摘 要：在現(xiàn)代科學(xué)教育中，交互式計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)操性實(shí)驗(yàn)是兩種重要的教學(xué)方法。已有研究未能充分闡釋這兩種方法的優(yōu)劣，也未能對(duì)二者進(jìn)行充分的比較。本文將二者作為科學(xué)教育的學(xué)習(xí)工具，在不同的學(xué)習(xí)地點(diǎn)（研究Ⅰ：學(xué)校；研究Ⅱ：科學(xué)中心的學(xué)生實(shí)驗(yàn)室）的學(xué)生間，從學(xué)科知識(shí)成績(jī)、情境興趣發(fā)展和認(rèn)知負(fù)荷方面進(jìn)行了比較研究。研究結(jié)果顯示，無(wú)論學(xué)習(xí)地點(diǎn)在哪，使用計(jì)算機(jī)模擬的學(xué)生比進(jìn)行實(shí)操性實(shí)驗(yàn)的學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷更高，但學(xué)習(xí)成功率也要高。與計(jì)算機(jī)模擬（特別是當(dāng)認(rèn)知和價(jià)值相關(guān)時(shí)）相比，實(shí)操性實(shí)驗(yàn)更能促進(jìn)情境興趣。研究認(rèn)為講授復(fù)雜的話題運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬可能更為適合。但其他相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)表明，使用一種教學(xué)方法可以彌補(bǔ)另一種教學(xué)方法的缺陷。綜合以上研究得出，最有效的方式是將這兩種方法結(jié)合起來(lái)，這有助于在校內(nèi)外學(xué)習(xí)環(huán)境中成功地進(jìn)行現(xiàn)代科學(xué)教育。

關(guān)鍵詞：科學(xué)教育；實(shí)操性實(shí)驗(yàn)；計(jì)算機(jī)模擬；學(xué)習(xí)；興趣

中圖分類號(hào)： G633.67 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-8502（2024）02-0104-25

譯者簡(jiǎn)介：華靜，華東理工大學(xué)外語(yǔ)學(xué)院副教授；朱子健，華東理工大學(xué)外語(yǔ)學(xué)院碩士研究生；陳香，華東理工大學(xué)外語(yǔ)學(xué)院碩士研究生；房傳修，上海理工大學(xué)外語(yǔ)學(xué)院碩士研究生。

一、引言

在科學(xué)教育領(lǐng)域，有許多話題（社會(huì)科學(xué)問(wèn)題）與社會(huì)高度相關(guān)，但是卻難以給學(xué)生講授。對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，掌握這些復(fù)雜的過(guò)程和概念是巨大的挑戰(zhàn)，在需要同時(shí)考慮好幾個(gè)概念時(shí)尤其困難，例如錯(cuò)綜復(fù)雜的氣候變化問(wèn)題。因此，科學(xué)教育中經(jīng)常運(yùn)用基于情境的方法以培養(yǎng)學(xué)生更加積極的科學(xué)態(tài)度，并為科學(xué)理解此類復(fù)雜話題打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[1]。將科學(xué)情境和應(yīng)用作為科學(xué)思想發(fā)展的起點(diǎn)（基于情境的教學(xué)方法）需要恰當(dāng)?shù)姆椒?。例如，在這種情況下，基于計(jì)算機(jī)的交互方式可能有助于全面促進(jìn)知識(shí)的獲取和理解。交互式計(jì)算機(jī)模擬（以下簡(jiǎn)稱為計(jì)算機(jī)模擬或模擬）正在成為科學(xué)教育中越來(lái)越重要的教學(xué)方法，它不僅是一種評(píng)估工具[2]，而且也被用于化學(xué)、生物或物理等學(xué)科的學(xué)習(xí)[3][4]。與簡(jiǎn)單的動(dòng)畫相比，計(jì)算機(jī)模擬允許學(xué)習(xí)者根據(jù)自己的想法改變既定參數(shù)，從而積極地與模擬場(chǎng)景互動(dòng)，隨后從系統(tǒng)中接受直接反饋。底層數(shù)學(xué)模型決定了計(jì)算機(jī)模擬如何對(duì)學(xué)習(xí)者的參數(shù)變化做出反應(yīng)，從而顯示了計(jì)算機(jī)模擬對(duì)過(guò)程和結(jié)果的影響[5][6]。計(jì)算機(jī)模擬提供了一個(gè)帶有確定參數(shù)的系統(tǒng)（自然或人工）或過(guò)程的模型[7]，在此條件下，學(xué)習(xí)者可以在人工學(xué)習(xí)環(huán)境中安全地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和模擬[8]。已有跡象表明，計(jì)算機(jī)模擬特別適合交流復(fù)雜問(wèn)題[9]，并且能夠提高整體的科學(xué)技能[10]。遺憾的是，作為學(xué)習(xí)工具，計(jì)算機(jī)模擬往往會(huì)導(dǎo)致高認(rèn)知負(fù)荷[11]，而且在某些情況下不能達(dá)到預(yù)期的學(xué)習(xí)效果[12][13]。引入計(jì)算機(jī)模擬需要更多時(shí)間，教育機(jī)構(gòu)缺乏專業(yè)知識(shí)、財(cái)力和物力，這些都是限制計(jì)算機(jī)模擬應(yīng)用于校內(nèi)外教育的原因[14]。此外，教育機(jī)構(gòu)無(wú)法持續(xù)提供或獲取適合各種主題的模擬。

相反，科學(xué)教育經(jīng)常運(yùn)用所謂的實(shí)操性實(shí)驗(yàn)作為教授科學(xué)過(guò)程和概念的方法[15-17]。學(xué)生們單獨(dú)或以小組形式研究一個(gè)科學(xué)問(wèn)題，提出自己的假設(shè)，用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證假設(shè)，并根據(jù)假設(shè)解釋結(jié)果。我們研究所使用的實(shí)驗(yàn)以理論和模型為基礎(chǔ)，這意味著，由于可用性、復(fù)雜性、潛在危險(xiǎn)、可及性或成本等原因，材料模型與所代表的事物至少有一個(gè)不同的特征。模型實(shí)驗(yàn)的一個(gè)例子是用蠟燭［模擬二氧化碳（CO2）產(chǎn)生］、水族箱（模擬大氣）、海水（實(shí)驗(yàn)變量）和蒸餾水（控制變量）模擬海洋酸化過(guò)程。模型實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)在于它通常能夠呈現(xiàn)一個(gè)變量對(duì)某個(gè)方面的影響［例如大氣中CO2濃度增加對(duì)海水酸堿值（pH值）的影響］，所以通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)苌鷦?dòng)展現(xiàn)基礎(chǔ)過(guò)程和概念[13]。然而，又因其往往無(wú)法以一種可理解的方式呈現(xiàn)多個(gè)變量[18]，模型實(shí)驗(yàn)在傳達(dá)復(fù)雜概念方面有所欠缺。此外，由于模型實(shí)驗(yàn)往往呈現(xiàn)的是過(guò)去的知識(shí)過(guò)程，它們往往無(wú)法充分反映當(dāng)前的問(wèn)題和研究。

因此，教育工作者是否應(yīng)該（尤其是在講授社會(huì)科學(xué)問(wèn)題等復(fù)雜的時(shí)事話題時(shí)）使用模擬替代傳統(tǒng)的實(shí)操性實(shí)驗(yàn)？計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)操性實(shí)驗(yàn)這兩種方法相比較起來(lái)，又有哪些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)？本文就復(fù)雜的海洋生態(tài)學(xué)問(wèn)題直接比較了實(shí)操性實(shí)驗(yàn)和交互式計(jì)算機(jī)模擬兩種教學(xué)方法，研究了這兩種方法對(duì)于中學(xué)生知識(shí)獲取、認(rèn)知負(fù)荷和情境興趣發(fā)展的影響。以下將描述這兩種方法在學(xué)科知識(shí)獲取、認(rèn)知負(fù)荷和情境興趣方面已經(jīng)取得的教育成效。

（一）學(xué)科知識(shí)

關(guān)于實(shí)操性實(shí)驗(yàn)或計(jì)算機(jī)模擬對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)的影響尚無(wú)定論。一方面，實(shí)證研究表明，計(jì)算機(jī)模擬提高了學(xué)生對(duì)現(xiàn)象觀察和研究的參與性，從而促進(jìn)了學(xué)生在科學(xué)上的概念轉(zhuǎn)變[4][19]。例如，帕克（Park）發(fā)現(xiàn)，學(xué)生們?cè)诶糜?jì)算機(jī)模擬學(xué)習(xí)物理概念后，可以用更合理的科學(xué)觀念預(yù)測(cè)、解釋某一科學(xué)現(xiàn)象[20]。幾項(xiàng)研究均指出，計(jì)算機(jī)模擬可能更加適用于學(xué)生對(duì)復(fù)雜科學(xué)過(guò)程的學(xué)習(xí)[9]。凱爾馬爾茨（Quellmalz）等人認(rèn)為，“模擬非常適合用于研究復(fù)雜系統(tǒng)模型中多個(gè)變量之間的相互作用（如生態(tài)系統(tǒng)、天氣系統(tǒng)、波浪相互作用），以及探索空間和因果關(guān)系的動(dòng)態(tài)相互作用的實(shí)驗(yàn)”[21]。就知識(shí)獲取而言，實(shí)驗(yàn)也是非常重要的[22]。實(shí)踐活動(dòng)可以更具體、更清晰地傳達(dá)抽象知識(shí)，因此通過(guò)實(shí)際操作，能夠提高學(xué)習(xí)成績(jī)并加深對(duì)科學(xué)概念的理解[23]，而且實(shí)踐活動(dòng)還可以提高學(xué)生解讀數(shù)據(jù)和批判思考的能力[24]。而哈蒂（Hattie）的研究則發(fā)現(xiàn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)能引起媒介效應(yīng)（d=0.42）[25]。

