利用3D游戲提高初中學生科學探究能力的教學嘗試

李永勝 王 鳳 張春雷詹衛華 費萍華

(華東師范大學生命科學學院 上海 200241) (上海市閔行區友愛實驗中學 201109)

1 生物學3D游戲(Omosa)簡介

生物學3D游戲(Omosa)是由澳大利亞悉尼大學和麥考瑞大學基于虛擬世界技術聯合開發的(網址：http://web.science.mq.edu.au/～mtaylor/vworlds/Omosa.html)。在這個游戲中，學生可在虛擬的世界以科學家助手的身份參與Omosa島嶼生態環境問題的調查，通過移動化身和與環境中虛擬人物進行對話，并且能夠直接通過科學觀察、數據資料收集開展調查。在澳大利亞的教學實踐研究表明，基于該游戲的科學探究活動不僅對學生掌握科學知識有幫助，同時對提高學生的科學探究能力也有顯著的效果[1]。為了便于我國初中學生學習，我校研究團隊對游戲進行了初步的漢化，并根據游戲內容和學生特點開發了相應的拓展課程。

在該課程中，為了調查葉鹿數量下降的原因，學生扮演科學家的助手，主要進行三類游戲學習任務：①訪談：通過與獵人、生物學家、氣象專家和生態學家的虛擬訪談，獲取Omosa島嶼生態環境和物種變化的相關信息；②收集資料：進入狩獵場、實驗室、村莊和氣象站收集相關的研究數據；③觀察：觀察狼和葉鹿的行為和種群數量變化。最后，通過對Omosa島嶼生態環境變化的觀察和分析，推測導致葉鹿數量下降的可能原因，設計實驗并運用物種數量變化模型檢驗假設，并向Omosa島嶼居民報告研究結果，為當地居民提供生態危機解決的可行辦法，游戲界面如圖1所示。

圖1 Omosa游戲界面(學生與游戲中虛擬人物對話)

2 生物學3D游戲(Omosa)的探究活動的設計與實施

該游戲在上海市閔行區友愛實驗中學八年級的生物拓展課進行了為期一個學期的教學實踐。通過該游戲的開展，幫助學生了解生物學研究的一般過程和方法，提高生物學探究能力，激發初中學生學習生命科學的興趣。

2.1 確定研究問題(第1～4周) 在幫助學生了解游戲的基本操作方法、明確了角色(生物學科學研究者)以后，從第2周開始，學生便開始嘗試進行游戲任務。為了幫助學生獲得更多有用信息，教師設計并提供三份引導性工作單。其中工作單1包含了可能會提供信息的人物名單，包括獵人、生物學家、氣象專家和生態學家，學生需要深入到游戲地圖的各個地點，找到他們并對其進行虛擬訪談，搜尋與問題相關的信息并記錄。根據訪談獲得的信息，嘗試初步提出導致葉鹿數量下降的各種可能原因。工作單2列出了與葉鹿數量變化相關的材料名稱，如獵人村莊的探險家日志、狩獵場的信息板、實驗室數據手冊和氣象站數據手冊。學生需要在游戲的各個地點找到這些材料。通過閱讀并記錄材料內容，對葉鹿種群下降的可能原因進行再次判斷篩選，排除部分非相關因素。隨后學生觀察游戲場景中的現象，并進行進一步推理分析、歸納總結，形成一份針對問題的初步報告，并記錄在工作單3上。學生提出了很多葉鹿數量下降的原因，如天敵、干旱、森林砍伐、火耕生態、捕獵和氣候變化，并在收集資料與觀察的過程中不斷排除非相關因素。明確了在做一項研究之前，科學家首先要收集研究相關的信息資料，并通過整理分析，提出問題和作出假設。

2.2 設計實驗(第5周) 初中八年級學生自己很少做過實驗，更不知道自變量、因變量等概念。教師設計的引導性工作單4利用通俗易懂的說明幫助學生了解假設、自變量和因變量等概念及實驗設計的方法。如假設是“你認為將會發生什么和為什么”；自變量是“我們改變的是什么”；因變量是“我們測量的是什么”。然后，引導學生從提出的幾種可能原因中，每個小組選擇其中一個原因設計實驗，在引導性工作單4上記錄實驗的總體思路、研究的問題、假設、自變量和因變量等信息。例如，第二學習小組認為火耕生態是影響葉鹿數量下降的最可能原因，并進行了實驗設計(表1)。

