（课程与教学论专业论文）计算机模拟在科学发现学习中的应用模式研究.pdf

计算机模拟在科学发现学习中的应用模式研究 计算机模拟在科学发现学习中的应用模式研究 专业名称；课程与教学论 指导教师t 廖伯琴教授 研究方向t 物理教学论 研究生i 李太华( 9 9 1 6 3 ) 摘要 计算机模拟可以为学习者提供一种开放的探索性学习环境，常被用作科学发现学习的工具。但 现有基于计算机模拟的科学发现学习研究，多是从教育技术学或教育心理学的角度探索和完善计算 机模拟的教学功能，而探索计算机模拟应用于学科教学的研究还很缺乏。并且现有研究的视角大多 局限于改进计算机模拟情境的设计以整合更多的教学功能，而立足科学发现学习的活动结构，探索 计算机模拟应用于科学发现学习的模式研究还不多见。 在已有研究的基础上，我们分析了科学发现学习的活动结构，根据物理教学的实际和前期调查 研究的结果将计算机模拟定位于科学发现学习的实验探索环节，为学生提供一个开放的实验探索环 境。基于此，我们设计了计算机模拟应用于初中物理科学发现学习的基本模式和整合模式通过检验 两种模式的效果，考察计算机模拟在科学发现学习中的作用及其对学生的影响，探索计算机模拟应 用于初中物理科学发现学习的有效模式。 ， 实验一考察了计算机模拟应用于科学发现学习的基本模式的效果，结果发现，与基于真实探索 情境的科学发现学习模式相比：计算机模拟应用于科学发现学习的基本模式对学生原理性知识的 掌握表现出近似显著的促进作用：计算机模拟应用于科学发现学习的基本模式对学生的直觉性理 解表现出显著的促进作用；计算机模拟应用于科学发现学习的基本模式对学生的灵活应用表现出 显著的促进作用；计算机模拟在促进学生进行科学发现学习的同时，也表现出一定的负面效应 针对实验一的结果，实验二对基本模式进行了修正，整合进了真实探索情境，结果表明，与基 于真实探索情境的科学发现学习模式相比：计算机模拟应用于科学发现学习的整合模式对学生原 理性知识的掌握表现出非常显著的促进作用；计算机模拟应用于科学发现学习的整合模式对学生 的直觉性理解未表现出显著的促进作用；计算机模拟应用于科学发现学习的整合模式对学生的灵 活应用表现出显著的促进作用；学生的物理基础对其科学发现学习具有非常显著的影响：整合 情境模式基本实现了计算机模拟情境和真实情境的优势互补，但在学生对实验探索的理解和朴素概 e - - , r 念的转变上也暴露出了一些不足之处。f y 关键词，计算机模拟，科学发现学习，应用模式 i i 硕士学位论文 ar e s e a r c ho ft h em o d e l so ft h ea p p l i c a t i o no f c o m p u t e r s i m u l a t i o ni n t os c i e n t i f i cd i s c o v e r yl e a r n i n g m a j o r ：t h e o r yo f c u r r i c u l u md e v e l o p m e n t & i n s t r u c t i o n s p e c i a l t y ：t h e o r yo fp h y s i c si n s t r u c t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f l i a ob o q i n a u t h o r ：l i 嘣i m a a b s t r a c t c o m p u t e rs i m u l a t i o nc a no f f e r8 1 1o p e ne x p l o r i n gl e a r n i n ge n v i r o n m e n tf o rt h el e a r n e r s ， t h e r e f o r e ，i so f t e nr e g a r d e da sa ni n s t r u m e n tf o rt h es c i e n t i f i cd i s c o v e r yl e a r n i n g b u tm o s to f t h ep r e s e n ts i m u l a t i o n - b a s e ds c i e n t i f i cd i s c o v e r yl e a r n i n gr e s e a r c h e se x p l o r ea n dp e r f e c tt h e t e a c h i n gf u n c t i o n so f t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nf r o mt h ea s p e c to f e d u c a t i o n a lt e c h n o l o g yo rt h e a s p e c to fe d u c a t i o n a lp s y c h o l o g y h o w e v e r , t h e r ea f e wr e s e a r c h e st h a te x p l o r et h e a p p