教學模擬：信息技術與課程整合新途徑

【摘要】計算機模擬程序應用于學習中可以成為學習的工具和支架，它為信息技術與課程整合提供了一種新的途徑。文章澄清了有效開展教學模擬的制約條件和影響因素，并結合實例探討了基于教學模擬的學習設計。

【關鍵詞】教學模擬，計算機模擬，教學設計，信息技術與課程整合

【中圖分類號】G420

【文獻標識碼】B

【論文編號】1009—8097（2006）04—0009—04

數學和科學學科作為自然科學的基礎、高新技術的基石，其基本理論、思想方法已滲透并應用到其他科學技術中。隨著信息技術與課程整合的發展，一種重要趨勢體現在為學習者創設一種開放、主動、發現式的學習環境，發展學生的高級思維能力和問題解決能力。^[1]模擬作為一種主要的方式被廣泛運用。一般而言模擬指的是復雜自然現象的簡化模式。^[2]模擬和計算機的結合產生了計算機模擬。本文將分析計算機模擬運用于教學的制約條件和影響因素，并探討建立有效教學性模擬的學習設計流程。

一、模型、模擬程序和教學性模擬

數學和科學學科是一類對真實世界不斷抽取要素建立各種模型的學科，其特殊的研究方法決定了模型在其理論體系中的重要地位。科學模型的掌握在整個學習活動中處于教學的核心。學習者一方面通過對模型的學習理解了專業知識，另一方面潛移默化地掌握數學和科學學科的思維方法。通過對發生在真實世界中的事件的觀測，人們獲得真實事件的行為數據。對科學專業工作者而言，通過將真實世界中發生的事件簡化，得到其模型，通過對模型的輸入后生成的行為數據與實際觀測去比較來驗證模型的正確性。隨著技術的發展，軟件開發人員和科學專業工作者合作，將模型開發成計算機模擬和仿真程序，通過虛擬的實驗和控制得到所需的數據，很大程度上加快了科學研究。（見圖1）

圖1 模型和計算機模擬程序

如果換一個角度看模型和計算機模擬程序的關系，我們可以發現：對科學專業工作者而言的研究工具對于教師和學習者而言是很好的教學和學習工具。在這種思想指導下出現了很多用于教學和學習的計算機模擬教學軟件。Thomas 和 Hooper (1991) 定義計算機模擬教學軟件為“以真實或理論模型的可調控計算機程序”。^[3]它是指用計算機去建立模型來模擬真實世界中的現象，以幫助學生掌握。學習者可在交互控制狀態下對某種現象或過程進行學習或研究。

當計算機模擬程序用于教學或學習時，我們稱為基于模擬式教學或學習（simulation-based learning），也被稱作教學性模擬（instructional simulation，簡稱教學模擬）。教學模擬是利用計算機建模和仿真技術來表現某些系統（自然的、物理的、社會的）的結構和動態，為學生提供一種可供他們體驗和觀測的環境。^[4]教學模擬作為一種十分有價值的信息化教學模式，在數學和科學學科的教學中有著廣泛的應用。

二、計算機模擬程序：學習的工具和支架

計算機模擬可使學習者進入一個虛擬的環境中去體驗所學內容， 獲得近似于真實的經驗，可增進學習者的學習動機，并提供認知發展過程的支持，有助于學習者進行有意義的思考和問題解決，促進學習者高階思維能力的發展。計算機模擬是數學和科學學科的強有力的教學工具。有了這些可視化的分析工具，數學和科學模型從靜態的圖表發展到用互動的動態模型，根本改變了數學和科學探究的性質。學生們在理解不同的數學和科學觀點時就可以利用建構電子化模型的方法。

在學習者學習的過程中計算機模擬還可提供一個暫時性的支持環境來協助學生發展其學習能力。隨著學習者對學習內容的熟悉和掌握，其能力得到提升，學生利用模擬程序主動探究，并通過學習建構出屬于自己的知識。計算機模擬作為學生探究學習的支架，其最主要目的就是使學習者保持在他們的鄰近發展區活動。這通過兩種方式達到目的，一是建構學習者的交互活動和探究虛擬環境；二是針對學習者目前的需要與能力，不斷提供不同的支持工具。

可以看出，計算機模擬為學生提供了技術工具和環境支持。九十年代以來，英美等國在數學和科學教學中大量應用計算機模擬程序來促進學生對數學和科學的理解。使學生從“看”到 “做”，學生在課堂上進行推測和探究，并即時地進行驗證，這樣使得學生能拓展思維的范圍，真正理解困難的科學概念和原理，不再是對教科書的被動接受和死記硬背，發展了學生的能力。

