利用3D游戏提高初中学生科学探究能力的教学尝试

李永胜 王 凤 张春雷詹卫华 费萍华

(华东师范大学生命科学学院 上海 200241) (上海市闵行区友爱实验中学 201109)

1 生物学3D游戏(Omosa)简介

生物学3D游戏(Omosa)是由澳大利亚悉尼大学和麦考瑞大学基于虚拟世界技术联合开发的(网址：http://web.science.mq.edu.au/～mtaylor/vworlds/Omosa.html)。在这个游戏中，学生可在虚拟的世界以科学家助手的身份参与Omosa岛屿生态环境问题的调查，通过移动化身和与环境中虚拟人物进行对话，并且能够直接通过科学观察、数据资料收集开展调查。在澳大利亚的教学实践研究表明，基于该游戏的科学探究活动不仅对学生掌握科学知识有帮助，同时对提高学生的科学探究能力也有显著的效果[1]。为了便于我国初中学生学习，我校研究团队对游戏进行了初步的汉化，并根据游戏内容和学生特点开发了相应的拓展课程。

在该课程中，为了调查叶鹿数量下降的原因，学生扮演科学家的助手，主要进行三类游戏学习任务：①访谈：通过与猎人、生物学家、气象专家和生态学家的虚拟访谈，获取Omosa岛屿生态环境和物种变化的相关信息；②收集资料：进入狩猎场、实验室、村庄和气象站收集相关的研究数据；③观察：观察狼和叶鹿的行为和种群数量变化。最后，通过对Omosa岛屿生态环境变化的观察和分析，推测导致叶鹿数量下降的可能原因，设计实验并运用物种数量变化模型检验假设，并向Omosa岛屿居民报告研究结果，为当地居民提供生态危机解决的可行办法，游戏界面如图1所示。

图1 Omosa游戏界面(学生与游戏中虚拟人物对话)

2 生物学3D游戏(Omosa)的探究活动的设计与实施

该游戏在上海市闵行区友爱实验中学八年级的生物拓展课进行了为期一个学期的教学实践。通过该游戏的开展，帮助学生了解生物学研究的一般过程和方法，提高生物学探究能力，激发初中学生学习生命科学的兴趣。

2.1 确定研究问题(第1～4周) 在帮助学生了解游戏的基本操作方法、明确了角色(生物学科学研究者)以后，从第2周开始，学生便开始尝试进行游戏任务。为了帮助学生获得更多有用信息，教师设计并提供三份引导性工作单。其中工作单1包含了可能会提供信息的人物名单，包括猎人、生物学家、气象专家和生态学家，学生需要深入到游戏地图的各个地点，找到他们并对其进行虚拟访谈，搜寻与问题相关的信息并记录。根据访谈获得的信息，尝试初步提出导致叶鹿数量下降的各种可能原因。工作单2列出了与叶鹿数量变化相关的材料名称，如猎人村庄的探险家日志、狩猎场的信息板、实验室数据手册和气象站数据手册。学生需要在游戏的各个地点找到这些材料。通过阅读并记录材料内容，对叶鹿种群下降的可能原因进行再次判断筛选，排除部分非相关因素。随后学生观察游戏场景中的现象，并进行进一步推理分析、归纳总结，形成一份针对问题的初步报告，并记录在工作单3上。学生提出了很多叶鹿数量下降的原因，如天敌、干旱、森林砍伐、火耕生态、捕猎和气候变化，并在收集资料与观察的过程中不断排除非相关因素。明确了在做一项研究之前，科学家首先要收集研究相关的信息资料，并通过整理分析，提出问题和作出假设。

2.2 设计实验(第5周) 初中八年级学生自己很少做过实验，更不知道自变量、因变量等概念。教师设计的引导性工作单4利用通俗易懂的说明帮助学生了解假设、自变量和因变量等概念及实验设计的方法。如假设是“你认为将会发生什么和为什么”；自变量是“我们改变的是什么”；因变量是“我们测量的是什么”。然后，引导学生从提出的几种可能原因中，每个小组选择其中一个原因设计实验，在引导性工作单4上记录实验的总体思路、研究的问题、假设、自变量和因变量等信息。例如，第二学习小组认为火耕生态是影响叶鹿数量下降的最可能原因，并进行了实验设计(表1)。

