利用虚拟世界及基于代理的模型学习科学探究

曹鹭　Michael J.Jacobson　徐光涛

摘要：目前，针对中学课堂科学学科的学习，长期以来的问题之一是教师认为很难开展教学活动以帮助学生学习科学探究（Scientific Inquiry）这一复杂的知识。为了帮助中学生更好地学习科学探究，该文提供并介绍了一种名为计算机化科学探究（computational Scientific Inquiry，以下简#cso的模型。该模型由3D沉浸式虚拟世界（Virtualwodd）和基于代理的模型（Agent-BasedModeling）共同实现，并使用了名为有效失败（Productive Failure）的教学理念支撑学习活动的设计。根据CSI模型，我们打造了一个虚拟的3D星球omosa Virtual World，2D基于代理的模型Omosa Nedogo，并根据有效失败设计了相应的教学活动，三者共同构成了一个基于课堂的短期课程，来帮助学生在生物学科背景下学习科学探究。悉尼两个八年级班级参与了实证研究。在课堂中获得的实证结果证明，学生明显提高了他们在科学探究方面的学习，CSI的应用是卓有成效的。

关键词：科学探究；虚拟世界；基于代理的模型；有效失败

中图分类号：G434 文献标识码：A

21世纪科学学科课堂的教学目标正从仅仅针对概念的记忆与背诵积极转向对科学探究（Scientifie Inquiry）能力的侧重与培养。如今，科学探究能力已经成为中外理科学习的重点目标之一。我国的《义务教育初中科学课程标准（2011版）》对于科学探究给出了以下定义：“通常意义上的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。科学教育中所说的科学探究则是指学生经历与科学家相似的探究过程，为获取知识、领域科学的思想观念、学习和掌握方法而进行的各种活动。”

然而，在以教师讲授主要形式的传统课堂教学中，学生很难真正通过课堂学习提高科学探究能力。近年来，越来越多的教育研究者提倡利用虚拟世界（virtual World，以下简称VW）和基于代理的模型（Agent-Based Modeling，以下简称ABM）等计算机可视化技术帮助学生学习复杂困难的理科知识。

虚拟世界是一种类似真实世界的计算机模拟环境，往往基于3D技术，用户一般会通过一个Avatar（即一个用户的3D虚拟角色或该角色的2D图形展示）在其中漫游探索。用户可以使用虚拟环境中提供的一系列工具进行探索，也可以和非玩家角色（Non-Player Character，简称NPC）或其它在线用户在环境中进行互动。过去使用VW学习科学知识的项目主要有有哈佛大学团队的River City项目和EcoMUVE项目、亚利桑那州立大学的Quest Atlantis项目等。在River City项目中，学生需要在一个模拟的中世纪的城市中解决当地的瘟疫问题。他们的目标是帮助学生学习解决复杂的科学问题。在这个项目中，学生合作探究场景并进行观察，利用仿真的工具收集现实世界中无法觀测到的数据，例如使用显微镜观察细菌，一般课堂里不允许每个学生能够获得这样的设备，亦或是通过虚拟世界中的图书馆获得阅读书籍获得资源，和NPC谈话，与其他在线学员通过聊天窗口在线交流等。结果显示通过虚拟世界的学习，学生显著提高了他们的生物学知识以及他们的学习动机，但是在这个项目中并没有显示虚拟世界对于学习科学探究有明显支持。EcoMUVE则是一个用于学习生态学复杂因果关系的虚拟世界。该项目的研究结果同样表明经过了虚拟世界的学习，学生显著提高了他们在生态学知识方面的理解。与River City以及EcoMUVE相比，Quest Ahantis的环境更为混合，既有配合教室内展开正式学习的实践，也有校外的非正式学习实践，例如学生可以使用家里的电脑自由进入虚拟世界学习。相关的结果也表明学生明显提高了科学探究能力和对学习的兴趣。总而言之，整体的结果表明虚拟世界能够有效地帮助学生学习科学知识，增强学习动机。

