國外基于網絡的協作探究學習平臺研究

[摘要]Co-Lab是一款來自歐洲的、優秀的基于網絡的協作探究學習平臺，它以其獨特的模擬性、建模性和協作性為學習者的協作探究學習提供了良好的支持。文章對Co-Lab的研究背景、特征以及它對協作探究學習的支持方面進行了深入的剖析。針對我國探究學習平臺研究與建設的實際，Co-Lab可以帶來這樣一些啟示：加強面向中小學的探究學習平臺研究與開發，增強平臺的探究性，引進系統動態建模方法，加強平臺對協作的支持。

[關鍵詞]探究學習平臺：Co-Lab協作；建模；啟示

[中圖分類號]G40-057 [文獻標識碼]A [論文編號]1009-8097（2013）01-0074-06 [DOI]10.3969/j.issn.1009-8097.2013.01.016

一、引言

探究學習是當前國際科學教育領域大力倡導的一種學習方式，它對于培養學生的科學素養、創新精神與實踐能力等方面具有非常重要的作用。我國自新課程改革以來，也把探究學習作為一種重要的教學理念和教學方式加以倡導和推廣，如在《基礎教育課程改革綱要》中指出：“要引導學生主動參與、樂于探究、勤于動手，引導學生質疑、調查、探究，在實踐中學習”。但我國目前在探究學習的實施過程中，還存在著探究學習開展得不普遍和成效不佳等問題，而缺乏探究學習的課程材料和資源是導致這些問題的一個重要原因。

應用現代信息技術構建和開發的探究學習平臺，則可以為探究學習提供良好的支撐環境，這是克服探究學習的課程材料和資源不足的一個重要解決方案。例如，利用基于現代信息技術的探究學習平臺，學習者可以做模擬實驗或遠程實驗，收集實驗數據，保存、處理各種數據；建模工具可以支持學習者對探究對象建立模型，運行和修訂模型；各種可視化工具可以使探究的過程和結果實現可視化，使學習者對知識有更深入的認識和理解；各種交流協作工具可以支持學習者之間的交流和協作。

在此背景下，國外關于探究學習平臺的研究正方興未艾，開發出了諸如K！E、WISE、Viten、Co-Lab等著名的探究學習平臺。其中Co-Lab平臺是一款優秀的基于網絡的協作探究學習平臺，它通過把探究、建模、協作三者的深層次整合，實現了對協作探究學習的良好支持。與國外相比，國內已開發出的探究學習平臺還存在一些不足，表現在：探究學習平臺主要是面向高等教育領域的，而面向中小學的很少；平臺的“探究性”還比較弱；普遍缺乏對建模活動的支持；平臺的協作功能還有待加強等。因此，借鑒Co-Lab平臺的成功經驗，可以為我國的探究學習平臺的研究和建設帶來有益的啟示。

二、Co-Lab協作探究學習平臺探析

1.Co-Lab平臺的研究背景

Co-Lab協作探究學習平臺面向的對象是高中生，其全稱是Collaborative laboratory for Europe，即“歐洲協作實驗室”，由來自歐洲3個國家的5家研究單位聯合組成的團隊開發，這些研究單位分別是荷蘭的特溫特大學、阿姆斯特丹大學、西班牙的穆爾西亞大學、意大利的Studio Teos公司和德國的IPN研究院。該平臺的研究得到了歐盟的歐洲委員會（the European Commission）的“明天的信息技術社會（the Information Technology Society of Tomorrow）”項目的資助。該項目啟動于2007年，歷時3年，于2010年完成。該探究學習平臺由于其強大的功能和良好的運行效果等，目前已成為國際上影響力很大的一種探究學習平臺。