另一方面，實(shí)證研究也表明學(xué)生使用計(jì)算機(jī)模擬學(xué)習(xí)時(shí)會(huì)遇到多種認(rèn)知和元認(rèn)知困難[7][12][13][26]，這主要因?yàn)閺?fù)雜的計(jì)算機(jī)模擬會(huì)導(dǎo)致高認(rèn)知負(fù)荷[12]，尤其是因?yàn)閷W(xué)習(xí)缺乏互動(dòng)性，學(xué)生只能學(xué)到比較基本的知識(shí)內(nèi)容[6]。此外，哈蒂的元分析顯示，計(jì)算機(jī)模擬和模擬游戲?qū)W(xué)習(xí)成功率的提升效果甚微（d=0.33）[25]。由此可見(jiàn)，并非所有的研究者都認(rèn)為實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)習(xí)成績(jī)有積極的作用，學(xué)生經(jīng)常在系統(tǒng)性和策略性的工作中存在嚴(yán)重的問(wèn)題[7]。另外，在學(xué)校的實(shí)驗(yàn)往往會(huì)對(duì)已有的知識(shí)過(guò)程進(jìn)行重構(gòu)和簡(jiǎn)化，無(wú)法充分反映當(dāng)前的問(wèn)題和研究[18]。因此，一些具有現(xiàn)實(shí)意義的問(wèn)題無(wú)法得到研究和發(fā)展。

（二）認(rèn)知負(fù)荷

認(rèn)知負(fù)荷理論［見(jiàn)范梅里恩伯爾（Van Merri?nboer）和斯威勒（Sweller）的綜述］[27]認(rèn)為，只有當(dāng)學(xué)習(xí)者的工作記憶系統(tǒng)中（有限的）認(rèn)知負(fù)荷尚未過(guò)載時(shí)，才能有效學(xué)習(xí)。如果遇到非常困難的任務(wù)（高內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷），尤其是與不合適且過(guò)于復(fù)雜的教學(xué)設(shè)計(jì)（高外部認(rèn)知負(fù)荷）相結(jié)合時(shí)，認(rèn)知很容易超負(fù)荷，最終會(huì)導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不佳[28]。在多媒體學(xué)習(xí)環(huán)境（如計(jì)算機(jī)模擬）中，學(xué)習(xí)所需要的認(rèn)知心力往往很高[29][30]。在模擬中，學(xué)生必須同時(shí)考慮幾個(gè)方面，這要求學(xué)習(xí)者理解學(xué)習(xí)環(huán)境的非線性結(jié)構(gòu)，而這會(huì)“消耗”一定的認(rèn)知資源（高內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷）。對(duì)于已有知識(shí)較少的學(xué)習(xí)者，往往更難理解計(jì)算機(jī)模擬的復(fù)雜底層系統(tǒng)和過(guò)程[7][12]。更重要的是，如果鼓勵(lì)學(xué)習(xí)者操縱過(guò)多的變量，模擬可能會(huì)產(chǎn)生分散注意力的結(jié)果（如要求必須記住多個(gè)元素，或必須觀察屏幕上不同位置上的多個(gè)變化）[31]。特別是沒(méi)有指導(dǎo)/教學(xué)支持的模擬，往往會(huì)讓學(xué)習(xí)者迷失方向，從而造成額外的認(rèn)知負(fù)荷。這些模擬引起的高認(rèn)知需求往往會(huì)造成認(rèn)知超負(fù)荷[11]，導(dǎo)致學(xué)生難以理解內(nèi)容、學(xué)習(xí)成績(jī)不佳[28]。因此，幾項(xiàng)研究表明，計(jì)算機(jī)模擬學(xué)習(xí)的教學(xué)支持可以有效防止認(rèn)知超負(fù)荷[4][7][32]。從實(shí)踐活動(dòng)角度看，已有研究[33][34]表明，學(xué)生進(jìn)行動(dòng)手活動(dòng)時(shí)也可能會(huì)增加額外的認(rèn)知負(fù)荷。這可能是學(xué)生的實(shí)踐任務(wù)引起的，如閱讀說(shuō)明、操作設(shè)備和與小組同伴互動(dòng)。在某些情況下，額外負(fù)荷太高，可能會(huì)對(duì)學(xué)習(xí)結(jié)果產(chǎn)生負(fù)面影響。

（三）興趣

在教育研究領(lǐng)域中，興趣可以分為情境興趣和個(gè)人興趣[35]。個(gè)人興趣帶有一種相對(duì)永久的傾向性，關(guān)注對(duì)象、事件或想法，并涉及某些內(nèi)容[21]。情境興趣主要是由特定情境的環(huán)境刺激引起的，如新穎的活動(dòng)[36]。這兩種類型的興趣在三個(gè)方面都有一定的特征：情感方面、價(jià)值方面和認(rèn)知成分方面[37][38]。本文發(fā)現(xiàn)，情境興趣的認(rèn)知成分主要涉及個(gè)人需求，即提高與興趣對(duì)象相關(guān)的能力、知識(shí)和技能。因此，下文中涉及這些需求時(shí)，我們統(tǒng)稱為認(rèn)知成分。目前已有廣泛研究，將計(jì)算機(jī)模擬作為學(xué)習(xí)工具，以改變動(dòng)機(jī)和興趣。幾項(xiàng)研究觀察發(fā)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)模擬可以增加學(xué)生興趣[39]，并且可以激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)[4]。高水平互動(dòng)和控制學(xué)習(xí)環(huán)境都可以提高學(xué)生對(duì)主題的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。吸引人的學(xué)習(xí)環(huán)境，特別是校外學(xué)生實(shí)驗(yàn)室，據(jù)說(shuō)能激勵(lì)學(xué)生[40]。相比于對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)的研究，人們對(duì)實(shí)操性實(shí)驗(yàn)的關(guān)注較少，但現(xiàn)在人們也逐漸對(duì)這種實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生興趣[41]。

（四）已有的比較研究

雖然一些研究已經(jīng)直接比較了計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)操性實(shí)驗(yàn)，但并未明確闡明這兩種教學(xué)方法的優(yōu)劣。一些研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)有利于提升學(xué)習(xí)成績(jī)[42][43]，而另一些研究發(fā)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)模擬能改善學(xué)習(xí)效果[44-47]。例如，貝格爾（Berger）發(fā)現(xiàn)，相比于實(shí)操性實(shí)驗(yàn)，當(dāng)學(xué)生進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助物理實(shí)驗(yàn)時(shí)，往往動(dòng)力更強(qiáng)[48]。

反過(guò)來(lái)，其他研究也未能發(fā)現(xiàn)這兩種教學(xué)方法的任一方存在明顯的認(rèn)知優(yōu)勢(shì)[49-53]。例如，贊德勒（Zendler）和格雷納（Greiner）發(fā)現(xiàn)，在對(duì)比實(shí)操性實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)運(yùn)用于化學(xué)教學(xué)時(shí)，學(xué)生們對(duì)金屬反應(yīng)的學(xué)習(xí)在結(jié)果上沒(méi)有明顯的差異[54]。但有跡象表明，通過(guò)這些不同的方法，學(xué)生能更好地學(xué)習(xí)不同領(lǐng)域的知識(shí)。例如，近期研究表明，學(xué)生進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)一起討論如何安裝設(shè)備、學(xué)習(xí)測(cè)量方法或計(jì)算結(jié)果；而學(xué)生參與計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，會(huì)討論如何預(yù)測(cè)結(jié)果、發(fā)現(xiàn)變量間的關(guān)系以及解釋科學(xué)現(xiàn)象等[55]。

二、研究設(shè)計(jì)

本文介紹了兩項(xiàng)研究的結(jié)果，對(duì)實(shí)操性實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)這兩種學(xué)習(xí)方法進(jìn)行比較，研究對(duì)象為10年級(jí)至13年級(jí)學(xué)生。兩項(xiàng)研究調(diào)查了運(yùn)用這些學(xué)習(xí)方法的效果，主要關(guān)注學(xué)科知識(shí)成績(jī)、認(rèn)知負(fù)荷和情境興趣的變化。由于兩項(xiàng)研究在設(shè)計(jì)與步驟上一致，所以具有高度的可比性。第一項(xiàng)研究在學(xué)校開(kāi)展，而第二項(xiàng)研究在學(xué)生實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，以此表明研究結(jié)果與學(xué)習(xí)地點(diǎn)無(wú)關(guān)。學(xué)生實(shí)驗(yàn)室又叫科學(xué)中心拓展實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生在探究式學(xué)習(xí)環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有利于深入了解當(dāng)代科學(xué)[56]，本文中學(xué)生的研究主題是海洋生態(tài)系統(tǒng)的氣候變化和人為變化。