ABM则是一种计算机可视化模型，它能够提供一种“从底向上”的科学现象展示，并能够表现系统高层面的内容是如何通过独立低层面的元素之间的不断交互从而产生的。总而言之，在教育领域，比之过去更多地仅仅将计算机视为一种测量与计算的量化工具，可视化技术更能实现视觉上的呈现，作为一种质性工具更好地帮助学生体验科学实践。早期的研究中，ABM被用于帮助学生学习例如自我组织性和正反馈等复杂系统的知识。在近年的研究中，ABM主要被用于模拟科学学科中的复杂的现象，例如自然中的温室效应，电流中的电子运动等。结果表明学生通过ABM学习显著提升了他们对复杂知识的理解。不仅如此，通过ABM还能进一步帮助学习知识迁移，即学生能够将课堂知识应用在解决现实生活中的问题中。

在前人的研究基础上，针对理科科学探究的学习，迈克尔·J·雅各布森（Michael J.Jacobson）教授首次提出了名为计算机化科学探究（ComputationalScientific Inquirv）的模型。该模型旨在利用计算机可视化、计算机模拟实验技术让学生在课堂内展开模拟科学实践活动，从而学习和体会真实的科学探究过程。本研究中，团队分别选择了3D虚拟世界和Netlogo来分别实现计算机的可视化和计算机的模拟实验，二者共同实现了CSI模型的实体化。本研究将详细介绍：（1）CSI模型是如何通过其团队的“拯救Omosa星球原住民”项目被具体打造和实现的；（2）CSI模型的课堂应用实证研究过程和结果。

一、“拯救Omosa星球原住民”项目介绍

Omosa虚拟星球项目是由悉尼大学Jacobson教授领衔，悉尼大学、麦考瑞大学两所大学的研究者联合研发的一个跨学科项目，整个设计开发周期跨度历时约9年（2008-2017）。本项目的主要研究目的，是帮助传统课堂解决中学生难以学习科学探究这一问题。研究目的又可以分为两个层面：理论层面和实际层面。从理论层面，本项目旨在通过实际应用学习理论（即有效失败），验证该理论在中学科学学科学习领域的实际应用效果，并进一步探究和完善该理论的运行机制，推进学习科学领域学习理论的发展。从实际层面，该项目旨在打造一套完整的课程，包括计算机技术和教学材料在内，实现了科研产品能够直接应用于课堂，帮助学生学习科学探究。

本项目获得了澳大利亚研究局的支持，整个项目资助分为两期，研发基金均由澳大利亚政府支持，分别约合人民币175万（2010-2012）和333万（2015-2017）。经过近十年的努力，研究团队设计开发了一个3D虚拟世界Omosa，以及名为“拯救Omosa星球原住民”的配套课程。学生可以在该虚拟世界中扮演科学家的角色，与行星环境调查机构（IEIA）的科学家们一起，探索导致Omosa星球某岛屿上动物濒危的原因所在。学习过程中，学生像真正的生物学家一样收集数据，运行计算机模拟实验开展探究，并最终以报告的形式将他们的探究结果与同学和老师分享，从而有助于探究能力的培养和提升。

作为一个跨学科項目，研发团队成员主要由三部分组成：

（1）教学设计小组：成员由多位学习科学领域专家、一位生物系的生物学家，以及多名教师教育和学习技术领域的研究员和研究生组成。该小组主要负责确定学习目标和学习内容，完成虚拟环境Omosa星球的设计和其与配套的教学活动设计工作。其中生物学家夏洛特·E·泰勒（Charlotte E.Taylor）教授和当地的生物学老师负责梳理并确定项目相关的生物学知识和内容；

（2）图形设计与技术开发小组：由麦考瑞大学的黛博拉·理查德（Deborah Richards）教授主导，主要负责3D虚拟世界Omosa VWorld及配套的2D可视化ABM模型Omosa NetLogo环境的开发；