表1 引导性工作单4：第二学习小组的实验设计

2.3 进行模拟实验(第6周) 为了检验学生的假设，利用开源计算机模拟软件Netlogo[2](下载网址：http://ccl.northwestern.edu/netlogo/download.shtml)建立种群变化的数学模型(图2)，以第二学习小组为例，将青草覆盖率、天敌数量和猎人数量等参数调整到不影响叶鹿数量的理想值，然后设定0、25%、50%、75%、100%等不同程度的火耕生态，运行模拟实验并记录运行结果，实验结果显示当其他条件适宜，火耕生态比例超过25%时，叶鹿的种群数量将开始下降，并随着火耕生态比例的增大而加快，符合预期的实验假设。

图2 物种数量变化模型软件Netlogo模拟火耕生态

2.4 表达与交流(第7～9周) 通过6周的探究游戏，学生已经了解了引起叶鹿种群数量下降的原因，下一步需要使用这些数据资料，提出问题解决的方案。例如，第二学习小组认为村庄的猎人为了耕作农作物进行火耕生态，破坏了大量的叶鹿栖息地与掩蔽物，让叶鹿的食物来源减少并无法躲避天敌的捕杀，最终导致叶鹿数量的不断下降。该小组认为应该通过退耕还林的方法来保护生态环境。随后各小组通过PPT文稿汇报研究过程、研究结果及结论，汇报结束后各小组学生进行自评和组间互评。

3 启示与建议

3.1 设置真实情境，激发学生探究兴趣 生物学科发展迅速，且与医学、药学和农业生产等领域息息相关，在中学生物学教材中也有很多与生物学相关的职业介绍和科学发展史资料，教师可以充分利用这些素材，通过设置真实的问题情境，让学生身临其境，像科学家一样体验科学探究的过程，不仅能够提高学生的科学探究能力，同时有助于学生转变学习方式，提高学习生命科学的兴趣。例如，本文利用Omosa设置了一个真实的探究情境，让学生来学习种群数量变化和生态系统的知识。教师也可以让学生变成医生，解决细胞癌变的问题；可以让学生变成营养师，分析物质代谢的问题；可以让学生变成数学家，推断遗传病的发病率问题等。

3.2 搭建探究阶梯，引导学生科学探究 初中学生缺乏探究的体验，所以一开始就让他们走进“自主探究”的王国，是较困难的。此时，引导式探究就成为行之有效的办法。例如，笔者设计了Omosa虚拟世界学习指导手册，其中包含由易到难的19个探究任务和7个引导性工作单，通过这些层层相扣的探究活动，一步步地引导学生去探索科学现象、解释科学问题，分享探究成果。教师在日常的生物学教学中，也可以模拟引导性工作单的方式，通过设计导学案，提供相关的学习资料，引导学生进行生物科学探究，当学生已经掌握了探究式学习的一般技巧，就可由引导式探究转变为自主探究的形式，实现学习方式的真正转变。

3.3 正确认识计算机游戏在教学中的应用 随着科技的发展，计算机技术越来越多的应用到生物学教育领域。但生物学教师应该始终认识到计算机技术是为教学服务的，而非主角，不要为了游戏而游戏。尤其是初中学生的自制力不强，如果不加以正确的引导，计算机游戏很可能失去本该发挥的教学辅助作用。教师一定要结合教学的实际需求，有针对性地加以应用。本文中Omosa和计算机模拟软件Netlogo的使用，就是针对科学探究的提出问题、作出假设和进行模拟实验等环节进行应用的。目前，国外很多大学开发出十分优秀的教育游戏项目。如美国哈佛大学的河城(River City)研究项目、亚利桑那州立大学的探索亚特兰蒂斯(Quest Atlantis)项目，都受到广大师生的普遍欢迎。如果教师能够将这些资源恰当地整合到日常教学中，对科学探究以及生物学教学就能够起到积极作用。