Co-Lab的主界面如圖1所示。左邊從上到下依次是工具箱和導航器。工具箱里有圖形圖表工具、過程調節者工具、模型編輯器工具、研究報告編輯工具和幫助工具，在探究過程中能獲得的工具隨探究任務的不同而不同。導航器用于在大廳、實驗室、理論室和會議室這四個房間之間進行切換，對應著學習者在不同的探究任務之間進行轉換。右邊主要部分是平臺的工作區，工作區界面隨學習任務的不同而不同，用于顯示圖形、圖表、模擬實驗場景或模型編輯器等。學習者在平臺上開展的各種探究學習活動都是在工作區進行的，如提出研究假設、做模擬實驗、構建模型和撰寫研究報告等。界面的下方是聊天室，用于支持學習者之間的交流與協作。

2.Co-lab平臺的特征

（1）模擬性

建構主義學習理論強調學習應發生在真實的情境中，而Co-Lab平臺的設計和開發深受建構主義學習理論的影響，最大限度地給學習者創建了一種接近真實科學探究的情境。Co-Lab平臺對真實科學探究情境的模擬主要表現在兩個方面，即對探究主題的組織和模擬實驗的運用。

Co-Lab平臺在探究主題的組織方面運用了一種建筑隱喻，以模擬科學家的真實探究情境。學習主題用樓房來代表，每棟樓房代表一個探究學習主題，如“水管理”和“溫室效應”學習主題等。而每棟樓房又有不同的樓層，分別代表不同的學習難度（樓層越高，難度越大）。每個樓層都由四個房間組成，分別是大廳、實驗室、理論室和會議室，它們分別代表不同的探究學習任務。在大廳中，學習者領取各自的探究學習任務，并提出對問題進行解釋的假設。在實驗室中，學習者可以通過做模擬實驗、操作遠程實驗設備或者訪問遠程數據庫來收集數據，探究和驗證假設。在理論房間里，學習者根據來自實驗室的數據信息，使用建模工具構建模型。在會議室，在“過程調節者”工具的幫助下，學習者計劃和監控他們的探究學習行為，并撰寫研究報告等。

模擬實驗的運用也是為了創建一種接近真實科學實驗的學習情境。在Co-Lab平臺的實驗室中，學習者可以做模擬實驗，以探究假設中變量之間的關系，產生數據和圖表。圖2所示是平臺中“水管理”探究學習主題中的水箱模擬實驗界面。在該實驗中，水箱的高度和直徑、龍頭的水流量等變量都可以改變，運行該模擬實驗可以模擬真實水箱的行為，并能自動產生實驗的數據和圖表。

（2）建模性

建模是科學探究中非常普遍的一種活動，科學家根據對科學現象的觀察和實驗數據建構理論模型，基于這種理論模型，就可以對科學現象進行解釋和預測等。因為探究學習是對科學家的真實科學探究的模擬，所以建模也應該被引入探究學習領域。通過建模活動，可以使學習者對于知識的理解外顯化，幫助他們檢驗與修訂所提出的假設，提高對科學現象進行解釋與論證的能力，以及增進對科學過程和科學本質的理解。此外，建模還能起到促進認知的作用。

Co-Lab平臺通過內置的“模型編輯器”來支持學習者的建模活動。[121該模型編輯器是一種使用“系統動態建?！狈椒ǖ膱D形化建模工具，支持變量之間從定性到定量的建模。所謂“系統動態建模”是一種基于系統動力學的建模方法，用于描述復雜系統的動態特征，其構建的模型可以自動運行，以此來模擬、預測變量之間直接或非直接的關系。Co-Lab的模型編輯器使用了Forrester圖標來表示組成模型的不同元素，各元素的符號及其所代表的意義如表1所示。

（3）協作性

為了使學習者“像科學家一樣行動”，探究學習環境應該支持學習者以協作小組的形式學習，這主要是基于以下三個方面的緣由：首先，因為探究學習是對科學家的真實科學探究的模擬，而對于真實的科學探究來說，協作是非常自然的，所以在探究過程中采用協作，可以使學習環境更接近真實的探究；其次，學習者之間的協作可以彌補單個學習者在知識、探究技能等各方面的不足，從而促進探究學習過程的順利進行；此外，現代信息技術的迅猛發展也為協作提供了良好的技術支撐環境。

