模拟型教学软件的科学探究学习活动程序分析*

张军征



模拟型教学软件的科学探究学习活动程序分析*

张军征

（山西师范大学教育技术与传媒学院，山西临汾041004）

文章从探究式科学教学方式的三种主要类型出发，研究模拟型教学软件的科学探究学习活动程序，包括具有接受式学习特征的“例证解释”活动和简化模型观察活动、具有建构式学习特征的“猜想验证”活动、具有发现式学习特征的单一结果探究性实验和复杂结果探究性实验。文章结合所开发的软件实例，讨论了各种学习活动程序的设计，主要包括程序的构成部分、各种探究活动的特点和活动程序。

科学课程；探究学习；模拟型教学软件；学习活动程序

探究学习是小学科学课程标准强调的学习方法、学习内容及教学目标，是从小培养学生科学素养和创新精神的主要途径。近年来，笔者开展了模拟型软件支持科学探究学习的研究，开发了系列小学科学探究模拟型教学软件，所开发的软件在全国多媒体课件大赛中获奖，并已应用于教学。同时，笔者提出了模拟型教学软件的科学探究学习活动的基本程序，这是软件预设的引导活动与学生自主活动交织的探究学习流程，也是学生自主控制的结构化的教学程序[1]。

由于教学思想的区别，探究式科学教学呈现出不同的类型，同时在探究程度上也存在很大差异。探究式科学教学方式主要有三种类型：发现式科学探究教学、接受式科学探究教学和建构式科学探究教学[2]；其不同的类型决定科学探究学习活动程序的设计。本文将结合实例，来分析不同类型的科学探究学习活动程序。

一 接受式科学探究学习活动程序

1 接受式科学探究活动程序的构成部分

基于奥苏伯尔的有意义接受学习理论，接受式科学探究学习强调学生主要以书本学习或利用网络资料等方式探究问题，获得系统的科学知识，发展科学探究能力[3]。接受式科学探究学习活动程序由三个部分组成：①导入部分明确地提出探究的问题和期望的结果，提供先行组织者，提示已有经验与知识，提示相关的概念和原理；②程序的探究学习循环提供可选择的材料或清晰的观察研究对象，指导学生收集和学习资料，研究解决问题；③检测与反馈环节不给学生提供现成的结论，而是结合模拟的活动，让学生验证自己探究的发现，帮助学生确切掌握知识。

2 “例证解释”的探究学习活动

（1）“例证解释”活动的特点

例证是体现科学概念或规律的综合实例，经过加工突出了相关信息、排除无关信息的一系列描述性证据材料，具有一定的抽象层次。模拟软件提供的例证是视觉化呈现的探究对象，采用动态或静态图像，同时配合文字描述，图文并茂地展示给学生。

解释是探究学习过程完成阶段的环节。学生进行科学合理的解释需要四个条件：①提供观察、实验或资料收集的情境；②唤起学生相关的已有知识经验，提供预备知识；③引导学生运用证据材料进行分析和推理，发现事物之间的联系，建立因果关系；④提供验证的手段或机会。

“例证解释”是指学生在软件汇集的资料中选择例证材料，并根据已有的经验或知识，围绕研究的问题分析例证，做出解释和推断，以掌握预期的知识。如模拟型软件“水污染”，它涵盖了四种主要污染物源的例证，通过学习，学生要能够识别和区分污染物源的类型，也就是建立起污染的类型（概念）与污染的现象（例证）之间的联系。

（2）“例证解释”的活动程序

“例证解释”的活动程序如图1所示，软件实例如图2所示。程序引导学生选择例证，对例证分析、归类，做出解释，然后验证自己的判断，逐步形成结论。同时，学生可以选择查看概念或原理的释义，用来对照自己做的例证分析，确定是否把例证描述的现象归于正确的概念。

图1 “例证解释”的程序

图2 水污染的模拟

“例证解释”可以是归纳探究，也可以是演绎探究。软件设计要让学生能在这两种类型中进行选择，增加探究的复杂性和探究活动的可选性，避免学生被动地接受探究路径和结论。为此，软件设置了两个并行的学习流程，学生可以并行或交叉学习。例如可以让学生选择“类型”和“举例”两个分支——点击“类型”，可以学习四种污染类型的概念介绍；点击“举例”，将逐个呈现四种污染现象的例证，学生结合概念的含义分析例证的类型。如果学生主要采用由类型（概念）到举例的流程学习，逐个分析例证，则演绎探究的特征多一些；反之，通过一一分析例证和判断题的反馈，然后对应于概念，则主要表现出归纳探究的特征。

