模擬型教學軟件的科學探究學習活動程序分析*

張軍征

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模擬型教學軟件的科學探究學習活動程序分析*

張軍征

（山西師范大學教育技術與傳媒學院，山西臨汾041004）

文章從探究式科學教學方式的三種主要類型出發，研究模擬型教學軟件的科學探究學習活動程序，包括具有接受式學習特征的“例證解釋”活動和簡化模型觀察活動、具有建構式學習特征的“猜想驗證”活動、具有發現式學習特征的單一結果探究性實驗和復雜結果探究性實驗。文章結合所開發的軟件實例，討論了各種學習活動程序的設計，主要包括程序的構成部分、各種探究活動的特點和活動程序。

科學課程；探究學習；模擬型教學軟件；學習活動程序

探究學習是小學科學課程標準強調的學習方法、學習內容及教學目標，是從小培養學生科學素養和創新精神的主要途徑。近年來，筆者開展了模擬型軟件支持科學探究學習的研究，開發了系列小學科學探究模擬型教學軟件，所開發的軟件在全國多媒體課件大賽中獲獎，并已應用于教學。同時，筆者提出了模擬型教學軟件的科學探究學習活動的基本程序，這是軟件預設的引導活動與學生自主活動交織的探究學習流程，也是學生自主控制的結構化的教學程序[1]。

由于教學思想的區別，探究式科學教學呈現出不同的類型，同時在探究程度上也存在很大差異。探究式科學教學方式主要有三種類型：發現式科學探究教學、接受式科學探究教學和建構式科學探究教學[2]；其不同的類型決定科學探究學習活動程序的設計。本文將結合實例，來分析不同類型的科學探究學習活動程序。

一 接受式科學探究學習活動程序

1 接受式科學探究活動程序的構成部分

基于奧蘇伯爾的有意義接受學習理論，接受式科學探究學習強調學生主要以書本學習或利用網絡資料等方式探究問題，獲得系統的科學知識，發展科學探究能力[3]。接受式科學探究學習活動程序由三個部分組成：①導入部分明確地提出探究的問題和期望的結果，提供先行組織者，提示已有經驗與知識，提示相關的概念和原理；②程序的探究學習循環提供可選擇的材料或清晰的觀察研究對象，指導學生收集和學習資料，研究解決問題；③檢測與反饋環節不給學生提供現成的結論，而是結合模擬的活動，讓學生驗證自己探究的發現，幫助學生確切掌握知識。

2 “例證解釋”的探究學習活動

（1）“例證解釋”活動的特點

例證是體現科學概念或規律的綜合實例，經過加工突出了相關信息、排除無關信息的一系列描述性證據材料，具有一定的抽象層次。模擬軟件提供的例證是視覺化呈現的探究對象，采用動態或靜態圖像，同時配合文字描述，圖文并茂地展示給學生。

解釋是探究學習過程完成階段的環節。學生進行科學合理的解釋需要四個條件：①提供觀察、實驗或資料收集的情境；②喚起學生相關的已有知識經驗，提供預備知識；③引導學生運用證據材料進行分析和推理，發現事物之間的聯系，建立因果關系；④提供驗證的手段或機會。

“例證解釋”是指學生在軟件匯集的資料中選擇例證材料，并根據已有的經驗或知識，圍繞研究的問題分析例證，做出解釋和推斷，以掌握預期的知識。如模擬型軟件“水污染”，它涵蓋了四種主要污染物源的例證，通過學習，學生要能夠識別和區分污染物源的類型，也就是建立起污染的類型（概念）與污染的現象（例證）之間的聯系。

（2）“例證解釋”的活動程序

“例證解釋”的活動程序如圖1所示，軟件實例如圖2所示。程序引導學生選擇例證，對例證分析、歸類，做出解釋，然后驗證自己的判斷，逐步形成結論。同時，學生可以選擇查看概念或原理的釋義，用來對照自己做的例證分析，確定是否把例證描述的現象歸于正確的概念。

圖1 “例證解釋”的程序

圖2 水污染的模擬

“例證解釋”可以是歸納探究，也可以是演繹探究。軟件設計要讓學生能在這兩種類型中進行選擇，增加探究的復雜性和探究活動的可選性，避免學生被動地接受探究路徑和結論。為此，軟件設置了兩個并行的學習流程，學生可以并行或交叉學習。例如可以讓學生選擇“類型”和“舉例”兩個分支——點擊“類型”，可以學習四種污染類型的概念介紹；點擊“舉例”，將逐個呈現四種污染現象的例證，學生結合概念的含義分析例證的類型。如果學生主要采用由類型（概念）到舉例的流程學習，逐個分析例證，則演繹探究的特征多一些；反之，通過一一分析例證和判斷題的反饋，然后對應于概念，則主要表現出歸納探究的特征。

