基于NetLogo模型库的中学科学仿真实验教学研究*

崔雪梅 黄宇林 韩今花 吴东旭

（1.延边大学 师范学院，吉林 延吉 133000；2.延边大学 理学院，吉林 延吉 133000；3.延吉市第十中学，吉林 延吉 133000；4.延边第一中学，吉林 延吉 133000）

一、引言

为了适应社会发展对人才培养的需求，中学《科学》课程立足学生核心素养的发展，将学生核心素养确定为科学观念、科学思维、探究实践、态度责任四个方面。其中，探究实践旨在了解和探索自然、获得科学知识、解决科学问题以及技术与工程实践过程中形成科学探究能力、技术与工程实践能力和自主学习能力。[1]让学生掌握了解和探索自然的方法，成为培养学生探究实践能力的重要前提。

随着计算机软件开发的发展，基于计算机软件开展探究活动备受关注。近年来，通过计算机软件开展科学仿真实验，支持学生提出问题、建立科学模型、探究科学问题，发展学生的探究实践能力受到了越来越多教育研究者与实践者的关注[2-9]。NetLogo 作为一款适合开展中学科学仿真实验的免费软件，其中内含丰富的模型库，可为教学提供便捷的科学仿真实验平台，在一线教学中有着较为广泛的应用。

二、NetLogo 科学仿真平台的功能及其教学应用优势

NetLogo 是免费的开源软件，是一种用于模拟复杂现象的多主体建模仿真开发环境，是用来对自然现象和社会现象进行仿真的可编程工具，通过对多个个体相互作用的模拟，可以涌现出许多复杂现象。例如：蚁群鸟群、生态系统、病毒传播、社会暴动、交通仿真等。通过模型仿真，还可以帮助我们在现实世界中做决策。[10]NetLogo 不仅能呈现数百数千个独立个体的行为，而且还能分析部分个体的行为和个体间相互的联系，因此，有利于自然现象和社会现象的仿真。NetLogo 软件上方有“界面”“信息”“代码”三个标签。其中“界面”标签是运行程序时所呈现的画面，用户可在其中添加按钮、进行设置；“信息”标签里呈现相关程序的说明，有利于程序使用者尽快了解相应程序的功能；“代码”标签里呈现程序的代码，供用户编写程序、修改界面。“界面”标签下主要包括“视图”（以图形化的形式输出模型运行结果）、“编辑”(如添加按钮、滑块、开关、选择器、输入框、监视器、图、输出区及注释控件，可用于调整模型参数)、“输出”（可输出模型相应的文本信息）等区域。

在技术操作层面，NetLogo 软件应用于中学《科学》课程的探究实践活动，有如下优势：

第一，NetLogo 软件的视图区中可实时观察目标对象的行为，有助于学生观察现象发生的动态过程，思考现象发展的规律，建立物理模型。

第二，NetLogo 软件提供的监视器、图、输出区等按钮可提供现象相关的数据表征、图形表征，多角度呈现因变量和自变量的关系，有助于学生定量分析现象背后的规律，建立真实问题的数学模型。

第三，NetLogo 软件通过滑块和输入框等按钮控制多个变量，便于有针对性地控制仿真系统，具有较强的交互性。

为了便于用户有效利用NetLogo 平台，软件还提供了丰富的“模型库（Model Library）”。模型库是分学科组织的，包含的学科有：艺术、生物学、化学与物理学、计算机科学、地球科学、游戏、数学、网络、哲学、心理学、社会科学、系统动力学等，目前包含200 多个模型，在不断地向它添加新模型。模型库的Sample Models 中有些文件夹下包含“（unverified）”的子文件夹，这些模型是完整的，功能相对齐全的。

教师在教学过程中可以通过NetLogo 平台促进学生更好观察实验现象、研究实验问题，培养学生的实验操作能力以及自主设计、自行开发实验的能力。比如，在牛顿第一定律的学习中，通过科学仿真让学生真实感受到物体在没有受到力的作用时，根据初始状态的不同，保持静止或匀速直线运动状态（可以用图显示实时速度）；也可以通过物体的分子热运动和温度的科学仿真，让学生认识到微观层面的物体分子热运动剧烈程度和宏观层面的温度是相关联的，可以培养学生从微观和宏观的角度分析问题的能力。NetLogo 软件对呈现自然现象，分析数据、建立模型有较大的优势，并且编程语言与人类语言相近，有利于学生掌握编程语言，自行开发仿真实验。

