文章從基于模型的科學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)境相關(guān)概念出發(fā)，在文獻(xiàn)研究基礎(chǔ)上，提煉了此類學(xué)習(xí)環(huán)境比較研究的分析框架，討論了分析框架的要素。

　　在分析框架的基礎(chǔ)上，將國外當(dāng)前基于模型的科學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)境分為三類：主界面只含一種模型的學(xué)習(xí)環(huán)境、主界面含多種模型的學(xué)習(xí)環(huán)境、主界面含共享建模區(qū)的學(xué)習(xí)環(huán)境，并進(jìn)行了比較，討論了不同類型的學(xué)習(xí)環(huán)境在設(shè)計要素方面的特點，得出了異同點。從而提出了在面向不同的學(xué)習(xí)者和不同主題的教學(xué)內(nèi)容時，基于模型的科學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計和應(yīng)用策略，為我國相關(guān)研究提供借鑒。

　　隨著技術(shù)的進(jìn)步，計算機支持的學(xué)習(xí)環(huán)境也得到了不斷更新和發(fā)展，越來越多此類產(chǎn)品用于支持學(xué)生的認(rèn)知及其相關(guān)能力的培養(yǎng)和發(fā)展，尤其是各種基于模型的科學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)境的開發(fā)和應(yīng)用，為研究者所關(guān)注和重視。大量研究顯示，基于模型的科學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)境在教學(xué)中的應(yīng)用，不但有助于促進(jìn)學(xué)生科學(xué)概念的學(xué)習(xí)，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。[1][2]所以，基于這些優(yōu)點，國外研究者開發(fā)了大量基于模型的科學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)境(Model-based Science Learning Environment，以下簡稱MbSLE)，有學(xué)科專用型和學(xué)科通用型兩種。[3]學(xué)科專用型學(xué)習(xí)環(huán)境，如生物學(xué)科適用的BioLogica 和PlantMod， 化學(xué)學(xué)科適用的Connected Chemistry和ChemNet;學(xué)科通用型學(xué)習(xí)環(huán)境， 如ModelingSpace、Model-It 和 Belvedere。

　　除了適用學(xué)科的范圍有所不同外，由于設(shè)計要素的不同，學(xué)習(xí)對象也會有所不同，如STELLA對于高年級學(xué)生科學(xué)概念的學(xué)習(xí)有幫助;[4]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。因此，依據(jù)學(xué)科范圍、知識以及使用對象等的不同，不同的MbSLE在設(shè)計和使用效果方面會呈現(xiàn)不同的特點。作為教師，應(yīng)如何根據(jù)教學(xué)環(huán)境和影響因素，選擇適合教學(xué)的科學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)境;作為開發(fā)者或研究者，如何從已有學(xué)習(xí)環(huán)境中提取開發(fā)要素，設(shè)計出對科學(xué)學(xué)習(xí)更有價值的學(xué)習(xí)環(huán)境。

一、相關(guān)概念的界定

　　計算機支持的科學(xué)模型是指借助計算機技術(shù)通過一定的表達(dá)方式對科學(xué)現(xiàn)象，尤其是抽象或復(fù)雜科學(xué)現(xiàn)象、過程、概念以及理論的一種模擬或概括。其特點是能夠最大程度地通過對科學(xué)現(xiàn)象機制、因果關(guān)系、功能等的體現(xiàn)，對科學(xué)現(xiàn)象及其相關(guān)概念進(jìn)行描述、解釋和預(yù)測。科學(xué)模型能夠體現(xiàn)科學(xué)現(xiàn)象最為基本的屬性和特質(zhì)，體現(xiàn)要素之間的基本聯(lián)系。[5][6]在已有研究中，對計算機支持的科學(xué)模型進(jìn)行了不同的分類。本文將分類依據(jù)和相應(yīng)的類型進(jìn)行了歸納，見表1。

　　在MbSLE中，建模是一個重要的概念。建模是指建構(gòu)和產(chǎn)生模型的過程。研究表明，以形成、測試和修改模型為基本步驟的科學(xué)建模過程是科學(xué)學(xué)習(xí)的一個重要方法，不同類型的模型的形成與建模工具密切相關(guān)，學(xué)生對于建模工具的使用和相應(yīng)模型的形成，可以表現(xiàn)學(xué)生對于概念理解的水平。因此，建模成為教師評價學(xué)生心智模型及其水平的重要依據(jù)。研究表明，建模不但可以促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)知識的深度理解，還能促成其有意義學(xué)習(xí)

