基于nQuire平臺的科學探究學習研究

白現萍 王 珺

?

基于nQuire平臺的科學探究學習研究

白現萍 王 珺

（南京師范大學教育科學學院，江蘇南京210024）

nQuire科學探究平臺由英國開放大學和諾丁漢大學聯合創辦，是英國開放大學教與學研究項目的主要研究成果，它以嚴謹的科學探究過程、成熟的協作交流平臺和優秀的探究項目等優勢，為科學探究學習提供了較好的支持。文章結合建構主義學習理論，對nQuire平臺的研究背景、特征以及它對探究性學習的支持等進行了剖析。最后，文章為我國探究性學習平臺的建設提出了以下建議：引入仿真的探究環境，為學習者的探究過程提供支架，擴展協作交流平臺和增加權威的探究資源。

nQuire平臺；科學探究過程；建構主義學習理論；科學探究環境

引言

在信息化時代，利用網絡平臺進行探究性學習是一種較為重要的方式。探究性學習是教育界提出次數較多的學習方法。科學探究是獲取科學知識的基本方法，是不斷地發現問題，通過多種途徑尋求證據、運用創造性思維和邏輯推理解決問題，并通過評價和交流達成共識的過程。科學探究的一般過程是提出問題和假設，設計研究方案，獲取證據，分析和處理數據，得出結論，評價和交流[1]。科學探究性學習是一種較為有效的獲取科學知識的方法，在探究過程中以問題為學習情境，激發學生的學習動機，培養學生的想象力和創造力。傳統的學習材料和學習方法無法滿足科學探究活動的需求，需要將科學技術與知識結合起來，創造數字化的學習資源。在技術的支撐下，學生自由地開展探究，可以取得更加有效的學習。

在此背景下，國外出現了許多探究性學習平臺，如Co-Lab、nQuire、Vient和WISE等。2013年9月由Nominet Trust資助、由英國開放大學和諾丁漢大學聯合創辦的nQuire科學探究平臺（如圖1所示），是與開放科學實驗室合作，針對中學生創建的科學探究學習環境[2]。Nominet是世界上最大的網絡注冊機構，其與國家和國際組織密切合作研究出能使互聯網更好、更安全的方法[3]。Nominet Trust是由Nominet于2008年1月創建的一個獨立的慈善基金會，旨在創建能夠極大地利用網絡積極作用的項目，這些項目能夠改善互聯網的訪問功能、增加網絡的安全性，且對人們的生活和交流產生重大影響[4]。本文分析了nQuire平臺的相關研究以及特征，并與國內的平臺進行對比，旨在為我國探究性學習平臺的建設和研究提供參考。

圖1 nQuire首頁界面

圖2 nQuire平臺上探究月球巖石項目的探究過程

一nQuire科學探究平臺及其相關研究

nQuire科學探究平臺提供了完整的科學探究路徑，幫助學習者在真實的科學環境下使用正確的探究方法進行學習。nQuire平臺提供的探究主題的神秘性可以激發學習者的學習興趣，主題與自身生活相關，可將學到的知識運用到實際生活中。nQuire平臺具有協作交流功能，有專家和同伴學習者對探究主題進行評價、交流。該平臺提供完整的科學探究方法，激發了學習者的學習動機；提供的學習交流平臺，促進了知識的意義建構。整個平臺體現了建構主義學習理論的基本觀點，即情境、協作、會話和意義建構。國內的一些探究性學習平臺，如北京師范大學網絡實驗室開發的WebIL、清華同方思科系統有限公司開發的研究性學習網絡平臺、北京育英網絡有限公司開發的K-12研究性學習平臺等，與國外的探究性學習相比還有很多不足。國內的平臺雖然對探究性學習的開展和實施產生了一定的積極作用，但是仍存在著欠缺：如信息收集和處理能力相對貧乏、選題方式單一、交流和合作方面存在不足、學習評價單一[5]。謝紹平[6]在關于國外探究平臺Co-Lab的分析中發現，國內平臺的探究性較弱、缺乏對建模活動的支持和協作交流不完善。較為突出的是對于探究活動設計沒有進行深入分析，還未形成完善的探究活動步驟模塊[7]。還有研究者總結出國內探究平臺的思維引導較弱、探究活動支架較少、對交流討論的關注較少、缺少相應的項目編輯模塊和成熟的評價系統[8]。總結以上研究成果，可以發現國內探究性學習平臺有以下特點：探究過程不嚴謹、支架較少不精細、協作交流效果較差和探究資源相對貧乏且不權威等。