表1 引導性工作單4：第二學習小組的實驗設計

2.3 進行模擬實驗(第6周) 為了檢驗學生的假設，利用開源計算機模擬軟件Netlogo[2](下載網址：http://ccl.northwestern.edu/netlogo/download.shtml)建立種群變化的數學模型(圖2)，以第二學習小組為例，將青草覆蓋率、天敵數量和獵人數量等參數調整到不影響葉鹿數量的理想值，然后設定0、25%、50%、75%、100%等不同程度的火耕生態，運行模擬實驗并記錄運行結果，實驗結果顯示當其他條件適宜，火耕生態比例超過25%時，葉鹿的種群數量將開始下降，并隨著火耕生態比例的增大而加快，符合預期的實驗假設。

圖2 物種數量變化模型軟件Netlogo模擬火耕生態

2.4 表達與交流(第7～9周) 通過6周的探究游戲，學生已經了解了引起葉鹿種群數量下降的原因，下一步需要使用這些數據資料，提出問題解決的方案。例如，第二學習小組認為村莊的獵人為了耕作農作物進行火耕生態，破壞了大量的葉鹿棲息地與掩蔽物，讓葉鹿的食物來源減少并無法躲避天敵的捕殺，最終導致葉鹿數量的不斷下降。該小組認為應該通過退耕還林的方法來保護生態環境。隨后各小組通過PPT文稿匯報研究過程、研究結果及結論，匯報結束后各小組學生進行自評和組間互評。

3 啟示與建議

3.1 設置真實情境，激發學生探究興趣 生物學科發展迅速，且與醫學、藥學和農業生產等領域息息相關，在中學生物學教材中也有很多與生物學相關的職業介紹和科學發展史資料，教師可以充分利用這些素材，通過設置真實的問題情境，讓學生身臨其境，像科學家一樣體驗科學探究的過程，不僅能夠提高學生的科學探究能力，同時有助于學生轉變學習方式，提高學習生命科學的興趣。例如，本文利用Omosa設置了一個真實的探究情境，讓學生來學習種群數量變化和生態系統的知識。教師也可以讓學生變成醫生，解決細胞癌變的問題；可以讓學生變成營養師，分析物質代謝的問題；可以讓學生變成數學家，推斷遺傳病的發病率問題等。

3.2 搭建探究階梯，引導學生科學探究 初中學生缺乏探究的體驗，所以一開始就讓他們走進“自主探究”的王國，是較困難的。此時，引導式探究就成為行之有效的辦法。例如，筆者設計了Omosa虛擬世界學習指導手冊，其中包含由易到難的19個探究任務和7個引導性工作單，通過這些層層相扣的探究活動，一步步地引導學生去探索科學現象、解釋科學問題，分享探究成果。教師在日常的生物學教學中，也可以模擬引導性工作單的方式，通過設計導學案，提供相關的學習資料，引導學生進行生物科學探究，當學生已經掌握了探究式學習的一般技巧，就可由引導式探究轉變為自主探究的形式，實現學習方式的真正轉變。

3.3 正確認識計算機游戲在教學中的應用 隨著科技的發展，計算機技術越來越多的應用到生物學教育領域。但生物學教師應該始終認識到計算機技術是為教學服務的，而非主角，不要為了游戲而游戲。尤其是初中學生的自制力不強，如果不加以正確的引導，計算機游戲很可能失去本該發揮的教學輔助作用。教師一定要結合教學的實際需求，有針對性地加以應用。本文中Omosa和計算機模擬軟件Netlogo的使用，就是針對科學探究的提出問題、作出假設和進行模擬實驗等環節進行應用的。目前，國外很多大學開發出十分優秀的教育游戲項目。如美國哈佛大學的河城(River City)研究項目、亞利桑那州立大學的探索亞特蘭蒂斯(Quest Atlantis)項目，都受到廣大師生的普遍歡迎。如果教師能夠將這些資源恰當地整合到日常教學中，對科學探究以及生物學教學就能夠起到積極作用。