用MUVE支持科学探究式学习*——以River City为例

刘敏 李建生

南京师范大学教育科学学院 南京 210097

MUVE提供了犹如身临其境的、充满魅力的虚拟环境，吸引了不少学生，但它很少被真正应用到教学和学习中。当前中学科学课堂中大力提倡科学探究式教学的大背景，为把MUVE与教学和学习整合提供了契机。利用MUVE支持科学探究式学习，创造一种寓教于乐的、以科学问题为引导的学习环境，为学生更加自觉、快乐地学习科学带来福音。

1 MUVE及其特征

1.1 MUVE的涵义

MUVE（Multi-User Virtual Environment）即多用户虚拟环境，又称共享的三维虚拟环境。它是虚拟现实技术的多用户化发展，是基于网络连接的虚拟现实系统。它支持分布在不同地域的用户同时进入虚拟环境，多个用户通过计算机网络连接在一起，在一个由计算机三维图形构筑的虚拟空间里实时交互，用户能相互视频交流，如同处于同一个空间[1]。近年来，MUVE在欧洲、美国等发达地区发展迅速，显示出广阔的应用前景。

在教育界里，MUVE又被称作“多人虚拟实境”，是某种可以启发学生了解数学与科学新知的一类游戏。MUVE这种游戏不像其他会让父母、教师反感的游戏或社交网络，它是一个有良好行为标准的环境，它被设计用来思考并解决问题，而不是打怪物。MUVE鼓励学生找出答案，才能获得游戏内的成功。

1.2 MUVE的特征

1）共享空间。MUVE允许分布在不同地理位置的用户共同使用同一虚拟空间。2）实时交互。MUVE旨在构建一种和谐的、具有沉浸感的实时交互环境，多个用户之间通过各自的三维图形（即替身）表示该环境中的多人感知、用户间的交互及对虚拟对象的协同操作。3）临场感。MUVE在听觉和视觉上都是三维的，具有逼真的拟物性和高度的拟人性，各个用户在不同的虚拟情境中能自如地体验不同的生活情境，充分融入自己在该情境中扮演的角色（替身）。4）共享资料。MUVE中丰富的学习资料拓宽了获得资料的时间和空间，学习者可通过自己发现问题、向同伴或老师请教问题、到数字图书馆查阅文献等方式获取学习资料。

2 为何能将MUVE与“科学探究式学习”融合

在国际、国内科学课程改革中，一个重要的理念和行为变化是从重知识的传授到强调科学探究式学习[2]。所谓科学探究，美国《国家科学教育标准》对其下了明确的定义：“科学探究指的是科学家们用以研究自然界，并基于此种研究获得的证据提出种种解释的多种不同途径。”学生虽不是科学家，但他们模仿科学探究的活动就像科学家在从事科学探究一样，所以该标准又指出：“科学探究也指的是学生构建科学知识、领悟科学的思想观念、领悟科学家们研究自然界所用的方法而进行的各种活动。”[3]而后一种科学探究则指科学探究式学习。

MUVE有促进科学教学的潜质，但是少有标准来指导如何创建这样的虚拟环境。如何利用MUVE，使得科学教学同时具备健全的教学方法和沉浸度高、吸引学生的临场体验呢？当考虑如何设计这种学习环境时，可以发现利用MUVE支持科学探究式学习存在以下几方面的优势。

2.1 便于构建以科学问题为核心的学习环境

科学探究式学习以问题为核心，科学探究的过程是发现问题、解决问题的过程。尽管学生的科学问题与科学家的科研问题性质不同，但正是这些问题引发学生进行探究，不断丰富和扩展其对于客观世界的认识和理解，建立科学的世界观。而MUVE环境可以根据不同的科学问题构建不同的虚拟环境，这些问题并不直接展示出来，而是蕴含在虚拟环境当中，当学生以替身的形式亲自体验该环境后可以主动发现其中存在的问题。MUVE的高度临场感可以很好地激发学生解决问题。此外，MUVE还可以虚拟过去、现在和未来的环境，在达到目的的条件下节约不少科学研究经费。

2.2 便于实现科学探究式学习中的建构主义思想

建构主义认为，学习是在一定的情境（即社会文化背景）下借助他人的帮助（即通过人际间的协作活动）而实现的意义建构过程，“情境”“协作”“会话”和“意义建构”是学习环境中的四大要素。科学探究作为一种认知活动，是个体主动建构对于客观世界的理解的过程。科学探究式学习能够激活先前知识，鼓励学生将新知识纳入现有知识，从而促进学习。利用这一教学方法，当学习者的思维方式并不能产出其预期结果时，他们便经历一个认知冲突[4]。根据皮亚杰的认知冲突观，这一认知上的不协调或冲突，将促进同化和顺应[5]。在该科学问题的解决过程中，学习者不断修改和评估他们的理解，最终达到一种新的平衡。MUVE的临场感可以为科学探究式学习提供逼真的“问题情境”，其高度的实时交互性有助于和MUVE中其他用户的替身、既定对象或虚拟生物进行“会话”和“协作”。通过观察、收集资料、形成假设、进行实验、分析数据、交流总结等过程，学生可以实现“意义建构”。