（3）学习研究设计小组：由悉尼大学Jacobson教授主导，成员与教学设计小组的成员相同。该研究小组主要负责制订详细的实证研究计划，以考察Omosa虚拟世界在中学中应用的效果，有序推进该研究项目，确保项目的初始研究目标按期达成，并将相关成果在各大渠道（如期刊、著作章节、学术会议等）进行发表。

整个项目的研究过程大致分为三步：首先，由教学设计小组展开教学内容、教学理念等有关的教学设计。伴随第一步展开的同时，技术与图形设计小组则进行3D虚拟环境的研发，研发工具为Unity3D （http：//unity3d.com/），一个跨平台游戏开发引擎，2D的ABM模型也被开发完毕。最后，团队开展基于课堂的实证研究和应用，并整理成果逐步进行公开发表。

（一）Omosa软件环境

Omosa环境主要由两部分组成：3D虚拟世界Omosa VWorld和2D可视化ABM模型Omosa NetLogo。两者共同作用具体实现了CSI模型，作为一个整体应用于教学实践。

1.Omosa VWorld

Omosa VWorld是一个3D虚拟世界。该虚拟世界的主体是Omosa星球上的一片岛屿，它模仿和呈现了古代澳洲干旱岛屿的生态环境。虚拟世界中学生能够以第一视角探索该岛屿，其移动和操作方式都和市面上流行的角色扮演类游戏相似，十分简单和易于上手，如图1所示。界面的左上角是工具区，提供了地图、书包（用于存放道具）、帮助、退出等工具。通过点击右上角的卫星按钮，学生能够以俯视的角度观察岛屿上叶鹿和花斑狼的运动和捕食链行为（花斑狼以叶鹿为食）。其中，叶鹿与花斑狼的运动与捕食链行为背后的运行规则由ABM算法实现。关于算法实现部分的详细内容，本文不作详细介绍，请参考麦考瑞大学Richards教授的文章《评估在捕食链关系下3D智能虚拟动物的行为和模型》。

岛屿拥有诸多地点与场景供学生开展各式各样的探究性活动（例如：观察动物，与村民沟通等），如图2所示。主要的区域有：（1）村庄：学生可以观察Omosa原住民的生活或者与他们交流；（2）狩猎场：学生可以在那里发现并观察成群的动物；（3）研究机构：学生可以和机构中各种不同专业背景的科学家交流；（4）气象站：学生可以和其中的气象专家交流或查看与气候相关的数据。

由于本课程中学生需要扮演科学家解决岛屿上某种动物（即叶鹿，原型来自于澳洲已经灭绝的古代似鹿生物）为何濒危的问题，以上一系列场景将为此提供各类实用的信息与数据，如右图3所示。学生可以通过自身的观察，与NPC交流等活动一步步地收集信息，并进而提出各种科研设想。通过前期探索与收集到的信息，学生一般会得到最主流的三种推论：（1）气候变化导致叶鹿濒危；（2）火耕农业破坏当地生态环境进而导致叶鹿濒危；（3）原住民过度捕杀导致生物濒危。

2.Omosa NetLogo

当学生在Omosa VWorld中进行了足够的观察及信息获取后，他们会形成对于探究问题的一些初步的推论。接下来，为了进一步验证他们的推论，学生会被要求使用2D可视化ABM——Omosa NetLogo进一步观察和证明他们的推论。Omosa NetLogo是一种由NetLogo语言编写的可视化ABM，在本项目中用于呈现若干变量在一定的初始条件下发生的动态变化关系，这些变量包括：（1）叶鹿数；（2）花斑狼数；（3）草地；（4）是否有原住民（有原住民则会引入火耕和捕食叶鹿两个变量）。这种变量的持续动态变化直接以2D图像的形式呈现，同时系统也会显示传统的数字数据和动态趋势图。以下页图4为例，图4显示的是在一定数量的叶鹿、花斑狼和草地的条件下，引入原住民和火耕行为后其它几个变量的动态变化情况。右方的2D图形显示的是实时的草地面积、叶鹿和花斑狼的数量与位置，左侧上方显示的是各种变量的初始情况，下方是变量的数量和该数据的变化趋势图。