三、影響教學性模擬的因素

教學性模擬作為信息化教學模式的一種，多年來在教學中雖然對教和學有一定的幫助，但遠沒有發揮應有的作用。如果我們把數學和科學教學的過程歸納為直觀感知、體驗探究、抽象歸納、遷移應用四個階段的話，那么在目前的大部分教學中，教學模式仍然是強調學生用語言形式來接受新知識，即使用計算機模擬也往往局限于直觀感知階段，把模擬程序作為新知識內容呈現的一種手段，信息技術應用教學的潛力遠沒有發揮。

研究者們對教學性模擬的實際效果進行了大量研究， 但結果很不一致。^[5]這使我們需進一步澄清這種教學模式的制約條件和影響因素。產生這種現象的原因有很多方面，除了經濟原因外，還和特定學科知識框架、使用人員（教師和學生）的使用方式、教師教學理念有很大關系。我們從教學系統的基本組元：教育者、學習者、媒體和教學內容入手，把教學內容和模擬程序合二為一，讓計算機模擬充當學生探究環境和學習支架（如圖2）。

圖2 教學性模擬的制約條件和影響因素

首先教學性模擬的開展與教育者的使用方式有關。教師的使用方式和教師教學理念密切相關。有的教師把模擬程序僅僅當作知識呈現、情景展示的工具，忽視學生學習的內在規律，學生難以參與教學，其任務僅是理解和吸收教師傳授的知識。教師的使用方式還和教師信息技術能力有關。有的教師直接使用某個學科特定模擬軟件支持教學。有的教師信息搜索的能力很強，在網上找到很多已經開發好的，適合某個課時的模擬程序。有的教師程序設計能力比較強，能夠自行利用工具開發適合某個知識點的模擬程序和課件。

其次教學性模擬的開展和學習者有關。不同的學習者有不同的學習風格，其原有的知識結構不同，導致學習者在使用模擬程序中會遇到困難。Jong Joolingen^[6]將學習者在計算機模擬情境中遇到的困難歸納為以下四類：(1) 形成假設。學習者常常難以提出新假設， 也難以針對收集到的新數據進行修改、假設或提出另外的假設。(2) 設計實驗。學習者常常難以利用模擬程序系統邏輯地設計科學實驗，表現出了很多不足和錯誤偏向。(3) 解釋數據。不能正確理解數據中反映的規律。(4) 發現學習的調節。缺乏對發現活動的計劃和監視。不克服上述這些困難， 學習者就很難充分利用計算機模擬的潛在優勢， 難以達到更好的學習效果。

最后教學性模擬的開展和準備在教學和學習中使用的模擬程序有關。軟件設計人員設計出的開發工具中體現的設計理念、開發方式（開源或商業方式）、學習內容將直接影響其產生的模擬程序。軟件設計人員要充分考慮學習者遇到的困難，設計的方案要符合教育教學規律。要讓使用者更多地了解在模擬程序背后的學科知識并適當加以拓展，以提高他們的遠遷移能力。大多數開發人員并不熟悉教學過程，他們開發的教學應用程序有的夾雜著其預設的教學模型，當教學對象和教學環境發生改變時，程序設計者們期待的教學成效自然就會大打折扣。因此對于模擬程序的課堂應用存在著教師二次開發和使用的問題。

四、開展教學性模擬的教學設計

建立教學性模擬的關鍵工作是建立被模擬對象的模型（學習內容），然后用計算機程序描述此模型。基于對教學性模擬的制約條件和影響因素的分析，結合國內外大量教學性模擬有效性的研究成果，筆者總結出一種有效開展教學性模擬的流程（如圖3）。下面結合高一下學期物理課程中單擺這一節內容進行論述。

圖3 有效教學模擬的教學設計

首先是分析教學內容，包括對課型的判斷和對教學目標的分析。新課、練習課、測驗課、復習課對應著不同的教學要求。不同的教學內容對應不同的教學目標。“單擺”這堂課是一節新課。其要達到的教學目標有：知道什么是單擺；理解單擺做簡諧振動的條件；掌握單擺的周期公式；培養學生觀察分析和歸納問題的能力；激發學生學習科學的熱情。用實驗的方法來證實單擺的振動周期與那些物理量有關是本節課的重點。確定了上述的教學目標，教師應該將教學重點放在引導學生學會預習、學會讀物理書、學會提出問題、學會用實驗來證明自己的假設上。