2.3 便于模拟科学探究中反复实验的过程

MUVE中的各种虚拟实验室使学生能在其中自由地做各种实验，不必考虑危险程度。比如：可在虚拟地理实验室中做地震波传播、火山喷发等实验；可在虚拟物理实验室中做重力、惯性等实验；可在虚拟生物实验室中做各种解剖实验；可在虚拟化学实验室中利用各种化学药品尝试燃烧、爆炸等各种化学反应。

3 如何利用MUVE进行科学探究式学习（以River City为例）

科学探究式学习中最重要的是科学探究的过程及该过程的实现。什么是科学探究的过程呢？对此国内外的研究者提出各自的观点。如，特罗布里奇等人认为，科学探究的基本程序包括形成问题、建立假设、设计研究方案、检验假设、表达或交流结果等；美国国家研究理事会（2000）认为，科学探究包括形成科学研究问题、收集数据、建立假设、检验假设和交流结果；我国《全日制义务教育科学课程标准（实验稿）》（2001）提出，科学探究包括提出科学问题、进行猜想和假设、制定计划和设计实验、获得事实与证据、检验与评价、表达与交流[6]。综合而言，他们对于科学探究过程的一些基本过程，如提出问题、建立假设、制定研究方案检验假设、得出结论、交流结果等的认识较为一致。那么，在MUVE中进行科学探究式学习的过程及实现方法和技术又如何呢？下面以美国哈佛大学教育学院研发的River City MUVE为例，介绍如何利用MUVE支持科学探究式学习。

The River City Project（以下简称RC）是为中学生学习科学探究方法和21世纪技能而设计开发的交互式计算机模拟情境，该项目获美国国家科学基金会资助。RC是一个长达17小时的基于任务的MUVE课程，允许多个用户同时进入虚拟世界，允许和数字文物（如在线显微镜）交互，用户以“替身”的形式与其他用户或计算机代理交互，允许不同类型的合作学习活动。RC以形成假设和实验设计的技巧为中心，感觉上像一款电脑游戏，但包含的内容却是国家科学教育标准、国家教育技术标准及21世纪技能。RC模拟了一座城市，该城市建于19世纪后期，集中在一条河流的周围，河流自山上流出，奔向其下游的垃圾场和沼泽地，RC里有许多区域，有工厂、医院、大学等机构。为了实施RC，并不要求教师在某一学年里安排额外的时间，相反，RC是为代替现行的课程而设计的。RC属于交叉学科课程，包括了生态学、健康卫生、生物学、化学以及地球学甚至历史。该课程在MUVE中充分运用科学探究式学习方法，下面介绍其探究过程。

3.1 形成科学问题

学生的替身可以在RC中走动、跑步与游泳，也可以成群结队地进行探险。城镇里有污染的河川与充满蚊子的沼泽。3种疾病同时影响着RC居民的健康，学生按下某物体就可以开启相关主题，得到让居民难受生病的各种可能原因。学生通过观察形成问题——为什么RC的居民总是生病？在寻求这个终极问题的科学解释的同时，不同的学生又会形成不同的小问题，例如：“为什么住在人口密度极高公寓里的居民比住得较远的有钱人更容易被疾病等灾害侵袭？”在RC探索的过程中，学生不断遇到问题，不断主动思考如何解决问题。

3.2 收集数据

科学探究式学习的第二步是“收集数据”。在RC中，设计1978年的秋天和1979年的冬、春、夏三季，学生可随时间变化跟踪收集数据。为了让学生领悟到科学探究过程中要科学客观地证明某一发现，需要各方面的大量数据，而RC提供了丰富的收集数据的方式。1）招生图：在医院内，提供病人的医疗信息。2）臭虫抓捕人员：分散在RC中，提供在某区域测量臭虫的数量。3）线索图片：分散在RC各处，提供19世纪后期的生活快照。4）健康测量仪器：在电脑屏幕右下角，提供某一替身附近地区的环境状况的总体说明。5）信息亭：在RC各处，包括各类信息，如天气预报、RC新闻、重大事件、招聘广告等。6）图书馆藏书：在虚拟图书馆中，提供各种主题的定义。7）RC居民：在RC各处，提供RC发生的事件的重要信息，如某些居民不在季节轮回中穿梭并且对若干问题仅做有限回答。8）隐性线索：在RC各处，便于根据RC居民的口述和行动、图片、环境等进行推断。9）水取样站：在RC各处，可在此测量不同水源中大肠杆菌和炭疽杆菌的数量。

