虚拟分子生物学学习实验室构建

杨冬梅 李朝阳 张丽 李俊年

摘 要 本文提出一种将有指导的知识获取与在计算机学习环境下的实践经验相结合，以计算机为基础的学习环境，包括学习环境的教学原理是在学习科学的研究中得到的科学教育的方法。对有各种台架工具的虚拟实验工作台和演示工具进行了评估，结果显示学生们参与该项目的同时，不受预知识和兴趣的差异的影响。

关键词 虚拟实验室 分子生物学

中图分类号：G482 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.01.030

Abstract This paper proposes a computer-based learning environment that combines guided knowledge acquisition with practical experience in a computer learning environment. The teaching principle of the learning environment is a scientific education method obtained in the study of learning science. A virtual lab bench and demonstration tools with various bench tools were evaluated and the results showed that students were not affected by differences in pre-knowledge and interest while participating in the project.

Keywords virtual lab； molecular biology

培養学生基础科学素养是当代生物、化学和物理领域高等学校和大学教育的主要目标之一。科学素养包括在科学的背景下的认知能力和元认知知识以及应用这些知识的能力。科学素养要求能够识别和发展科学的问题，然后从理论考虑和经验性的研究中得出结论。[1]分子生物学的实践研究主要是通过实验和解释其结果来验证理论和假设。在科学教育中缺乏实验研究是有很多原因的，包括安全问题、实验室的高成本和不符合学校时间表的耗时实验。在这种情况下，老师们通常会在课堂上使用“展示和讲述”的方法，这让大多数学生处于被动接受的角色。学生将在这种情况下获得知识，但它是零碎的，没有融入更大的脑力模型，[2]而且过于抽象和不专业，可以被广泛使用和转移。[3]这并不一定意味着在传统教育中学习是无效的；然而，课外学习往往会导致学生无法运用自己的知识。[4]以计算机为基础的学习环境，被认为能够提供真实性和“动手”体验，即使在那些学校不能提供“真实”的学习环境的地区。[5]然而，对模拟学习多年的经验和研究[6]表明，设计模拟环境来促进学习并不是一件简单的任务，在模拟时设计师需要非常小心地决定要将现实的哪些方面结合起来。此外，从这个研究我们知道，除了提供真实的模型，学习者能够充分利用提供的信息将精心设计的工具整合到仿真环境，并能够应对探索式学习的要求。[7]此外，开始逐渐了解社会互动对科学学习的作用，以及如何将群体学习融入到模拟和探索式学习的环境中。[8]这里报告的研究旨在为设计师提供基于计算机的学习环境生命科学：将高品质（三维）实验室模拟与许多“心智工具”[9]结合起来进行有效的规划、分析和报告。我们由这种情况的分析和模拟环境需要的工具开始，来捕捉分子生物学实验室工作的关键要素。

为了将实验过程与重要的生物学原理概念联系起来，需要有两种知识：关于因果关系的知识（“因果知识”），它允许学生在时间上向前和向后推理（例如，“凝胶中的探针因带负电荷由负极向正极迁移”）。此外，关于目标—子目标关系，关于实验室仪器的功能，以及实验步骤和某些工具的使用与目标相关（“规划知识”）的知识允许学生去思考（实验）计划。规划知识不仅是创造实验程序的必要条件，而且在我们的语境中更重要的是理解实验过程：计划识别。虽然在教科书和教师中广泛传播因果关系，但规划知识很少，也很少有系统地与学生交流。我们的目标是培养这两种知识，因为我们相信，复杂的实验过程，包括先进的仪器，并不是完全基于因果知识的。也许更世俗的计划和计划识别知识在科学教育中没有得到足够的关注，这在一定程度上可能是由于实验的概念非常有限，这是大部分研究的基础。[10]

基于该领域的学习目标的序列模型，Lifelab在引导探索学习中为学生提供了许多教学措施和工具。第一次评估研究的结果达到了期望，即Lifelab非常适合不同程度的领域知识和对生命科学的不同兴趣的学生。