三、选择NetLogo模型库支持中学《科学》仿真实验

NetLogo 软件模型库包括六个类型：样本模型（Sample Models）、课程模型（Curricular Models）、代码示例（Code Examples）、HubNet 活 动（HubNet Activities）、IABM 教科书（IABM Textbook）、替代可视化（Alternative Visualizations）。模型库里的所有程序有自带代码，用户可以根据模型库里的程序学习如何编写NetLogo 代码。

在中学科学及相关课程教学中，可借助样本模型提供的案例，开展科学仿真实验，待学生掌握编程方法后，进一步拓展模型库案例或自行编写NetLogo 程序，实现所需的仿真效果。适合中学科学仿真实验的模型库有以下几种：

1.病毒（virus）模型

模型基于生态生物学家Yorke等[11]提出的一些可能影响直接传播的病毒在人群中存活的因素，模拟了病毒在人群中的传播和延续情况。

模型中人们在世界上以三种状态中的一种随机移动：健康但易受感染（绿色）、已感染（红色）、健康并具有免疫（灰色），人们可能死于感染或年老。当人口下降到环境的“承载能力”（本模型中设定为300）以下时，健康人可能会生育健康（但易受影响）的后代。

三个输出监视器显示受感染人口的百分比、免疫的百分比以及过去的时间（以年为单位），以不同的颜色显示易感、感染和免疫人群的数量，还以蓝色显示总人口中的个体数量。

例如，为了让学生更好地了解新冠肺炎病毒的传播方式与速度，更好地做好防控工作，教师可以利用Net-Logo 的病毒（virus）模型进行新冠病毒传播模型的建构，探究新冠病毒传播的病理机制与特点，不但有助于学生理解病毒传播机理的相关知识，也有助于培养学生的社会责任意识——关注现实问题并对其进行深入的研究，培养解决问题的能力。

2.狼和羊的捕食（Wolf Sheep Predation）模型

模型探讨了捕食—被捕食生态系统的稳定性，如果这种系统倾向于导致一个或多个物种灭绝，则称为不稳定系统。相反，如果一个系统倾向于在一段时间内保持自身稳定，那么它是稳定的。该模型有“羊—狼”版本和“羊—狼—草地”版本。

在“羊—狼”版本中，狼和羊在景观中随机游荡，而狼则寻找羊来捕食。每一步都消耗狼的能量，它们必须依靠吃羊来补充能量，当它们耗尽能量时，它们就会死亡。为了让种群继续生存，每只狼或羊在每一个时刻（tick）都有一个固定的繁殖率。在这种变化中，将草建模为“无限”，这样羊总是有足够的食物，而没有明确建模草的食用或生长。因此，羊不会通过进食或移动获得或失去能量。这种变异产生了有趣的种群动态，但最终是不稳定的。该模型的这种变化特别适合于营养丰富的环境中的相互作用物种。

在“羊—狼—草”版本，除了狼和羊之外，还明确地模拟了草（绿色）。狼的行为与“羊—狼”版本相同，但在“羊—狼—草”版本中羊必须吃草以保持能量，当能量耗尽时，它们就会死亡。一旦草被吃掉，它只会在一段固定的时间后再生。这种变化比第一种更复杂，但通常是稳定的，提供了更现实的结果。

模型通过按钮可设置初始状态的羊和狼的数量、草的再生时间、羊吃草后获得的能量、狼吃羊后获得的能量、羊的生育率、狼的生育率；监视器显示羊的数量、狼的数量和草的数量；图中显示羊的数量、狼的数量和草的数量随时间的变化情况。

借助该模型，中学生可以探究如下问题：羊和狼的生育率对生态系统的稳定性有什么影响？羊（或狼）的生育率越高，那么种群的数量会更多吗？可以让学生基于已有知识进行猜想与假设，并说明其理由。充分收集学生的猜想和假设后，可以利用NetLogo 程序展现不同情况下羊和狼的数量变化情况，进而认识到种群的生育率、食物的生长率等因素对生态系统稳定的影响。

3.渗透压（Osmotic Pressure）模型

渗透压通常定义为使溶剂通过半透膜达到平衡所需的压力量，该模型试图描述溶液颗粒穿过半透膜的运动，并说明渗透压的依数性。作为一种依数性质，渗透压的变化与溶质颗粒的数量成正比，而与颗粒的特性无关。通过对不同类型和数量的溶质颗粒的实验，可以在该模型中探索渗透压的依数性质。