二、分析框架的形成

　　在文獻(xiàn)研究基礎(chǔ)上，本文將MbSLE的分析要素歸納為學(xué)科內(nèi)容、教學(xué)理論、設(shè)計特點以及預(yù)期學(xué)習(xí)效果等四個方面。[13][14][15]通過對四個方面中不同內(nèi)容的分析，得出不同類型的MbSLE設(shè)計及其應(yīng)用特點。分析要素及其內(nèi)容見表2。

三、 基于模型的科學(xué)學(xué)習(xí)

　　環(huán)境的比較和分析

　　本文將國外MbSLE主要分為三種類型：主界面只含一種模型的學(xué)習(xí)環(huán)境、主界面含多種模型的學(xué)習(xí)環(huán)境、主界面含共享建模區(qū)(shared modeling workspace)的學(xué)習(xí)環(huán)境。依據(jù)分析框架，以下對這些學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計要素進(jìn)行分析和比較，得出有關(guān)結(jié)論。

　　(一)主界面含一種模型的MbSLE特點分析

　　類型1中主界面一般只提供一個模型或一種模型，界面設(shè)計相對比較簡單。類型1中的模型有直接模擬實物現(xiàn)象，也有模擬抽象事物，如數(shù)據(jù)等。本文選取PhET、WOW、APoME、Belvedere、Simquest和PlantMod，對這些屬于類型1的MbSLE進(jìn)行要素的分析。其主界面分別如圖1a~f所示。

　　由表3可知，類型1大多為單機型軟件，便于在無網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下使用。在模型類型來看，類型1中以相對抽象的數(shù)據(jù)模型居多，因此，適用對象大多為高中生甚至高中以上年級學(xué)生。在模型的支持性工具設(shè)計方面，為增強模型的調(diào)控功能，大多設(shè)置可控制因素及其數(shù)值大小的操作工具，有些則結(jié)合數(shù)據(jù)輸出和輸入功能，為觀察實時數(shù)據(jù)提供支持。

　　與其他由開發(fā)人員設(shè)計模型的方式不同，Simquest為教師提供了自行設(shè)計模型的后臺工具，借助該工具，教師可以使用簡單的設(shè)計語言，設(shè)計模型及編輯配套的教學(xué)內(nèi)容，如問題、前測等;另外，作為唯一一種含有建模工具的學(xué)習(xí)環(huán)境，Belvedere為學(xué)生提供了三種表征方式從簡單到復(fù)雜的建模工具，為不同學(xué)習(xí)水平學(xué)生的模型建構(gòu)提供了支持。研究者還為不同的學(xué)習(xí)環(huán)境提出了不同教學(xué)模式及策略，如應(yīng)用5E教學(xué)模式APoME，采用發(fā)現(xiàn)式學(xué)習(xí)理論設(shè)計的Simquest。從預(yù)期學(xué)習(xí)效果來看，類型1的設(shè)計特點向設(shè)計者和研究者傳達(dá)了一種信息，即抽象數(shù)據(jù)模型面向的群體為相對認(rèn)知水平較高的學(xué)生，已有研究表明，對于這些學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)，側(cè)重概念的深度認(rèn)知、培養(yǎng)其推理能力、批判性思維、數(shù)據(jù)管理能力、探究能力以及用系統(tǒng)觀點認(rèn)識復(fù)雜概念的能力。[16][17][18](二)主界面含多種模型的MbSLE特點分析

　　從上述分析也可知，類型1在使用上存在一定局限性，如適用對象、適用的學(xué)科范圍不廣;雖提供了一些支持性工具，但模型的可操作性不強，支持學(xué)生自主建模的設(shè)計不多。因此，此類MbSLE對學(xué)生自我調(diào)控、推理能力以及反思能力等方面的培養(yǎng)支持不夠，也不利于教師分析學(xué)生科學(xué)概念的形成和修正過程。從類型2的設(shè)計特點來看，此類學(xué)習(xí)環(huán)境的開發(fā)在一定程度上彌足了類型1的不足，也體現(xiàn)了其特點。本文選擇該類學(xué)習(xí)環(huán)境的典型設(shè)計Co-Lab、 ModelingSpace、Model-It、NetLogo進(jìn)行分析。其主界面分別如圖2a~d所示，具體分析內(nèi)容見表4。