与在Omosa VWorld中学生只能进行观察不同，Omosa NetLogo能够让学生操控多个自变量进行赋值，并观察赋值后因变量的动态变化情况。通过这个小实验，学生根据推论设计实验，并收集计算机最终呈现的种种数据。完成数据收集后，学生再基于数据进行判断和分析，最后得出相应的结论。此外，学生也可以将2D环境收集到的数据与3D虚拟世界中获得的数据互相对照。这一系列借助计算机进行数据收集和分析的活动与21世纪科学家开展的科学探究活动在过程上是相互对应的。

（二）Omosa的教学理念与课程设计

1.Omosa的课程目标——针对科学探究

Omosa学习活动所开展的科学探究步骤与目标均与澳大利亚理科课程标准一一对应。表1中给出了具体的五个步骤。在每个年龄段，这五个步骤又会针对不同的层次给出更具体的要求。本项目对应的是13-15岁（即7-9年级）年龄段要求的科学探究能力。

2.Omosa项目教学理论核心：“由低到高”的教学结构顺序（Sequences of Pedagogical Structure）和有效失败（Productive Failure）

在教学方式的选择上，Omosa项目选择了“由低到高”的教学结构顺序和有效失败（以下简称PF）作为核心支持。PF的教学理念的主要主张是学生在没有结构性指导的情况下参与解决复杂、非良构问题，此时遇到的挫折是一种有价值的练习。具体而言，传统教学更主张“先学后练”，即课堂上由老师传授知识，结构性地一一指导学生应当如何理解和处理问题，然后布置习题让学生练习或尝试解决问题。相应地，这是一种“由高到低”的教学顺序。但是PF则是一种相反的教学理论，它更鼓励“先练后学”，即让学生先试着利用有限的帮助和材料（例如指导手册）自行解决问题，在这个过程中学生往往会产生错误的理解和遇到许多失败和挫折。学生尝试过程完毕后，再由教师为学生纠正他们错误的概念，并对知识进行统一的结构性讲解和巩固，这是一种“由低到高”的教学顺序。越来越多的相关研究结果显示PF能够显著提高学生的概念性理解并能促进迁移（Transfer）。

由于选择了PF作为教学理念，为了能帮助学生在没有教师授课的情况下依然能够获得幫助与指导，Omosa课程为学生准备了一份在线的指导手册。这份指导手册用于向学生介绍应该如何使用OmosaVWorld和Omosa NetLogo软件，并提供他们每天需要完成的学习活动内容及每日测评。学生通过计算机在线系统回答手册上的问题，这些测评数据最终会被储存在MySQL数据库中，以便用于科研数据采集与分析。由于软件的使用对学生们来说非常容易上手，所以课程中针对Omosa VWorld和Omosa NetLogo仅给出了简单的使用说明，用来代替针对软件应用的集体课堂教学。课堂上其它突发的技术问题（例如无法登录/密码错误等问题）则由研究团队协助解决。

另外，项目团队针对软件和配套课程的使用对教师进行了有针对f生的培训。研究成员指导和帮助老师学习使用Omosa VWorld和Omosa NetLogo，老师也会使用学生的指导手册在正式学习活动开始前先行尝试在0mosa软件环境内熟悉学生需要开展的学习活动。

3 Omosa课程学习活动

Omosa课程一共分为9天，每天学习时间为50分钟，完成整个学习活动共计使用两周时间。课程的情境是：学生是一名科学家，他们要与行星环境调查机构（IEIA）一起，探索究竟是什么导致了Omosa星球某岛屿上一种叫做叶鹿的动物的濒危。详细的教学设计和学习活动安排如表2所示。