在例證分析和解釋的循環中，設置判斷問題及對學生選答的反饋，并呈現正確解釋，可使學生及時確認和驗證自己的判斷，明白分析和推理的思路是否正確。

3 簡化模型觀察的探究學習活動

（1）簡化模型觀察的特點

觀察是科學探究的基本環節，包括通過感官直接感知事物的形態特征和用簡單的工具（放大鏡、顯微鏡等）對物體進行較細致的觀察，并且能用語言或圖畫表達[4]。

從觀察環境和對象來看，可以分為自然觀察、實驗觀察和模型觀察。模擬的簡化模型由動態的圖像實現，如果學生能夠用圖畫描述觀察的現象，則觀察模擬的圖像就能在一定程度上替代真實觀察和模型觀察。

模擬的簡化模型能呈現難以直接觀察的對象，既能使圖像盡量接近真實，又能排除干擾、分散學生注意的實體因素，突出和強化與學習目標相關的因素。

（2）簡化模型觀察的活動程序

簡化模型觀察的程序如圖3所示，軟件實例如圖4所示。程序呈現可設置的顯示效果，由學生選擇，可以分步觀察和對照觀察，學生在選擇操作的同時會加深對所選對象（概念、術語等）的認識和影響，即“操縱即學習”。例如，學生可以選擇顯示血液循環圖相應器官名稱的標簽并顯示血液循環的流動。

圖3 簡化模型觀察的程序

圖4 血液循環的模擬

軟件呈現的簡化模型是一個整體，由于學生不應該也不可能面面俱到地觀察，因此要引導他們學會針對一個問題有目的、有重點地觀察，即設置可能的觀察點，學生選擇觀察點的反饋來幫助自己明確正確的觀察點，就如同得到了教師的直接提示。如“血液循環”根據學生的年齡特點和教學目標要求只設置了一個可控變量，即血液取樣點，在25個不同位置設置了不同變量值的取樣點。

觀察點特征的呈現發揮了模擬軟件的優勢，添加了不可見科學事實因素，擴大了觀察對象的范圍，同時還可以定性與定量相結合。如針對血液的成分及其含量、細胞的微觀結構圖，學生在簡化模型的引導下主動觀察。學生可以按照自己的實驗設想選點取樣，從盲目的隨意取樣，到逐步從心臟出發、沿著血液流向進行觀察比較。學生可以多次重復這樣的操作來收集數據資料，發現血液循環的規律，學會探究的方法。

二 建構式科學探究學習活動程序

1 建構式科學探究學習活動程序的構成部分

建構式科學探究教學思想認為，知識是學生主動建構的，不是被動接受的。學生獲取知識應經歷的活動在程序上可以分為三個部分，并且這些活動在實際學習中難以截然區分，是反復出現、互相交叉、互相融合的[5]。

導入部分在引出學生已有相關觀念或前概念的基礎上，創設探究的問題情境，使學生明確探究任務，但不提供預備知識，也不提示預期的探究結果；程序的探究學習循環設置多重探究路徑，提供擺弄物品和裝置、觀察等進行研究的情境。學生在擺弄和操作的研究中，進行解釋、論證、畫圖、交流，形成自己的認識，而非統一的、唯一的結論性認識；證實與反饋環節向學生提出猜想驗證的問題，而不是直接的問答題，以學生自己操作的結果回答問題。

2 “猜想驗證”的探究學習活動

（1）“猜想驗證”活動的特點

模擬型軟件支持的“猜想驗證”活動屬于建構式學習活動。“猜想驗證”是一個綜合的復雜過程。學生首先要應用已有知識和經驗對所觀察的現象做假設性解釋，沿著假設逐步地對探究活動形成大致思路，繼續收集資料和證據，使自己的探究活動更加有規律、有效率。在這個過程中，學生嘗試對現象做出合理的解釋，將探究結果與假設相比較[6]，最終得出自己的結論。

在模擬軟件設置的“猜想驗證”情境中，設計者取代學生收集資料的環節，把篩選的典型資料匯集分類，在不設置指導的情況下，讓學生自己尋找所給資料之間的關系，并逐步驗證，形成自己的解釋，這與嘗試擺弄物品或裝置的建構式學習相似。這樣的情境適于那些學生難以在短時間內全面收集資料和涉及面相對學生來說比較大或較為復雜的科學規律。例如，模擬型軟件“能量轉換”通過簡化靜態畫面、動態圖像和簡明文字配合，來表現各種能量的產生、利用以及轉化途徑，把復雜的真實情境和過程簡約地表現出來。學生點擊選擇表征能量產生、利用的圖形熱點，是一個猜測判斷的過程，相當于對收集的資料進行分類、提煉、假設和評價。