最主要的结果是，学生们实际上是通过使用虚拟实验室来有效地学习，无论先验知识水平如何，学习收益都差不多。有兴趣的学生和不太感兴趣的学生都从与这个项目的互动中得到了支持。据报道，这项研究还远远超出了具体的条件和参与的专业学生的范围。其他方法问题，如随机抽样和避免自我选择效应，将需要在今后的工作中加以解决。我们需要记录过程数据，以便更近距离地观察单个工具和设计特征的使用，以及课堂研究，以了解教师和学生如何在更有效的生态条件下使用和适当地使用该程序。几乎无法获得知识获取过程的细节，这将证实我们的主张，即在Lifelab中开发出两种知识：因果知识和规划知识。令人沮丧的是，在评估进行时，项目的状态不允许观察交流和表示，这是非常重要的。

科学素养的发展是一个复杂的过程，需要多年的专业知识发展。很明显，像Lifelab这样的项目不能仅仅为这种扩展和持续的学习提供必要的挑战和支持。然而，在这种环境下，这种学习的方式在学校全面的科学素养方面的进步带来相当大的发展，应该是大学水平课程的良好准备。这是因为，通过认真使用Lifelab，它的推理过程与专业研究人员的推理有许多相似之处。Lifelab不仅在尊重学生的问题，模拟实验室环境和仪器是真实的，而且在认识论意义上是真实的。

“認识论”是由Chinn和Malhotra（2001）提出的：“指导关于何时以及如何改变一个人的知识以回应证据的决定的基本原则”。工作中的Lifelab，是与一个欧洲领先的生命科学研究中心分子生物学家们建立密切互动，在认识论规范内学生正在进行着同真正的科学家做的和想的具有密切相似之处的实验活动和解释。这种关于认识论的重要性的论证是如此重要以至于它的优点需要进一步详细阐述。

参考文献

[1] Prenzel，M.，Carstensen，C.H.，Rost，J.& Senkbeil，M.（2002）.Naturwissen schaftliche Grundbildung im Lndervergleich. In OECD/Deutsches PISAKonsortium. PISA 2000-Die Lnder der Bundesrepublik Deutschland im Vergleich （pp. 129-158）. Opladen， Germany： Leseke + Budrich.

[2] Linn，M.（1998）.The impact of technology on science instruction： Historical trends and current opportunities.In B. J. Fraser & K. G. Tobin （Eds.），International handbook of science education （Vol. 1， pp. 265-294）.Dordrecht，The Netherlands： Kluwer.

[3] Lave， J. （1996）. Teaching as learning in practice. Mind， culture， and activity， 3（3）， 149-164

[4] Edelson， D. （1998）. Realising authentic scientific science learning through the adaption of scientific practice. In B. J. Fraser & K. G. Tobin （Eds.）， International handbook of sciemce education （pp.317-331）. Dordrecht， The Netherlands： Kluwer Academic Publishers.

[5] Alessi， S. M.， & Trollip， S. R. （2001）. Multimedia for learning： Methods and development （3rd ed.）. Boston： Allyn & Bacon.

[6] de Jong， T.， & van Joolingen， W. R. （1998）. Scientfic discovery learning with computer simulations of conceptual domains. Review of Educational Research， 68， 179-202.

[7] Reimann， P. （1991）. Detecting functional relations in a computerized discovery environment. Learning & Instruction， 1（1）， 45-65.

[8] Linn， M. C.， Davis， E. A.， & Bell， P. L. （2004）. Internet environments for science education. Mahwah， NJ： Lawrence Erlbaum.

[9] Jonassen， D. H. （1999a）. Computers as mindtools for schools： Engaging critical thinking （2nd ed.）. Columbus， OH： Prentice Hall.

[10] Chinn， C.A.， & Malhotra， B.A. （2001）. Epistemologically authentic scientific reasoning. In K. Crowley， C.D. Schunn， & T. Okada （Eds）， Designing for science： Implications from .ssional， instructional， and everyday science（pp. 351-392）. Mahwah， NJ： Lawrence Erlbaum.