通过表2我们可以看到，整个学习活动分为两周，除最后一天为纯展示活动外，每周均是从低教学结构到高教学结构（Davl-4，Day5-7），形成了两个循环，这符合“由低到高”的教学顺序和哦《学理念。另外值得一提的是，尽管在表格中我们将学生在指导手册下展开探究性学习称之为高教学结构，但是实际上大部分PF教学中这一部分是由教师而非指导手册完成对知识的巩固和纠正。因此，整个Omosa学习活动中，学生比一般的基于PF的学习活动更加独立自主，因为教师没有在其间参与知识的巩固。事实上这种PF的教学结构比之传统的“高教学结构”更应称为“中等教学结构”。如对于经典的“从低到高”的PF教学理论感兴趣，Jacobson教授的另-个项目Climate Change对此进行了更为详细的研究。

学生每日的学习活动一般由教师先行进行一些简单的介绍开始。在那以后，教师在整个学习活动中主要扮演监管、回答问题、促进思考的角色，而并非传统的授课角色。学生则一般以二人一组的形式展开探究学习活动，两个学生共同使用一台电脑，这能够更好地帮助学生开展合作学习。正式探究活动开始后，学生会通过阅读指导手册明确当天的学习任务，这些学习任务也被称之为“挑战”。这些挑战与每天的学习目标——对应，例如学习初期，学生的挑战是在Omosa VWorld中收集各种数据和道具，中后期则要求学生进行实验设计，记录通过Omosa NetLogo～拟实验获得的实验数据等。在整个学习过程中，学生需要多次提出各种问题和假设并实施实验，通过对比进行验证。在此，以Day 6要进行的实验设计为例进行说明，这部分也是学生最后要制作PPTY～向全班展示的内容（如表3所示）。

了解了具体的任务要求以后，学生团队需要在指导手册上按照科学探究的5个步骤填写他们自己的回答（如表4所示）。

以上的一系列学习活动完成以后，学生从Day7开始使用PowerPoint制作演示文稿来呈现他们利用Omosa NetLogo开展计算机实验获得的结果和他们之间的讨论，Day 8和Day 9的安排是各个小组利用演示文稿向全班展示并进行结果讨论。

二、Omosa应用与实证研究结果

为了检验Omosa项目的实际效果，Jacobson教授团队在悉尼的一所初中开展了具体的教学应用实践。

（一）样本

样本学校是悉尼内城的一所多文化（即学生来自白人、华人等不同文化背景的家庭）初中。其中本文讨论的样本班级是两个8年级（即初二）的初中生班级，共53名学生。参与的两名教师是校内学科带头人，他们均是生物教师，并在实验前已获得有关如何应用Omosa系统开展教学的有关指导。基于不同班级先前在理科学习方面的表现，教师将班级区分为“基础班”（C班）和“进阶班”（S班）。C班的学生成绩整体属于低中游，S班的学生成绩整体属于上游。C班由29名学生组成。S班由24名学生组成。

正式实验展开时间是在2013年。在那之前，研究团队于2011年和2012年在该校开展过预实验。在预实验期间，团队的Omosa VWorld和Omosa NetLogo都得到了不断的完善与开发，并且将指导手册从纸笔方式修改为电子版，这能够保证团队通过在线系统不断地收集学生每天的学习过程数据。

另外，近两年来国内华东师范大学学习科学研究中心获得了来自Jacobson教授团队的授权，以合作研究的形式在上海的两所初中开展了Omosa项目研究。华东师范大学方负责了Omosa虚拟世界以及指导手册的汉化。

（二）测评材料

在学习活动的第一天和最后一天，研究组使用前后测的方式，通过同一份问卷测评学生的科学探究能力。这份试卷前十二题为选择题，取自一份高信度效度的科学探究测试量表。第十三题是一道开放的实验设计题。最后一题第十四题则取自2003年PISA测试的一道科学论证题。由于在研究过程中第十四题的数据收集出现了问题，因此本文以下的探讨以前十三题为主。