國外對于nQuire科學探究平臺的研究較多，其中比較典型的是以英國開放大學的Sharples為首在nQuire平臺上開展的一系列實驗研究。Paul等[9]描述了nQuire的發展，并結合不同身份的探究者和實例分析了該平臺在探究性學習中的作用，給出了未來發展的建議。以平臺中較為成熟的項目“Healthy Eating”為例，探究具有一定規則的學習工具——nQuire平臺在正式和非正式的學習環境中對探究性學習的影響，結果發現nQuire平臺在兩種學習環境下均能促進學生探究性學習的產生，且形成了一系列的探究步驟模型[10]。國內的相關研究較少，如高強[11]在科學發現學習環境設計研究中對nQuire進行了簡單描述，鐘士軍[12]在研究高中物理探究學習工具設計中提到nQuire是一種指導個性化探究學習的軟件。該平臺是將教、學、管統一，并完成相關管理工作，把教學與科研有機結合的綜合性平臺[13]。孫丹兒[14]在研究中學階段學生科學學習的探究式學習環境中，主要介紹了nQuire的科學探究步驟，體現了nQuire為教師和學生提供了基本探究的腳本功能，但對于nQuire的其它版塊沒有進行詳細的介紹。總結國內外文獻，發現國外對于nQuire的研究涉及面較廣且研究較深，而國內的研究貧乏且多為簡單描述，其中孫丹兒的研究較為典型。下面本文將針對nQuire的具體特征進行詳細分析，并加以總結。

二 nQuire科學探究平臺的特征分析

建構主義學習觀認為，學習不是由教師把知識簡單地傳遞給學習者，而是由學習者自己建構知識的過程。學習是學習者主動建構意義，借助他人的幫助，利用必要的學習資料，通過意義建構的方式而獲得[15]。建構主義學習理論強調創建與學習相關的情景和學習中與同伴的協作交流，nQuire科學探究平臺按照科學探究的標準預設學習步驟，為學習者創建一定的學習環境，有利于對知識的意義建構。該平臺為學習者提供論壇，供其進行合作交流，在相關的論壇中分享學習材料，以小組的形式進行合作，通過協商討論完成學習任務。

1 仿真的學習探究環境

nQuire平臺與開放科學實驗室合作，針對中學生創建科學探究學習環境。開放科學實驗室是由英國開放大學主辦、歐勝微電子（Wolfson）資助。該實驗室旨在為創新性實用科學教學開發能進行在線實驗的國際虛擬實驗室[16]。虛擬儀器、交互式屏幕實驗和3D沉浸式環境變革了真實的學習體驗，使學習者像真正的科學家一樣進行實驗。在較為嚴格的探究指導下，開放科學實驗室將會調動學習者的學習興趣并引導其進入科學的世界，進而提高學習者的科學素養。

建構主義學習理論強調學生在真實或者類似于真實的學習環境中學習。在一定的學習情境下，學習者的主動探索能夠促進新舊知識的結合，激活思維和創造力，提高學習者獨立解決問題的能力。nQuire平臺所提供的探究環境，與學習者所學知識密切結合，符合建構主義學習理論的基本觀點。

2 嚴謹的科學探究過程

知識的獲得并不是簡單地將知識傳授給學習者，而是學習者在一定的學習環境中通過自主探究發現而有意義地構建的。嚴謹的科學探究步驟是科學工作順利進行的前提，科學家遵循這樣的步驟進行探究活動，便于對所觀察的現象進行科學的分析和論證，進而產生可信的結果。然而，一般的學習者尤其是毫無科研經驗的中小學生，他們沒有成熟的研究套路，若不加以指導，他們搜集資料、分析數據的方法等可能并不科學，產生的結果也毫無價值。針對這一現象，nQuire平臺提供了完整的模擬科學調研訓練的步驟，學習者不需要具備與調查項目相關的專業知識，只要按照科學家所遵循的規范步驟進行探究，就可獲得一般科學探究過程的學習體驗。此外，nQuire還提供了部分可靈活進行自由組合和改變的調查步驟，以幫助學習者形成有自己特色的研究。

nQuire平臺為學習者提供了兩種探究方式：參與首頁上已有的優秀研究項目和學習者自己創建研究項目。nQuire平臺提供的一般科學探究步驟為：確定主題、發現問題、尋找解決方法、收集數據、分析數據、得出結論，且每個步驟都附帶相應的探究活動，學習者根據調查主題的不同對項目的步驟進行合理的添加和刪除。nQuire平臺在學習者自由創建項目的同時，為學習者提供了嚴謹的探究步驟，規范了探究過程。這樣既激發了學習者主動學習的動機，又教會了學習者科學探究的方法。