學習者在Co-Lab平臺中進行探究學習時，協作貫穿了探究學習過程的始終。Co-Lab平臺提供了聊天室、知識共享空間和協作控制策略來支持學習者之間的協作學習。聊天室支持學習者之間同步或異步的在線交互，這種在線交互突破了學習者在時空上的限制，促進了他們之間的互幫互助，也增加了他們的社會存在感（一種在一起的感覺）。在知識共享空間中，學習者可以看見小組所有成員的學習行為，也可以記錄各自對知識的理解。知識共享空間提高了學習小組在達成共同學習目標中的有效性?？刂乒ぞ呖梢詤f調和控制學習者的各種學習行為（如控制學習者對模型的編輯和修改的權限），避免學習者學習行為之間的沖突，從而使協作得以順利、高效地進行。

3.Co-Lab平臺對協作探究學習的支持

（1）對探究過程的支持

如前文所述，Co-Lab平臺的探究學習活動在大廳、實驗室、理論室和會議室這四個房間里進行，整個探究學習過程分為5個階段，即準備、假設、實驗、建模和結論階段。在準備階段，學習者確定所要探究的問題是什么，明確問題中的主要變量，熟悉平臺中各種工具的使用方法。在假設階段，學習者對所要探究的問題提出假設，假設中應包含變量以及各變量之間的關系。在實驗階段，學習者要設計實驗，然后通過做模擬實驗或遠程實驗來收集數據。在建模階段，運用模型編輯器工具對各變量之間的關系進行建模：然后運行所構建的模型，分析由實驗和模型所產生數據的一致性，以此檢驗模型的科學性和有效性。在得出結論階段，學習者要撰寫一份簡短的研究報告，以對整個探究過程進行概述和總結，內容應包括所探究的問題、研究假設、所構建的模型、研究結果和結論等。

Co-Lab平臺通過“過程調節者”工具實現對探究學習過程的支持和管理，其界面如圖3所示。界面左邊是包含5個階段的探究過程流程圖，右邊顯示的是每個階段所對應的具體探究任務、任務描述和提示?！斑^程調節者”分別對各個階段的探究任務給予了詳細的描述，對學習者在探究中可能遇到的困難也給予了提示?！斑^程調節者”中還內置了注釋工具，學習者利用該工具做筆記和回答問題。學習者通過做筆記和回答問題，可以幫助他們加深對探究主題的理解；而這些筆記和對問題的回答也是最后形成研究報告的重要參考依據。

實驗是探究學習過程中的重要活動，其目的是為了探究假設中各變量之間的關系，實驗的結果也是建模的基礎。Co-Lab平臺提供了模擬實驗和遠程實驗兩種方式來支持實驗探究活動。關于平臺的模擬實驗部分前文已做了介紹，這里不再贅述。Co-Lab平臺提供了遠程實驗室的接口，通過該接口可以對遠程的實驗設備進行監控和數據收集。例如在“溫室效應”探究學習主題中，學習者通過平臺的遠程實驗室接口，對遠程實驗室中的“溫室效應”實驗設備進行監控和數據收集。該溫室配備有各種傳感器，可以分別測量溫室內的二氧化碳、氧氣、水蒸氣的濃度以及溫度和光照度，溫室的這些變量數據和實驗場景的視頻通過網絡傳輸到平臺的界面上。另外，還可以通過該平臺遠程控制溫室中的光照度。

（2）對建模的支持

在Co-Lab平臺中，學習者使用模型編輯器來開展建?；顒?。建模一般要經過以下四個階段：①畫模型草圖；②模型詳述；③數據解釋；④模型修訂。學習者通過畫模型草圖來表達他們對于所探究問題的最初理解。在模型詳述階段，學習者界定模型中各變量間的關系，一般遵循從定性到定量的原則。在建模的初始階段，學習者還缺乏關于變量間關系的清晰理解，這時定性詳述是適宜的；在定性確定了變量間關系的基礎上，定量的、基于公式的詳述對于探究結論的得出則更有用。在數據解釋階段，學習者把來自實驗的數據和運行模型所產生的數據進行比較，如果兩者不一致，則分析、解釋其原因。在模型修訂階段，學習者根據以上數據解釋的結果，對所構建的模型進行修訂，直至模型和實驗產生的數據結果一致。