在这个模型中，蓝色斑块代表一个被半透膜（红色方块）分隔的容器，半透膜是一个物理的多孔屏障，将两种溶液隔开，允许一些颗粒通过，但不允许其他颗粒通过。蓝色圆圈表示可以自由通过膜的溶剂分子（在该模型中为水），在设置时会产生1000 个这些溶剂分子并随机分布在整个容器中。白色圆圈表示添加的溶质颗粒，由滑块限定的溶质量被放置在膜的一侧。如果溶质是离子化合物，它会分解成适当数量的离子；如果溶质是共价的，化合物就不会分解,溶质颗粒不能通过膜。

当模型运行时，粒子根据分子动力学理论通过容器移动，所有粒子沿直线移动，直到它们与另一个粒子、壁或膜碰撞（只有溶质粒子与膜碰撞）。粒子在弹性碰撞中再彼此相互碰撞，虽然溶剂分子（蓝色圆圈表示的水）可以自由通过膜，但溶质颗粒（白色圆圈）仅限于其产生的一侧。此外，在每一步中，溶剂分子有50%的机会“黏附”到占据同一斑块的溶质分子上（溶质颗粒最多可容纳五个溶剂分子）。在模型的每一步（tick），“黏滞”分子有2%的机会变为不黏滞。在该模型中，每侧的体积变化是通过膜的移动而发生。

模型中可尝试添加不同的溶质，改变溶质颗粒的数量，让学生探究能否使氯化钠像糖一样起作用？膜运动和溶质颗粒数量之间是否存在数学关系，这种关系是否取决于添加的溶质类型？为什么或为什么不？通过开展探究性的实践活动，培养学生的科学思维能力、科学建模能力以及正确的科学态度。

4.气候变化（Climate Change）模型

这是地球能量流动的模型，尤其是热能。它将地球显示为玫瑰色，行星表面用黑色条纹表示。在长条的上方有一个蓝色的氛围，顶部有一个黑色的空间。云和二氧化碳分子可以被添加到大气中，二氧化碳分子代表阻止地球发射的红外光的温室气体。云层阻挡太阳光线的射入或射出，影响地球的升温或降温。

黄色箭头向下流动，代表阳光能量。一些阳光从云层反射，更多的阳光可以从地球表面反射。如果太阳光被地球吸收，它会变成一个红点，代表热能。每个点代表一个黄色阳光箭头。红点在地球周围随机移动，地球上红点的数量和地球的温度之间有一种关系，这是因为地球温度随着总热能的增加而升高。

利用该模型可以探究一些影响地球温度的其他因素。例如，添加植被斑块，然后查看它们被人类占用时会发生什么。此外，也可以尝试将可变反照率添加到模型中，而不是为整个地球添加一个值。可以有高反射率的冰川和低反射率的海洋，然后评估当冰川融化到海洋中时会发生什么。

通过这样的科学仿真实验，学生不仅可以将物理知识和地理知识相融合解决实际问题，还可以认识到人类的行为对气候的影响，培养保护环境的意识和可持续发展的意识。

四、结语

科学仿真实验不仅可以节省实验成本，让更多的学生参与实验过程，也可以为学生提供安全的实验条件，在当前物理、生物、化学、科学等课程教学中都有应用。本文主要探讨了NetLogo 虚拟仿真平台在中学《科学》课程中的教学应用，尤其是分析了NetLogo 中四个典型的科学实验仿真模型的教学应用场景。

值得注意的是，无论选择何种科学仿真实验平台用于教学，都要基于课程标准的要求，指向突破教学的重点难点问题，并对科学仿真实验平台的应用进行合理设计。2022 年4 月，国家教育部发布了新版中学《科学》课程标准，新版课程标准中对于《科学》课程在新时代所担负的使命、教育教学改革目标、教育教学实践提出了新的要求。更加注重培养学生的科学思维能力、科学探究能力和科学态度，对义务教育阶段《科学》课程的核心素养进行了凝练，而这些素养的培养需要让学生经历解决真实问题的过程。解决真实问题首先应该呈现自然现象，之后进一步探究现象背后的规律。在中学《科学》课程教学中运用NetLogo 软件可有效开展跨学科实践活动，进而落实学科核心素养目标。