l i c a t i o no fc o m p u t e rs i m u l a t i o ni n t ot h es p e c i f i cs u b j e c tt e a c h i n g t h ep r e s e n tp e r s p e c t i v e s o fr e s e a r c ha r em o s t l yl i m i t e dt ot h ei m p r o v e m e n to fd e s i g no ft h es i t u a t i o n so fc o m p u t e r s i m u l a t i o nt oi n t e g r a t em o r et e a c h i n gf u n c t i o n s w h i l et h e r ea r es t i l lf e wr e s e a r c h e so nt h e m o d e l st h a te x p l o r et h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rs i r e u l a t i o ni n t os c i e n t i f i cd i s c o v e r yl e a r n i n g o nt h eg r o u n do f t h ea c t i v i t ys n l l c t l l r eo f s c i e n t i f i cd i s c o v e r yl e a r n i n g b a s e du p o nt h ep r e s e n tr e s e a r c h e s w ea n a l y z et h ea c t i v i t y 酬【m c t u r eo fs c i e n t i f i c d i s c o v e r yl e a r n i n g a n da tt h es a m et i m e ，b a s e du p o nt h et e a c h i n gs i t u a t i o na n dt h ee a r l i e r i n v e s t i g a t i o n ，w ep l a c ec o m p u t e rs i m u l a t i o na sa ne x p e r i m e n t i n ga n de x p l o r i n ga s p e c tf o rt h e s c i e n t i f i cd i s c o v e r yl e a r n i n gs oa st oo f f e rae n v i r o n m e n to fe x p e r i m e n t i n ga n de x p l o r i n gf o r 也es t u d e n t s g r o u n d e du p o nt h i s w ed e s i g nt h eb a s i cm o d e la n dt h ei n t e g r a t em o d e lo f c o m p u t e rs i m u l a t i o nt h a ta p p l i e si n t o t h es c i e n t i f i cd i s c o v e r yl e a r n i n gi nm i d d l es c h o o l p h y s i c s t h r o u g ht e s t i n gt h ee f f e c t so ft h ea b o v et w om o d e l s ，w ec h e c kt h ee f f e c t so f a p p l i c a t i o no fc o r a l ：i u t e rs i m u l a t i o ni n t ot h es c i e n t i f i cd i s c o v e r yl e a r n i n ga n dt h ei n f l u e n c e u p o nt h es t u d e n t s a n de x p l o r et l l ee f f e c t i v em o d e lo ft h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rs i m u l a t i o n i n t ot h es c i e n t i f i cd i s c o v e r yl e a r n i n gi nm i d d l es c h o o lp h y s i c s e x p e r i m e n to n ep r o v e st h ee f f e c t so ft h e b a s i cm o d e lo ft h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e r s i m u l a t i