韋斯林　吳靜　王祖浩

【摘要】近年來，計(jì)算機(jī)模型的廣泛運(yùn)用是國際科學(xué)教育的一個(gè)重要趨勢，相關(guān)研究十分繁榮。文章闡述了國外科學(xué)教育中計(jì)算機(jī)模型若干研究領(lǐng)域的新進(jìn)展，主要涉及基于計(jì)算機(jī)模型的學(xué)習(xí)研究、教學(xué)研究、評價(jià)研究以及教師研究等方面，在此基礎(chǔ)上提出對我國相關(guān)研究的啟示。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)模型；科學(xué)教育；研究進(jìn)展

【中圖分類號】G40-057

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【論文編號】1009-8097（2013）02-0120-07

一 計(jì)算機(jī)模型及其建模工具

模型是人們對客觀事物、現(xiàn)象、事件、過程或系統(tǒng)的簡約化、抽象化表征。計(jì)算機(jī)模型是以計(jì)算機(jī)為媒介，應(yīng)用特定的工具（程序、軟件、建模環(huán)境）可視化、簡約化地呈現(xiàn)數(shù)據(jù)、現(xiàn)象（尤其是對象的抽象成分、因果關(guān)系以及隨時(shí)間演變的復(fù)雜系統(tǒng)），從而描述、解釋、預(yù)測現(xiàn)象。圖1、圖2呈現(xiàn)的是兩個(gè)計(jì)算機(jī)模型實(shí)例?！袄硐霘怏w”是由美國西北大學(xué)Uri Wilensky教授開發(fā)的系列NetLogo模型之一，“光電效應(yīng)”是由美國科羅拉多大學(xué)PhET項(xiàng)目組開發(fā)的系列仿真實(shí)驗(yàn)之一。每個(gè)模型的界面包含現(xiàn)象、變量、控制、數(shù)據(jù)、符號等內(nèi)容。它們從宏觀、微觀、符號、圖形層面表征物質(zhì)的性質(zhì)、現(xiàn)象、變化。通過設(shè)置、改變計(jì)算機(jī)模型中的參數(shù)，可以觀測不同條件下的現(xiàn)象，從而把握、預(yù)測事物的性質(zhì)、變化規(guī)律。人們還可以根據(jù)需要，改編程序語言，修改模型。計(jì)算機(jī)模型可存儲于硬盤、光盤、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等介質(zhì)中，因而人們可以自由復(fù)制或下載。由于計(jì)算機(jī)模型相對于物理模型具有獨(dú)特的優(yōu)勢，近年來被廣泛運(yùn)用于科學(xué)研究、生產(chǎn)生活及學(xué)校教育中。

基于計(jì)算機(jī)建模的技術(shù)豐富多樣，包括數(shù)據(jù)庫、語義網(wǎng)絡(luò)、電子表格、專家系統(tǒng)、系統(tǒng)及種群動態(tài)工具、可教代理人和直接操作環(huán)境、可視化工具、超媒體、結(jié)構(gòu)化計(jì)算機(jī)會議等。不同領(lǐng)域、不同目的，建模的工具通常有所差別?？茖W(xué)教育中，計(jì)算機(jī)模型主要表現(xiàn)為可視化模型、仿真、動畫、系統(tǒng)、圖形、關(guān)系等形式，目前國外比較流行的建模工具（或環(huán)境）有eChem、Genetics Construction Kit、Model-It、NetLogo、PhET、Pedagogica，Stella，Thinker tool，Molecular Workbench、4M：Chem等，這些技術(shù)有各自的特點(diǎn)和側(cè)重。

二 科學(xué)教育中計(jì)算機(jī)模型研究若干課題

自上世紀(jì)90年代，國外學(xué)者廣泛運(yùn)用計(jì)算機(jī)模型于科學(xué)教育中，相關(guān)研究十分繁榮，主要涉及如下幾個(gè)方面：

