支持科學課程探究學習的實驗模擬的交互因素分析

[摘要]科學課程教學中利用軟件模擬實驗是探究學習途徑的有益補充和擴展。文章針對當前實驗模擬在交互方面存在的問題，結合課程標準的科學探究要求，分析實驗模擬的交互因素，包括學生操作行為、學習支持和系統的反饋，并結合實例提出設計的考慮。

[關鍵詞]科學課程；探究學習；實驗模擬；交互

[中圖分類號]G40-057 [文獻標識碼]A [論文編號]1009－8097(2011)10－0041－04

《科學課程標準》(以下簡稱“標準”)提出“科學課程將通過科學探究的學習方式，讓學生體驗科學探究活動的過程和方法，發展初步的科學探究能力。”在科學課程中，實驗既是探究的方式，又是探究的過程。《標準》對實驗提出了具體的學習要求和達成標準。然而，由于實驗條件和教學指導等多方面的原因，僅僅依靠實驗室教學難以達到課程標準的要求。

《標準》明確提出要“充分運用現代教育技術”進行科學課程的學習。隨著我國中小學信息技術條件的改善，在科學課程中利用軟件模擬實驗受到教師和軟件開發商的重視。合理設計的實驗模擬能夠彌補真實條件的不足，開拓科學探究的途徑。當學生以個體或小組的形式通過實驗模擬軟件學習時，軟件相當于教師作為指導者的角色。然而，目前一些市場化的實驗模擬軟件在交互的設計方面存在缺陷，使模擬軟件不能充分發揮引導探究的作用。

科學課程實驗的探究學習既不是“嘗試—錯誤”的探索，也不是完全遵循預設步驟的觀察驗證，而是指導的發現學習，實驗模擬中交互的設計關系著如何指導及指導的程度。交互的作用在于引導觀察，啟發思考，使學生理解實驗原理，掌握相關的理論知識，以及學會科學方法。而這些是在真實實驗中容易被掩蓋或被學生忽略的，模擬中有意義的交互能夠引導學生注意這些方面。此外，充分的交互能夠使學生注意到實驗的細節和重點，保持學習的興趣，促進記憶。

實驗模擬的交互由三方面組成：學生操作行為、學習支持和系統的反饋。交互在學生操作的推動下發生和持續，學習支持和反饋引導學生正確的觀察和思考，學生操作行為與系統的反饋構成了探究學習過程。本文依據課程標準的要求，結合作者設計的系列實驗模擬軟件實例，分析實驗模擬軟件的交互因素，并提出設計的考慮。

一 學生操作行為

在實驗模擬中學生操作行為是學習者控制的具體表現，包括選擇、運行、反應、查看等。學生操作的對象、方式、時機和頻度主要取決于教學目的。

1 操作方式的真實度

學生能夠使用基本儀器進行安全操作是科學課程的學習目標之一。然而，在實驗模擬中操作對象不限于儀器或材料的圖像，并且操作行為通常是利用鼠標或鍵盤來實現的，例如選擇圖形或文本、拖放物體、撥動滑塊、用鍵盤的方向鍵移動物體等。操作方式的真實度是指模擬中學生的操作方式與真實實驗中的操作方式的相近程度。例如用鼠標點擊開關來使燈泡發光與真實行為很相似，而用鼠標點擊釋放小球則與真實的操作則很不相同。

教學模擬不是復制真實現象或活動，而是強化和簡化，選擇和突出與學習目標有關的方面，添加必要的控制因素，成為增強的可控的真實，因而真實度的高低是相對的要求。再者，操作方式受到計算機輸入方式的制約，在很多情況下難以與真實行為相似。由此可知，實驗模擬并不能訓練學生的實驗操作技能，而應側重于使學生熟悉和領會實驗操作步驟及其結果。