o ni n t os c i e n t i f i cd i s c o v e r yi e a r n i n g c o m p a r e dw i t ht h em o d e lo fs c i e n t i f i cd i $ c o v e r y l e a r n i n gw h i c ha r eb a s e du p o nt h el e a ls i t u a t i o n t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 n 心b a s i cm o d e lo ft h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rs i m u l a t i o ni n t os c i e n t i f i cd i s c o v e r y l e a r n i n gs h o w sa l m o s ts i g n i f i c a n tp r o m o t i n ge f f e c t su p o nt h es t u d e n t s m a s t e r yo ft h e p r i n c i p l ek n o w l e d g e ； 2 t h eb a s i cm o d e lo ft h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rs i m u l a t i o ni n t os c i e n t i f i cd i s c o v e r y l e a r n i n gs h o w ss i g n i f i c a n tp r o m o t i n g e f f e c t s u p o n t h es t u d e n t s i n t u i t i o n a l u n d e r s t a n d i n g ； 3 1 1 嵋b a s i cm o d e lo ft h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rs i m u l a t i o ni n t os c i e n t i f i cd i s c o v e r y l e a r n i n gs h o w ss i g n i f i c a n tp r o m o t i n ge f f e c t su p o nt h es t u d e n t s a b i l i t yo ft h ef l e x i b l e a p p l i c a t i o no ft h ek n o w l e d g e ； 4 w h i l ec o m p u t e rs i m u l a t i o np r o m o t e st h es t u d e n t s s c i e n t i f i cd i s c o v e r yl e a r n i n g 。i ta i s o u 计算机模拟在科学发现学习中的应用模式研究 i l l s h o w ss o m en e g a t i v ee f f e c t s a i m i n ga tt h er e s u l t so fe x p e r i m e n to n e ，w em o d i f yt h eb a s i cm o d e li ne x p e r i m e n tt w o ， a n di n t e g r a t et h er e a ls i t u a t i o n c o m p a r e dw i t ht h es c i e n t i f i cd i s c o v e r yl e a r n i n gm o d e lt h a ti s b a s e du p o nt h er e a ls i t u a t i o ne x p e r i m e n t , t h er e s u l t ss h o wt h a t ： 1 t h ei n t e g r a t em o d e lo ft h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rs i m u l a t i o ni n t os c i e n t i f i c d i s c o v e r yl e a r n i n gs h o w sv e r ys i g n i f i c a n tp r o m o t i n ge f f e c t su p o nt h es t u d e n t s m a s t e r yo f t h ep r i n c i p l ek n o w l e d g e ； 2 t h ei n t e g r a t em o d e lo ft h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rs i