（一）本次比較研究的意義

在該研究領(lǐng)域，大多數(shù)比較研究表明，有模擬與無(wú)模擬的教學(xué)之間存在差異[4]。因此，許多不同的教學(xué)因素，如閱讀課本、完成任務(wù)、課堂討論或不同的小組規(guī)模，都可能阻礙對(duì)學(xué)習(xí)方法效果的有效測(cè)量，導(dǎo)致研究缺乏可比較性。本研究側(cè)重于直接比較兩種教學(xué)方法，暫不考慮課程背景，因此，研究已具備穩(wěn)定的外部因素：相同的導(dǎo)入、教學(xué)單元結(jié)構(gòu)和主題。唯有學(xué)習(xí)方式不同，這有助于對(duì)這些方法本身的效果得出結(jié)論。其他研究則比較了在計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)室與實(shí)體實(shí)驗(yàn)室工作之間的不同[57][3]。這些研究往往在整個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)境中（如不同的實(shí)驗(yàn)室）進(jìn)行比較，而非聚焦于單個(gè)模式（實(shí)驗(yàn)或模擬）。此外，一些研究主要在物理或化學(xué)教育領(lǐng)域?qū)@兩種方法進(jìn)行了直接比較，重點(diǎn)是低復(fù)雜度的模擬實(shí)驗(yàn)和類比實(shí)驗(yàn)[50][58]，而我們的研究直接比較了具有相同內(nèi)容的和高復(fù)雜性的不同形式的實(shí)驗(yàn)。相較于已有的對(duì)比研究，本研究采用了大量樣本（N研究Ⅰ= 443; N研究Ⅱ = 367; N總= 810）。例如，魯坦（Rutten）等人在詳細(xì)綜述中提到的60項(xiàng)研究，平均樣本量達(dá)160名參與者[4]。最后，在研究交互式計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)操性實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)方法領(lǐng)域，已有研究尚無(wú)法對(duì)復(fù)雜的社會(huì)科學(xué)議題中關(guān)于認(rèn)知和動(dòng)機(jī)的學(xué)習(xí)過(guò)程提供足夠的見(jiàn)解，本文解決了這一問(wèn)題，旨在填補(bǔ)該領(lǐng)域的空白。

（二）本次研究問(wèn)題與假設(shè)

以下為本項(xiàng)目的研究問(wèn)題和提出的相應(yīng)假設(shè)。

（a）交互式計(jì)算機(jī)模擬/實(shí)操性實(shí)驗(yàn)在多大程度上有助于增加學(xué)科知識(shí)？?jī)煞N方法有何不同？

我們假設(shè)這兩種方法都能增加學(xué)科知識(shí)，畢竟對(duì)大多數(shù)學(xué)生來(lái)說(shuō)，學(xué)科內(nèi)容都是新的，而且實(shí)驗(yàn)[23][27]和模擬[4][9]都已證實(shí)能促進(jìn)學(xué)習(xí)。如果我們能通過(guò)提供適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)支持來(lái)降低認(rèn)知負(fù)荷的影響[28]，就有望通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)為學(xué)生帶來(lái)相同甚至更好的學(xué)習(xí)成績(jī)[45][50][52]。

（b）交互式計(jì)算機(jī)模擬/實(shí)操性實(shí)驗(yàn)在多大程度上影響完成任務(wù)時(shí)的認(rèn)知負(fù)荷？?jī)煞N方法有何不同？

我們預(yù)設(shè)這兩種方法都會(huì)給學(xué)生帶來(lái)中等程度的認(rèn)知負(fù)荷。兩種方法都有教學(xué)支持，并有助于減少學(xué)習(xí)者的外部認(rèn)知負(fù)荷[32]，我們?cè)噲D匹配學(xué)科知識(shí)的難度與參與者的能力，來(lái)減少內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷。然而我們預(yù)設(shè)學(xué)生的已有知識(shí)水平較低，因?yàn)樗婕暗膬?nèi)容并非德國(guó)的必修課程，這可能會(huì)對(duì)內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷產(chǎn)生負(fù)面影響[7][12]。此外，我們預(yù)設(shè)參與者具有不同的認(rèn)知技能，因?yàn)樗麄儊?lái)自不同的學(xué)校和年級(jí)，也不適應(yīng)計(jì)算機(jī)模擬輔助學(xué)習(xí)的環(huán)境，畢竟這種教學(xué)方法在德國(guó)科學(xué)課上還不常見(jiàn)。這可能會(huì)導(dǎo)致學(xué)生在這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)中尤其是模擬環(huán)境中認(rèn)知超負(fù)荷[12]。因此，我們預(yù)測(cè)，與實(shí)操性實(shí)驗(yàn)相比，學(xué)生使用計(jì)算機(jī)模擬學(xué)習(xí)時(shí)認(rèn)知負(fù)荷更高。

（c）交互式計(jì)算機(jī)模擬/實(shí)操性實(shí)驗(yàn)在多大程度上提高學(xué)生的情境興趣？?jī)煞N方法有何不同？

我們預(yù)設(shè)這兩種方法都對(duì)情境興趣至少有中等程度的作用，因?yàn)閮烧叨季哂衅毡榈募?lì)作用。通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)的研究，我們預(yù)設(shè)，由于數(shù)字媒體的激勵(lì)特征，學(xué)生們的情境興趣更容易得到提高。這些假設(shè)適用于情境興趣的所有分量表（情感、認(rèn)知、相關(guān)價(jià)值）。至于不同的學(xué)習(xí)地點(diǎn)，我們推測(cè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)室更能激發(fā)學(xué)生的興趣[40]。

（三）研究方法與設(shè)計(jì)

本文中的兩項(xiàng)研究（研究Ⅰ和研究Ⅱ）在結(jié)構(gòu)、主題、目的和評(píng)估設(shè)計(jì)方面相似，但在持續(xù)時(shí)間、學(xué)習(xí)地點(diǎn)和主題復(fù)雜程度方面有所不同（兩項(xiàng)研究之間的異同比較，見(jiàn)表1）。在每個(gè)案例中，海洋生態(tài)學(xué)、媒體心理學(xué)和教育學(xué)的科學(xué)家共同設(shè)計(jì)，合作開(kāi)發(fā)了實(shí)操性實(shí)驗(yàn)和模擬實(shí)驗(yàn)。這些方法基于真實(shí)的科學(xué)數(shù)據(jù)，實(shí)操性實(shí)驗(yàn)是假設(shè)驅(qū)動(dòng)的模型實(shí)驗(yàn)，模擬實(shí)驗(yàn)是交互式的并得到指導(dǎo)性支持。我們采用了簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了這兩項(xiàng)研究（圖1），不同的學(xué)習(xí)地點(diǎn)作為組間變量。因此，模擬實(shí)驗(yàn)的效果為實(shí)驗(yàn)組（EG），實(shí)操性實(shí)驗(yàn)的效果為對(duì)照組（CG）。

然而，下文提到的“實(shí)驗(yàn)”是指在學(xué)?；?qū)W生實(shí)驗(yàn)室中使用的一種學(xué)習(xí)方法。我們通過(guò)前測(cè)來(lái)評(píng)估學(xué)生的個(gè)人數(shù)據(jù)、已有知識(shí)、科學(xué)成績(jī)以及對(duì)生物和化學(xué)學(xué)科的興趣（自變量）。后測(cè)則分析了基于模擬的學(xué)習(xí)和基于實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)在學(xué)科知識(shí)、情境興趣和認(rèn)知負(fù)荷（因變量）方面的效果。

1.研究Ⅰ的設(shè)計(jì)

研究Ⅰ是在學(xué)校進(jìn)行90分鐘的干預(yù)測(cè)試。其目的是展示海洋酸化的過(guò)程及海洋酸化對(duì)全球和地方層面的影響。在導(dǎo)入階段，學(xué)生們會(huì)收到與測(cè)試和當(dāng)天課程相關(guān)的通知。隨后，他們會(huì)進(jìn)行20分鐘的筆試。緒論課概述了海洋酸化這一主題，并強(qiáng)調(diào)了由此產(chǎn)生的海洋生態(tài)系統(tǒng)問(wèn)題。接著，學(xué)生們被隨機(jī)分為兩組，各組分至不同的房間，以避免在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或模擬時(shí)產(chǎn)生任何干擾。學(xué)生必須按照指定的方法，進(jìn)行30分鐘實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)是以小組為單位進(jìn)行的，由一名督導(dǎo)員指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，并回答相關(guān)問(wèn)題。督導(dǎo)員會(huì)分發(fā)腳本，必要時(shí)會(huì)安排結(jié)構(gòu)化流程（例如講解材料、協(xié)助回答腳本問(wèn)題、提醒規(guī)避實(shí)驗(yàn)中的典型錯(cuò)誤）。在模擬中，每個(gè)學(xué)生使用自己的筆記本電腦，以小組或團(tuán)隊(duì)的形式進(jìn)行學(xué)習(xí)。督導(dǎo)員會(huì)回答技術(shù)和內(nèi)容方面的問(wèn)題。分發(fā)腳本后，他會(huì)向?qū)W生展示模擬最重要的功能（必要按鈕的操作），幫助回答腳本相關(guān)的問(wèn)題，并在必要時(shí)解釋學(xué)生無(wú)法理解的內(nèi)容。在整個(gè)測(cè)試期間，督導(dǎo)員不發(fā)生更換且一直在場(chǎng)。最后會(huì)進(jìn)行為時(shí)20分鐘的后測(cè)。