接著教師需要考慮學生特點，選擇合適的教學方式，要分析模擬在學習中起的作用方式和學生使用方式。Thomas和Hooper把模擬在教學中所起的作用可分為四種：(1)體驗(experiencing)：即在講解新知識之前提供鋪墊性經驗；(2)學習新知識(informing)：利用計算機模擬使學生形成新知識，它可以是與講解結合在一起，也可以單獨發揮作用；(3)鞏固(reinforcing)：在講解性教學后用以鞏固對知識的記憶；(4)整合(integrating)：在教學之后用以促進知識的綜合和融會貫通。^[7]教師需要結合學生已有的知識結構決定模擬軟件在教學中的作用方式。按照作用方式不同，教師需要設計教學使用方式。常用的模擬教學方式有：演示法、實驗法、探索體驗法、游戲法等。^[8]在本節課的教學中，模擬可以起著（1）和（2）項作用。學生的使用方式可以采用實驗法和探索體驗法。將模擬軟件創設的虛擬自然環境作為學生學習中的一個必不可少的組成部分，用統計軟件來處理獲取的信息，學生將會以一種自然的方式對待信息技術，有利于學生科學素養的培養。

接下來教師需要結合自身的信息技術能力，選擇恰當的模擬程序。通過對可進行教學性模擬的計算機程序的分析，我們不難發現主要有以下三類：通用模擬開發平臺、學科特定模擬程序、內容預置的模擬程序。不同類型的模擬程序其特點和對教師信息技術能力的要求不同。表1列出三類模擬程序不同特點。我們可以看出從內容預置、特定學科到通用模擬開發，對教師的信息技術能力要求逐步提高。在本節課中實驗設計可以借助于MATLAB軟件的計算功能和模擬功能，進一步分析單擺周期與擺長L、重力加速度g有怎樣的函數關系，將其的數值計算及模擬功能引進課堂教學。如果任課教師對MATLAB軟件不熟悉，還可以選用“交互式物理”等其它類似軟件為學生提供一個動手實驗的平臺。此外還可以從網上搜索一些單擺的Flash小程序，讓學生動手操作、測量數據、分析數據。

表1 不同類型模擬程序特點比較

以上三步是教師在課前所要準備的，接下來可以進行教學實施。在實施過程中，要發揮教師組織者和促進者作用，要防止學生因過于困難而引起的消極態度。同時教師要在適當的地方增加具體指導。比如學生在利用軟件統計和分析單擺周期公式的數據時，可以提示利用散點圖等直觀的表達工具，避免繁瑣的計算過程，讓學生清晰的看到公式中各個物理量之間的聯系。

五、開展教學模擬時潛在的問題及其解決辦法

教學模擬作為一種信息技術與課程整合的新途徑，能夠為學生積極主動的學習創造一個逼真的虛擬探索環境。但是在開展教學模擬時會帶來一些問題：（1）過分依賴于模擬軟件帶來的“無所適從”。技術對教學的影響改變著教師在課堂中的角色。教室里模擬軟件的使用會造成部分教師對自身作用的改變認識不清，主體發生了迷失。在這種情況下，教師需要轉變教學觀念，從講臺上走下來，成為學生學習的促進者和管理者，創造學生為中心的學習環境。（2）教學模擬對于教師的信息技術能力有一定要求，部分教師會本能的排斥和拒絕使用這種教學方式。在培訓和輔導這類教師時，應該結合他們自身現有的信息技術能力展示一些他們認為力所能及的教學模擬的實例。并且通過同伴的帶領作用激勵他們的學習動機，提高他們使用教學模擬方式的信心和決心。（3）部分教師會認為教學模擬這種教學方式只能發揮“體驗探究”的作用，卻忽視了其“抽象歸納”的作用。教師們不僅要讓學生走進模擬軟件進行體驗探究，而且讓學生從模擬軟件中走出來進行抽象歸納。從前面的討論中，我們可以看到模擬的基礎是模型法，這種思維方式是數學和科學學科一種根本思維方法。從教學模擬中教師不僅要促進學生對于知識的探究，更重要的是培養他們良好的思考方式和科學素養。

六、結論

對于內容有嚴謹結構的學科（如數學、物理、化學等理科），教師應能創設有豐富資源的學習環境，方便學生主動發現和探索；要構造主動、自主的學習空間，通過學生實際操作，由被動的學習逐漸轉化為自主的學習。^[9]通過計算機模擬學習情境，學生在獨立探索和合作探索的學習過程中，逐步取得“獲得自信”和“進行高效率學習”的經驗，提升學習效果。學習者可以通過不斷更新自己的知識結構，培養創造能力。隨著人工智能技術的出現，我們相信計算機模擬在課堂中的運用將會有更大的發展。

參考文獻

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Instructional Simulation: The New Approach in Integrating Technology in the Curriculum

Li Wenhao1Zheng Yan2

1、Huazhong Normal University， Wuhan Hubei， 430079 2、Huazhong Normal University， Wuhan Hubei， 430079

Abstract: The computer simulation programmes can be used as tools and scaffolding of study， thus give a new approach in integrating technology in the curriculum. This article has clarified the factors that restrict and influence the effective perform of the instructional simulation， and has also probed into the learning design of it.

Keywords：Instructional Simulation， Computer Simulation， Instructional Design， Integrating Technology in the Curriculum

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