利用網絡和計算機技術促進科學教育的協作

儲　鶴

[摘要]目前科學教育界的協作現狀不容樂觀。2062科學教育平臺利用網絡和計算機新技術，借鑒軟件行業和2061項目的經驗，面向中小學科學教師提供協作研究方面的技術支持。并希望通過2062平臺，整合科學教師社區的群體力量，建設一個開放、規范的科學課程資源庫。

[關鍵字]網絡：web2.0；協作；科學教育；課程開發；科學課程標準；2061

[中圖分類號]G40-057[文獻標識碼]A[論文編號]1009-8097(2009)03-0074-04

一科學教育中協作研究的現狀

中小學科學課程標準已經推出數年，新標準的修訂工作也全面展開，眾多科學教師也開始在新課標的基礎上開發或調整自己的課程設計。但是，過重的教學任務使得單個教師很難有足夠的時間開發出一個高質量的課程設計。所以，教師之間的合作、教師和教研人員之間的合作在課程開發中顯得尤為重要。然而，我們在網絡上進行的一項問卷調查表明，科學教師由于“教學任務太重”或“缺少這樣的環境和機制”，彼此之間交流甚少。其他研究者也認為“研究者單獨作戰的多，有組織的少”。

網絡是目前教師開展合作的一種重要途徑，我們可以在網絡上找到很多關于科學教育的論壇、網站和博客。但是，這些通用化的網絡應用由于只能進行簡單的信息發布和交流，很難開展深入的討論和協作，因此出現了很多重復性的勞動，而且，這些通用化的應用也缺乏專門面向科學教師群體的專業化服務。

二來自軟件行業的啟示

計算機軟件研發是一個高速運轉并且飛速發展的行業，這離不開計算機軟件研究人員對項目管理、軟件工程和組織架構等方面進行的深入研究。通過對計算機軟件行業的考察，我們可以獲得很多啟示。

不論在商業軟件公司中，還是在開源軟件社區中，軟件研發過程都非常強調“合作”與“規范”。“合作”要求各個成員相互配合，為團隊的目標而努力；“規范”要求各個成員的行為符合共同的流程和準則，確保團隊正常運作。二者結合起來，就是“規范地合作”。下面作者以“文檔”和“會議”為例子，分別說明什么是“規范地合作”。

1軟件項目的開發過程包含若干階段，每個階段都要求產生一定的文檔。文檔不僅是一個階段工作的成果，也是下一階段工作的基礎。對每一份文檔，在其結構、版本等方面都應有嚴格、規范的定義，以確保團隊中的每一位成員可以快速、準確地閱讀文檔。并且，所有成員在同一時間看到的是同一份文檔，以避免出現因版本問題而導致的混亂。一些細致而且有效的做法可以使得“文檔”真正成為團隊成員之間跨時間、跨空間溝通的橋梁。

2會議是團隊成員進行溝通和合作的主要方式，更需要遵循“規范地合作”這一準則。會議前會發出電子郵件，明確會議的議程、時間、地點、人員、角色安排、做決定的方式等等；會議中，會有一些規范的方法用于指導團隊如何開展討論，如何做決定等；會議后，一份會議記錄會列出會議中做出的決定，以明確各個成員下一步需要開展的工作。在下一次會議中，各個成員首先需要檢查上次會議安排的任務的完成情況，保證每一件事情都能及時完成。正是有了這些細致的做法，會議的效率才得以保證。

很多大型企業為了解決員工之間時空分散的問題，更是把這些“規范”通過企業內部的網絡和軟件加以固化，以保證這些“規范”得到有效執行。

計算機開源社區為了解決這樣的問題，也開發了一系列工具，用來協調、加強彼此之間的合作。譬如：用于溝通的電子郵件列表，用于管理程序代碼的CVS、subversion等版本控制工具，用于團隊協作文檔的在線文檔系統和wiki系統，用于對外發布信息的blog系統，用于跟蹤錯誤和其他反饋報告的bug trace。甚至還出現了一些網站，專門幫助團隊開展網絡協作，如Google code，Source forge等。最近十年，相對松散的開源軟件社區貢獻了很多高質量的軟件，這些工具或網站在輔助和促進團隊協作方面起到了不可或缺的作用。