m u l a t i o ni n t os c i e n t i f i c d i s c o v e r yl e a r n i n gs h o w sn os i g n i f i c a n tp r o m o t i n ge f f e c t su p o nt h es t u d e n t s i n t u i t i o n a lu n d e r s t a n d i n g ； 3 t h ei n t e g r a t em o d e lo ft h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rs i m u l a t i o ni n t os c i e n t i f i c d i s c o v e r yl e a r n i n gs h o w ss i g n i f i c a n tp r o m o t i n ge f f e c t su p o nt h es t u d e n t s a b i l i t y o f t h ef l e x i b l ea p p l i c a t i o no f t h ek n o w l e d g e ； 4 t h es t u d e n t s p h y s i c sb a s i sh a v ev e r ys i g n i f i c a n te f f e c t su p o nt h e i rs c i e n t i f i c d i s c o v e r yl e a r n i n g ； 5 t h ei n t e g r a t es i t u a t i o nm o d e lb a s i c a l l yr e a l i z e st h ec o m p l e m e n t a r ya d v a n t a g e s b d nc o m p u t e rs i m u l a t i o ns i t u a t i o ne x p e r i m e n t sa n dt h er e a ls i t u a t i o n e x p e r i m e n t s ，b u t i te x p o s e ss o m ed r a w b a c k si nt h ea s p e c to fs t u d e n t s u n d e r s t a n d i n go ft h en a t u r eo fe x p e r i m e n te x p l o r i n ge n ds t u d e n t s c h a n g i n go f n a t v ec o n c e p t i o n s k e yw o r d s ：c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，s c i e n t i f i cd i s c o v e r yl e a r n i n g ，m o d e l so f t h ea p p l i c a t i o n 计算机模拟在科学发现学习中的应用模式研究 1 绪论 计算机模拟在科学发现学习中的应用模式研究 1 1 问一提出 近年来，随着我国教育事业的迅速发展，以计算机为核心的现代教学媒体在中小学逐渐得到普 及和应用，有力地促进了基础教育的改革特别是在物理教学领域，多媒体技术正得到日益广泛的 应用这些多媒体技术以其集文本、图像、音频、动商、视频以及交互性于一体的特性给物理教学 带来了“附加价值”( j e r r yw e l l i n g t o n 。1 9 9 9 ；李太华、廖伯琴，2 0 0 1 ) 与此同时，学习和教学理论的新发展对教学改革正在产生着重大影响教学设计者越来越强调 问题解决能力和创造性的培养，强调知识的灵活迁移，重视学习者的主动探索。激发学习者的主动 性，强调学习者的高水平思维和深层加工，已成为当今国际教学和课程改革的基本趋势( 陈琦、张 建伟，1 9 9 8 ) 我国新一轮的物理课程改革也正在逐步展开，新课程标准强调让学生经历科学探究过 程，学习科学探究方法，培养学生的探索精神、实践能力和创新意识( 教育部2 0 0 1 ) 。 面对学习和教学理论的发展，面对物理课程改革，我国的计算机辅助物理教学现状如何? 现有 的计算机辅助教学方式能否适应当前改革的要求? 一些针对我国当前计算机辅助教学状况进行的调查研究表明，我国中小学教学计算机辅助教学 水平不仅滞后于计算机硬件的发展水平，而且滞后于当代学习和教学理论的发展水平( 邵泽义，1 9 9 9 ： 金建梅等，1 9 9 9 ) 计算机辅助教学不是一个单纯的技术问题，必须以一定的学习理论和教学理论为 基础，离开了学习和教学理论的革新发展，计算机只能沦为传统教学的附属品 如何将计算机应用于物理教学才能符合新的课程理念? 如何合理地开发计算机的性能优势才能 满足物理教学改革? 随着物理课程改革的深入开展。这些问题正日益受到广大物理教育工作者的关 注。要解决这些问题，必须认清当今物理教学的特点及其对计算机辅助教学的需求 在物理教学领域，人们越来越重视探究性学习。