1 基于計(jì)算機(jī)模型的學(xué)習(xí)研究

（1）計(jì)算機(jī)模型與多重表征

表征是學(xué)習(xí)的核心。Johnstone認(rèn)為，無論是物理、化學(xué)還是生物，都建立在三重表征之上，存在思維三角（圖3）；科學(xué)家可以暢行于三角之間，然而學(xué)生常常擱淺在宏觀一角，這造成了科學(xué)學(xué)習(xí)困難。計(jì)算機(jī)模型充分整合宏觀、微觀、符號層面信息，呈現(xiàn)同一現(xiàn)象不同層面的表征以及不同表征之間的相互聯(lián)系、作用，從而有效促進(jìn)學(xué)生建構(gòu)事物的多重表征及其聯(lián)系。

Wu等以eChem為主要建模工具（圖4），在11年級化學(xué)課中開展教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在實(shí)施6個(gè)星期的研究后，學(xué)生的化學(xué)表征學(xué)習(xí)得以實(shí)質(zhì)性提高。絕大多數(shù)學(xué)生在宏觀、微觀水平能很好地掌握有關(guān)概念知識，深刻理解相關(guān)表征和化學(xué)概念；學(xué)生在表征轉(zhuǎn)換題目上的得分明顯高于其他題目，表明學(xué)生在不同的表征之間相互轉(zhuǎn)換的能力得到顯著提高；積極參與模型學(xué)習(xí)的學(xué)生花更多時(shí)間討論化學(xué)表征背后的相關(guān)概念，對物質(zhì)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、概念等相關(guān)知識的理解更精確，對化學(xué)表征的理解更深刻。Wu等強(qiáng)調(diào)，計(jì)算機(jī)模型對學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)具有累積性、長效性的影響。

Williamson研究表明，計(jì)算機(jī)動態(tài)模擬比靜態(tài)圖片更能提高學(xué)生對信息的深刻編碼，同時(shí)激活形象和語義雙重編碼，有助學(xué)生形成關(guān)于現(xiàn)象的動態(tài)心智模型；而僅觀察透視圖或粉筆繪制圖，學(xué)生難以建立對現(xiàn)象的充分理解以及形成物質(zhì)微粒性的心智表征，而僅僅停留在宏觀現(xiàn)象的認(rèn)識上。Snir等開發(fā)、實(shí)施了物質(zhì)微粒性計(jì)算機(jī)模型工具的教學(xué)研究。他們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對物質(zhì)的宏觀理解和微觀理解是相輔相成的，計(jì)算機(jī)模型工具能夠幫助中學(xué)生持久地內(nèi)化物質(zhì)的微粒觀，同時(shí)增強(qiáng)了對科學(xué)模型的理解。

Ardac和Akaygun對59名九年級學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生除了常規(guī)教學(xué)還接受基于媒體的教學(xué)，該教學(xué)突出強(qiáng)調(diào)宏觀、微觀和符號的同時(shí)三重表征。研究表明，媒體教學(xué)組學(xué)習(xí)成績明顯優(yōu)于常規(guī)組，他們更容易在分子層面表征物質(zhì)。隨后，Ardac和Akaygun比較了56名八年級學(xué)生關(guān)于化學(xué)變化三種教學(xué)條件下（動態(tài)一個(gè)體、動態(tài)一全班、靜態(tài)一全班）的學(xué)習(xí)效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，動態(tài)視覺表征組的成績顯著高于靜態(tài)視覺表征組，個(gè)體學(xué)生動態(tài)視覺學(xué)習(xí)組分子表征成績優(yōu)于以全班性動態(tài)視覺學(xué)習(xí)組和靜態(tài)一全班學(xué)習(xí)組。作者建議，當(dāng)向?qū)W生呈現(xiàn)分子表征時(shí)，盡可能運(yùn)用動態(tài)視覺方式。