（1）研究Ⅰ的材料

兩種方法傳達(dá)的內(nèi)容相同：pH值、全球大氣中CO2濃度增加的原因和程度、CO2在海水中的平衡反應(yīng)以及酸化對(duì)鈣化生物的影響。在兩組測(cè)試中，學(xué)生使用相同的研究問(wèn)題來(lái)探究海洋酸化的過(guò)程和影響?；顒?dòng)的開(kāi)展得到腳本的支持，其中模擬或?qū)嶒?yàn)工作的結(jié)果必須通過(guò)引導(dǎo)性問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)。在方法開(kāi)始階段會(huì)分發(fā)紙質(zhì)腳本，學(xué)生必須在學(xué)習(xí)期間完成。研究問(wèn)題根據(jù)方法任務(wù)而提出，且兩種方法的研究問(wèn)題相同。舉一個(gè)例子：“請(qǐng)解釋為什么隨著大氣CO2濃度的增加，鈣化會(huì)更加困難？請(qǐng)同時(shí)考慮先前建立的平衡系統(tǒng)的反應(yīng)方程?！倍綄?dǎo)員既要協(xié)助學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或模擬，也要協(xié)助解答疑問(wèn)。

（2）實(shí)操性實(shí)驗(yàn)

首先，學(xué)生研究了大氣中CO2濃度增加的程度以及腳本中pH值的特征。這包括分析基林曲線（Keeling Curve）并匹配不同的溶液及對(duì)應(yīng)的pH值。接著，學(xué)生進(jìn)行一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，主要關(guān)注大氣中CO2含量增加對(duì)海水的影響，特別是海水的緩沖效應(yīng)。因此，我們選擇如下實(shí)驗(yàn)裝置：波羅的海海水代表海洋、蠟燭代表化石燃料燃燒、倒置的水族箱代表大氣，并以蒸餾水作為對(duì)照。在兩種水樣中，數(shù)字式酸堿計(jì)用于測(cè)量液體pH值的變化。經(jīng)過(guò)10分鐘的測(cè)試，學(xué)生們觀察到蒸餾水中的pH值比波羅的海海水中的pH值下降得更快。學(xué)生們可以從腳本中獲取實(shí)驗(yàn)的設(shè)置和程序，并且必須盡可能地自主操作實(shí)驗(yàn)。在記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，學(xué)生們建立了CO2在海水中的平衡反應(yīng)方程，進(jìn)而討論海水的緩沖效應(yīng)，以此解釋兩種水樣中pH值的不同變化。為此，他們可以獲得支持卡。最后，他們分析了pH值變化對(duì)鈣化生物（如作為說(shuō)明對(duì)象的貽貝）的影響，并討論了可能的保護(hù)措施。該實(shí)驗(yàn)是海洋酸化的生物學(xué)影響（BIOACID）項(xiàng)目的一部分，由研究海洋酸化的科學(xué)家開(kāi)發(fā)，作為他們公共關(guān)系工作的一部分[61]。

（3）交互式計(jì)算機(jī)模擬

交互式計(jì)算機(jī)模擬是斯坦福大學(xué)創(chuàng)造的一種學(xué)習(xí)環(huán)境，本研究項(xiàng)目已獲得使用許可。在導(dǎo)入部分，數(shù)字學(xué)習(xí)工具通過(guò)基林曲線動(dòng)畫闡明了大氣中CO2濃度增加的原因和程度。接著，利用pH值匹配不同液體的酸性，計(jì)算機(jī)模擬提供了交互檢測(cè)pH值特性的可能。在主體部分，學(xué)生們能夠控制大氣中CO2濃度，并觀察由此產(chǎn)生的對(duì)海水動(dòng)態(tài)平衡反應(yīng)的影響。為此，學(xué)生們移動(dòng)滑塊，模擬1865年至2090年3種不同情況下大氣中CO2的濃度。他們可以實(shí)時(shí)觀察到示意圖所示的平衡反應(yīng)的變化、CO2、碳酸氫鹽（HCO3-）和碳酸鹽（CO32-）的確切濃度變化（見(jiàn)圖2）。模擬應(yīng)用了許多支持元素，如工具箱，點(diǎn)擊后會(huì)呈現(xiàn)如何閱讀基林曲線的說(shuō)明，或掃過(guò)各種反應(yīng)箭頭時(shí)出現(xiàn)相應(yīng)的解釋。在下一個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生必須以互動(dòng)的方式區(qū)別鈣化生物和非鈣化生物。最后，學(xué)生在組內(nèi)討論了海洋酸化對(duì)鈣化過(guò)程的負(fù)面影響，并制定了保護(hù)措施。

2.研究Ⅱ的設(shè)計(jì)

研究Ⅱ是學(xué)生全天實(shí)驗(yàn)日的一部分。該研究包括了一項(xiàng)為時(shí)180分鐘的干預(yù)測(cè)試，研究對(duì)象為10至13年級(jí)的學(xué)生，學(xué)習(xí)主題為“波羅的海的未來(lái)”。其目的是呈現(xiàn)波羅的海主要環(huán)境影響過(guò)程（變暖、富營(yíng)養(yǎng)化、酸化和鹽度變化），及其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)代表性生物（鉤蝦、墨角藻和附生植物）的影響，以及由此對(duì)整個(gè)系統(tǒng)（水質(zhì)、漁業(yè)和旅游業(yè)）帶來(lái)的挑戰(zhàn)。在收到有關(guān)測(cè)試和當(dāng)天課程的總體情況后，學(xué)生們會(huì)進(jìn)行為時(shí)15分鐘的前測(cè)。學(xué)生通過(guò)平板電腦上的數(shù)字調(diào)查問(wèn)卷完成所有測(cè)試。隨后，緒論課會(huì)用30分鐘時(shí)間介紹全球海洋變化的原因和過(guò)程，并深入了解由此對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。接著，我們將學(xué)生隨機(jī)分為兩組，各組分至不同的房間。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的小組則進(jìn)一步分為兩個(gè)小組，每組進(jìn)行4項(xiàng)為時(shí)30分鐘的實(shí)驗(yàn)。其間有一位督導(dǎo)員指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，并在每個(gè)小組的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中解答問(wèn)題。督導(dǎo)員會(huì)分發(fā)腳本、展示可用材料，并解答學(xué)生相關(guān)腳本問(wèn)題，必要時(shí)解釋不清楚的地方。進(jìn)行模擬的小組也被分為兩個(gè)小組，各在一張小組桌上進(jìn)行操作。盡管學(xué)生們擁有自己的平板電腦，但他們還是以小組或團(tuán)隊(duì)的形式進(jìn)行模擬。督導(dǎo)員可以解答技術(shù)和內(nèi)容方面的問(wèn)題，并協(xié)助小組討論。所有小組的學(xué)習(xí)總時(shí)長(zhǎng)為2小時(shí)，然后再進(jìn)行為時(shí)15分鐘的后測(cè)。

（1）研究Ⅱ的材料

兩種方法講授相同課程內(nèi)容。每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)都呈現(xiàn)了單一的變化過(guò)程（變暖、富營(yíng)養(yǎng)化、酸化和鹽度變化），以及對(duì)某種生物（鉤蝦、墨角藻和附生植物）的影響，并由此產(chǎn)生的生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)變化（水質(zhì)、漁業(yè)和旅游業(yè)）。因此，學(xué)生們可以了解到不同變化和相關(guān)影響，以及變化之間的相互作用。在模擬中，計(jì)算機(jī)可以模擬所有變化，在考慮到它們之間相互作用的情況下，觀察其對(duì)3種生物的影響。此外，調(diào)整后的參數(shù)直接代表了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)（水質(zhì)、漁業(yè)和旅游業(yè)）可能產(chǎn)生的影響。為了避免方向迷失和認(rèn)知過(guò)載，特別是通過(guò)模擬學(xué)習(xí)的學(xué)生，他們必須根據(jù)輔助腳本進(jìn)行操作，其中必須通過(guò)相同的指導(dǎo)問(wèn)題總結(jié)學(xué)習(xí)成績(jī)。舉一個(gè)例子：“描述水溫升高對(duì)墨角藻適應(yīng)性的影響?！睂?shí)驗(yàn)的腳本是紙質(zhì)形式的，包含了每個(gè)實(shí)驗(yàn)相應(yīng)的說(shuō)明、解釋和問(wèn)題。模擬的腳本是數(shù)字化的，并內(nèi)嵌于模擬網(wǎng)站中，其中包含了模擬的操作說(shuō)明，以及所有參數(shù)相關(guān)問(wèn)題和基本信息。

（2）實(shí)操性實(shí)驗(yàn)