3 成熟的協作交流平臺

協作交流是建構主義學習理論的觀點之一。協作應該貫穿于整個學習活動過程，包括指導者與學習者之間、學習者與學習者之間的協作；交流是協作過程的基本環節，協作學習的過程就是交流的過程，使每個學習者的想法為整個學習群體所共享，從而推動學習者的學習進程。

論壇是nQuire平臺提供的交流空間，主要分為三個版塊：①與平臺相關的論壇。學習者可以根據使用平臺中遇到的技術和操作方面的問題進行提問。該平臺的管理者會給與及時的解答和幫助，這樣能夠保證學習者順利完成探究活動。②探究項目相關的論壇。在論壇中學習者針對研究項目提出疑問和交流心得，論壇中的專家可以幫助解決問題；nQuire平臺以學習者自由探究為主，合作交流在自主學習過程中占重要地位，問題的及時解決可以激發學習者的學習動機；通過了解他人的學習進度可以起到自我監督的作用；在論壇中與其他學習者進行爭辯和交流，可推動對研究項目的拓展性思考。③與科學相關的論壇。本版塊為學習者提供與科學相關的最新信息，方便學習者尋找感興趣的調查主題，與此同時也提高了自身的科學素養；該論壇還提供一些最新的科學研究方法，以供學習者參考，確保科學探究活動順利進行。

4 優秀的探究項目

nQuire平臺提供了各種成熟的探究項目。學習者可以直接按照上面的步驟進行探究，節省了再創建新項目的時間。圍繞這些項目，已有學習者公布了自己的探究主題、過程和結果，為初學者進行科學探究提供了支架，提高了探究學習的質量。nQuire平臺中已經成功發布了6個項目，其中“探測月球巖石”項目是nQuire平臺與開放科學實驗室合作創建的比較成功的案例；再加上該項目具有一定的神秘性，可激發中學生的學習興趣，故本研究對此案例進行分析。

地球和宇宙是初中科學課程的主題之一，了解宇宙中存在不同層次的天體系統，體會宇宙的奧妙，可逐步建立自然界的整體性、層次性和系統性的科學思想觀念[17]。在收集資料、觀察和討論中，激發學生對于天文現象的興趣和求知欲，引導學生形成科學的宇宙觀。nQuire平臺中的“探測月球巖石”項目的研究過程如圖2所示。該項目在平臺提供的基本探究步驟的基礎上加以修改，可分為7個步驟：挑戰、觀看樣本、決定問題、計劃方法、檢查樣本、分析數據和得出結論，步驟成圓環狀可循環進行。調查可以從任何一個階段開始，并且每一階段都建立在前一個活動的基礎上。虛線代表了階段之間的依賴關系，如分析數據階段需要檢查樣本階段收集到的數據為支撐，還需回顧計劃方法、決定問題、觀看樣本和挑戰這幾個階段的知識。

建構主義學習理論是探究性學習的基礎理論之一，創建與學習相關的情景和學習中的協作交流是其主要觀點。“探測月球巖石”項目深入貫徹了這兩個觀點，且其探究過程能夠激發學習者的學習動機，學習科學探究方法并培養科學探究能力。①創建學習情境。項目的研究對象并非日常所見，學習者不能親臨觀測，故較難確定探究問題。nQuire平臺與開放科學虛擬實驗室合作，創建較為真實的學習環境。在真實情境中探究發現的知識可促進新舊知識產生聯系，加強新知識的理解；②協作交流。項目中創設相關的論壇，供學習者進行交流和協作。論壇中學習者可以分享研究成果，評價其它的研究項目，提出疑惑，有相關領域的專家解答；③激發學習者的學習動機。科學探究學習要求學習者進行自主探究，在整個學習過程中占據主體地位，故激發學習動機是探究項目順利進行的關鍵。該項目的探究主題是月球巖石，主題充滿神秘性，可激發學習者的學習興趣；④培養了學習者的科學探究能力。自主學習過程中掌握相關的科學探究方法至關重要。向學習者設下挑戰，參考系統提供的科學探究方法和數據分析策略，按照步驟了解研究對象，提出問題，尋找探究方法，收集數據，分析數據，進而建構相關的規律和原理，掌握科學探究方法，從而提高科學探究能力。