計(jì)算機(jī)模型之所以能促進(jìn)學(xué)習(xí)表征，Wu以“烷烴”表征為例，作如下解釋。學(xué)生在理解化學(xué)表征時(shí)，需要形成解釋、轉(zhuǎn)譯和心智轉(zhuǎn)換操作。由于化學(xué)表征既有形象性、又有抽象性特征，學(xué)生要建立對化學(xué)表征的充分理解、獲得表征技能需要具有牢固的概念化知識與視覺空間能力。根據(jù)Paivio（1991，1986）的“雙重編碼”理論，Wu提出了表征學(xué)習(xí)需要建立涉及可視化和概念化信息的三重基本認(rèn)知聯(lián)結(jié)（如圖5）：（a）外界所呈現(xiàn)的信息與個(gè)體內(nèi)部表征的信息之間建立表征聯(lián)結(jié)，如將“烷烴是一種碳?xì)浠衔?，它們只含單鍵”（外部刺激）與“如果碳原子數(shù)為n，那么氫原子數(shù)是2n+2”（個(gè)體言語表征）之間建立聯(lián)系（聯(lián)系1）；（b）外界所呈現(xiàn)的可視化信息與個(gè)體內(nèi)部表征的信息之間建立表征性聯(lián)系，如將（可視化刺激） 與烷烴的心智圖像（可視化表征）之間建立聯(lián)系（聯(lián)系2）；（c）可視化系統(tǒng)與概念化系統(tǒng)之間的對照聯(lián)結(jié)（聯(lián)系3）。在化學(xué)表征過程中，學(xué)生需要激活上述一個(gè)或多個(gè)聯(lián)結(jié)。例如，要將化學(xué)式轉(zhuǎn)譯為物質(zhì)結(jié)構(gòu)，學(xué)生需要提取有關(guān)可視化和概念化信息，激活化學(xué)鍵與分子形狀之間的聯(lián)結(jié)。計(jì)算機(jī)模型可以為學(xué)生充分提供可視化刺激，強(qiáng)化不同信息之間的相互聯(lián)結(jié)，增強(qiáng)學(xué)生的表征理解與轉(zhuǎn)換能力。

（2）計(jì)算機(jī)模型與概念學(xué)習(xí)

概念形成與發(fā)展是科學(xué)學(xué)習(xí)的重要組成部分。大量研究表明，計(jì)算機(jī)模型能有效促進(jìn)學(xué)生科學(xué)概念的理解，轉(zhuǎn)變錯(cuò)誤概念、模糊觀念。例如，Russell等運(yùn)用4M：CHEM在500名大學(xué)生中實(shí)施研究。該模型整合了宏觀現(xiàn)象、微粒運(yùn)動及有關(guān)圖形、圖表、化學(xué)符號、方程式等內(nèi)容。結(jié)果顯示，學(xué)生在后測中化學(xué)成績顯著提高；56%的學(xué)生（前測中則只有32%）能對科學(xué)概念（“化學(xué)平衡體系”）進(jìn)行準(zhǔn)確的描述和定義；學(xué)生在錯(cuò)誤概念題上的得分從前測的0.5減少到后測的0.2。Ozmen等整合了計(jì)算機(jī)微觀動畫模擬與概念轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)材料，研究它們對學(xué)生化學(xué)鍵模糊概念矯正的影響。他們總共設(shè)計(jì)了16個(gè)計(jì)算機(jī)模型和7份概念轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)材料，在11年級展開準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在化學(xué)鍵概念后測中實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的成績顯著高于控制組，而前測中兩者沒有顯著差異。Ozmen等指出，整合計(jì)算機(jī)模型與概念轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)材料的教學(xué)方法，能有效促進(jìn)學(xué)生對化學(xué)概念的理解和模糊觀念的矯正。

Vosniadout從心智模型視角解釋了計(jì)算機(jī)模型促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變的內(nèi)在機(jī)制。形成心智模型是人類認(rèn)知的最基本特征，人類通過建構(gòu)心智模型來認(rèn)識、理解世界。心智模型對概念發(fā)展和轉(zhuǎn)變具有重要意義，強(qiáng)烈、實(shí)質(zhì)性的概念轉(zhuǎn)變需要心智模型的根本重構(gòu)。心智模型的轉(zhuǎn)變是學(xué)生科學(xué)概念轉(zhuǎn)變3種主要形式之一。心智模型（內(nèi)部模型，即人頭腦中的模型）和外部模型（物質(zhì)世界中的模型）之間是動態(tài)、相輔相成的關(guān)系。心智模型是外部模型的基礎(chǔ)，外部模型反過來制約、規(guī)定心智模型，提供概念轉(zhuǎn)變的意義。計(jì)算機(jī)模型可以使學(xué)生的心智模型與外部模型發(fā)生耦合。一方面，計(jì)算機(jī)模型幫助學(xué)生連接現(xiàn)象與模型，內(nèi)化、建構(gòu)、精致或重構(gòu)心智模型；另一方面，學(xué)生的心智模型可以通過計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行外化、表達(dá)；在雙向互動過程中，促進(jìn)概念的理解和轉(zhuǎn)變。