學(xué)生們研究了（a）水溫升高對(duì)墨角藻適應(yīng)性的影響；（b）過(guò)度施肥對(duì)附生植物生長(zhǎng)速度的影響；（c）鹽度變化對(duì)鉤蝦適應(yīng)性的影響；（d）酸化加劇引起的生態(tài)系統(tǒng)變化。4項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的活動(dòng)不同，但操作程序始終相同。首先，學(xué)生們通過(guò)文本或插圖等現(xiàn)有材料（如鹽度和鉤蝦）了解該站的參數(shù)（每個(gè)站點(diǎn)的變化和生物）。接著，他們提出研究問(wèn)題（如“波羅的海鹽度較低對(duì)鉤蝦種群有何影響？”）。根據(jù)腳本解釋，學(xué)生們進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)，并解釋了腳本中觀察到的效果。實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的例子包括：（a）在不同水溫下制備3個(gè)相同大小的墨角藻樣本，并通過(guò)數(shù)字氧傳感器觀察氧氣的產(chǎn)生；（b）使用葉綠素a測(cè)量法對(duì)不同的富營(yíng)養(yǎng)化水樣進(jìn)行光度測(cè)定；（c）在不同鹽度的波羅的海海水中計(jì)數(shù)鉤蝦并確定其死亡率；（d）對(duì)不同酸度的海水樣本進(jìn)行滴定。最后，學(xué)生們?cè)诮M內(nèi)討論了這些影響可能對(duì)系統(tǒng)中的其他生物產(chǎn)生的沖擊，以及有助于保護(hù)它們的措施（如規(guī)模較小的鉤蝦種群對(duì)附生植物的攝食壓力降低，對(duì)墨角藻會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，減少人為溫室效應(yīng)也可作為一項(xiàng)措施）。

（3）交互式計(jì)算機(jī)模擬

計(jì)算機(jī)模擬的總目標(biāo)是使學(xué)習(xí)者在交互中能夠理解不同生態(tài)系統(tǒng)變化對(duì)3種生物產(chǎn)生的綜合影響。在進(jìn)行模擬互動(dòng)前，學(xué)生們傾聽(tīng)關(guān)于模擬中每個(gè)變量的簡(jiǎn)短信息音頻，以獲取基本信息。之后，交互模式被解鎖，學(xué)生們可以自主進(jìn)行模擬互動(dòng)。該交互界面允許用戶移動(dòng)滑塊來(lái)選擇和操作不同的變化（見(jiàn)圖3）。學(xué)生們可以實(shí)時(shí)觀察這3種生物種群規(guī)模的變化。當(dāng)然，他們可以（也應(yīng)該）通過(guò)移動(dòng)預(yù)定義設(shè)置上的一個(gè)滑塊，一次只研究一種變化——就像在實(shí)驗(yàn)中一樣。與實(shí)驗(yàn)的不同之處在于，對(duì)生物體的影響是以互動(dòng)方式呈現(xiàn)的。這意味著間接影響也是可見(jiàn)的（例如，較低的鹽度直接導(dǎo)致鉤蝦數(shù)量減少，這反過(guò)來(lái)又導(dǎo)致附生植物增加，從而對(duì)墨角藻生長(zhǎng)產(chǎn)生了負(fù)面影響）。例如，通過(guò)屏幕底部的三級(jí)笑臉系統(tǒng)，學(xué)生們可以同時(shí)觀察到參數(shù)變化對(duì)水質(zhì)的進(jìn)一步影響。我們運(yùn)用了工具箱等支持元素，以獲取更多關(guān)于這些影響和其他模擬參數(shù)的信息。首先，學(xué)生們?cè)谀_本（為此提供了文本、插圖和視頻）的指導(dǎo)下了解模擬的各個(gè)參數(shù)（變化和生物體）。然后，他們?cè)谘芯繂?wèn)題的指導(dǎo)下，必須改變對(duì)波羅的海產(chǎn)生影響的每個(gè)參數(shù)（變暖、富營(yíng)養(yǎng)化、酸化和鹽度變化），并觀察、描述和解釋對(duì)生物體的影響。接著，同時(shí)改變幾個(gè)參數(shù)，并研究和描述對(duì)生物體水平影響及更進(jìn)一步的沖擊。最后，他們要討論和描述保護(hù)波羅的海的可能措施。

3.研究Ⅰ與研究Ⅱ的樣本

研究Ⅰ的參與者是來(lái)自德國(guó)19所中學(xué)的443名學(xué)生，他們的平均年齡為17.58歲（標(biāo)準(zhǔn)差=1.41），其中女學(xué)生占56.88%，男學(xué)生占43.12%。隨機(jī)分班后，221名學(xué)生做實(shí)驗(yàn)，另外222名學(xué)生進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。

研究Ⅱ的參與者是來(lái)自德國(guó)21所中學(xué)的367名學(xué)生，他們的平均年齡為17.02歲（標(biāo)準(zhǔn)差=1.20），其中女學(xué)生占54%，男學(xué)生占46%。其中，198名學(xué)生做實(shí)驗(yàn)，另外169名學(xué)生進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。

4.研究Ⅰ與研究Ⅱ的方法措施

在前測(cè)中，我們?cè)u(píng)估了年齡、性別及年級(jí)等社會(huì)人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以便對(duì)樣本有更好的了解。此外，我們?cè)儐?wèn)了學(xué)生們?cè)诳茖W(xué)科目上的成績(jī)（生物、化學(xué)、物理），以及他們?cè)谏锖突瘜W(xué)學(xué)科的已有知識(shí)和個(gè)人興趣，以便更好地了解研究參與者先前存在的認(rèn)知與動(dòng)機(jī)情況。在后測(cè)中，我們對(duì)學(xué)科知識(shí)、認(rèn)知負(fù)荷及情境興趣進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查。研究Ⅰ的問(wèn)題以紙筆測(cè)驗(yàn)的形式展現(xiàn)；研究Ⅱ的調(diào)查問(wèn)卷是數(shù)字化的，并整合到了計(jì)算機(jī)模擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中。

（1）學(xué)科知識(shí)

為方便研究學(xué)科知識(shí)，我們分別設(shè)計(jì)了前測(cè)與后測(cè)問(wèn)題。由于德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)課程不包括這兩項(xiàng)研究的主題，我們預(yù)測(cè)學(xué)生們有少許的知識(shí)積累。因此，人們高度期望通過(guò)干預(yù)措施增加學(xué)科知識(shí)。為了避免產(chǎn)生困惑及測(cè)試效應(yīng)，即兩次回答相同問(wèn)題而產(chǎn)生的學(xué)習(xí)效果，我們只進(jìn)行簡(jiǎn)短的前測(cè)。對(duì)學(xué)科知識(shí)的前測(cè)僅僅是為了驗(yàn)證之后隨機(jī)劃分的兩個(gè)測(cè)試小組在已有知識(shí)上可能存在差異。我們制訂了詳細(xì)的后測(cè)，因?yàn)槲覀兿胫胤治鲞@兩種方法之間的差異。該領(lǐng)域的幾位專家根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)驗(yàn)的主題制訂了任務(wù)。

在第一項(xiàng)研究中，前測(cè)包含3道基于海洋酸化基本原理的多項(xiàng)選擇題。其中有2道含有4個(gè)不同選項(xiàng)的題，每題1分；1道含有5個(gè)不同選項(xiàng)的題，每題2分。學(xué)生們總共可以獲得4分。后測(cè)包含9道題，這些問(wèn)題的結(jié)構(gòu)基于方法內(nèi)容，因此反映了實(shí)驗(yàn)及計(jì)算機(jī)模擬涵蓋的主題：pH值（3道題）、全球大氣層CO2濃度增加的程度及原因（2道題）、海水中CO2的平衡反應(yīng)（3道題）及鈣化有機(jī)物的酸化效果（1道題）。此外還有不同學(xué)科知識(shí)領(lǐng)域的樣例，有5道含4個(gè)不同選項(xiàng)的多選題，每題有1個(gè)正確答案，每題1分。還有3道含5個(gè)不同選項(xiàng)的多選題，每題有2個(gè)正確選項(xiàng)，每題2分，問(wèn)題僅涉及兩種方法都涵蓋的主題。為了使用對(duì)比的方式真正測(cè)試出通過(guò)這些方式得到的學(xué)習(xí)成績(jī)，關(guān)于具體實(shí)施（比如實(shí)驗(yàn)的設(shè)置）的問(wèn)題沒(méi)有明確提出。這些多項(xiàng)選擇題由專家研發(fā)，隨后也進(jìn)行了驗(yàn)證。此外，我們還設(shè)計(jì)了一項(xiàng)任務(wù)，學(xué)生們應(yīng)該在表格中用箭頭標(biāo)記海洋中CO2、HCO3-及碳濃度的增減。完成此項(xiàng)任務(wù)可獲3分，參與者一共可獲15分。這兩項(xiàng)測(cè)試都是在現(xiàn)有的化學(xué)知識(shí)測(cè)試的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的[62]。

