文章從基于模型的科學學習環境相關概念出發，在文獻研究基礎上，提煉了此類學習環境比較研究的分析框架，討論了分析框架的要素。

　　在分析框架的基礎上，將國外當前基于模型的科學學習環境分為三類：主界面只含一種模型的學習環境、主界面含多種模型的學習環境、主界面含共享建模區的學習環境，并進行了比較，討論了不同類型的學習環境在設計要素方面的特點，得出了異同點。從而提出了在面向不同的學習者和不同主題的教學內容時，基于模型的科學學習環境的設計和應用策略，為我國相關研究提供借鑒。

　　隨著技術的進步，計算機支持的學習環境也得到了不斷更新和發展，越來越多此類產品用于支持學生的認知及其相關能力的培養和發展，尤其是各種基于模型的科學學習環境的開發和應用，為研究者所關注和重視。大量研究顯示，基于模型的科學學習環境在教學中的應用，不但有助于促進學生科學概念的學習，且能夠培養學生的批判性思維、推理能力、自我監控能力以及合作學習能力等。[1][2]所以，基于這些優點，國外研究者開發了大量基于模型的科學學習環境(Model-based Science Learning Environment，以下簡稱MbSLE)，有學科專用型和學科通用型兩種。[3]學科專用型學習環境，如生物學科適用的BioLogica 和PlantMod， 化學學科適用的Connected Chemistry和ChemNet;學科通用型學習環境， 如ModelingSpace、Model-It 和 Belvedere。

　　除了適用學科的范圍有所不同外，由于設計要素的不同，學習對象也會有所不同，如STELLA對于高年級學生科學概念的學習有幫助;[4]與只含模型的學習環境相比，含有建模工具的學習環境對于培養學生的反思和調控能力更有幫助。因此，依據學科范圍、知識以及使用對象等的不同，不同的MbSLE在設計和使用效果方面會呈現不同的特點。作為教師，應如何根據教學環境和影響因素，選擇適合教學的科學學習環境;作為開發者或研究者，如何從已有學習環境中提取開發要素，設計出對科學學習更有價值的學習環境。

一、相關概念的界定

　　計算機支持的科學模型是指借助計算機技術通過一定的表達方式對科學現象，尤其是抽象或復雜科學現象、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現象機制、因果關系、功能等的體現，對科學現象及其相關概念進行描述、解釋和預測。科學模型能夠體現科學現象最為基本的屬性和特質，體現要素之間的基本聯系。[5][6]在已有研究中，對計算機支持的科學模型進行了不同的分類。本文將分類依據和相應的類型進行了歸納，見表1。

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

二、分析框架的形成

　　在文獻研究基礎上，本文將MbSLE的分析要素歸納為學科內容、教學理論、設計特點以及預期學習效果等四個方面。[13][14][15]通過對四個方面中不同內容的分析，得出不同類型的MbSLE設計及其應用特點。分析要素及其內容見表2。

三、 基于模型的科學學習

　　環境的比較和分析

　　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習環境、主界面含多種模型的學習環境、主界面含共享建模區(shared modeling workspace)的學習環境。依據分析框架，以下對這些學習環境的設計要素進行分析和比較，得出有關結論。

　　(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，界面設計相對比較簡單。類型1中的模型有直接模擬實物現象，也有模擬抽象事物，如數據等。本文選取PhET、WOW、APoME、Belvedere、Simquest和PlantMod，對這些屬于類型1的MbSLE進行要素的分析。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，便于在無網絡環境下使用。在模型類型來看，類型1中以相對抽象的數據模型居多，因此，適用對象大多為高中生甚至高中以上年級學生。在模型的支持性工具設計方面，為增強模型的調控功能，大多設置可控制因素及其數值大小的操作工具，有些則結合數據輸出和輸入功能，為觀察實時數據提供支持。