（3）計(jì)算機(jī)模型與建模學(xué)習(xí)

近年來，越來越多學(xué)者意識到模型與建模對學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)的重要意義，各國現(xiàn)行科學(xué)教育（課程）標(biāo)準(zhǔn)突出強(qiáng)調(diào)學(xué)生對科學(xué)模型的理解和運(yùn)用。與此同時(shí)，大量研究證實(shí)基于計(jì)算機(jī)模型的學(xué)習(xí)和教學(xué)能有效發(fā)展學(xué)生模型理解與建模技能。例如，F(xiàn)retz等研究發(fā)現(xiàn)，建模工具（Model-It）作為支架能有效支持學(xué)生完成絕大多數(shù)建模活動，促進(jìn)建模技能的發(fā)展。Snir、Smith和Raz開發(fā)了物質(zhì)微粒性計(jì)算機(jī)模型，該模型包含了4個(gè)窗口：（a）化學(xué)實(shí)驗(yàn)，即實(shí)驗(yàn)?zāi)M，提供宏觀現(xiàn)象；（b）問題與思考，設(shè)計(jì)一些問題要求學(xué)生回答，旨在引發(fā)學(xué)生對宏觀現(xiàn)象的思考；（c）模型，提供不同模型，它們分別從不同視角解釋同一現(xiàn)象，學(xué)生可以比較、選擇自己更為滿意的微觀解釋模型；（d）模型探索，允許學(xué)生用所選擇的具體模型來探索現(xiàn)象，檢驗(yàn)自己的想法與假設(shè)。該研究表明，這些計(jì)算機(jī)模型不僅幫助學(xué)生內(nèi)化物質(zhì)微粒性假設(shè)，同時(shí)幫助學(xué)生建立“一個(gè)好的模型可以在更大范圍上解釋事實(shí)，而非僅展示某個(gè)現(xiàn)象”的認(rèn)識論觀點(diǎn)。Sins等進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對計(jì)算機(jī)模型、建模的認(rèn)識論理解（即模型的性質(zhì)、模型的目的、建模過程以及模型的評估）與思維深加工具有顯著正相關(guān)，而與思維淺加工顯著負(fù)相關(guān)。

Taylor認(rèn)為計(jì)算機(jī)運(yùn)用于教育主要有兩種模式：指導(dǎo)一訓(xùn)練模式、工具一探究模式；前者是計(jì)算機(jī)控制教學(xué)內(nèi)容，計(jì)算機(jī)用來呈現(xiàn)有關(guān)事實(shí)信息、訓(xùn)練學(xué)生；后者是學(xué)生控制學(xué)習(xí)環(huán)境、內(nèi)容，計(jì)算機(jī)作為一種工具讓學(xué)生探究計(jì)算機(jī)屏幕上所展現(xiàn)的世界。計(jì)算機(jī)建模環(huán)境偏向后者，可以充分給學(xué)生提供機(jī)會探究模型工具上所展現(xiàn)的現(xiàn)象、特征以及背后所隱含的科學(xué)模型與概念，更重要的是理解科學(xué)模型的本質(zhì)以及訓(xùn)練建模的基本技能。