第二項(xiàng)研究中的知識(shí)前測(cè)包含3個(gè)開(kāi)放式問(wèn)題，檢測(cè)學(xué)生們對(duì)波羅的海生態(tài)系統(tǒng)變化及其面臨挑戰(zhàn)的基本了解。首先，我們決定詢問(wèn)學(xué)生們是否都知道波羅的海面臨哪些威脅。其次，我們也詢問(wèn)了其他兩個(gè)概念，這兩個(gè)概念極有可能在科學(xué)教育中作為衡量氣候變化及人為影響等生態(tài)變化知識(shí)掌握的基準(zhǔn)（問(wèn)題2和問(wèn)題3）。對(duì)于開(kāi)放式問(wèn)題的評(píng)分，我們制訂了一個(gè)期望值框架，基于此回答每個(gè)問(wèn)題可得6分。關(guān)于波羅的海面臨威脅的問(wèn)題，有3個(gè)大分類（氣候變化、過(guò)度使用和污染），每類題目有2個(gè)子問(wèn)題。對(duì)于問(wèn)題2和問(wèn)題3，學(xué)生們闡明變化的原因、過(guò)程和影響可得2分。因此，學(xué)生們總共可得18分。后測(cè)一共有15道多項(xiàng)選擇題和3道開(kāi)放式題目。多項(xiàng)選擇題的結(jié)構(gòu)也是基于具體的方法：處理過(guò)的生物體以及它們的相互作用（4道題），變化過(guò)程（4道題）、單個(gè)變化的影響（4道題）及多種變化共同的影響（3道題）。此外還有不同學(xué)科知識(shí)領(lǐng)域的樣例。對(duì)于最后3道開(kāi)放式問(wèn)題，學(xué)生們需描述（a）預(yù)測(cè)的4個(gè)變化在2100年對(duì)生物層面的影響，（b）對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響以及（c）對(duì)社會(huì)層面的影響。多項(xiàng)選擇題有4個(gè)不同答案選項(xiàng)，其中有一個(gè)是該領(lǐng)域?qū)＜已邪l(fā)并得到證實(shí)的正確選項(xiàng)。對(duì)于3個(gè)開(kāi)放式問(wèn)題，我們制訂了一個(gè)期望值范圍，每道題有3個(gè)可能的得分點(diǎn)：（a）更多的附生植物，更少的墨角藻，更少的端足目生物；（b）對(duì)生物多樣性、水質(zhì)和海岸保護(hù)的影響；（c）對(duì)旅游業(yè)、漁業(yè)和健康的威脅。每道多項(xiàng)選擇題1分；每道開(kāi)放式題目3分。參與者總共可得到24分。

（2）認(rèn)知負(fù)荷

考慮到進(jìn)行交互式計(jì)算機(jī)模擬及實(shí)操性實(shí)驗(yàn)需要學(xué)習(xí)者具備一定的認(rèn)知資源，我們決定測(cè)量認(rèn)知負(fù)荷。因此，在后測(cè)階段，我們采用帕亞斯（Paas）等人的認(rèn)知負(fù)荷測(cè)試[63]作為學(xué)生的自我報(bào)告（表2）。學(xué)生們需用2個(gè)以內(nèi)的問(wèn)題來(lái)評(píng)估他們感知到的認(rèn)知負(fù)荷，并采用7分制量表（1=毫無(wú)付出；7=認(rèn)真努力）。題目由帕亞斯等人提供。我們選擇這個(gè)短量表，因?yàn)樗亲顝V泛使用的認(rèn)知負(fù)荷測(cè)量方式，具有可靠性和靈敏性，并易于使用[60]。此外，由于我們?cè)谘芯恐袥](méi)有關(guān)注內(nèi)部負(fù)荷與外部負(fù)荷之間的區(qū)別，這種省時(shí)的兩項(xiàng)量表尤為合適。

（3）興趣

為了控制影響情境興趣的變量——個(gè)體興趣差異，我們研究了學(xué)生對(duì)生物和化學(xué)學(xué)科的興趣。選擇這兩個(gè)學(xué)科的原因是它們代表了兩項(xiàng)研究中所涉及話題的基本領(lǐng)域。為此，我們將“科學(xué)的樂(lè)趣和興趣”測(cè)試從對(duì)科學(xué)的普遍興趣改為對(duì)生物和化學(xué)學(xué)科的普遍興趣。該測(cè)試最初是為國(guó)際學(xué)生評(píng)估項(xiàng)目而開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證的[59]。學(xué)生們需用4分評(píng)分機(jī)制來(lái)評(píng)估每個(gè)人就化學(xué)和生物學(xué)科的興趣所做的5個(gè)陳述（1=完全不同意；4=完全同意）。

參與者對(duì)計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)的情境興趣通過(guò)恩格爾恩（Engeln）開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證的問(wèn)卷進(jìn)行評(píng)估[37]。該測(cè)試有12個(gè)選項(xiàng)來(lái)衡量情境興趣的情感、認(rèn)知及價(jià)值相關(guān)成分。參與者可用4分評(píng)分機(jī)制來(lái)作答（1=完全不同意；4=完全同意）。案例見(jiàn)表2。

（4）核實(shí)量表質(zhì)量

我們對(duì)來(lái)自13年級(jí)3個(gè)不同班級(jí)的44名學(xué)生進(jìn)行了興趣和認(rèn)知負(fù)荷測(cè)試（表2）。

如果不考慮其中一個(gè)選項(xiàng)，則對(duì)價(jià)值相關(guān)情境興趣的可靠性分析將得出克隆巴赫系數(shù)的值為0.510。我們將該組部分的低可靠性歸結(jié)于語(yǔ)言不一致，并在下文中對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)。所有其他的量表都顯示出足夠高的可靠性，可以在不進(jìn)行修改的情況下用于主要研究。為了確保內(nèi)容的有效性，我們與教師和海洋生物科學(xué)家合作研發(fā)了學(xué)科知識(shí)測(cè)試。學(xué)科知識(shí)調(diào)查問(wèn)卷由研究Ⅰ試點(diǎn)研究的同批學(xué)生和研究Ⅱ來(lái)自12年級(jí)的23名學(xué)生進(jìn)行驗(yàn)證。學(xué)生們按計(jì)劃進(jìn)行了干預(yù)，但要與我們一起在公開(kāi)的全體會(huì)議中回答問(wèn)題。這種合作驗(yàn)證使我們能夠消除公式和專業(yè)術(shù)語(yǔ)上的歧義。在調(diào)整試行研究后，我們可以確定下列研究Ⅰ和研究Ⅱ中所使用量表的內(nèi)部一致性（表3）。

三、結(jié)果

所有結(jié)果均采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行計(jì)算。我們用t檢驗(yàn)來(lái)檢測(cè)均值比較，t檢驗(yàn)表明，在之后隨機(jī)分配的兩項(xiàng)研究小組（實(shí)驗(yàn)或模擬）之間，已有知識(shí)、科學(xué)科目（生物、化學(xué)、物理）的平均分?jǐn)?shù)以及對(duì)生物或化學(xué)的興趣均沒(méi)有顯著差異（表4和表5）。我們檢查了前測(cè)調(diào)查問(wèn)卷可能存在的差異，以排除對(duì)后期隨機(jī)分組的因變量差異的影響。對(duì)已有知識(shí)調(diào)查問(wèn)卷的分析表明，在第一項(xiàng)研究中，學(xué)生們?cè)诳傻玫?分中平均得分為1.3分（標(biāo)準(zhǔn)差=1.05）。在第二項(xiàng)研究中，學(xué)生們?cè)谇皽y(cè)18分的3道開(kāi)放式題目中平均得分為3.38分（標(biāo)準(zhǔn)差=2.46）。

t檢驗(yàn)中，兩項(xiàng)研究的因變量證實(shí)，一方面，相比于實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，計(jì)算機(jī)模擬學(xué)習(xí)會(huì)使學(xué)生的學(xué)科知識(shí)成績(jī)（d研究Ⅰ=-0.19; d研究Ⅱ=-1.05）及認(rèn)知負(fù)荷水平（d研究Ⅰ=0.19; d研究Ⅱ=0.21）進(jìn)一步提高。另一方面，與計(jì)算機(jī)模擬相比，參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生展示了更高水平的情境興趣的認(rèn)知（d研究Ⅰ=-0.33; d研究Ⅱ=-0.54）和價(jià)值（d研究Ⅰ=-0.35; d研究Ⅱ= -0.37）成分。在兩項(xiàng)研究中，我們未能觀察到兩種方法在情境興趣的情感成分方面的差異。所有的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和統(tǒng)計(jì)值如表6和表7所示，以及如圖4、圖5、圖6及圖7所示。我們?cè)诜纸M中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何顯著差異（年齡、性別、辦學(xué)形式或年級(jí)）。

四、研究討論

本研究旨在調(diào)查計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)驗(yàn)在學(xué)習(xí)成效上的差異，包括以下方面：學(xué)科知識(shí)貢獻(xiàn)、受影響的認(rèn)知負(fù)荷范圍及情境興趣的程度，以確定哪種方法更適合交流當(dāng)前的復(fù)雜主題。因此，我們通過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)調(diào)查設(shè)計(jì)進(jìn)行了兩項(xiàng)研究，將學(xué)習(xí)地點(diǎn)類型作為實(shí)驗(yàn)因素。下面詳細(xì)解釋每個(gè)研究問(wèn)題的假設(shè)和由此產(chǎn)生的影響。

（一）學(xué)科知識(shí)

前測(cè)的低成績(jī)表明，兩項(xiàng)研究中的已有知識(shí)都如預(yù)期一樣低。這可能是因?yàn)檫@些主題并不屬于標(biāo)準(zhǔn)的德國(guó)課程內(nèi)容。兩個(gè)隨機(jī)分配的小組之間的已有知識(shí)和科學(xué)科目得分的預(yù)期差異并不顯著，這表明學(xué)科知識(shí)成績(jī)的差異并不能歸咎于已有知識(shí)的差異或?qū)W?？茖W(xué)科目方面的成功與否。