所谓探究性学习，即借助于学习者的探究活动 达到丰富、发展或调整、重组认知结构的目的，而探究活动不仅体现为学习者的操作性动作，其核 心内涵是学习者的高水平思维活动通过高水平的思维来学习，基于问题解决来建构知识，可以被 视为探究性学习的核心诠释( 张建伟、陈琦。1 9 9 9 ) 在建构主义学习理论的影响下，科学发现学习 ( s c i e n t i f i cd i s c o v e r yl e a r n i n g ) 作为一种探究性学习方式受到研究者的广泛关注( j o o l i n g e n 2 硕士学位论文 j o n g ，1 9 9 7 ) 。另一方面，作为计算机技术与教育整合的一种重要趋势，人们越来越强调要综合利用 多媒体、网络通讯等新技术，为学习者创设一种开放性的、主动的、发现式的学习环境，发展学生 的高水平思维能力和问题解决能力( 陈琦、刘儒德，1 9 9 7 ) 。在这种背景下，很多关于计算机教育应 用的研究发现，计算机模拟可以为学习者提供开放的探究性学习环境，让学习者通过对模拟情境的 操纵、探索来建构起有关的概念、原理，发展更高水平的认知技能( j o n g , t d e n j o o m 。1 9 9 2 ) 因而计算机模拟可以成为一种满足探究性学习需要的建构性学习工具。在利用计算机模拟进行的学 习和教学中，基于计算机模拟的科学发现学习是倍受研究者关注的学习形式 现有基于计算机模拟的科学发现学习研究，多是从教育技术学的角度或教育心理学的角度探讨和 完善计算机模拟的教学功能( j o n g e ta l ，1 9 9 4 1 师书恩、马德民，1 9 9 7 ；张健伟、陈琦，2 0 0 1 b ) ，而 从学科教学应用的角度进行的研究还很少。在研究的视角上，现有研究大都集中在“如何改进计算 机模拟情境设计，为科学发现学习提供一个良好的探索性学习环境”( g o o d y e a r , 1 9 9 2 ；l e u m e r 1 9 9 3 1 张建伟、陈琦，2 0 0 1 b ) ，而跳出模拟情境的藩篱，依托科学发现学习的活动结构，探索计算 机模拟的合理定位及其应用模式的研究还不多见 鉴于此，本研究试图从计算机技术与物理课程整合的角度，结合物理教学的实际，探索计算机模 拟在初中物理科学发现学习中的应用。希望通过对科学发现学习活动结构的分析，明确计算机模拟 在科学发现学习活动中的功能定位，并尝试设计计算机模拟应用于初中物理科学发现学习的模式 同时还希望揭示计算机模拟在特定的应用模式下对学生科学发现学习的影响及其制约因素。 由于要涉及到已有计算机模拟应用于教学的一般研究、计算机模拟应用于物理教学的研究、科学 发现学习研究。本文将对这些研究进行必要的阐述。 计算机模拟在科学发现学习中的应用模式研究 1 2 文l 酞综述 1 2 1 计算机模拟应用于教学的一般研究 ( 1 ) 计算机模拟应用于教学的概述 计算机模拟是信息技术应用于教学的一种重要形式计算机模拟提供了关于某种系统或过程的 模型。表现了某种现实情境或理论系统，学习者通过与模拟情境的交互活动来建立有关该现实情境 或理论系统的心理模型，并在模拟活动中对这种心理模型做出有效的检验。一个教学性模拟程序的 结构大致可以用圈1 1 表示( a l e s s i t r o l l i p ，1 9 9 1 ) 图1 1 模拟程序的一般流程结 教学中所使用的计算机模拟具有以下四个重要特点( j o n g n j o o ，1 9 9 2 ) ：( 1 ) 程序中蕴含了模式 化的、可操纵的模型：把所模拟的现象、过程、系统或器具等格式化为模型，实现在计算机程序中 针对学习者的输入，程序可以按照这一模型来计算、推理出结果变量( 2 ) 与学习目标相联系：使 用计算机模拟的目的是为了帮助学习者达到特定的学习目标，这可以是原理性知识、程序性知识， 或者是与探究性学习有关的探究技能( 3 ) 能引发某些具体的学习过程：计算机模拟应该能引发具 体的探究性的学习过程，比如假设生成、预测、实验探索等，通过这些学习过程达到学习目标“) 为学习者提供了某些活动方式：学习者必须实际操纵模拟中的某些内容，比如设定变量参数、收集 资料等 计算机模拟在实际教学中有两种基本的应用类型：理解性模拟和操作性模拟( j o n g j o o l i n g e a , 1 9 9 8 ；a l e s s i t r o l l i p 1 9 9 1 ) 。理解性模拟展示了一个有关某些原理、概念以及事实信息的系统，比 如机械运动，其目的是为了让学生理解有关该系统的知识。操作性模拟的目的是为了让学生学习某 些认知的或非认知的操作程序，将这些操作程序应用到所模拟的系统中，比如医疗诊断本研究主 要关注的是理解性模拟，重在探讨如何使学习者利用计算机模拟建构有关某领域的概念、规律从 教学环节来看，计算机模拟可以用在新授课中，向学生展示某种新信息，使学生形成新的知识技能； 也可以用在练习阶段，提高学生的技能水平( 张建伟，2 0 0 1 ) 。本研究集中探讨如何利用计算机模拟来 获得新知识 计算机模拟在教学中有很多潜在的优势，比如，与真实情境中的观察、操作相比，计算机模拟 4 硕士学位论文 更为安全、经济，而且它可以为学生提供现实世界中难以获得的经验，可以控制所模拟过程的进展 速度，控制情境的复杂鞋度。