（2）“猜想驗證”的活動程序

“猜想驗證”的程序如圖5所示，軟件實例如圖6所示。程序呈現可設置的功能啟示學生可以沿著不同途徑進行探究，并且該分支與選擇對象的分支并行，學生可以并行或交叉學習，由此增加了探究活動的復雜性。例如，學生可以設置是否查看能量轉化的路徑——如果選擇查看，則每一步對圖形熱點的選擇，程序都會按照是否可能的能量轉換路徑，給予反應或不反應（如莊稼長高、風車轉動等，顯示轉換路徑，并用圖像的反應提示再做選擇），這是引導學生發現轉換路線的設計；如果學生不設置查看路徑，則可以根據圖像和文字說明猜測和判斷，逐步形成自己的認識，這是讓學生完全自主構建的設計。

圖5 “猜想驗證”的程序

圖6 能量轉換的模擬

可選擇對象是學生按照自己的猜想，選擇符合猜測的資料或數據，通過選擇的結果得到反饋驗證的對象。連續的猜想、選擇和反饋構成了探究的一條路徑，而學生可以形成不同的探究路徑來實現知識建構。例如學生如果選擇了查看能量轉化的路徑，就按照自己的猜測點擊畫面中的太陽、風車、水壩、云等圖形熱點，憑借反饋驗證自己的猜測，尋找到一條能量流動的路徑，還可以點擊“重置”按鈕繼續尋找其它路徑；如果學生選擇不查看路徑，而是自己尋找有反應熱點的對象，就通過圖文對照來猜測和驗證能量的轉換路徑。

三 發現式科學探究學習活動程序

1 發現式科學探究學習活動程序的構成部分

發現式科學探究教學的理論依據是布魯納的“發現學習”思想，該理論倡導學生按照科學家研究問題的方法進行探究，強調科學學習的過程。為了避免學生完全盲目嘗試和不注重結果的弊端，發現式科學探究學習不是讓學生自由摸索，而是有指導的學習，一般采用實驗方式，學生經歷完全的探究環節。

程序的導入部分模仿真實科學發現的課題形成，提出問題，引發學生猜想結果，示范實驗數據記錄，但不做任何探究過程、方法和結果的提示；在探究學習的循環中，系統給學生提供制定計劃，自主設置參數、選擇變量、控制變量和觀察結果（因變量）的情境，可以反復試驗、觀察、收集證據和驗證；證實與反饋環節用實驗過程中一些不同的結果，來引導學生自己去嘗試，提示學生掌握變量控制的實驗過程和方法，發現和證實自己的假設，逐步得到最終結論。

2 單一結果的探究性實驗

（1）單一結果探究性實驗的特點

這類活動是控制變量的簡單探究性實驗，其結果是受多個變量影響的一個結果，如種子的發芽率、植物的生長高度等。模擬型軟件能把一些需要長期觀察并且學生難以控制變量的實驗轉為探究性實驗，如種子萌發條件對比實驗、影響植物生長的因素、食物鏈等。

模擬型軟件提供一種簡化的、易于控制的實驗情景，讓學生將注意力集中在如何設置變量、計劃嘗試的方案以及發現因果關系上。例如在自然情境中進行種子萌發實驗，一般需要5～10天，涉及天氣、土壤、養分等因素，難以精確控制各個變量，因而往往難以達到預期的效果。模擬型軟件用抽象的萌發槽代表真實的培養土壤，用燈光表示光照，噴頭的噴水量表示水量，加熱板上的多個加熱器表示溫度變化，使抽象的種子形象避開了真實種子帶來的干擾因素。學生點擊開始按鈕，旋轉計時表盤就顯示時間的變化，同時可以觀察到逐漸萌發的種子。學生隨時可以點擊按鈕使計時停下，以便仔細地觀察比較。這些都簡化了觀察，排除了干擾因素。

（2）單一結果探究性實驗的活動程序

圖7 單一結果探究性實驗的程序

圖8 種子萌發的條件實驗模擬

單一結果探究性實驗的程序如圖7所示，軟件實例如圖8所示。系統呈現可以操縱的變量，即學生可以控制的自變量，至少應有2個以上。例如種子類型、溫度、光照、每日水量為4個自變量，種子發芽個數為因變量，能夠控制種植時間，使探究具有了復雜性。

程序允許學生選擇變量和操縱變量。例如對于種子萌發的條件，學生可能會先經歷盲目嘗試，也可能有計劃地直接設計種子萌發環境、有目的地進行實驗來證明自己的假設，由此學會控制其它變量而只改變一個變量的科學實驗方法。

系統即時呈現學生操縱變量的結果，程序的反饋包括種子的發芽數和時間的變化。對于有時間進程的模擬實驗（如植物生長過程），學生可以隨時中止或重啟進程，系統呈現的是一個時間段內的結果。