（4）計(jì)算機(jī)模型與科學(xué)探究

Geban等通過對200名九年級學(xué)生長達(dá)9周的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)基于計(jì)算機(jī)的仿真實(shí)驗(yàn)及問題解決活動能顯著提高學(xué)生的科學(xué)過程技能。de Jong和van Joolingen在大量文獻(xiàn)研究基礎(chǔ)上歸納出計(jì)算機(jī)模型能有效支持學(xué)生科學(xué)探究的5個(gè)方面：（a）提供科學(xué)探究所必需的學(xué)科背景知識；（b）支持猜想與假設(shè)的形成；（c）支持實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；（d）支持作出預(yù)測；（e）支持自我調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)過程。Quintana等建構(gòu)了支持科學(xué)探究活動的計(jì)算機(jī)模型支架性設(shè)計(jì)框架，該框架圍繞科學(xué)探究過程的三個(gè)成分展開（即意義建構(gòu)、過程管理、表達(dá)與反思），包含了模型任務(wù)、障礙、支架原則與策略、建模工具樣例等要素。實(shí)踐證明，該框架為如何運(yùn)用計(jì)算機(jī)建模軟件作為腳手架支持學(xué)習(xí)者科學(xué)探究活動提供了理論基礎(chǔ)和方法論依據(jù)。不少學(xué)者研究了基于計(jì)算機(jī)模型（仿真）探究活動中學(xué)生的學(xué)習(xí)特征、影響因素。Lazonder等對55名大學(xué)新生進(jìn)行基于計(jì)算機(jī)仿真科學(xué)探究活動的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，對于前知識較為缺乏的學(xué)生，在探究活動之前及之中提供相關(guān)學(xué)科知識信息，有助于學(xué)生進(jìn)行科學(xué)推理和科學(xué)知識的獲得。Mulder等比較了基于計(jì)算機(jī)模型的探究性學(xué)習(xí)環(huán)境下兩類建模進(jìn)程，即模型序列進(jìn)程（即一開始呈現(xiàn)理想模型，包含所有變量，變量關(guān)系逐漸深化，學(xué)生逐步建構(gòu)完整、特殊模型）、模型精致進(jìn)程（即隨著建模進(jìn)程逐個(gè)增加變量，學(xué)生從簡單到復(fù)雜、低級到高級、單一到綜合進(jìn)行建模）。結(jié)果表明，計(jì)算機(jī)模型探究性學(xué)習(xí)環(huán)境下，模型進(jìn)程方式有助于學(xué)生任務(wù)的完成、提高探究技能，其中模型序列進(jìn)程優(yōu)勢更明顯。可見，基于計(jì)算機(jī)模型的探究活動有助于學(xué)生獲得科學(xué)知識、提高探究技能、發(fā)展科學(xué)過程與方法。

（5）計(jì)算機(jī)模型與認(rèn)知發(fā)展

Ogbors提出，相當(dāng)一部分人在邏輯、數(shù)學(xué)、抽象思維等方面十分欠缺，而計(jì)算機(jī)在某種程度上可以促進(jìn)這些高級認(rèn)知技能的發(fā)展。他以WordMake、LinkIt為主要工具，進(jìn)一步證實(shí)了計(jì)算機(jī)模型有助于發(fā)展學(xué)生的定性推理（即利用對物體、事件的想象進(jìn)行推理）、半定量推理能力。Pallant和Tinker以計(jì)算機(jī)建模環(huán)境Molecular Workbench和Pedagogica中的分子運(yùn)動模型為主要工具研究學(xué)生微觀水平的推理。研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生通過探究分子運(yùn)動水平上的物質(zhì)模型，可以較好地建構(gòu)物質(zhì)狀態(tài)心智模型，精確地再現(xiàn)不同狀態(tài)下物質(zhì)微粒的排列情況，并進(jìn)行原子間相互作用思維推理。Sins等研究揭示，計(jì)算機(jī)模型環(huán)境下學(xué)生要完成較為復(fù)雜的任務(wù)，需要進(jìn)行深度認(rèn)知活動，如建立觀點(diǎn)之間的聯(lián)系、尋找規(guī)律和原則、整合新信息與先前知識經(jīng)驗(yàn)等，從而發(fā)展深刻思維加工能力。