在建模的初始階段，可以運用模型編輯器的各個元素符號畫模型草圖；在模型詳述階段，模型編輯器支持先定性、后定量地詳述變量間的關系，并實現了從定性到定量的良好過渡；在數據解釋階段，模型編輯器可以在一張圖形中同時呈現實驗數據和模型所產生的數據，使兩者之間的比較更方便和直觀；在模型修訂階段，模型編輯器的曲線適配工具可以計算出模型的輸出曲線和理論曲線的擬合程度，為模型的修訂提供指引和方向。

圖4所示為使用模型編輯器對上述水箱實驗的建模實例。該模型形象描述了水箱實驗中水的容量、龍頭的流入率和出水管的流出率之間的數量關系，運行該模型，可以得出各個變量隨時間的變化情況（可以使用圖表的形式進行顯示）。

（3）對協作的支持

Co-Lab平臺通過聊天室、知識共享空間和相應的控制策略實現對協作學習的支持。聊天室支持學習者之間同步或異步的交互。在聊天室中，學習者要清楚地表達他們的思想觀點，并把他們的思想觀點與其他學習者分享，這對完成探究學習目標有很好的促進作用。交互一般局限在同一房間的學習者之間，即交互是在開展相同探究任務的學習者之間進行。但有時為了擴大交互的范圍，可以通過所謂的“內部通話系統”工具，使不同房間中的學習者參與到對主題的討論中來。

建構共享的知識是協作學習的重要目標。為了建構共享的知識需要注意以下兩點：第一，共享的知識必須要被清晰地描述和表達，以使學習者明確他們正在討論的對象。第二，學習者提出的多種觀點應該被整合在一起，以便于對它們進行比較和修改。Co-Lab平臺提供的“知識共享空間”正是為建構共享的知識而服務的，它在設計上遵循了以上的兩條原則。知識共享空間為學習者提供一個公共空間來存放他們的思想觀點、假設和模型等，并允許他們操作公共空間中的描述對象，共同為知識的建構做出貢獻。

Co-Lab平臺的控制策略主要體現在對協作學習行為的操作權限的控制上。根據學習行為在平臺中是否保留有痕跡，學習者的學習行為可分為可逆行為和不可逆行為?？赡嫘袨樵趯W習平臺中不會保留永久的痕跡，而不可逆行為則相反?？赡嫘袨榈囊粋€例子是，從已有的數據集中打開一個已存在數據的窗口。不可逆行為可以是創建一個新數據集，或者對模型做出修改。Co-Lab平臺在默認情況下，只有協作學習小組的組長可以操作所有的行為，而其他學習者一般只允許操作可逆的行為。另外，通過專用的控制工具，學習者也可以彼此請求和傳遞“控制”，從而獲得相應學習行為的操作權限。

三、CO-Lab平臺對我國探究學習平臺研究與建設的啟示

在對Co-Lab平臺進行深入分析的基礎上，針對我國探究學習平臺存在的不足，Co-Lab平臺能給我們帶來以下的一些啟示。

1.加強面向中小學的探究學習平臺研究與開發

我國已開發的探究學習平臺絕大部分是面向高等教育領域的，但面向中小學的探究學習平臺很少。這種現狀是與我國基礎教育新課程改革對探究學習大力倡導的背景不相適應的。國外的這些著名探究學習平臺如KIE、WISE、Viten和Co-Lab都是面向中小學的，它們對于促進中小學生的探究學習，培養他們的科學素養起到了很好的作用。