5 科學的數據收集和分析方法

nQuire平臺引導學習者數據收集的方向，可以避免在收集數據中做無用功。提供的數據分析方法確保了數據結果的有效性，對初學者而言，可減少尋找正確數據分析方法的麻煩。“探測月球巖石”項目的一個案例主題是“比較灰塵顆粒和巖石的不同”，其中“觀看樣本環節”階段需要對4種樣本（如圖3所示）進行深入的探究。學習者按照系統提示，從樣本的快照、大小、顏色、透明度和晶體形狀等方面進行分析。在進行數據處理時，nQuire提供了常見的分析方法，并將數據進行圖形或者圖表可視化，以便于結果的分析。例如，在“我的飲食健康嗎？”這個項目中，將學習者日常飲食中所含的物質成分與個體標準的攝入量以柱形圖的形式描繪出來（如圖4所示）。

圖3 探測月球巖石項目中觀察的四種樣本

圖4 我的飲食健康嗎？項目中數據分析

6 權威的科學探究學習資源

官方的學習資源是進行科學探究的前提。前期調查資料的權威性增加了調查結果的信度，正確的科學知識和科學探究方法有助于建立正確的科學觀念。nQuire平臺由英國開放大學和諾丁漢大學聯合主辦，這兩所高校為平臺提供了權威的教育觀念和嚴謹的科學探究步驟。

在“探測月球巖石”探究項目中，關于樣本和月球巖石的更多信息可以鏈接到月球和行星研究所和國家航空和宇宙航行局網頁上。關于巖石樣本的學習，可以進入由英國開放大學和國家航空和宇宙航行局（NASA）聯合承辦的虛擬實驗室（如圖5所示），該實驗室為學習者提供了虛擬的科學探究工具，如利用虛擬顯微鏡對巖石進行觀測。虛擬實驗室為學習者提供巖石樣本的詳細信息，以便樣本的數據收集和分析[18]。“我的飲食健康嗎？”項目可以鏈接到英國國民醫療服務體系的在線服務平臺（NHS Choices），來了解關于健康飲食的信息[19]（如圖6所示）。NHS Choices是英國最大的醫療服務網站，提供全面的醫療信息服務，幫助人們管理自己的醫療保健，同時利用網站上的服務可以幫助養成健康的生活習慣。

圖5 開放科學實驗室界面

圖6 NHS Choices首頁界面

三nQuire平臺對我國探究性學習平臺建設的啟示

結合上面對nQuire科學探究平臺的分析，本研究針對我國學習平臺的建設提出了以下建議：

1 引入仿真的探究環境

建構主義學習理論強調學習是在真實的或者類似于真實的學習環境下發生的，注重學生在這樣的情境下自主學習探索，激活已有知識圖式，將新的知識納入到已有的知識中，進而生成新的圖式，對知識進行意義建構。當今社會重視創造性人才的培養，傳統的傳授式教育已無法滿足學習者的需求，教師應該讓學生在探究環境下自主學習非結構化、開放性知識，這樣才能夠培養學生的想象力和創造力。我國在建設探索類的學習平臺時，應當引入一些成熟的學習探究環境，為學生進行知識的意義建構奠定基礎。

2 為學習者的探究過程提供支架

維果斯基的最近發展區認為學生的發展有兩種水平：一種是學生的現有水平，是指獨立活動時所能達到的解決問題的水平；另一種是學生的發展水平，也就是通過教師或者教學的幫助能夠達到的水平——這兩種發展水平之間的距離就是最近發展區。在最近發展區為學生提供一定的幫助，學生就能夠達到發展水平。而在探究過程中為學生提供學習支架，也能夠幫助學習者順利達到發展水平。我國的探究學習平臺應該加強對探究過程的支持，幫助學習者順利完成學習，掌握科學的探究方法和步驟。在提供嚴謹的探究過程的同時，還應該在平臺中增加科學探究常用的數據收集和分析方法，以供學習者參考。

3 擴展協作交流平臺的功能

成功的交流平臺不僅能夠幫助學習者解決學習過程中的問題，還可以維持學習者探究的興趣和動機。通過交流平臺，學習者與同伴交流探究心得，了解他人的探究進程，可起到自我激勵的作用。對交流平臺進行分類（如分為項目交流平臺、科學話題交流平臺等），不同的討論板塊方便學習者查詢需要的信息，可以節省時間并有針對性地解決問題。在交流平臺中應該增加問題解決專家板塊，使問題解決專家可以與學習者交流，并積極主動地提出相應的討論話題，以引發學習者參與討論的興趣。問題解決專家應該在學習者提出問題時及時給與幫助，以促進學習者的學習。