2 基于計(jì)算機(jī)模型的教學(xué)研究

計(jì)算機(jī)模型在教學(xué)中的應(yīng)用十分廣泛，相關(guān)研究文獻(xiàn)也相當(dāng)豐富。Stieff以ConnectedChemistry為例，總結(jié)出計(jì)算機(jī)模型在化學(xué)課堂中的幾種應(yīng)用方式：（a）作為可視化工具用于教師演示和討論；（b）作為實(shí)驗(yàn)仿真讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；（c）作為反饋工具，用于家庭作業(yè)，讓學(xué)生自學(xué)和問題解決；（d）模型修改、建?；顒印hET項(xiàng)目組所開發(fā)的仿真科學(xué)實(shí)驗(yàn)大量運(yùn)用于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、家庭作業(yè)、可視化輔助、小組活動及演示中。Khan以化學(xué)平衡為例，提出了基于模型教學(xué)的五個(gè)原理：（a）基于已有心智模型對化學(xué)平衡作出預(yù)測：（b）在兩個(gè)變量間建立關(guān)系；（c）提供背后機(jī)理的解釋；（d）運(yùn)用類比支持關(guān)于模型的解釋；（e）評估初始模型；（f）修改模型。price等運(yùn)用計(jì)算機(jī)模型于學(xué)生討論活動，從“交際法”、“基于模型的共同建構(gòu)法”兩種理論視角提出了系列教學(xué)策略：現(xiàn)象觀察-計(jì)算機(jī)仿真-極端案例-狀態(tài)圖形。每一策略包含若干“驅(qū)動”方式，如計(jì)算機(jī)仿真涉及向?qū)W生介紹計(jì)算機(jī)模型所代表的意義、使學(xué)生專注于計(jì)算機(jī)模型（如情境化、預(yù)測、強(qiáng)調(diào)、批判）。研究發(fā)現(xiàn)討論和仿真的協(xié)同作用能提升學(xué)生的參與、促進(jìn)理解以及思維推理。此外，Ozmen實(shí)證了計(jì)算機(jī)模型與概念轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)材料相互整合的教學(xué)方法；Liu強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)模型與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)形式比單一教學(xué)（計(jì)算機(jī)模型或?qū)嶒?yàn)）更有效。Wei、Liu提出了基于計(jì)算機(jī)模型的形成性評價(jià)教學(xué)策略。

3 基于計(jì)算機(jī)模型的評價(jià)研究

隨著計(jì)算機(jī)模型廣泛運(yùn)用于科學(xué)教學(xué)中，如何測量、評價(jià)學(xué)生基于計(jì)算機(jī)模型的學(xué)習(xí)效果則顯得十分必要，然而目前這方面的研究較為欠缺。本文第一作者曾以Rasch測量理論為指導(dǎo)，開發(fā)了基于NetLogo模型的物質(zhì)概念理解測驗(yàn)量表，包含3個(gè)理解水平，由15道選擇題、3道開放題組成，這些題目針對作者基于NetLogo設(shè)計(jì)的“化學(xué)反應(yīng)”模型。例如，“程序界面右側(cè)的圖形中，曲線的變化意味著_____。A.物理變化B.化學(xué)變化C.溫度變化”（選擇題）、“請用相應(yīng)的文字及圖畫描述本活動中所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)”（開放題）。學(xué)生先用10～15分鐘操作計(jì)算機(jī)模型，然后獨(dú)立回答問題，測試數(shù)據(jù)運(yùn)用Rasch模型進(jìn)行建模和分析。Liu等開發(fā)了10套計(jì)算機(jī)模型形成性評價(jià)量表，每個(gè)量表涉及三個(gè)維度（物質(zhì)、能量、模型），包含24道等級選擇題（即備選項(xiàng)高低不同的理解水平而非對錯(cuò)）、1道開放題。研究結(jié)果顯示，這些量表具有良好的信效度，能有效揭示學(xué)生基于計(jì)算機(jī)模型的學(xué)習(xí)特征與發(fā)展規(guī)律。