因此，設計模擬的操作方式時不應盲目追求形式，而是側重于功能和效果的真實，這需要考慮下面三點：第一，采用學生能夠理解和接受的操作方式；第二，真實表現操作及其效果之間的關系；第三，有充分、準確的操作提示。例如在測量固體密度的模擬中，提示學生用鼠標單擊天平橫梁的平衡螺母，則天平橫梁轉為平衡狀態，而不是表現為擰螺母調節。類似的處理如用膠頭滴管吸取和滴加液體的操作是用鼠標單擊“吸取”和“點滴”兩個文字選項來實現，也可以設計為單擊一次為吸取，再單擊一次為點滴。但是所操縱對象的表現，也即效果的呈現應盡可能真實，如滴管吸入和滴出液體應該有動態的變化。

2 操作行為與探究學習相關聯

學生的操作要有助于理解實驗對科學探究的作用，即依據一定的原理和方法獲取數據及驗證假設。模擬中允許學生控制的機會多，就意味著學生的操作動作頻繁，而在真實實驗中學生并不能頻繁地操作。這種模擬與真實的差別是由于模擬對時間的壓縮造成的，模擬需要在很短時間內完成真實實驗中必要的操作。過于頻繁的操作會影響學生對實驗原理與方法的思考。而另一方面，控制的數量過少又使真實世界的探究活動在模擬中變得過分簡單，在設置學生的控制和選擇時要仔細權衡這兩個方面。特別是要避免僅僅為了使學生有“更自由的選擇”或“更自主的實驗”而增添不必要的控制機會，例如允許學生在多個實驗方案中選擇、自由調節化學反應速度、羅列過多的可選器材和試劑等。“問題——猜想——驗證——反思”是科學探究中學生科學思維運作的內在機制。州實驗模擬的操作設計要有助于學生進行有目的有計劃的“問題——猜想——驗證——反思”活動。

《標準》要求學生了解科學探究需要運用科學原理、模型和理論，能把觀測到的現象、數據與科學知識聯系起來，體現在實驗模擬中，就是通過操作把形象、數值、圖表等多種表征物聯系起來，實現具體與抽象的結合。軟件的設計要使學生的操作成為探究的必要步驟，盡可能使操作對象都成為學習的媒介。例如在凸透鏡成像的模擬實驗中，使用單選按鈕和復選框，讓學生選擇是否顯示光線、焦點、光心等，當學生點擊控制面板上的選項，看到圖像顯示變化的同時，加深了對相關概念的認識。又如在圖1中當學生選擇顯示小球的運動軌跡和位移時，能意識到所觀察現象與物理規律之間的聯系。類似的處理如選擇顯示聲波的波形、磁感線、電流方向，在預設表格記錄電壓值、描述磁通量變化趨勢、分子式等。

學生的操作要有助于認識實驗步驟和過程，進而理解科學探究過程。實驗現象及其操作發生的時間關系有線性的、周期的或更復雜的過程，或有多種過程。在設計模擬時，要對實際的順序進行選擇和簡化，這種簡化處理應能促進學習。一些實驗模擬軟件忽略了這一點，用菜單給學生同時提供了許多選項，而菜單選擇本身就意味著無序，這不利于學生掌握操作程序或實驗過程。因此要避免同時提供許多操作選項，要依據實驗進程，在特定時刻給學生提供可選的操作，同時使某些操作不可進行，或者隨著步驟進行而提示可操作的步驟。這樣就使操控順序中隱含了實驗順序。例如圖2是在測定浮力大小的模擬中，列出并限定可以操作的步驟。

二 學習支持

《標準》把“能從多種信息源中選擇有關信息；能進行一系列觀察、比較和測量”列為學習目標，實驗模擬的學習支持要引導學生達到這樣的目標。學習支持是實驗模擬中除了對象的活動和變化之外的重要組成部分，提供與實驗活動相關的幫助，包括提示、建議、注釋、強調等。學習支持相似于實驗室中教師的現場指導，指導的程度和水平會影響學生學習的性質，從無指導的“嘗試錯誤”學習到適度指導的發現學習，或每一步驟都遵從教師示范的模仿學習。實驗模擬的學習支持能否起到引導探究的作用，與學習支持的類型、內容、呈現方式和時機有關。