我們要提高在網絡上開展科學教育協作研究的質量，就需要借鑒這些來自軟件行業的“合作”、“流程”和“規范”的方法，更應該將這些方法根據科學教育的需要，適當改造并通過工具或網站的形式加以固化。因此，針對中國科學教育行業開發一個知識管理系統是必要的，這樣的系統可以比論壇、博客和wiki等通用平臺提供更多的功能和應用。

三對2061項目的深入研究

美國科學促進協會發起的2061項目(我們沒有翻譯為2061計劃，因為我們注意到2061是一個嚴謹的、系統化的、切實可行的項目，而不僅僅只是一個設想中的計劃)是科學教育研究和改革的一個范例，我們的很多想法也來源于2061項目。

1989年出版的《面向全體美國人的科學》一書是2061項目的第一個里程碑，它給出了每個學生在高中畢業的時候在科學素養方面要達到的標準。有200多位來自各個領域的科學家、工程師參與了該書的編寫工作，歷時4年，為美國科學教育的改革奠定了基礎。

1993年出版的《科學素養的基準》一書是2061項目的第二個里程碑，該書進一步給出了學生在各個年級段要求達到的目標，也就是分年級標準。來自實際課堂的教師是這個階段工作的主體，他們在科學家和教育研究人員的指導下歷時4年完成。《科學素養的基準》是團隊協作的產物，該書的第二部分詳細描述了這種協作開發的過程。

《科學素養的基準》的網絡版本是一個成功的知識管理系統。2061項目將所有基準都納入到一個標準化的計算機數據庫中，這樣可以及時更新基準的內容，也可以方便用戶查找和引用基準，更為后續計算機工具的開發提供了必要的數據基礎。

《面向全體美國人的科學》和《科學素養的基準》這兩個階段的安排是2061項目管理中的特別之處，即：科學家負責制訂K-12科學教育的最終目標，并給出了一些教學方面的關鍵性的建議；教師主導制訂分年級目標，充分利用他們來自實際課堂的經驗和研究成果。這種安排能最大限度地發揮科學家和教師各自的優勢，并使他們處于一種互補的合作關系，而不是相互懷疑和指責。

在基準制訂完成后，2061項目開始關注收集和評價現有的課程資源，而不是從頭開發所有課程。事實上，由于地域、自然環境、種族背景等方面的差異，使得課程的設計必須要多樣化；同時，多樣化的課程又必須納入到統一的科學課程標準中。2000年出版的《科學素養的設計》提出了一種可行的做法：課程開發人員從一個經過質量認證的資源庫中提取若干符合當地條件的課程模板，一個計算機輔助工具對這些課程模板進行合理的排列組合，最終產生一份符合科學教育基準要求的科學課程計劃。

盡管這樣的工具現在還沒有出現，但是我們已經看到了這種發展的趨勢和基礎。我們發現在全美科學教師聯盟(NSTA)的網站中，所有的課程都標記出該課程所實現的

國家科學教育標準中的具體條目。有了這樣的數據基礎，可以開發出很多計算機工具。譬如：教師可以很方便地找到所有相似的課程，然后進行比較，并優化自己的課程設計；也可以實現上文提到的計算機輔助課程計劃工具。

2061項目的每個階段都需要大量教師和科研人員密切配合，各個階段之間也需要相互銜接，一些里程碑式的書籍起到了承上啟下的作用。在這些書籍的附錄中列出的上百份來自實際課堂的研究資料，讓我們認識到一份高質量的標準有其大眾化的科學教育研究的基礎。所以，我們提倡教師在實際課程中開展實證研究，并把其研究成果規范地發布到網絡協作平臺上，積少成多，逐步提高我國科學教育的水平。

產生于上個世紀八、九十年代的這些著作，很多溝通都依靠書信來傳播。我們現在有了強大、便捷的互聯網絡的支持，更有利于協作研究的開展。但是，網絡的力量越強大，我們越需要一個可以規范這種網絡協作的計算機工具，以防止這種協作只是流于形式、簡單重復。

