]NetLogo 不僅能呈現(xiàn)數(shù)百數(shù)千個獨立個體的行為，而且還能分析部分個體的行為和個體間相互的聯(lián)系，因此，有利于自然現(xiàn)象和社會現(xiàn)象的仿真。NetLogo 軟件上方有“界面”“信息”“代碼”三個標簽。其中“界面”標簽是運行程序時所呈現(xiàn)的畫面，用戶可在其中添加按鈕、進行設置；“信息”標簽里呈現(xiàn)相關程序的說明，有利于程序使用者盡快了解相應程序的功能；“代碼”標簽里呈現(xiàn)程序的代碼，供用戶編寫程序、修改界面?！敖缑妗睒撕炏轮饕ā耙晥D”（以圖形化的形式輸出模型運行結果）、“編輯”(如添加按鈕、滑塊、開關、選擇器、輸入框、監(jiān)視器、圖、輸出區(qū)及注釋控件，可用于調整模型參數(shù))、“輸出”（可輸出模型相應的文本信息）等區(qū)域。

在技術操作層面，NetLogo 軟件應用于中學《科學》課程的探究實踐活動，有如下優(yōu)勢：

第一，NetLogo 軟件的視圖區(qū)中可實時觀察目標對象的行為，有助于學生觀察現(xiàn)象發(fā)生的動態(tài)過程，思考現(xiàn)象發(fā)展的規(guī)律，建立物理模型。

第二，NetLogo 軟件提供的監(jiān)視器、圖、輸出區(qū)等按鈕可提供現(xiàn)象相關的數(shù)據(jù)表征、圖形表征，多角度呈現(xiàn)因變量和自變量的關系，有助于學生定量分析現(xiàn)象背后的規(guī)律，建立真實問題的數(shù)學模型。

第三，NetLogo 軟件通過滑塊和輸入框等按鈕控制多個變量，便于有針對性地控制仿真系統(tǒng)，具有較強的交互性。

為了便于用戶有效利用NetLogo 平臺，軟件還提供了豐富的“模型庫（Model Library）”。模型庫是分學科組織的，包含的學科有：藝術、生物學、化學與物理學、計算機科學、地球科學、游戲、數(shù)學、網(wǎng)絡、哲學、心理學、社會科學、系統(tǒng)動力學等，目前包含200 多個模型，在不斷地向它添加新模型。模型庫的Sample Models 中有些文件夾下包含“（unverified）”的子文件夾，這些模型是完整的，功能相對齊全的。

教師在教學過程中可以通過NetLogo 平臺促進學生更好觀察實驗現(xiàn)象、研究實驗問題，培養(yǎng)學生的實驗操作能力以及自主設計、自行開發(fā)實驗的能力。比如，在牛頓第一定律的學習中，通過科學仿真讓學生真實感受到物體在沒有受到力的作用時，根據(jù)初始狀態(tài)的不同，保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)（可以用圖顯示實時速度）；也可以通過物體的分子熱運動和溫度的科學仿真，讓學生認識到微觀層面的物體分子熱運動劇烈程度和宏觀層面的溫度是相關聯(lián)的，可以培養(yǎng)學生從微觀和宏觀的角度分析問題的能力。NetLogo 軟件對呈現(xiàn)自然現(xiàn)象，分析數(shù)據(jù)、建立模型有較大的優(yōu)勢，并且編程語言與人類語言相近，有利于學生掌握編程語言，自行開發(fā)仿真實驗。

三、選擇NetLogo模型庫支持中學《科學》仿真實驗

NetLogo 軟件模型庫包括六個類型：樣本模型（Sample Models）、課程模型（Curricular Models）、代碼示例（Code Examples）、HubNet 活 動（HubNet Activities）、IABM 教科書（IABM Textbook）、替代可視化（Alternative Visualizations）。模型庫里的所有程序有自帶代碼，用戶可以根據(jù)模型庫里的程序學習如何編寫NetLogo 代碼。

在中學科學及相關課程教學中，可借助樣本模型提供的案例，開展科學仿真實驗，待學生掌握編程方法后，進一步拓展模型庫案例或自行編寫NetLogo 程序，實現(xiàn)所需的仿真效果。適合中學科學仿真實驗的模型庫有以下幾種：