在例证分析和解释的循环中，设置判断问题及对学生选答的反馈，并呈现正确解释，可使学生及时确认和验证自己的判断，明白分析和推理的思路是否正确。

3 简化模型观察的探究学习活动

（1）简化模型观察的特点

观察是科学探究的基本环节，包括通过感官直接感知事物的形态特征和用简单的工具（放大镜、显微镜等）对物体进行较细致的观察，并且能用语言或图画表达[4]。

从观察环境和对象来看，可以分为自然观察、实验观察和模型观察。模拟的简化模型由动态的图像实现，如果学生能够用图画描述观察的现象，则观察模拟的图像就能在一定程度上替代真实观察和模型观察。

模拟的简化模型能呈现难以直接观察的对象，既能使图像尽量接近真实，又能排除干扰、分散学生注意的实体因素，突出和强化与学习目标相关的因素。

（2）简化模型观察的活动程序

简化模型观察的程序如图3所示，软件实例如图4所示。程序呈现可设置的显示效果，由学生选择，可以分步观察和对照观察，学生在选择操作的同时会加深对所选对象（概念、术语等）的认识和影响，即“操纵即学习”。例如，学生可以选择显示血液循环图相应器官名称的标签并显示血液循环的流动。

图3 简化模型观察的程序

图4 血液循环的模拟

软件呈现的简化模型是一个整体，由于学生不应该也不可能面面俱到地观察，因此要引导他们学会针对一个问题有目的、有重点地观察，即设置可能的观察点，学生选择观察点的反馈来帮助自己明确正确的观察点，就如同得到了教师的直接提示。如“血液循环”根据学生的年龄特点和教学目标要求只设置了一个可控变量，即血液取样点，在25个不同位置设置了不同变量值的取样点。

观察点特征的呈现发挥了模拟软件的优势，添加了不可见科学事实因素，扩大了观察对象的范围，同时还可以定性与定量相结合。如针对血液的成分及其含量、细胞的微观结构图，学生在简化模型的引导下主动观察。学生可以按照自己的实验设想选点取样，从盲目的随意取样，到逐步从心脏出发、沿着血液流向进行观察比较。学生可以多次重复这样的操作来收集数据资料，发现血液循环的规律，学会探究的方法。

二 建构式科学探究学习活动程序

1 建构式科学探究学习活动程序的构成部分

建构式科学探究教学思想认为，知识是学生主动建构的，不是被动接受的。学生获取知识应经历的活动在程序上可以分为三个部分，并且这些活动在实际学习中难以截然区分，是反复出现、互相交叉、互相融合的[5]。

导入部分在引出学生已有相关观念或前概念的基础上，创设探究的问题情境，使学生明确探究任务，但不提供预备知识，也不提示预期的探究结果；程序的探究学习循环设置多重探究路径，提供摆弄物品和装置、观察等进行研究的情境。学生在摆弄和操作的研究中，进行解释、论证、画图、交流，形成自己的认识，而非统一的、唯一的结论性认识；证实与反馈环节向学生提出猜想验证的问题，而不是直接的问答题，以学生自己操作的结果回答问题。

2 “猜想验证”的探究学习活动

（1）“猜想验证”活动的特点

模拟型软件支持的“猜想验证”活动属于建构式学习活动。“猜想验证”是一个综合的复杂过程。学生首先要应用已有知识和经验对所观察的现象做假设性解释，沿着假设逐步地对探究活动形成大致思路，继续收集资料和证据，使自己的探究活动更加有规律、有效率。在这个过程中，学生尝试对现象做出合理的解释，将探究结果与假设相比较[6]，最终得出自己的结论。

在模拟软件设置的“猜想验证”情境中，设计者取代学生收集资料的环节，把筛选的典型资料汇集分类，在不设置指导的情况下，让学生自己寻找所给资料之间的关系，并逐步验证，形成自己的解释，这与尝试摆弄物品或装置的建构式学习相似。这样的情境适于那些学生难以在短时间内全面收集资料和涉及面相对学生来说比较大或较为复杂的科学规律。例如，模拟型软件“能量转换”通过简化静态画面、动态图像和简明文字配合，来表现各种能量的产生、利用以及转化途径，把复杂的真实情境和过程简约地表现出来。学生点击选择表征能量产生、利用的图形热点，是一个猜测判断的过程，相当于对收集的资料进行分类、提炼、假设和评价。