利用MUVE设计多维度、多途径的数据收集方式为学生进一步展开科学探究提供了极大的便利，激发了学生进一步解决科学问题的动机。

3.3 建立假设

建立假设的步骤在RC中体现为“实验设计”，实验设计一般是由学生在离线状态下自由设计的，学生通过已有知识及在RC中收集到的数据提出假设，制定实验方案。

3.4 测试假设

在RC探索的过程中，学生可以利用各种交互工具进行探究并检验假设。如：利用虚拟显微镜，学生能测试小镇上河流、水井及沼泽地里水的质量（图1）；利用其他的虚拟工具，学生可以为当地居民进行血液、虱子以及粪便的检测（图2）。

RC中最具特色的是存在控制世界和实验世界（图3）两个一模一样的世界，学生可以改变任何一个世界里的某个变量（图4）从而观察改变后的效果。也许，某个因素的改变就能改变居民患病的种类。当学生设计好疾病成因的假设后，可以改变某个自变量从而测试其假设的正确性[7]。例如，学生也许认为RC里的昆虫和堆满垃圾的沼泽地是疾病的一种诱因，决定清理掉这些因素，然后学生可以比较控制世界和实验世界，看看这种清理对居民的病情、水污染或蚊子数量等其他因素有何影响。在RC中，还可以随意建造和破坏环境，以得到其想要的结果。

3.5 交流结果

在RC游玩的所有学生都要独立书写基于证据的、科学的报告，向虚拟市长展示其对于科学探究以及疾病传播的理解。报告中应该对RC居民生病的原因作出解释，同时提出减轻居民疾病和痛苦的方案。最后，学生可以和其他小组交流经验和所见所闻。

3.6 利用MUVE进行评价

RC与数据库相连接，能够捕捉并记录学生的一举一动（例如，记录学生使用实时的基于文本的工具与队友交流）。这些数据将在24小时内邮寄给教师，为教师提供学生学习的形成性评价，使教师能不断追踪进度，及时察觉学生是否脱离任务，是否需要复习。这些信息既是学生学习的反映，也便于教师、家长等共同了解学生的学习过程。

可见，在RC中探索的过程便是一个典型的科学探究式学习过程。事实证明，这种利用MUVE支持科学探究式学习的方法极大地激发了学生的学习动机，能够取得良好的学习效果。RC曾被推荐给美国各地的100名教师与1万名学生来使用，在迈阿密与密尔瓦基的教学成效突出。哈佛团队正在观察RC是否可以被成功推展到更多学校。这个计划同时已得到美国的国家科学基金会400万美金的资助，在美国的7个州实施。

4 小结

以RC为代表的MUVE不仅为创建真实、情境化、分布式的学习体验开创了新的可能，而且为评价学生提供了一种新的标准和方法。利用MUVE支持科学探究式学习，使得研究者和设计者能够创造出安全、符合成本利益、沉浸度高的逼真的科学探究环境，为当前大力提倡的科学探究式学习提供一个新的切入点。但是，创建MUVE形式的科学探究式学习环境需要大量的人力、物力支持，其中非常重要的一点是：虚拟世界同时要由充满知识和动机的教育工作者来引领学习。随着科技的日益发达，经济的日益繁荣，笔者相信，用MUVE支持科学探究式学习将会取得更加广泛的应用。

[1]赵晓亮.教育视角下的多用户虚拟环境初探[J].浙江现代教育技术,2008(2):45-49

[2]赖小琴,刘炳升.科学探究式学习的意义[J].教学仪器与实验,2003(1):16-17

[3]国家研究理事会.国家科学教育标准[M].戢守志,等,译.北京:科学技术文献出版社,1999:23

[4]Savery J R & Duffy T M. Problem-based learning: An instructional model and its constructivist framework[J].Educational Technology,1995,35(5):31-35

[5]Koschmann T D, Myers A C, Feltovich P J & Barrows H S. Using technology to assist in realizing effective learning and instruction: A principled approach to the use of computers in collaborative learning[J].The Journal of the Learning Sciences,1994,3(3):227-264

[6]陈琴,庞丽娟.科学探究:本质、特征与过程的思考[J].教育科学,2005,21(1):1-5

[7]Ketelhut D J, Nelson B, Dede C & Clarke J. Inquiry learning in multi-user virtual environments[A].San Francisco, the National Association for Research in Science Teaching,2006