与计算机h ；i 于教学的其它方式( 如课堂演示、操练练习等) 相比。计 算机模拟教学更可能激发学习者的学习动机，使他们投入到积极主动的学习活动中：同时由于学习 情境与现实情境有更多的相似性，计算机模拟教学可能会促进学习的迁移( 张建伟，2 0 0 1 ) ( 2 ) 计算机模拟应用于教学的效果 利用计算机模拟进行学 - - j a n 教学往往被称为计算机模拟辅助学j j ( s i m u l a t i o n b a s e dl e a r n i n g ) ，或 者计算机模拟辅助教学( s i m u l a t i o n b a s e di n s t r u c t i o n ) 。计算机模拟辅助学习的效果实际如何呢? 它是 否比其它学习方式更为有效呢? 到目前为止，研究者们已经对此做了大量研究，但结果很不一致。 d e c k k e r s d o n a u i ( 1 9 8 1 ) 在回顾了有关研究后总结说，计算机模拟更能使学生对学习形成积极的态 度，但它在促进学生的认知发展和学习保持方面的效果还有待进一步研究k u l i ke t a l ( 1 9 8 3 ) 对计算 机模拟辅助学习的效果作了元分析，发现在5 项有关研究中计算机模拟辅助学习的平均效果量是4 9 。 b a n g e r t - d o w n s e ta 1 ( 1 9 8 5 ) 的另一项元分析发现，计算机模拟辅助学习并不能提高学生在测验中的得 分。g r i m e s w i l l e y ( 1 9 9 0 ) 发现，计算机模拟辅助学习的效果明显优于传统学习方式。c a r l s e n a n d r e ( 1 9 9 2 ) 以及c h a m b e r se ta 1 ( 1 9 9 4 ) 则发现计算机模拟辅助教学与讲解式教学在效果上没有明显差 异。 应该说，只是对比计算机模拟辅助学习和传统学习方式的效果并不能告诉我们更深入的信息， 重要的是确定在何种条什f 这种学习更为有效。一些研究者( t h o m a s h o o p e r ，1 9 9 1 ：l e e ，1 9 9 9 ) 对有关计算机模拟辅助学习的效果做了分类综述，他们按照模拟程序的构成把计算机模拟分为两种： 单纯模拟和非单纯模拟，非单纯模拟是指在模拟程序中同时包含了讲解式教学的成分，而单纯模拟 则没有这些成分，只是模拟本身。结果表明，就不同类型的计算机模拟辅助学习方式而言：在学习 新内容时，非单纯模拟要远比单纯模拟效果好；非单纯模拟在新课学习和练习中都同样有效 模拟 中增加具体引导能使学生做得更好：在用单纯模拟来学习新内容时，学生常常会因为过于困难而对 学习形成消极的态度。 由以上综述可以看u ；，计算机模拟辅助学习能否更有效地促进学生建构新知识，现有研究并没 有取得一致的结论，但从相关研究来看，计算机模拟结合支持引导可以更好地促进新知识的学习。 计算机模拟在科学发现学习中的应用模式研究 1 2 2 计算机模拟应用于物理教学的研究 5 计算机大量引进校园为物理教学带来了很多机遇，很多计算机应用形式在物理教学中得到开发 和推广。比如，计算机辅助实验( c o m p u t e r - b a s e dl a b o r a t o r i e s ) ( t h r o n t o n s o k o l o f f ，1 9 9 0 ) ， 多媒体( m u l t i m e d i a ) ( c r o s b y i d i n g ，1 9 9 7 = w i l s o n r e d i s h ，1 9 9 2 ) ，探索情境( e x p l o r a t o r y e n v i r o n m e n t s ) ( t e o d o r o ，1 9 9 3 ) 等。在这些计算机应用形式中，计算机模拟起着非常重要的作用。 计算机模拟可以为物理教学提供一个旨在激发学生积极参与的探索性物理情境( a t h a n s s i o s v a s s i l i s ，2 0 0 1 ) 。这一情境为学生提供了大量的针对某些物理现象或过程建构概念、规律的机会。 计算机模拟在物理教学中的应用，受模型教学理论( m o d e l i n gi n s t r u c t i o nt h e o r y ) ( h e s t e n e s ，d ， 1 9 8 7 ，1 9 9 2 ，1 9 9 5 ；h a l l o u n ，1 ，1 9 8 7 ，1 9 9 5 ，1 9 9 6 ) 影响很大。模型教学理论认为知识的获得不是由 教师直接由外到内向学生转移和传递的结果，而是通过学生建构物理现象和过程的模型而获得的 根据上述观点，h e s t e n e s 界定了两类模型：心理模型( m e n t a lm o d e l s ) ，即建立在学生自己头脑中 关于特定物理现象或过程的表征，它包含着学生自己目前所知道的信息( 这些信息可能是正确的， 也可能是错误的) ；概念模型( c o n c e p t u a lm o d e l s ) ，它源自科学家们共同协作而形成的心理模型。