（2）“猜想验证”的活动程序

“猜想验证”的程序如图5所示，软件实例如图6所示。程序呈现可设置的功能启示学生可以沿着不同途径进行探究，并且该分支与选择对象的分支并行，学生可以并行或交叉学习，由此增加了探究活动的复杂性。例如，学生可以设置是否查看能量转化的路径——如果选择查看，则每一步对图形热点的选择，程序都会按照是否可能的能量转换路径，给予反应或不反应（如庄稼长高、风车转动等，显示转换路径，并用图像的反应提示再做选择），这是引导学生发现转换路线的设计；如果学生不设置查看路径，则可以根据图像和文字说明猜测和判断，逐步形成自己的认识，这是让学生完全自主构建的设计。

图5 “猜想验证”的程序

图6 能量转换的模拟

可选择对象是学生按照自己的猜想，选择符合猜测的资料或数据，通过选择的结果得到反馈验证的对象。连续的猜想、选择和反馈构成了探究的一条路径，而学生可以形成不同的探究路径来实现知识建构。例如学生如果选择了查看能量转化的路径，就按照自己的猜测点击画面中的太阳、风车、水坝、云等图形热点，凭借反馈验证自己的猜测，寻找到一条能量流动的路径，还可以点击“重置”按钮继续寻找其它路径；如果学生选择不查看路径，而是自己寻找有反应热点的对象，就通过图文对照来猜测和验证能量的转换路径。

三 发现式科学探究学习活动程序

1 发现式科学探究学习活动程序的构成部分

发现式科学探究教学的理论依据是布鲁纳的“发现学习”思想，该理论倡导学生按照科学家研究问题的方法进行探究，强调科学学习的过程。为了避免学生完全盲目尝试和不注重结果的弊端，发现式科学探究学习不是让学生自由摸索，而是有指导的学习，一般采用实验方式，学生经历完全的探究环节。

程序的导入部分模仿真实科学发现的课题形成，提出问题，引发学生猜想结果，示范实验数据记录，但不做任何探究过程、方法和结果的提示；在探究学习的循环中，系统给学生提供制定计划，自主设置参数、选择变量、控制变量和观察结果（因变量）的情境，可以反复试验、观察、收集证据和验证；证实与反馈环节用实验过程中一些不同的结果，来引导学生自己去尝试，提示学生掌握变量控制的实验过程和方法，发现和证实自己的假设，逐步得到最终结论。

2 单一结果的探究性实验

（1）单一结果探究性实验的特点

这类活动是控制变量的简单探究性实验，其结果是受多个变量影响的一个结果，如种子的发芽率、植物的生长高度等。模拟型软件能把一些需要长期观察并且学生难以控制变量的实验转为探究性实验，如种子萌发条件对比实验、影响植物生长的因素、食物链等。

模拟型软件提供一种简化的、易于控制的实验情景，让学生将注意力集中在如何设置变量、计划尝试的方案以及发现因果关系上。例如在自然情境中进行种子萌发实验，一般需要5～10天，涉及天气、土壤、养分等因素，难以精确控制各个变量，因而往往难以达到预期的效果。模拟型软件用抽象的萌发槽代表真实的培养土壤，用灯光表示光照，喷头的喷水量表示水量，加热板上的多个加热器表示温度变化，使抽象的种子形象避开了真实种子带来的干扰因素。学生点击开始按钮，旋转计时表盘就显示时间的变化，同时可以观察到逐渐萌发的种子。学生随时可以点击按钮使计时停下，以便仔细地观察比较。这些都简化了观察，排除了干扰因素。

（2）单一结果探究性实验的活动程序

图7 单一结果探究性实验的程序

图8 种子萌发的条件实验模拟

单一结果探究性实验的程序如图7所示，软件实例如图8所示。系统呈现可以操纵的变量，即学生可以控制的自变量，至少应有2个以上。例如种子类型、温度、光照、每日水量为4个自变量，种子发芽个数为因变量，能够控制种植时间，使探究具有了复杂性。