除此之外，学生最后制作的成果汇报演示文稿也作为研究数据的一部分保留下来。研究小组制定了具体的评分规则，用以评估学生最后演讲环节的表现。这份规则与先前提到的实验设计的五个元素一一对应（如上页表4所示），分别为：（1）基本信息采集；（2）研究问题；（3）提出假设；（4）自变量；（5）因变量。以上五点每一个点满分1分，共计5分。错误回答计0分，半对0.5分，全对则计1分。两位评分者进行了前20%试卷的记分，得到该量表的评定者信度为98%。随后两位评分者分别完成了40%的剩余试卷评估。

除了定量数据以外，团队还收集了两个焦点小组的讨论内容，这两个組分别来自C班和S班。学生的讨论被录音。他们参与回答的一些主要问题有：是否喜欢这样的学习形式；本次学习生物学和科学探究两方面的收获；如果你是老师，你如何设计虚拟世界并展开教学设计等。另外，在探究学习过程中，每个大组被分为六个小组，每两个学生一组，研究团队采集了他们的屏幕截屏数据、活动过程中的视频和音频数据。

（三）结果

由于本文的重点在于Omosa的项目设计，因此本部分将简要介绍本次实证研究的结果。

定量数据的方面，令人失望的是，利用量表前12题（即选择题）采集的数据分析显示，经过了Omosa项目的学习，学生的科学探究能力不增反降（F（1，41）=6.56，p<.05）。另外，S班的表现明显优秀于C班学生。然而，数据还显示，在部分的小题上S班和C班学生的后测表现均有了显著的提升。不仅如此，在某些题目的后测表现上，C班学生和S班学生没有明显差异。甚至有的题目，只有C班学生提高了正确率，反而S班学生没有明显的成绩变化。在针对第13题实验设计开放题和成果汇报PPT的数据分析上，S班的学生的表现明显优于C班的学生。然而，两者的平均分是比较相近的。

根据定量的结果，我们不难看到，尽管学生的整体科学探究能力并没有提高反而下降了，但令人眼前一亮的是原先基础比较差的C班学生在完成学习活动后，在好几个小题的回答上有了明显的进步，并且回答得和S班的学生一样好。不仅如此，在PPT汇报的表现上，C班学生与S班学生的平均分也没有拉开差距。

定性数据方面，团队从每个班级采访了三组共六名学生，两个班级共计六组十二名学生。从访谈数据可以发现，C班的学生对于他们学习的体验有着具体的理解。同时，由于学习环境类似游戏，两个班级的采访中学生都对这种在虚拟环境展开学习的方式与体验给出了非常积极的评价。在问及他们最喜欢的部分时，C班的一位学生提到了将收集和学习到的知识运用于探索虚拟世界并创建实验和假设是最令人高兴的。而另外的一名C班学生和S班的学生都提到Omosa VWorld和Omosa NetLogo之间的交互和比较令他们感到最有趣，这些新型的学习方式与传统课堂听课记笔记的方式存在鲜明的差异，让他们有一种真正参与科学实践活动的感受。不仅如此，教师也对这种基于虚拟世界和ABM的学习方式给出了非常积极的评价。特别令教师感到惊喜的是，她认为对学习理科毫无兴趣的C班学生在这次学习过程中表现出了出乎意料的学习热情，这是她不曾想到的。

总而言之，通过定性数据，我们能看到学生和老师整体上都对于这种基于CSI模型学习科学探究的模式给予了非常积极的评价，学生认为自己仿佛经历了真正的野外科学实践，并且学有所得。此外，不仅是Omosa VWorld本身，Omosa NetLogo以及其与Omosa VWorld的交互也十分吸引学生。

三、结论与启示

本文介绍了一种利用计算机技术学习科学探究的CSI模型，并阐述了该模型是如何通过基于3D技术的Omosa VWorld和基于2D技术的Omosa NetLogo得以实现的，以及其对应课程的教学方法和学习活动设计思路。与传统的“从高到低”的教学顺序相反，本项目采用了PF和从低到高的教学顺序两种教学理论的结合，即先给予学生充分的独立探究，后接人指导手册和班级讨论等脚手架支撑。最后，该研究简要介绍了该项目的课堂实证研究过程及其结果。