“提示”既用于針對學生操作行為的可能疏忽和遺漏，也用于引導學生有選擇地獲取信息。提示的內容是關鍵知識點和操作要領。提示內容的表達要盡量采用示意形式，給學生留有觀察和思考的余地。設置“建議”是為了促使學生深入思考或開闊思路，提高探究活動的目的性，使模擬操作成為有意義的活動。建議的內容與實驗原理和方法相關，建議內容的表達要有啟發性?！白⑨尅笔墙o學生提供補充信息，涉及實驗內容和操作指南。過多的注釋會影響學生探究活動的連貫性，應該只提供必要信息。“強調”是用技術手段突出在真實實驗中容易忽略或難于觀察的現象，引導學生注意收集和處理模擬實驗中的信息，發現數據之間的關系。強調是相對而言的，要用在關鍵和重要的內容上。

呈現提示和建議信息的常見做法是當模擬進行到某一步時，自動彈出文本框或圖形。例如在觀測平拋運動規律的實驗中，釋放小球前檢查滑槽末端是否水平是重要的步驟和容易忽略的細節，在模擬中用同時彈出閃爍圖形和文本給予提示。又如圖3是在待測物體放入試管后，彈出眼睛和視線的圖形，提示學生要水平觀察液面。

提供注釋和強調信息的普遍方法是使用翻轉技術，當光標移上對象時顯示出名稱、目的、使用說明、操作要點、操作細節、局部放大圖、醒目顏色等。例如圖4是用滑槽末端局部放大圖來強調坐標原點的正確位置。

提供學習支持信息的時機與所起的支持作用有關，在操作之前的信息往往只針對隨后的操作本身，而在某個操作之后的信息能使學生注意與后續活動有關的重要方面，如觀察重點、實驗原理等。例如在接入電流表后，建議學生思考相關的實驗原理。圖5是在改變磁極方向后，建議學生思考此后的電磁感應現象與新的磁極方向的關系。

三 系統的反饋

新課程改革強調學生的自主探究，而這種探究活動不是沒有任何約束和指導的探究，是在教師指導下的自主探究，并且教師的指導要適時、對癥、講究方法?！稑藴省芬髮W生能發現實驗過程和方法的問題，把觀察和實驗的結果與猜想和假設進行比較，能注意與預想結果不一致的現象，并作出簡單的解釋。以上兩個方面都要求在實驗模擬中關注系統對學生行為的反饋。實驗模擬應能以多種形式反應于學習者的一個行為，并給予反饋信息，及時提示不當的操作，并證實操作的結果。反饋可以用文本、圖像、聲音等多種方式提供，例如當學生把電池兩端用導線直接相連時，彈出文本框給予警示。當前實驗模擬軟件存在的一個普遍問題是缺乏恰當的反饋。

學生操作行為一般可以分為四類：合適的、無關的、負面的、關鍵的，提供的反饋要適用于學生行為和探究學習要求。當學生行為是合適的，指向正確的目標，反饋就不是必要的。如果學生行為對于達到目的無關或無效，例如連接串并聯電路時修改一條連線的繞向，并不影響最終完成連接，反饋也不是必需的。學生的負面行為會偏離目的，或可能阻礙達到目的，例如將電流表端子連接反了，或是沒有斷開開關就更換電路中的元件，即時反饋的糾正是必要的，例如圖6所示。關鍵的行為，是使目的永遠達不到的行為，或是會引起嚴重后果，例如將電池兩端短接，或是遺漏了一條連線。這種情況下，提供即時反饋，提出避免不良后果的建議，有助于學生改善進一步的行為。對于負面的和關鍵的行為，也可以不給予即時反饋。例如任由學生完成電路連接，合上開關時呈現不良后果，這是延時的自然反饋，能給學生以深刻的印象，但是也可能引起學生的誤解或混淆。例如學生可能會認為即使電流表端子接反，電路仍然是通的，而不會想到可能會損壞電流表。而對于電池短接或遺漏連線的情況，學生可能自己無法察覺。

總的來說，在科學課程中利用軟件模擬實驗是促進科學探究活動普遍開展的一條可行的和有效的途徑，但是在選擇和使用時要充分考慮實驗模擬的交互因素，因為學生是在與模擬系統的信息交互中學習的。只有合理設計才能充分發揮模擬在學習中的引導作用、啟發作用和動機作用，構成與實驗室實驗相互補償的科學探究環境。

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