4 基于計(jì)算機(jī)模型的教師研究

Stylianidou等曾對8位科學(xué)教師進(jìn)行個(gè)案研究，發(fā)現(xiàn)教師還不能充分、自覺地運(yùn)用信息工具于教學(xué)中，但他們面臨的這些壓力正日益增加；制約教師順利實(shí)施教學(xué)改革的因素是多方面的，其中認(rèn)識因素很重要；教師越是能充分意識到計(jì)算機(jī)建模在具體實(shí)施中以何種方式變革課程以及不同的因素如何影響教師的轉(zhuǎn)變，他們就越能選擇實(shí)施新的想法。Valanides等研究顯示，小學(xué)職前教師進(jìn)行基于計(jì)算機(jī)模型的學(xué)習(xí)與教學(xué)之后，能夠十分清晰地認(rèn)識到科學(xué)模型對科學(xué)教與學(xué)的重要意義，能正確建構(gòu)科學(xué)模型，并積極利用它們作為教學(xué)支架應(yīng)用于教學(xué)設(shè)計(jì)中；而在此之前，這些教師完全忽視了模型和建模在科學(xué)教學(xué)與學(xué)習(xí)中的作用；然而他們?nèi)孕枰獜V泛學(xué)習(xí)以充分理解科學(xué)模型的建構(gòu)過程。盡管教師意識到計(jì)算機(jī)模型對學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)的作用，但他們關(guān)于模型、建模、計(jì)算機(jī)模型、教學(xué)法（PCK）以及技術(shù)的使用知識仍十分缺乏，這直接影響著計(jì)算機(jī)模型的教學(xué)成效；而教師這些方面的發(fā)展較為復(fù)雜和非線性，僅僅接觸、意向是不夠的，教師需要更多的體驗(yàn)、練習(xí)以及更深入地實(shí)踐與反思。

三 啟示

當(dāng)今世界，科技飛速發(fā)展，現(xiàn)代信息技術(shù)正猛烈沖擊、深刻變革著教育領(lǐng)域，成為人們獲取和運(yùn)用知識的重要途徑。計(jì)算機(jī)模型與建模具有獨(dú)特的教育意義，開辟了信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)整合的新范式，勢將成為教育領(lǐng)域的一個(gè)重要趨勢。中國這些方面的研究與實(shí)踐仍顯得相對滯后?，F(xiàn)有文獻(xiàn)仍主要集中在對國外計(jì)算機(jī)建模工具的介紹與評析，少有研究深入探討這些計(jì)算機(jī)模型如何與學(xué)科教學(xué)整合以及該學(xué)習(xí)環(huán)境下多種教學(xué)要素的特質(zhì)與規(guī)律。適合我國科學(xué)教學(xué)的計(jì)算機(jī)模型開發(fā)的討論也并不多見。曾有機(jī)構(gòu)開發(fā)了少數(shù)中學(xué)科學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)，但并未得以充分推廣、普及。無疑，國外先進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)對我國相關(guān)領(lǐng)域研究具有重要啟示。

1 計(jì)算機(jī)模型的設(shè)計(jì)應(yīng)基于一定的理論與實(shí)證研究

D.H.喬納森論及技術(shù)與學(xué)習(xí)的關(guān)系時(shí)強(qiáng)調(diào)，學(xué)習(xí)者不是從技術(shù)中獲得知識，而是從思考中學(xué)習(xí)；應(yīng)該將技術(shù)作為一種能夠幫助學(xué)習(xí)者闡釋和重組個(gè)人知識的思維工具，利用技術(shù)來幫助學(xué)習(xí)者更為有效的思考；教育者與其費(fèi)盡心思分析如何讓技術(shù)教得更好，不如考慮學(xué)生如何思考才能獲得更富有意義的學(xué)習(xí)。因而，在開發(fā)、運(yùn)用計(jì)算機(jī)模型時(shí)，應(yīng)當(dāng)把學(xué)生如何學(xué)習(xí)作為根本出發(fā)點(diǎn)和依據(jù)。本文述及的計(jì)算機(jī)模型及其相關(guān)研究，大都基于一定的學(xué)習(xí)、心理理論，如表征、概念形成與轉(zhuǎn)變、心智模型、認(rèn)知加工等。此外，要使計(jì)算機(jī)模型最大限度幫助學(xué)生學(xué)習(xí)，需要基于大量的實(shí)證研究。例如，PhET項(xiàng)目組建立了基于研究的設(shè)計(jì)思路，通過反復(fù)實(shí)踐、評價(jià)、反饋、改進(jìn)，使得仿真實(shí)驗(yàn)最大程度上達(dá)到課堂教學(xué)需求、體現(xiàn)教學(xué)價(jià)值。