1.病毒（virus）模型

模型基于生態(tài)生物學家Yorke等[11]提出的一些可能影響直接傳播的病毒在人群中存活的因素，模擬了病毒在人群中的傳播和延續(xù)情況。

模型中人們在世界上以三種狀態(tài)中的一種隨機移動：健康但易受感染（綠色）、已感染（紅色）、健康并具有免疫（灰色），人們可能死于感染或年老。當人口下降到環(huán)境的“承載能力”（本模型中設定為300）以下時，健康人可能會生育健康（但易受影響）的后代。

三個輸出監(jiān)視器顯示受感染人口的百分比、免疫的百分比以及過去的時間（以年為單位），以不同的顏色顯示易感、感染和免疫人群的數(shù)量，還以藍色顯示總人口中的個體數(shù)量。

例如，為了讓學生更好地了解新冠肺炎病毒的傳播方式與速度，更好地做好防控工作，教師可以利用Net-Logo 的病毒（virus）模型進行新冠病毒傳播模型的建構，探究新冠病毒傳播的病理機制與特點，不但有助于學生理解病毒傳播機理的相關知識，也有助于培養(yǎng)學生的社會責任意識——關注現(xiàn)實問題并對其進行深入的研究，培養(yǎng)解決問題的能力。

2.狼和羊的捕食（Wolf Sheep Predation）模型

模型探討了捕食—被捕食生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如果這種系統(tǒng)傾向于導致一個或多個物種滅絕，則稱為不穩(wěn)定系統(tǒng)。相反，如果一個系統(tǒng)傾向于在一段時間內保持自身穩(wěn)定，那么它是穩(wěn)定的。該模型有“羊—狼”版本和“羊—狼—草地”版本。

在“羊—狼”版本中，狼和羊在景觀中隨機游蕩，而狼則尋找羊來捕食。每一步都消耗狼的能量，它們必須依靠吃羊來補充能量，當它們耗盡能量時，它們就會死亡。為了讓種群繼續(xù)生存，每只狼或羊在每一個時刻（tick）都有一個固定的繁殖率。在這種變化中，將草建模為“無限”，這樣羊總是有足夠的食物，而沒有明確建模草的食用或生長。因此，羊不會通過進食或移動獲得或失去能量。這種變異產(chǎn)生了有趣的種群動態(tài)，但最終是不穩(wěn)定的。該模型的這種變化特別適合于營養(yǎng)豐富的環(huán)境中的相互作用物種。

在“羊—狼—草”版本，除了狼和羊之外，還明確地模擬了草（綠色）。狼的行為與“羊—狼”版本相同，但在“羊—狼—草”版本中羊必須吃草以保持能量，當能量耗盡時，它們就會死亡。一旦草被吃掉，它只會在一段固定的時間后再生。這種變化比第一種更復雜，但通常是穩(wěn)定的，提供了更現(xiàn)實的結果。

模型通過按鈕可設置初始狀態(tài)的羊和狼的數(shù)量、草的再生時間、羊吃草后獲得的能量、狼吃羊后獲得的能量、羊的生育率、狼的生育率；監(jiān)視器顯示羊的數(shù)量、狼的數(shù)量和草的數(shù)量；圖中顯示羊的數(shù)量、狼的數(shù)量和草的數(shù)量隨時間的變化情況。

借助該模型，中學生可以探究如下問題：羊和狼的生育率對生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有什么影響？羊（或狼）的生育率越高，那么種群的數(shù)量會更多嗎？可以讓學生基于已有知識進行猜想與假設，并說明其理由。充分收集學生的猜想和假設后，可以利用NetLogo 程序展現(xiàn)不同情況下羊和狼的數(shù)量變化情況，進而認識到種群的生育率、食物的生長率等因素對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的影響。

3.滲透壓（Osmotic Pressure）模型

滲透壓通常定義為使溶劑通過半透膜達到平衡所需的壓力量，該模型試圖描述溶液顆粒穿過半透膜的運動，并說明滲透壓的依數(shù)性。作為一種依數(shù)性質，滲透壓的變化與溶質顆粒的數(shù)量成正比，而與顆粒的特性無關。通過對不同類型和數(shù)量的溶質顆粒的實驗，可以在該模型中探索滲透壓的依數(shù)性質。

在這個模型中，藍色斑塊代表一個被半透膜（紅色方塊）分隔的容器，半透膜是一個物理的多孔屏障，將兩種溶液隔開，允許一些顆粒通過，但不允許其他顆粒通過。藍色圓圈表示可以自由通過膜的溶劑分子（在該模型中為水），在設置時會產(chǎn)生1000 個這些溶劑分子并隨機分布在整個容器中。白色圓圈表示添加的溶質顆粒，由滑塊限定的溶質量被放置在膜的一側。如果溶質是離子化合物，它會分解成適當數(shù)量的離子；如果溶質是共價的，化合物就不會分解,溶質顆粒不能通過膜。