　　從類型2的性質(zhì)看，均為軟件，可以在無網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下使用，且大多數(shù)可支持聯(lián)網(wǎng)后學(xué)生的合作學(xué)習(xí)。這些學(xué)習(xí)環(huán)境的共同點是主界面含多種類型的模型，且面向的適用對象和學(xué)科范圍較廣，絕大多數(shù)可以滿足不同年級水平學(xué)生的學(xué)習(xí)，尤其是中學(xué)階段學(xué)生的學(xué)習(xí)。

　　此類MbSLE強調(diào)建模工具在科學(xué)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用，因此，在模型工具設(shè)計中，均設(shè)計了建模工具，使得學(xué)生能夠依據(jù)自身對概念系統(tǒng)的理解，建構(gòu)不同水平的模型，并運行模型后再修改模型，在一定程度上有助于促進(jìn)學(xué)生對學(xué)習(xí)過程的分析、反思和自我調(diào)控，也為教師評價提供了依據(jù)。部分設(shè)計則融入了漸進(jìn)式建模的觀點，支持學(xué)生模型建構(gòu)水平的逐級遞增，如Co-Lab和ModelingSpace，使得建模工具能夠面向不同認(rèn)知能力和建模水平的學(xué)習(xí)者。

　　如在ModelingSpace中，學(xué)習(xí)者可以建構(gòu)兩種形式的模型，一種為概念圖，屬定性模型，一種為結(jié)構(gòu)圖，結(jié)構(gòu)圖又分為定性結(jié)構(gòu)和定量結(jié)構(gòu)模型兩種;在Co-lab中，存量—流量圖變量之間的關(guān)系的描述也可以由定性和定量兩種來表征。類型2中支持性工具的設(shè)計也更為多樣化，融入了模型要素庫及共享建模區(qū)和聊天工具的設(shè)計，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)方式更為多元。如ModelingSpace中， 建模者對自己建構(gòu)的模型具有所有權(quán)，可以決定是否與其他學(xué)習(xí)者共享模型，如同意，其他人可以在此基礎(chǔ)上，對該模型提出修改意見;[20]在Co-lab中，其構(gòu)成要素中增加了合作白板和建模白板區(qū)，聊天框及其聊天記錄查詢等工具，這些設(shè)計均為學(xué)生合作學(xué)習(xí)提供了有力支持。

　　所以，類型2的MbSLE設(shè)計特點，決定了其在科學(xué)教學(xué)的應(yīng)用中，除了有助于學(xué)生概念的深度學(xué)習(xí)外，在思維能力訓(xùn)練以及合作學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)方面更有優(yōu)勢。

　　(三)主界面為共享建模區(qū)的MbSLE特點分析

　　共享工作平臺是一種能夠使不同地點的人在用一時間一起工作或?qū)W習(xí)的設(shè)計方式，通過共享工作平臺的設(shè)計來促進(jìn)實時在線合作是計算機支持的合作學(xué)習(xí)的一種重要途徑。[21]從上述分析可知，在MbSLE中，也融入了這種重要的設(shè)計理念，如Belvedere、Co-Lab 以及ModellingSpace。以下本文選取更為典型的含共享建模區(qū)的平臺進(jìn)行MbSLE分析：Cool Modes、Cacoo和 CmapTools。其主界面如圖3a~c所示。分析結(jié)果見表5。

　　由表中分析可知，含有共享建模區(qū)的MbSLE 設(shè)計有簡單也有復(fù)雜。該類環(huán)境均強調(diào)不同類型的建模工具的使用，高年級學(xué)生側(cè)重定量建模工具的應(yīng)用，低年級學(xué)生則側(cè)重定性模型工具的使用。建模工具的設(shè)計大多比較簡單，易于大多數(shù)學(xué)生學(xué)習(xí)并使用。在共享程度的設(shè)計方面，共享水平有高有底，有些能夠共享已有模型，有些則是共享建模的過程，且提供了多種合作學(xué)習(xí)的支持性工具，如共享聊天框以及共享文件夾等。

　　如Cacoo，該軟件不但提供了共享建模區(qū)，使得不同的學(xué)習(xí)者通過同一個建模區(qū)達(dá)到實時合作的效果，并且可以輔以聊天框，以便在建模過程中進(jìn)行交流、討論并對模型結(jié)果作出評價，有利于學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的互評和反思。這種基于共享建模區(qū)的合作建模方式不但有助于促進(jìn)學(xué)生完成復(fù)雜任務(wù)形成專家導(dǎo)向的概念模型，更有助于提高學(xué)生的反思和評價能力。