正如預(yù)期的那樣[50][52]，與實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)相比，學(xué)生們?cè)谟?jì)算機(jī)模擬學(xué)習(xí)中并無(wú)劣勢(shì)；實(shí)際上，盡管認(rèn)知負(fù)荷較高，他們還是學(xué)到了更多東西。除了模式本身不同之外（模擬與實(shí)驗(yàn)），還有其他幾個(gè)跡象解釋了在這種情況下，計(jì)算機(jī)模擬為什么有助于學(xué)習(xí)多個(gè)變量的相互作用。我們認(rèn)為，學(xué)生在這兩種方法中的任務(wù)重點(diǎn)可能會(huì)對(duì)所學(xué)內(nèi)容產(chǎn)生影響[55]。由于學(xué)生們的模擬不涉及體力活動(dòng)，他們有更多時(shí)間研究過(guò)程和背景，因此，他們能夠更好地學(xué)習(xí)這些內(nèi)容。此外，由于每個(gè)人都有自己的設(shè)備，學(xué)生們能夠或多或少地單獨(dú)處理單個(gè)過(guò)程。因此，他們能夠決定自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度，包括從什么時(shí)候開(kāi)始進(jìn)行交互活動(dòng)。而做實(shí)驗(yàn)的時(shí)間分布是通過(guò)實(shí)驗(yàn)程序嚴(yán)格預(yù)定的。實(shí)際上，學(xué)生們雖然擁有自己的設(shè)備，但仍然是與團(tuán)隊(duì)合作，因此，相較于實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)來(lái)說(shuō)，這可能為模擬學(xué)習(xí)提供了另一個(gè)優(yōu)勢(shì)：學(xué)生們有機(jī)會(huì)控制每一個(gè)變化或自己去執(zhí)行任務(wù)，然后小組一起討論。做實(shí)驗(yàn)需要更細(xì)的勞動(dòng)分工，因此不是每個(gè)學(xué)生都能自己完成所有的任務(wù)。如前所述，這種高水平的互動(dòng)性以及在模擬中自主決定行為的可能性對(duì)于學(xué)習(xí)具有挑戰(zhàn)性的內(nèi)容非常重要[6]。然而，由于僅以自主學(xué)習(xí)科學(xué)原理和概念為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)往往會(huì)導(dǎo)致不太明顯的學(xué)習(xí)成效[7][26]，所以參加我們研究的學(xué)生會(huì)以團(tuán)隊(duì)合作或伙伴合作形式進(jìn)行。這可能有助于避免因使用計(jì)算機(jī)模擬的探索性學(xué)習(xí)而經(jīng)常導(dǎo)致的低水平知識(shí)獲取[12]。

我們研究中涉及的主題不僅有基礎(chǔ)內(nèi)容，也有復(fù)雜過(guò)程和結(jié)構(gòu)，尤其是在第二項(xiàng)研究中。這意味著干預(yù)傳遞了實(shí)際的、難以溝通的、與社會(huì)相關(guān)的主題（社會(huì)科學(xué)問(wèn)題）。為了了解海洋變暖、富營(yíng)養(yǎng)化、酸化和低鹽度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)的影響，需要同時(shí)考慮多個(gè)方面。第二項(xiàng)研究因其考慮了全部過(guò)程，所以顯示出了比第一項(xiàng)研究更高的復(fù)雜性，而第一項(xiàng)研究只考慮了一個(gè)過(guò)程。與第二項(xiàng)研究中的實(shí)驗(yàn)相比，模擬學(xué)習(xí)優(yōu)勢(shì)的巨大影響表明，正如其他作者的假設(shè)，交互式計(jì)算機(jī)模擬尤其適合用來(lái)教授復(fù)雜過(guò)程和系統(tǒng)[9]。施洛寧（Scheuring）、羅斯（Roth）[47]和利希特（Lichi）等[45]都能獨(dú)自展示計(jì)算機(jī)模擬極大促進(jìn)復(fù)雜思考的過(guò)程，這可能是因?yàn)樵谀M過(guò)程中可以同時(shí)操作多個(gè)變量。因此，計(jì)算機(jī)模擬似乎特別適合用來(lái)理解多個(gè)變量的相互作用。所以，如果教育者的目標(biāo)是傳授（復(fù)雜）知識(shí)，而非教授科學(xué)方法，又在尋找適合的學(xué)習(xí)方法，那么計(jì)算機(jī)模擬將對(duì)此有益。

然而，計(jì)算機(jī)模擬中適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)支持在這里發(fā)揮著重要作用。研究文獻(xiàn)的結(jié)果表明，尤其是對(duì)于那些已有知識(shí)很少的學(xué)生——比如我們研究中的學(xué)生——教學(xué)支持對(duì)其獲得知識(shí)提供有效的幫助[4][7][26][32]。我們認(rèn)為，由于現(xiàn)在日益增加的數(shù)字化正在創(chuàng)造越來(lái)越多的數(shù)字化和交互式學(xué)習(xí)環(huán)境，應(yīng)該考慮這些關(guān)于教學(xué)支持重要性的假設(shè)。該領(lǐng)域未來(lái)的工作可能包括為使用計(jì)算機(jī)模擬的教師和學(xué)生提供額外支持。例如，關(guān)于適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)支持，支持學(xué)生通過(guò)對(duì)話系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)模擬互動(dòng)，或提供人工智能方面的指導(dǎo)將會(huì)非常有用[64][65]。

（二）認(rèn)知負(fù)荷

在使用計(jì)算機(jī)模擬時(shí)，學(xué)生預(yù)期會(huì)產(chǎn)生更高的認(rèn)知負(fù)荷，以下從內(nèi)容、任務(wù)與工作模式方面進(jìn)行解釋。第一，學(xué)生們可以同時(shí)改變多個(gè)變量（研究Ⅰ：CO2濃度+場(chǎng)景；研究Ⅱ：變暖+富營(yíng)養(yǎng)化+酸化+鹽度），并且不得不觀察這些變量對(duì)各個(gè)方面所帶來(lái)的影響 （研究Ⅰ：均衡反應(yīng)+珊瑚的鈣化過(guò)程；研究Ⅱ：墨角藻+片角類動(dòng)物+真菌+它們之間的相互作用）。這種基于模型的計(jì)算機(jī)模擬的非線性結(jié)構(gòu)使得該學(xué)習(xí)方法更加復(fù)雜。這點(diǎn)已得到多次論證，原因在于高度的認(rèn)知負(fù)荷[12][53]。第二，平板電腦上的數(shù)字工作（打字、推送、觀察和閱讀等）可能會(huì)比實(shí)際實(shí)驗(yàn)（切割、飛行、測(cè)量和記錄等）帶來(lái)更高的認(rèn)知需求，尤其是對(duì)使用數(shù)字媒體能力弱的學(xué)生來(lái)說(shuō)，模擬工作可能會(huì)帶來(lái)認(rèn)知負(fù)荷。第三，不同的工作方法可能會(huì)在模擬過(guò)程中帶來(lái)更高的認(rèn)知負(fù)荷。在實(shí)驗(yàn)中，這種分工尤其讓能力較差的學(xué)生處于劣勢(shì)。但在計(jì)算機(jī)模擬中不會(huì)這樣，因?yàn)槊總€(gè)學(xué)生任務(wù)相同，都做著同樣的工作。運(yùn)用學(xué)生自己的設(shè)備進(jìn)行模擬需要每個(gè)學(xué)生平等參與，這樣，每個(gè)學(xué)生都很難被“湮沒(méi)”在群體中。

（三）情境興趣

在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)小組之間并未發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)生物或化學(xué)學(xué)科的興趣有何差異，因此，兩個(gè)小組之間觀察到的情境興趣差異可能并非出于個(gè)人興趣差異。研究顯示，學(xué)習(xí)地點(diǎn)不同并不會(huì)引起興趣差異，因此，重要的不是學(xué)習(xí)地點(diǎn)而是學(xué)習(xí)方法。由于外延活動(dòng)是由同一個(gè)人在兩個(gè)學(xué)習(xí)地點(diǎn)進(jìn)行的，學(xué)生們對(duì)于老師的依賴性可能成為決定性的重要因素[25]。正如第2、3部分所示，情境興趣并不依賴于個(gè)人對(duì)某物的偏好，而是取決于個(gè)人對(duì)某物在具體情境下的興趣。將興趣細(xì)分為情感、價(jià)值和認(rèn)知成分，可以更詳細(xì)地分析學(xué)生們的感知興趣。

學(xué)習(xí)者將這兩種方法與積極的感受和情緒（情緒成分）聯(lián)系起來(lái)。相比于計(jì)算機(jī)模擬，實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知及價(jià)值相關(guān)的情境興趣更高，這與我們的第三個(gè)研究問(wèn)題相矛盾。這些強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)模擬能夠促進(jìn)興趣及激勵(lì)特性的文獻(xiàn)，大多來(lái)自于科學(xué)教育的前數(shù)字時(shí)代[4][39]。今天的學(xué)生在數(shù)字媒體中長(zhǎng)大（所謂的數(shù)字原住民），因此 “新奇”效果、互動(dòng)性活動(dòng)、模擬內(nèi)自主交互的可能性或者數(shù)字媒體本身很難打動(dòng)他們。這很可能會(huì)對(duì)價(jià)值相關(guān)的組成部分產(chǎn)生影響。如今，學(xué)生們?cè)缫蚜?xí)慣于數(shù)字媒體，因此，使用數(shù)字媒體本身不再具有特殊價(jià)值。這就引出了一個(gè)問(wèn)題，即在數(shù)字化社會(huì)，現(xiàn)有的假設(shè)是否仍然有效，或者是否需要重新評(píng)估。因此，基于計(jì)算機(jī)的（學(xué)習(xí)）環(huán)境通常表現(xiàn)出的增強(qiáng)興趣的效果可能已經(jīng)過(guò)時(shí)了，而實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)可能比預(yù)期更能激勵(lì)和增強(qiáng)學(xué)生興趣（尤其是在價(jià)值及認(rèn)知成分方面）。通過(guò)數(shù)字媒體增強(qiáng)情境興趣的一種方式是使用游戲效果或類似于增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸式體驗(yàn)[58][66][67]， 在未來(lái)的數(shù)字化學(xué)習(xí)模式發(fā)展中應(yīng)加以考慮。