　　與其他由開發人員設計模型的方式不同，Simquest為教師提供了自行設計模型的后臺工具，借助該工具，教師可以使用簡單的設計語言，設計模型及編輯配套的教學內容，如問題、前測等;另外，作為唯一一種含有建模工具的學習環境，Belvedere為學生提供了三種表征方式從簡單到復雜的建模工具，為不同學習水平學生的模型建構提供了支持。研究者還為不同的學習環境提出了不同教學模式及策略，如應用5E教學模式APoME，采用發現式學習理論設計的Simquest。從預期學習效果來看，類型1的設計特點向設計者和研究者傳達了一種信息，即抽象數據模型面向的群體為相對認知水平較高的學生，已有研究表明，對于這些學生的科學學習，側重概念的深度認知、培養其推理能力、批判性思維、數據管理能力、探究能力以及用系統觀點認識復雜概念的能力。[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，支持學生自主建模的設計不多。因此，此類MbSLE對學生自我調控、推理能力以及反思能力等方面的培養支持不夠，也不利于教師分析學生科學概念的形成和修正過程。從類型2的設計特點來看，此類學習環境的開發在一定程度上彌足了類型1的不足，也體現了其特點。本文選擇該類學習環境的典型設計Co-Lab、 ModelingSpace、Model-It、NetLogo進行分析。其主界面分別如圖2a~d所示，具體分析內容見表4。

　　從類型2的性質看，均為軟件，可以在無網絡的環境下使用，且大多數可支持聯網后學生的合作學習。這些學習環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科范圍較廣，絕大多數可以滿足不同年級水平學生的學習，尤其是中學階段學生的學習。

　　此類MbSLE強調建模工具在科學學習中的應用，因此，在模型工具設計中，均設計了建模工具，使得學生能夠依據自身對概念系統的理解，建構不同水平的模型，并運行模型后再修改模型，在一定程度上有助于促進學生對學習過程的分析、反思和自我調控，也為教師評價提供了依據。部分設計則融入了漸進式建模的觀點，支持學生模型建構水平的逐級遞增，如Co-Lab和ModelingSpace，使得建模工具能夠面向不同認知能力和建模水平的學習者。

　　如在ModelingSpace中，學習者可以建構兩種形式的模型，一種為概念圖，屬定性模型，一種為結構圖，結構圖又分為定性結構和定量結構模型兩種;在Co-lab中，存量—流量圖變量之間的關系的描述也可以由定性和定量兩種來表征。類型2中支持性工具的設計也更為多樣化，融入了模型要素庫及共享建模區和聊天工具的設計，使得學生的學習方式更為多元。如ModelingSpace中， 建模者對自己建構的模型具有所有權，可以決定是否與其他學習者共享模型，如同意，其他人可以在此基礎上，對該模型提出修改意見;[20]在Co-lab中，其構成要素中增加了合作白板和建模白板區，聊天框及其聊天記錄查詢等工具，這些設計均為學生合作學習提供了有力支持。

　　所以，類型2的MbSLE設計特點，決定了其在科學教學的應用中，除了有助于學生概念的深度學習外，在思維能力訓練以及合作學習能力培養方面更有優勢。

　　(三)主界面為共享建模區的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學習的設計方式，通過共享工作平臺的設計來促進實時在線合作是計算機支持的合作學習的一種重要途徑。[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的平臺進行MbSLE分析：Cool Modes、Cacoo和 CmapTools。其主界面如圖3a~c所示。分析結果見表5。

　　由表中分析可知，含有共享建模區的MbSLE 設計有簡單也有復雜。該類環境均強調不同類型的建模工具的使用，高年級學生側重定量建模工具的應用，低年級學生則側重定性模型工具的使用。建模工具的設計大多比較簡單，易于大多數學生學習并使用。在共享程度的設計方面，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習的支持性工具，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，使得不同的學習者通過同一個建模區達到實時合作的效果，并且可以輔以聊天框，以便在建模過程中進行交流、討論并對模型結果作出評價，有利于學生在學習過程中的互評和反思。這種基于共享建模區的合作建模方式不但有助于促進學生完成復雜任務形成專家導向的概念模型，更有助于提高學生的反思和評價能力。