它 是对物理现象的客观表征，独立于任何个人而存在。学生们积极地参与建构概念模型的活动，对克 服他们的概念缺陷从而形成科学概念起着十分重要的作用。 计算机模拟以概念模型为核心，为物理教学提供了一个旨在激发学生积极探索的物理情境在 这一情境中，学生通过一些交互性活动来操纵一些参数设置并观察操作的结果，完成对特定物理概 念、规律的建构。具体地说，计算机模拟有如下一些教学功能( a t h a n s s i o s v a s s i1i s 。2 0 0 1 ) ： 通过一系列的假设、检验过程使学生形成对物理现象和过程的理解；通过控制和改变一些 物理量帮助学生形成对一些物理概念、物理量、物理现象间内在关系的理解：通过应用诸如图像、 动画、图表等多表征形式帮助学生形成对概念、规律和过程的深层次理解：为学生展示其对物理 世界的表征和心理模型提供一个环境；通过为学生提供那些在教室或实验室条件下由于特别复杂、 技术难度大、特别危险、耗费资金或时间特别大、瞬间即逝等原因而很难亲身体验的物理现象，帮 助学生实现对这些物理现象的观察、分析和探究。 计算机模拟已成功地被应用于从中学( a n d a l o r oe ta 1 1 9 9 7 ：t a o ，1 9 9 7 ) 剑人学( s c h r o e d e r m o o r e ，1 9 9 3 ) 的物理教学。研究表明计算机模拟可用以诊断并矫正学生关丁速度的前概念 ( h e w s o n ，1 9 8 5 ) ，检验学生有关力学的前概念( t a o ，1 9 9 7 ) ，解决物理问题( s c h u l z ee ta 1 ，2 0 0 0 ) 。 研究还表明，计算机模拟可以十分有效促进学生理解有关自由落体的概念( p e n a a l e s s i ，1 9 9 9 ) 。 6 硕十学位论文 1 2 3 科学发现学习的研究 1 2 3 1 科学发现学习的一般研究 ( 1 ) 发现学习与科学发现学习 发现学习是“以培养探究性思维方法为目标。利用基本教材使学生通过一定的发现步骤进行学 习的一种方式。其主要特点是学习的主要内容必须由学生自我发现”( 潘菽、荆其诚，1 9 9 1 ) 。布鲁 纳( 1 9 8 9 ) 也强调，发现是教育儿童的主要手段。发现不限于只是寻求人类尚未知晓的事物的行为， 确切地说，它包括用自己的头脑亲自获得知识的一切形式。当历史发展到了8 0 、9 0 年代，在建构主 义思想的影响下，以学习者为中心，以问题解决为基础来改革教学，又成了众多教学改革模式的基 本思路，发现学习叉得到越米越多的关注。另外，当代信息技术，尤其是计算机模拟技术为发现学习 的实施提供了有力的支持( j o o l i n g e n j o n g ，1 9 9 7 ) 。计算机模拟可以很方便地为学习者提供有效 的探索情境，而且可以同时为他们提供必要的学习支持，以引导、帮助学习者完成发现任务。计算 机模拟情境下的发现学习成为研究的热点。 布鲁纳等人曾对发现学习做了大量的实验研究，以探讨这种学习活动的过程、机制和策略。但 在研究中，布鲁纳所针对的主要是“概念发现学习”( c o n c e p td i s c o v e r yl e a r n i n g ) ，即在概念形 成过程中，学习者不断形成自己的假设，并从所给的实例中选取适当的实例来检验自己的假设。直 到发现概念的所有关键特征。近十多年来，发现学习的研究者开始更多地关注科学发现学习 ( s c i e n t i f i cd i s c o v e r yl e a r n i n g ) 。科学发现学习也以假设的形成和检验为基本特征，但它具有 不同于概念发现学习的特征主要体现为( j o o l i n g e n j o n g ，1 9 9 7 ) ：在科学发现学习过程中， 为检验假设，学习者不姓选取现成的实例，而是必须通过设计实验来“制造”用以检验假设的事实 资料。作为实例的实验与假设之间并没有一目了然的对应关系。而在概念发现学习中，描述实例 特征的词语与陈述假设的词语则是相同的，所以实例与假设之间的对应关系更为明确。从实验中 所得到的反馈信息可以柏多种理解方式，而不是非此即彼的。它是否证实或证伪某个假设，并不能 非常直接地看出来。假设的生成干修改与知识背景密切相关，而不是排除掉知识的影响。可以说， 与概念发现学习相比，科学发现学习更好地反映了自然的科学发现和科学探索的过程。 c 2 ) 科学发现学习的过程和机制 科学发现学习的过科和机制到底是怎样的呢? 在有关科学发现学习的文献中。引用最为广泛的 理论模型是双重搜索模刑( s c i e n t i f i cd i s c o v e r ya sd u a ls e a r c h ，简称s d d s ) 。为了解释实际的科学发 现活动，解释更为复杂的受一定背景知识影响的科学发现活动。k l a h r d u n b a r ( 1 9 8 8 ) 在s i m o n l e a 计算机模拟在科学发现学习中的应用模式研究 7 ( 1 9 7 4 ) 关于规则归纳任务的信息加工过程分析的基础上提出了科学发现的双重搜索模型。其基本 假设是：科学发现是对假设空间和实验空间的双重搜索。