4 增加權威的探究資源

擁有優質的學習資源是學習平臺成功的基礎，權威的知識環境可以確保探究的正確性。官方權威的學習途徑不僅擴展了探究資源，還增加了學習者的學習興趣和求知欲望。同時，權威的學習資源大多數是由相應主題的專家共同研究探討出來的，因此擁有科學的知識架構和嚴謹的框架，更加符合教育理念，且知識的可信度較高。基于此，我國的科學探究平臺應該與國家科學主題相關的網站或者實驗室結合起來，為學習者的探究活動提供優質的學習資源。

四結論

nQuire平臺作為一款基于網絡的科學探究式學習平臺，其逼真的探究環境創造了學習條件；嚴謹的探究步驟和優秀的研究項目提供了學習支架；強大的協作交流平臺有助于合作學習，加強了對學習行為的管理和控制；權威的探究資源確保了探究的科學性，這些方面可以為我國探究性學習平臺的研究和建設提供借鑒。然而nQuire平臺仍然存在需要改進的地方，如缺少小組之間任務進度的展示（有激勵和監督作用）、缺少平臺中研究項目的詳細分類、需將nQuire平臺放在更加輕便的移動設備上等。

[1][17]中華人民共和國教育部.義務教育初中科學課程標準(2011年版)[S].北京:北京師范大學出版社,2011:1-41.

[2]Mike Sharples. nQuire[OL].

[3]UK. Nominet[OL].

[4]Vicki Hearn. Nominet trust[OL].

[5]劉行一.基于WEB的研究性學習平臺的設計與實現[D].南昌:江西師范大學,2007:9-10.

[6]謝紹平.國外基于網絡的協作探究學習平臺研究——來自Co-Lab的啟示[J].現代教育技術,2013,(1):74-79.

[7]付志文,吳東醒.基于氣象專題的科學探究平臺的設計與開發[J].電化教育研究,2009,(3):67-79.

[8]況姍蕓.WISE科學探究平臺對我國研究性學習平臺建設的啟示[J].中國電化教育,2010,(1):78-81.

[9]Mulholland P.nQuire: Technological support for personal inquiry learning[J].IEEE Transactions on Learning Technologies, 2012,(2):157-168.

[10]Sharples M, Collins T.A “laboratory of knowledge-making” for personal inquiry learning[J]. Springer-Verlag Berlin-Heidelberg, 2011:312-319.

[11]高強.科學發現學習環境設計研究[D].揚州:揚州大學,2013:2-3.

[12]鐘士軍.高中物理探究學習工具設計研究[D].長春:東北師范大學,2013:4-5.

[13]盧程佳.探究型移動學習工具種類及應用研究[J].軟件導刊,2015,(3):155-156.

[14]孫丹兒,葉孝軒.計算機技術支持的中學科學探究式學習環境設計[J].中國電化教育2012,(1):104-105.

[15]陳威.建構主義學習理論綜述[J].學術交流,2007,(3):175-177.

[16]The Open University and the Wolfson Foundation. Open science laboratory[OL].

[18]The Open University and NASA. OU-NASA virtual microscope[OL].

[19]The UK Government. NHS choices[OL].

編輯：小西

Research on Scientific Inquiry Learning based on nQuire Platform

BAI Xian-ping WANG Jun

nQuire was jointly established by the Open University of UK (OUUK) and the University of Nottingham, which was also the main achievement of the teaching and learning research project of OUUK. It provides good support to scientific inquiry learning by virtue of its rigorous scientific inquiry process, mature collaborative communication platform and excellent exploratory projects. Combined with constructivism learning theory, this article analyzed the background and characteristics of nQuire, and its supports to scientific inquiry learning. This paper could provide the following suggestions for the construction of inquiry-based learning platform in our country:introducing the simulation of inquiry-based learning environment, providing support for exploring process of learners, extending the collaboration communication platform and increasing the authoritative exploration resources.

nQuire platform; scientific inquiry process; constructivism learning theory; scientific inquiry environment

G40-057

A

1009—8097（2016）10—0060—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2016.10.009

白現萍，在讀碩士，研究方向為教育游戲，郵箱為baixianping8@163.com。

2016年3月27日