除了媒體本身，不同方式所需的不同活動(dòng)對(duì)情境興趣的發(fā)展可能也有影響。做實(shí)驗(yàn)時(shí)的實(shí)際操作可能比操作數(shù)字控制器、滑塊及工具箱更多樣、更令人激動(dòng)。在日常學(xué)校生活中，教師經(jīng)常由于缺少時(shí)間、設(shè)備及機(jī)會(huì)來(lái)讓學(xué)生們獨(dú)立開(kāi)展實(shí)驗(yàn) [14]。因此，實(shí)操性實(shí)驗(yàn)可能是特別的，且能讓情境興趣達(dá)到頂峰。這與林（Lin）等人的研究一致，其表明新奇或者引人注目的活動(dòng)對(duì)學(xué)生們的情境興趣有積極影響[36]。這些特性尤其導(dǎo)致學(xué)生們希望通過(guò)這些方式（認(rèn)知成分）來(lái)學(xué)習(xí)更多相關(guān)主題的知識(shí)。此外，學(xué)生們可能更享受實(shí)驗(yàn)中的勞動(dòng)分工，因?yàn)楣ぷ髦胁煌襟E環(huán)環(huán)相扣使得小組內(nèi)進(jìn)行更多的互動(dòng)，并比模擬更支持社會(huì)化學(xué)習(xí)。

五、局限性

本研究可能具有以下局限性。這里提出的結(jié)果和影響僅適用于本文描述的干預(yù)措施?；顒?dòng)的具體背景（復(fù)雜的、當(dāng)前科學(xué)主題）及方法的特征（教學(xué)支持、合作方式等）會(huì)影響結(jié)果。因此，在進(jìn)一步的研究中應(yīng)調(diào)查是否可遷移到其他外延活動(dòng)。經(jīng)過(guò)證明，教育者對(duì)教育活動(dòng)的結(jié)果有重大影響[25]。我們嘗試在兩個(gè)研究中使用相同的督導(dǎo)員來(lái)讓這個(gè)因素保持恒定，然而，仍不能排除教育者對(duì)結(jié)果的影響。兩個(gè)研究不僅學(xué)習(xí)地點(diǎn)不同，干預(yù)的持續(xù)時(shí)間也不同，這是理論上的局限。持續(xù)時(shí)間的差異是因?yàn)橄啾扔诘谝粋€(gè)干預(yù)實(shí)驗(yàn)，第二個(gè)干預(yù)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容更為復(fù)雜。然而，由于結(jié)果顯示出高度的相似性，我們得出結(jié)論，這個(gè)差異對(duì)結(jié)果并無(wú)重大影響。我們發(fā)現(xiàn)認(rèn)知負(fù)荷量表的可靠性較低（表3），這讓我們對(duì)結(jié)果的價(jià)值產(chǎn)生了一些懷疑。然而，我們之所以使用這個(gè)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，是因?yàn)槭聦?shí)表明，這種主觀評(píng)價(jià)量表是區(qū)分不同教學(xué)方法認(rèn)知負(fù)荷可獲得的最靈敏的方法[68]。此外，奈史密斯（Naismith）和卡瓦爾坎蒂（Cavalcanti）在一篇綜述表明，自我報(bào)告量表的有效性與其他量表（如次要任務(wù)方法或者有生理指標(biāo)的量表）沒(méi)有差異[69]。為了提高測(cè)量認(rèn)知負(fù)荷的嚴(yán)謹(jǐn)性，使用更復(fù)雜的測(cè)量方法，如雙任務(wù)測(cè)量[70]或區(qū)分認(rèn)知負(fù)荷類別的心理測(cè)量量表[71]可能更可取。有關(guān)情境興趣的一些結(jié)果存在一定的局限性，這表明了研究Ⅰ中量表的可靠性較低（表3）。這一點(diǎn)在認(rèn)知和價(jià)值的情境交互量表中尤為明顯，它們顯示了兩種方法之間的顯著差異。這就讓人質(zhì)疑這些項(xiàng)目測(cè)量是否準(zhǔn)確。然而，因?yàn)檠芯竣蛑?，克隆巴赫系?shù)相當(dāng)高（所有α值大于0.7），而且結(jié)果非常相似，因此我們認(rèn)為這些結(jié)果仍然可靠。

六、結(jié)論

本文就學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)模擬時(shí)產(chǎn)生的激勵(lì)與認(rèn)知效果提出了一些見(jiàn)解。認(rèn)為交互式計(jì)算機(jī)模擬在復(fù)雜內(nèi)容交流方面具有優(yōu)勢(shì)，實(shí)操性實(shí)驗(yàn)對(duì)提高學(xué)生情境興趣非常重要（尤其是在價(jià)值和認(rèn)知方面）。我們認(rèn)為研究結(jié)果與學(xué)習(xí)地點(diǎn)無(wú)關(guān)，因?yàn)閮蓚€(gè)研究中的調(diào)查展現(xiàn)了相同的結(jié)果。此外，測(cè)試人員眾多（總測(cè)試人數(shù)=810名學(xué)生）使得本研究結(jié)果更有意義。這些結(jié)果發(fā)現(xiàn)為教育者提供了一定的參考，便于他們選擇適當(dāng)?shù)姆椒ㄔ谛?nèi)外進(jìn)行復(fù)雜的社會(huì)科學(xué)教育。我們指出，對(duì)于科學(xué)教育而言，激發(fā)興趣與講授學(xué)科知識(shí)同樣重要。由于兩種方法可以相互補(bǔ)充，因此將兩者結(jié)合起來(lái)似乎是一個(gè)能將我們觀察到的積極效果最大化的正確方法（獲取知識(shí)+激勵(lì)）。在我們的研究之后，帕塔姆貝卡（Puntambekar）等人指出，用一種方法學(xué)習(xí)可以補(bǔ)充和完善另一種方法的不足（學(xué)習(xí)內(nèi)容的重點(diǎn)不同），并要在戰(zhàn)略上將兩者結(jié)合起來(lái)[55]。在研究當(dāng)中，他們發(fā)現(xiàn)學(xué)生們的討論會(huì)受到方法顯著特征的影響：進(jìn)行實(shí)操性物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)生討論如何安排設(shè)備、做出準(zhǔn)確的測(cè)量以及用公式來(lái)計(jì)算輸出量。相反，在虛擬實(shí)驗(yàn)室工作的學(xué)生更多地參與變量輸入、預(yù)測(cè)和現(xiàn)象闡釋。此外，斯美塔那（Smetana）、貝爾（Bell）、利希特（Lichti）和羅斯（Roth）也指出，實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)與基于模型的模擬相結(jié)合是一個(gè)潛在的強(qiáng)大的學(xué)習(xí)工具[9][45]。此外，德容（de Jong）等人強(qiáng)調(diào)，虛擬與非虛擬學(xué)習(xí)因素的結(jié)合似乎能夠?qū)崿F(xiàn)更深入、更細(xì)致的理解，尤其是在講授復(fù)雜問(wèn)題的時(shí)候[72]。最后我們認(rèn)為，未來(lái)應(yīng)該關(guān)注實(shí)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)模擬相結(jié)合之后對(duì)于學(xué)生的激勵(lì)與認(rèn)知效果。

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Two Comparative Studies of Computer Simulations and Experiments as Learning Tools in School and Out-of-School Education

JOHANNA T Krüger1， TIM N H?ffler1， MARTIN Wahl2， KATRIN Knickmeier1， ILKA Parchmann1

（1. Leibniz Institute for Science and Mathematics Education; 2. GEOMAR Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel）

Abstract： Interactive computer simulations and hands-on experiments are important teaching methods in modern science education. Especially for the communication of complex current topics with social relevance （socioscientific issues）， suitable methods in science education are of great importance. However， previous studies could not sufficiently clarify the educational advantages and disadvantages of both methods and often lack adequate comparability. This paper presents two studies of direct comparisons of hands-on experiments and interactive computer simulations as learning tools in science education for secondary school students in two different learning locations （Study I： school; Study II： student laboratory）. Using a simple experimental research design with type of learning location as between-subjects factor （NstudyI = 443， NstudyII = 367）， these studies compare working on computer simulations versus experiments in terms of knowledge achievement， development of situational interest and cognitive load. Independent of the learning location， the results showed higher learning success for students working on computer simulations than while working on experiments， despite higher cognitive load. However， working on experiments promoted situational interest more than computer simulations （especially the epistemic and value-related component）. We stated that simulations might be particularly suitable for teaching complex topics. The findings reviewed in this paper moreover imply that working with one method may complement and supplement the weaknesses of the other. We conclude that that the most effective way to communicate complex current research topics might be a combination of both methods. These conclusions derive a contribution to successful modern science education in school and out-of-school learning contexts.

Keywords： Science Education; Hands-on Experiments; Computer Simulation; Learning; Interest

（責(zé)任編輯：孫新樂(lè)）