整个发现过程主要包括以下三个密切相关 的过程：搜索假设空间：即提出假设，这可以借助于先前知识，也可以凭借对实验的概括一旦 形成了假设，发现者会用自己的知识背景对假设的合理程度做初步评价； 检验假设，设计一个合 适的实验来检验当前的假设，按照假设对实验结果做出预测，而后运行实验，观察实验结果证 据评估看实际实验结果是否符合自己按照当前假设所做的预测，看实验所积累的证据是否足以让 自己接受或拒绝当前的假设。如果当前假设被拒绝，发现者则需要重新搜索假设空间，如果当前实 验结果还没有得到确定性的结论，那就要继续设计实验来进一步检验假设。 双重搜索模型把科学发现过程看作是一种问题解决活动，解释了科学发现过程中的推理过程。 但是，双重搜索模型的提出本来针对的是“科学发现”，“科学发现”与“科学发现学习”在过程和 机制上有共同之处，但它们毕竟是两种活动，其目的不完全相同，过程和条件也不完全相同科学 发现学习实质上是一种基于问题解决的知识建构活动，它通过问题解决这一探索性活动来建构起有 关的概念、原理，发展有关的认知技能。在这种学习中，学习者需要完成三种相互联系的活动，构 成了科学发现学习中相互交织的三条线索( 张建伟、陈琦，2 0 0 1 a ) 。 向曩表征与假设形成；科学发现学习始于需要探索的问题，而问题往往与学习者原有的领域 知识密切相关，学习者要基于有关的背景知识形成对问题的理解，也就是要形成对所探索问题的心 理表征。在问题表征的基础上，学习者可以基于自己的背景知识形成各个可能的假设。学习者还可 以基于自己原有的知识经验，对各个假设的合理性在观念中进行评价和权衡。 实验探索t 在形成假设之后，学习者要通过设计和实施实验来检验假设。在实验中，学习者 可以先对结果做出预测，在实验之后可以分析资料结果，对自己的预测进行对照，以此来对自己的 假设做出相应的判断，得出结论。基于实验得出结论，实际上就是对假设的确证、调整，或者建立 新的假设的过程，因而又开始了新的假设生成活动。 自我监控与反恿概括：正如研究者们所强调的，科学发现学习是一种更为自我引导的学习活 动，在这样的学习活动中，学习者的自我监控显得尤为重要。这种自我监控贯穿于问题表征与假设 生成以及实验探索活动中，它对于合理的问题表征与假设生成来说是很必要的，对于成功的实验活 动而言也是非常关键的。另外，学习者为了从探索活动中建构起相应的概念、原理，发展更高水平 的认知技能，针对探索活动的反思概括将成为一种具有重要意义的活动。 值得注意的是，在科学发现学习过程中，学习者原有的知识经验具有重要作用。影响科学发现 学习的知识经验可以分为两类：( 1 ) 领域性知识( d o m a i nk n o w l e d g e ) ：即与探索问题直接相关的概念、 原理、具体经验等。( 2 ) 元知识( m e t a - k n o w l e d g e ) ：是指关于发现学习过程本身的知识，比如发现过 8 硕士学位论文 程包括哪些重要的环1 y ，其顺序是怎样的，什么是变量，什么是好的实验设计，等等。 总之，科学发现学习中有三种基本活动：问题表征与假设形成、实验探索以及自我监控与反思 概括。在学习过程中，学习者原有的领域性知识以及关于发现学习过程的元知识具有重要作用 1 2 3 2 基于计算机模拟的科学发现学习 发现学习近年米之所以叉得到了越来越多的关注，其中一个原因是因为建构主义学习理论的发 展，即在建构主义之f ，研究者越来越强调探索性学习在教学中的重要性，而另一个重要原因就是 当代信息技术、尤其是计算机模拟技术所提供的有力支持( j o o l i n g e n & j o n g ，1 9 9 7 ) 。前所述，关于计 算机模拟辅助学习的研究表明，在利用计算机模拟来建构新知识的过程中对学习者的引导支持具 有重要的意义。在基于计算机模拟的科学发现学习中，学习者会遇到哪些困难或阻碍，模拟程序又 应该如何为学习者提供相应的支持成为当前研究的焦点。 ( 1 ) 学习者在基于模拟的科学发现学习中所遇到的困难 j o n g 等人( j o n g & j o o l i n g e n ，1 9 9 8 ；j o n g & n j 0 0 ，1 9 9 2 ) 对有关基于模拟的科学发现学习的文献 做了回顾，将学习者所遇到的到难归纳为以r 四类： 形成假设：能否提出新假设，这是成功的学习者与不成功的学习者之间的重要差 l j ( s c h a u b l ee t a 1 ，1 9 9 1 ) 。学习者常常雉以提出新假设，其中一个重要原因是学生往往不知道什么算是一条假设。另 外，学习者往往难以针对收集到的新资料修改假设，或提出另外的假设( k l a h r d u n b a r ，1 9 8 8 ) 设计实验t 设计实验是科学发现学习中的一个关键侧面。然而，研究表明，学习者常常难以系统逻 辑地设计实验，表现出了很多不足和错误偏向( d u n b a 1 9 9 3 ：g l a s e re ta 1 ，1 9 9 2 ：n j o o & j o n g ，1 9 9 3 ) 。 解释资料z 不能正确硝! 解资料中反映的规律。在实施实验之后，学习者必须对实验资料做正确的 解释和理解，这样才能从资料结果中得山、检验自己关于变量关系的理解。s c h a u b l ee ta 1 ( 1 9 9 1 ) 发 现，成功的