當模型運行時，粒子根據(jù)分子動力學理論通過容器移動，所有粒子沿直線移動，直到它們與另一個粒子、壁或膜碰撞（只有溶質粒子與膜碰撞）。粒子在彈性碰撞中再彼此相互碰撞，雖然溶劑分子（藍色圓圈表示的水）可以自由通過膜，但溶質顆粒（白色圓圈）僅限于其產(chǎn)生的一側。此外，在每一步中，溶劑分子有50%的機會“黏附”到占據(jù)同一斑塊的溶質分子上（溶質顆粒最多可容納五個溶劑分子）。在模型的每一步（tick），“黏滯”分子有2%的機會變?yōu)椴火?。在該模型中，每側的體積變化是通過膜的移動而發(fā)生。

模型中可嘗試添加不同的溶質，改變溶質顆粒的數(shù)量，讓學生探究能否使氯化鈉像糖一樣起作用？膜運動和溶質顆粒數(shù)量之間是否存在數(shù)學關系，這種關系是否取決于添加的溶質類型？為什么或為什么不？通過開展探究性的實踐活動，培養(yǎng)學生的科學思維能力、科學建模能力以及正確的科學態(tài)度。

4.氣候變化（Climate Change）模型

這是地球能量流動的模型，尤其是熱能。它將地球顯示為玫瑰色，行星表面用黑色條紋表示。在長條的上方有一個藍色的氛圍，頂部有一個黑色的空間。云和二氧化碳分子可以被添加到大氣中，二氧化碳分子代表阻止地球發(fā)射的紅外光的溫室氣體。云層阻擋太陽光線的射入或射出，影響地球的升溫或降溫。

黃色箭頭向下流動，代表陽光能量。一些陽光從云層反射，更多的陽光可以從地球表面反射。如果太陽光被地球吸收，它會變成一個紅點，代表熱能。每個點代表一個黃色陽光箭頭。紅點在地球周圍隨機移動，地球上紅點的數(shù)量和地球的溫度之間有一種關系，這是因為地球溫度隨著總熱能的增加而升高。

利用該模型可以探究一些影響地球溫度的其他因素。例如，添加植被斑塊，然后查看它們被人類占用時會發(fā)生什么。此外，也可以嘗試將可變反照率添加到模型中，而不是為整個地球添加一個值?？梢杂懈叻瓷渎实谋ê偷头瓷渎实暮Ｑ螅缓笤u估當冰川融化到海洋中時會發(fā)生什么。

通過這樣的科學仿真實驗，學生不僅可以將物理知識和地理知識相融合解決實際問題，還可以認識到人類的行為對氣候的影響，培養(yǎng)保護環(huán)境的意識和可持續(xù)發(fā)展的意識。

四、結語

科學仿真實驗不僅可以節(jié)省實驗成本，讓更多的學生參與實驗過程，也可以為學生提供安全的實驗條件，在當前物理、生物、化學、科學等課程教學中都有應用。本文主要探討了NetLogo 虛擬仿真平臺在中學《科學》課程中的教學應用，尤其是分析了NetLogo 中四個典型的科學實驗仿真模型的教學應用場景。

值得注意的是，無論選擇何種科學仿真實驗平臺用于教學，都要基于課程標準的要求，指向突破教學的重點難點問題，并對科學仿真實驗平臺的應用進行合理設計。2022 年4 月，國家教育部發(fā)布了新版中學《科學》課程標準，新版課程標準中對于《科學》課程在新時代所擔負的使命、教育教學改革目標、教育教學實踐提出了新的要求。更加注重培養(yǎng)學生的科學思維能力、科學探究能力和科學態(tài)度，對義務教育階段《科學》課程的核心素養(yǎng)進行了凝練，而這些素養(yǎng)的培養(yǎng)需要讓學生經(jīng)歷解決真實問題的過程。解決真實問題首先應該呈現(xiàn)自然現(xiàn)象，之后進一步探究現(xiàn)象背后的規(guī)律。在中學《科學》課程教學中運用NetLogo 軟件可有效開展跨學科實踐活動，進而落實學科核心素養(yǎng)目標。