針對我國的實際，我們要加強面向中小學的探究學習平臺的研究與開發，為中小學生的探究學習提供良好的支撐環境。探究學習平臺的研發是一個復雜的系統工程，需要計算機專家、學科專家、教學設計專家以及一線教師等的通力合作，這樣才能保證平臺的良好使用效果。Co-Lab平臺的研發過程就非常注重科研院所、企業與中小學的合作。我國目前的探究學習平臺的研發主體主要是高校（另外還有少量的公司），在研發的過程中存在著各研究單位各自為政，缺少合作等問題。因此，我國的探究學習平臺的研究與建設過程中，也要大力加強科研院所、企業以及中小學之間的合作。

2.增強平臺的“探究性”

平臺的“探究性”是指平臺對科學探究的4大核心要素“問題”、“證據”、“解釋”和“交流”所體現的程度?？偟膩碚f，國內探究學習平臺的“探究性”還比較弱，如只重視定性探究而忽視定量探究，側重于對實驗的模擬和仿真，缺乏對完整探究過程的支持等。

在增強平臺的“探究性”方面，Co-Lab平臺帶來的啟示有：首先，加強平臺對完整探究過程的支持。Co-Lab平臺通過把探究、協作、建模三者相整合，實現了對完整探究過程的良好支持。國內的探究學習平臺一般雖然也有探究和協作的功能，但兩者之間的整合程度不夠，另外協作的功能也比較弱，普遍缺乏建模的功能。其次，加強能支持定量探究平臺的研發。定量探究更有利于培養學習者的變量意識、證據意識和邏輯推理能力等，這些都是構成科學素養的重要素質。由于定量探究比定性探究的難度大，讓學習者直接進行定量探究往往有困難，我們可以借鑒Co-Lab平臺的從定性向定量探究過渡的解決策略，以使學習者逐步適應定量探究的要求。

3.引進系統動態建模方法

國外的探究學習平臺普遍重視對建模活動的支持，Co-Lab平臺更是把建模作為了探究學習的內在組成要素。Co-Lab平臺所提供的系統動態建模是一種很好的建模方法，它可以培養學習者觀察、解釋系統的組成要素及其依賴關系的能力，以及精確描述組成要素之間動態關系的能力。但國內的探究學習平臺對建模的支持方面普遍比較薄弱，絕大部分平臺沒有建模的功能，或者只提供了一些簡單的建模工具（如概念圖、電子表格等），都缺乏對系統動態建模的支持。因此，在探究學習平臺的研究和開發中，我們要引進系統動態建模的方法，增加平臺對系統動態建模的支持。

由于國內學界對系統動態建模還比較陌生，在引進這種新的建模方法時，可以采取逐步推進的策略：首先，學習國外已經比較成熟的系統動態建模工具（如Model-it、Netlogo、Stell、Co-Lab的模型編輯器）的成功經驗，掌握這些系統動態建模工具的原理和基本架構等。其次，在前述的基礎上，研究和開發滿足我國探究學習實際需要的系統動態建模工具。最后，把所開發的系統動態建模工具整合到探究學習平臺中去，使它成為平臺內在的一部分。

4.加強平臺對協作的支持

探究學習本質上是一種基于建構主義理論的學習方式，而建構主義學習理論特別強調學習者之間的交流與協作，交流與協作是學習者完成意義建構的重要保障，因此，探究學習離不開協作，國外文獻常把“探究學習”稱為“協作探究學習”，以強調協作在探究學習中的重要地位。

與國外相比，國內的探究學習平臺所提供的交流協作功能還比較弱（特別是協作功能方面），一般只提供一些交流的工具如聊天室、論壇、E-mail等，但對于學習者之間的協作重視程度不夠，所提供的協作工具也非常有限。還有一些平臺缺乏交流與協作的功能。因此，國內的探究學習平臺需要加強對協作的支持。在這方面，Co-Lab平臺的知識共享空間和協作控制策略可以為我們提供參考和借鑒。知識共享空間相當于一個公共的知識存儲倉庫，它為學習者提供了豐富的知識建構環境；Co-Lab平臺的協作控制策略設計得非常細致而又靈活，實現了對協作學習行為的良好控制與管理。這些經驗都可以應用于平臺協作功能的設計和開發中。

編輯：李婷