2 開發(fā)優(yōu)質(zhì)的計(jì)算機(jī)模型需要多個(gè)領(lǐng)域?qū)＜业膮⑴c

事實(shí)上，一個(gè)完美的計(jì)算機(jī)模型是多種智慧的集合體，包括學(xué)科知識、學(xué)習(xí)科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、藝術(shù)、教學(xué)論等?？v觀現(xiàn)今較為流行的計(jì)算機(jī)建模工具、平臺或環(huán)境，其團(tuán)隊(duì)成員常常來自不同領(lǐng)域。例如NetLogo項(xiàng)目組包括課程開發(fā)者、認(rèn)知科學(xué)家、學(xué)習(xí)與教學(xué)設(shè)計(jì)專家、程序員、學(xué)科人員、中小學(xué)教師、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)員、管理者等。不同領(lǐng)域人員可以從各個(gè)角度對計(jì)算機(jī)模型的設(shè)計(jì)、運(yùn)用提供專業(yè)化支持，從而保證其科學(xué)、合理、美觀、實(shí)效等。

3 教學(xué)中計(jì)算機(jī)模型的運(yùn)用要注重適切性、實(shí)效性

計(jì)算機(jī)模型設(shè)計(jì)者往往基于不同的目的、立場進(jìn)行設(shè)計(jì)，然而教學(xué)實(shí)際總是豐富多樣甚至迥然不同的，體現(xiàn)在課程標(biāo)準(zhǔn)、教材內(nèi)容、學(xué)生思維特點(diǎn)與水平、學(xué)習(xí)環(huán)境、教學(xué)條件等方面。因此，教師需要篩選、二次加工或者根據(jù)教學(xué)實(shí)際進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。有些現(xiàn)成的模型過于復(fù)雜、綜合，教師要根據(jù)學(xué)生認(rèn)知水平或教學(xué)需要把握好計(jì)算機(jī)模型的難度。一些建模工具會提供程序代碼（如NetLogo、PhET），可以通過改編程序修改模型。由于計(jì)算機(jī)模型在我國起步較晚，現(xiàn)行大多數(shù)模型都是英文界面，如果要用于我國課堂中，需要進(jìn)行翻譯或者向?qū)W生提供中英文對照輔助材料。

4 有效實(shí)施計(jì)算機(jī)模型教學(xué)離不開多種支持性條件

計(jì)算機(jī)模型需要在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，研究表明學(xué)生單機(jī)操作比全班性操作更有效。無疑，充足的計(jì)算機(jī)資源是最基本的前提條件。由于教學(xué)的復(fù)雜性、學(xué)生理解的多樣性，需要具備足夠的計(jì)算機(jī)模型資源供師生選擇、使用，從而幫助不同學(xué)生、從不同角度加以理解、探索。教師關(guān)于模型與建模理解的不足或錯(cuò)誤觀念以及教學(xué)法知識、計(jì)算機(jī)技術(shù)的缺乏是制約計(jì)算機(jī)模型教學(xué)成效的重要因素。因此有必要對教師進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的培訓(xùn)。我國目前應(yīng)試教育思想仍廣泛存在的情形下，由于計(jì)算機(jī)模型并非“考點(diǎn)”，教學(xué)中是否實(shí)施讓一些師生很“糾結(jié)”。因此提高教師的認(rèn)識十分重要。事實(shí)上，已有研究表明，基于研究的實(shí)踐常能讓教師不斷反思和改進(jìn)，一旦他們明白了改革對于他們的實(shí)踐以及自身轉(zhuǎn)變的意義時(shí)，就容易選擇嘗試新的舉措。

編輯：小西