學生從變量選擇、操縱到呈現結果的過程要反復多次，直到發現操縱的變量與結果之間的關系，總結出規律[7]。例如，總結出各類種子最適宜的發芽條件和各類種子發芽的共同影響因素。

3 復雜結果探究性實驗

（1）復雜結果探究性實驗的特點

相對于單一結果的探究性實驗，復雜結果探究性實驗除了控制變量比較多，還要設置參數。為了得到實驗結果，需要反復的次數多，實驗結果的不確定性高，需要辨別的方面也很多。

用模擬軟件創設復雜結果的探究性實驗是在真實情境下學生難以開展探究的實驗，如生物遺傳、生物進化、火山噴發、地震形成、地球自轉等。例如模擬型軟件“生物遺傳”用一種學生創造的抽象的“新生物”作為探究對象，用簡化的靜態圖像表征生物的生活和繁殖環境，避免了真實生物及其環境帶來的固有經驗的影響和形態、活動等表面因素的干擾，增加了探究的趣味性。

由于所模擬的現象本身難以真實再現，并且探究結果多樣，故這類活動側重培養學生對探究過程的體驗，嘗試對現象做出合理的解釋、對同一現象做出不同的解釋，并將探究的結果與假設相比較，而不在于結果是否唯一。

（2）復雜結果探究性實驗的活動程序

圖9 復雜結果探究性實驗的程序

圖10 生物遺傳的模擬

復雜結果探究性實驗的程序如圖9所示，軟件實例如圖10所示。程序呈現的參數或特征有兩類：一類是科學實驗本身要求必須設置的，一類是模擬情境特有的，能給學生增加更多的探究可能性。例如學生首先選擇設置是研究有性生殖還是無性生殖，然后選擇創造新生物，決定新生物是保留在繁殖場還是讓其離開，并且能在任何時候改變食物供給的多少來看食物對于生物特征的影響。

變量的選擇和操縱與單一結果的探究性實驗相同，只是變量的數量比較多，因此增加了探究的假設和計劃的復雜性。例如“生物遺傳”，學生可以按照自己的假設和計劃，點擊選擇新生物的體型、顏色、花紋、觸角，然后通過拖曳匹配親代，再點擊按鈕就可以一代一代地繁殖了。

系統呈現學生操縱變量的結果，并且不設置任何提示。由于影響結果的因素比較多（如新生物體型、體色、觸角、花紋的變化規律，以及食物供給對新生物體型的影響），各個學生或小組每次操縱所呈現的結果可能不同，反復實驗之后的結論也可能不同，這就給學生之間的交流和討論增加了新鮮內容。學生需要經歷反復的試驗和探討才可能發現規律，如通過新生物的多重繁殖，反復觀察比較新生物的體態特征，從而發現體態特征遺傳的規律。

綜上所述，模擬軟件的科學探究學習活動程序設計既要遵循一定的教學思想，也要適應學習目標和內容，這就使探究活動具有了多樣性和復雜性，使模擬軟件成為創設科學探究學習情境的不可替代的選擇。

參考文獻

[1][7]張軍征,樊文芳.模擬軟件促進科學課程探究學習的作用分析[J].現代教育技術,2012,(4):37-38.

[2][3][5]丁邦平.探究式科學教學:類型與特征[J].教育研究,2010,(10):81-84.

[4][6]中華人民共和國教育部.科學(3-6年級)課程標準(實驗稿)[S].北京:北京師范大學出版社,2007:3-11.

Investigation on the Program of Scientific Inquiry Learning Activities based on Simulation Instructional Software

ZHANG Jun-zheng

Based on the three main types of inquiry-besed science teaching, this article investigated the program of scientific inquiry learning activities based on simulation instructional software, including the “example and explaining” activity and the simplified model observation activity that both occupied the characteristic of reception learning, the “hypothesis and validation” activity possessing the characteristic of constructive learning, and the exploratory experiments of single results and complex results owning the characteristic of discovery learning. Combined with the developed software example, the design of all kinds of learning activities’ programs were discussed, which involved the components of the programs, the characteristics of various inquiry activities and the activities’programs.

science curriculum; inquiry learning; simulation instructional software; program of learning activities

G40-057

A

1009—8097（2016）08—0042—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2016.08.006

本文為山西省回國留學人員科研項目“基于網絡的科學探究娛教系統的設計與應用研究”（項目編號：091）、山西省教育科學規劃課題“設計與應用模擬軟件支持小學科學課程探究學習的研究”（項目編號：GH-12056）的階段性研究成果。

張軍征，教授，碩士，研究方向為數字化學習與資源開發，郵箱為jzhang54121@163.com。

2016年2月1日

編輯：小西