四2062科學教育平臺

基于上述論述，特別是在對2061項目的深入研究的基礎上，我們提出了2062科學教育平臺的理念和構架。我們提倡：

1)科學教師在科學教育研究和課程開發中需要相互協作；

2)利用網絡協作工具，如Google“在線文檔”，來促進和規范團隊內的協作；

3)開發為科學教育定制的網絡數據庫平臺，積累廣大科學教師的工作成果，并促進彼此工作的重用。

1“在線文檔”協作平臺

Google的“在線文檔”是一個專門為團隊協作而開發的工具，在協同編寫文檔、版本控制、網絡發布和安全性等方面，具備傳統單機文檔處理工具(如：MS Office等)不可比擬的優勢。以前，我們需要通過電子郵件或聊天工具和其他教師共享我們的文檔，其他教師修改之后再通過電子郵件或其他工具傳回來。這種工作方式很有可以能引起版本問題：假設別人在修改文檔的同時，你也修改了這份文檔，這樣就產生了兩份不同的文檔。當團隊的規模再稍微擴大的時候，既要保證各個成員多樣化的工作，又要維護文檔的一致性，幾乎是不可能的了。現在，我們只需要通過“在線文檔”工具編寫文檔，協作方面可能出現的問題都由計算機和網絡解決。兩者之間不同的工作模式由圖1和圖2所示。當然，有了工具的支持，還離不開一定的“流程”和“規范”，只是這種“流程”和“規范”可以更方便地執行。

2科學教育的數據庫平臺

開發中的網絡數據庫平臺包括兩個部分：“課程庫”和“基準庫”。課程庫中的課程需要指明該課程可以實現的基準庫中的基準條目。現在大部分教師的課程設計都會在開頭指明該課程的目的，但是如果不把這部分內容連同語義放入數據庫的話，以目前的技術，計算機是很難做進一步自動處理的。

“課程庫”用于收集、整理并規范目前已有的科學課程資源。課程庫中的課程需要包括的資料有：

1)基本資料，課程的設計，以及實施建議等；

2)所能實現的科學課程標準中的具體條目，并按照實現的先后次序排列；

3)課程需要占用的時間，包括每一堂課的時間，以及建議的授課季節等時間限制；

4)管理其他教師的反饋和評論，通過一些工具，方便教師之間開展“規范”的協作。

“基準庫”用于標準化地維護國家科學課程標準，并記錄基準之間的依賴關系。基準庫中的每一個基準都需要：

1)用一個字母和數字組合的標記來標識，方便教師查找和引用；

2)記錄各個基準之間的依賴關系。譬如：在理解“月相盈虧”的概念之前，學生必須要理解“有的光來自物體反射原始光源的光”等概念。這種依賴關系體現了學生概念和能力發展的一般途徑，也是設計和安排課程時要遵循的約束。讀者可以通過科學普及出版社即將出版的《科學素養的導航圖》一書得到這種依賴關系的直觀表現。

我們希望通過上述兩個數據庫的建立，可以嘗試重構出2061項目眾多出版物背后的知識管理系統。

3具體應用

在上面這兩個相互關聯的數據庫的基礎上，我們可以開發一系列輔助工具和應用，以促進科學教師之間的協作，并提高科學教師的工作效率。以計算機輔助課程計劃工具為例：教師根據自己所處的地理、環境、時間等約束條件，選擇一些課程，作為某個年級或年級段的備選課程：計算機工具將教師選取的課程進行自動排序，使得這樣的課程安排既能滿足學校授課的時間約束，又可以最好地實現科學課程標準提出的要求；計算機工具還可以給出一些課程調整的意見(譬如：刪去一些重復的課程以留出更多時間，或者加入一些課程以實現更多基準的要求)，并再次自動排序，得到更好的課程安排。圖3是一個基于“課程庫”和“基準庫”進行課程安排的簡化的例子。

五總結

類似其它社會性軟件，教師之間可以相互評論和改進課程設計、基準、基準之間的依賴關系等眾多內容，并且可以把這種協作方式和工作流程通過計算機軟件簡化并固定下來。我們相信，通過逐步積累每個教師的每個細小的實證性的科學教育研究的成果，最終可以實現一個高質量的科學課程資源庫和科學課程基準，并促進每個科學教師的職業發展和中國科學教育事業的發展。