我们可以看到，团队初期得到的结果有一部分令人失望，即从定量测试上学生总体的科学探究能力反而下降。对此团队后续也对此进行了可能性的解释——由于测试的时间是学期末，学生可能认为后测并不会影响他们的正式课堂的成绩，所以带着随意的态度完成了测试。即使如此，在小题目上我们依然可以看到好几个题目学生的表现有了明显的提高。其中尤为值得注意的是，无论是科学探究能力测评还是汇报演示文稿的测评，我们均能发现原先基础较差的C班学生的表现上逐渐追上了基础较好的S班学生。定性数据也显示C班学生表现出了连他们老师都意外的学习兴趣和参与度。从这一点我们可以推测，CSI对于基础较差的学生或许有着更好的应用价值。这一点国内的合作研究者通过研究也得到了类似的结果。另外值得注意的一点是，由于S班的学生对科学探究的理解更为深刻，他们在运用ABM开展计算机实验的时候的表现明显优于C班的学生。总而言之，我们希望未来能够有更多的有力数据支持更多的结论。

此外，本项目也有一些不足，例如样本量小，数据部分遗失问题等。我们希望能够通过团队未来的工作来弥补。

尽管本项目有一些不足，但我们依然认为本项目有着诸多意义。长期以来，在传统教室中学习科学探究这样的知识非常困难。从科研角度来说，我们填补了行业内针对学习和培养科学探究能力、“玩中学”等领域的研究空白，并在教学理念上创新地实践了“PF+由低到高的教学顺序”的教学方法。与许多玩中学研究得到的矛盾的结果不同，本次研究的结果表明CSI模型和PF的结合整体是卓有成效的。这一情况反映了当下玩中学必须给予合理的教法支撑才能真正帮助学生提高学习。从技术角度，我们贡献了Omosa这一3D虚拟世界和2D的ABM模型等教学软件与环境。特别是在3D虚拟世界中展示合理的动物行为模型，为相关算法做出了贡献。从应用角度，我们设计了一整套完整的学习课程与配套软件，能够帮助现今国内外传统课堂的学生足不出户就能模拟体验户外的科学探究活动，弥补了传统课堂针对该部分教学的困难和传统教室客观物理条件上的不足。不仅如此，由于虚拟世界可以模拟各种现实中不存在的场景，本次研究的虚拟世界能够带领学生前往类似古代澳洲的环境并让学生展开研究，这一点是现实世界无法做到的，也是虚拟世界的优势。我们希望这一整套包括软件在内的课程能够真正普及，走向更多的传统课堂，帮助学生模拟体验户外科研的过程，进而通过这样的学习活动提高他们的科学探究能力。

针对本项目，我们认为未来可以改进及开展的方向有：进一步修正CSI学习课程，并观察将其融入常规课堂后学生的学习情况；通过更多大规模的实验探索与验证“由低到高”的教学顺序是否优于传统课堂“由高到低”的教学方法；通过发掘更多细节，进一步探究如何通过搭载先进的计算机技术，利用CSI模型更好地帮助学生学习和培养各类理科科目中各种复杂的知识与能力等。

如今许多学生对于传统课堂带来的科学探究和理科学习依然表现得较为消极和抵触，探究类问题依旧是初高中理科教学的难点。作为总结，我们希望我们的研究能够吸引更多的科研工作者着眼于利用虚拟世界和模型等计算机技术帮助学生学习科学探究和理科知识的领域中来。所以，我们十分希望未来我们能够通过将这些计算机技术与先进教学方式的結合，设计出能够真正培养学生对理科知识产生深刻理解和兴趣的课程。

收稿日期：2017年3月1日

责任编辑：赵云建