程序允许学生选择变量和操纵变量。例如对于种子萌发的条件，学生可能会先经历盲目尝试，也可能有计划地直接设计种子萌发环境、有目的地进行实验来证明自己的假设，由此学会控制其它变量而只改变一个变量的科学实验方法。

系统即时呈现学生操纵变量的结果，程序的反馈包括种子的发芽数和时间的变化。对于有时间进程的模拟实验（如植物生长过程），学生可以随时中止或重启进程，系统呈现的是一个时间段内的结果。

学生从变量选择、操纵到呈现结果的过程要反复多次，直到发现操纵的变量与结果之间的关系，总结出规律[7]。例如，总结出各类种子最适宜的发芽条件和各类种子发芽的共同影响因素。

3 复杂结果探究性实验

（1）复杂结果探究性实验的特点

相对于单一结果的探究性实验，复杂结果探究性实验除了控制变量比较多，还要设置参数。为了得到实验结果，需要反复的次数多，实验结果的不确定性高，需要辨别的方面也很多。

用模拟软件创设复杂结果的探究性实验是在真实情境下学生难以开展探究的实验，如生物遗传、生物进化、火山喷发、地震形成、地球自转等。例如模拟型软件“生物遗传”用一种学生创造的抽象的“新生物”作为探究对象，用简化的静态图像表征生物的生活和繁殖环境，避免了真实生物及其环境带来的固有经验的影响和形态、活动等表面因素的干扰，增加了探究的趣味性。

由于所模拟的现象本身难以真实再现，并且探究结果多样，故这类活动侧重培养学生对探究过程的体验，尝试对现象做出合理的解释、对同一现象做出不同的解释，并将探究的结果与假设相比较，而不在于结果是否唯一。

（2）复杂结果探究性实验的活动程序

图9 复杂结果探究性实验的程序

图10 生物遗传的模拟

复杂结果探究性实验的程序如图9所示，软件实例如图10所示。程序呈现的参数或特征有两类：一类是科学实验本身要求必须设置的，一类是模拟情境特有的，能给学生增加更多的探究可能性。例如学生首先选择设置是研究有性生殖还是无性生殖，然后选择创造新生物，决定新生物是保留在繁殖场还是让其离开，并且能在任何时候改变食物供给的多少来看食物对于生物特征的影响。

变量的选择和操纵与单一结果的探究性实验相同，只是变量的数量比较多，因此增加了探究的假设和计划的复杂性。例如“生物遗传”，学生可以按照自己的假设和计划，点击选择新生物的体型、颜色、花纹、触角，然后通过拖曳匹配亲代，再点击按钮就可以一代一代地繁殖了。

系统呈现学生操纵变量的结果，并且不设置任何提示。由于影响结果的因素比较多（如新生物体型、体色、触角、花纹的变化规律，以及食物供给对新生物体型的影响），各个学生或小组每次操纵所呈现的结果可能不同，反复实验之后的结论也可能不同，这就给学生之间的交流和讨论增加了新鲜内容。学生需要经历反复的试验和探讨才可能发现规律，如通过新生物的多重繁殖，反复观察比较新生物的体态特征，从而发现体态特征遗传的规律。

综上所述，模拟软件的科学探究学习活动程序设计既要遵循一定的教学思想，也要适应学习目标和内容，这就使探究活动具有了多样性和复杂性，使模拟软件成为创设科学探究学习情境的不可替代的选择。

参考文献

[1][7]张军征,樊文芳.模拟软件促进科学课程探究学习的作用分析[J].现代教育技术,2012,(4):37-38.

[2][3][5]丁邦平.探究式科学教学:类型与特征[J].教育研究,2010,(10):81-84.

[4][6]中华人民共和国教育部.科学(3-6年级)课程标准(实验稿)[S].北京:北京师范大学出版社,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

本文为山西省回国留学人员科研项目“基于网络的科学探究娱教系统的设计与应用研究”（项目编号：091）、山西省教育科学规划课题“设计与应用模拟软件支持小学科学课程探究学习的研究”（项目编号：GH-12056）的阶段性研究成果。

张军征，教授，硕士，研究方向为数字化学习与资源开发，邮箱为jzhang54121@163.com。

2016年2月1日

编辑：小西