顾莹+孙红淼+陈凯

摘要：对Molecules & Minds网站中的教学资源进行了详尽的梳理，并从“扩散”主题出发，具体分析其教学活动，体现了“互动式教学”、“可视化模拟实验”和“探究式问题设置”。在分析比较的基础上，从环境创设、服务学习者、互动等方面作出一些思考，并针对国内学习国外学科教育技术方面的状况进行批判性反思。

关键词：Molecules & Minds；模拟实验；科学教育；探究性；互动式

文章编号：1005–6629（2017）7–0092–05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

由美国教育部教育科学研究所资助，Molecules & Minds于2005年在纽约大学（New York University）启动，该网站教育资源（http：// create.nyu.edu/mm/）将化学学习设计成基于因特网模拟程序的探究过程，围绕化学学科概念和原理，合理组织信息，并简化了对图形和文本信息的使用。通过有效的多媒体互动模拟，向高中生呈现了分子运动理论、扩散、气体定律和相变等主题。

理解这些主题中的概念具有一定难度，因为涉及肉眼看不到的微粒运动特征，应用教科书中的静态图片难以呈现。Molecules & Minds提供了所有气体定律影响因素的变化图示，允许学习者通过操纵某一变量（如温度）来观察它对另一个变量（如压强）的影响。学习者可以观察到：当升高温度时，容器内的气体粒子运动速率加快，容器内压强随之升高。Molecules & Minds的所有模拟建立在科学学科学习理论和认知研究的基础上，经过了教育技术、科学教育、教育心理学等方面专家的论证和评估，并根据学生应用工具学习状况对模拟的效果进行定性的描述和定量的测量，以保证设计的实用性和学习者的学习效果。高中生主要在网站提供的漫画小人（可将它视为教师）的指导下，进行自主学习，并在理解知识的基础上对网站提供的情境瑕疵进行完善和补充。学生、教师、家长和研究人员等都可以对任务实施过程提问和评价，他们通过发送电子邮件发表自身看法开展互动。教师也可以担任课程资源的主要开发者和实践者，利用这些资源在课堂上开展活动。

Molecules & Minds模拟旨在将宏观现象转化为可视化的运动微粒和模拟变量的关系图示。它强调学习是一个主动的过程，把可观察的、具有解释性和象征性动态表征的模型作为理解化学原理与建构化学知识的重要途径。

1 网站栏目介绍

图1展示了Molecules & Minds网站的栏目设计及其设计意图。

1.1 学生模拟模块内容

学生模拟是网站的主要模块，表1对图1 [模拟]中每一学习主题从主要内容、漫画情境和对应于国内中学化学教科书所适合的教学模块进行了梳理。

1.2 栏目设计思路

Molecules & Minds的整个设计思路体现了教学策略和应用途径，思路如图2。

表2以“扩散”（Diffusion）为例，阐述Molecules& Minds中每个功能模块融入课堂教学的设想（问题探究模块化为三部分，穿插在其他模块中）。

其中可视化实验的互动模拟教学是Molecules& Minds的主要特色，教学应用主要依托可视化模拟实验来完成，并嵌入网站提供的情境素材和问题。

1.3 学生学习步骤

下面以“扩散”（Diffusion）为例，说明网站呈现学习者进入学生模拟后的具体学习步骤。Molecules & Minds主要通过文字描述、超链接注释、互动动画等形式展开教学活动。整个教学流程可以概括成：学习者首先结合主题案例与漫画情境，解决基本的小概念，再进行可视化模拟实验探究深层关系，其次引出更深层的大概念，最后再对大概念进行多方面拓展。

第一步：打开网站主页，点击“学生”栏目——模拟或者点击“教师”栏目——模拟。

第二步：选择扩散（Diffusion）学习主题。

第三步：观看情境漫画，思考其提供的启发式问题。

[情境导入] Molecules & Minds提供漫画情境。图3截选了部分漫画，具体情境的表述请见表1。

[问题与讨论]提供启发式问题：

（1）为什么Gabriella可以闻到爆米花的氣味？

（2）你知道气味是怎样扩散的吗？

（3）这个故事的主题是什么？你认为这个故事哪个地方需要改善？

第四步：进入可视化实验界面，学习者先自行探索如何点击按钮进行探究实验，然后思考其探究性问题。

[活动与探究]图4展示了扩散（Diffusion）的部分模拟实验情境：

[观察与思考]呈现过渡性问题，贯穿整个可视化实验，并再次联系生活。

（1）你知道气味是由各种微粒组成的吗？

（2）什么因素影响气味扩散的快慢？

（3）请用生活中的一个例子来说明扩散？

第五步：点击“继续”按钮，页面会显示网站提供的正确的虚拟实验视频，学习者可以观看它并对比自己刚刚的实验操作，自行纠正。

[复习巩固]可用于测试并评价学习成果。

第六步：点击“继续”按钮，页面会呈现与扩散有关的理论知识和一些拓展延伸问题。

[延伸探究]设计拓展性问题，发散学生思维。

（1）男孩在屋子里吃爆米花，爆米花的香味到处都有，它和电脑模拟中的气体分子不停扩散的现象相似吗？

（2）漫画中的屋子和模拟中的容器一模一样吗？

（3）屋子里的空气和模拟中的氖气相似吗？

第七步：返回网站主页，点击“教师”栏目——早期相关教材，里面包含着许多等待被完善的瑕疵情境，学习者找到与刚学完的主题相关的模拟，互动交流评价并完善创新。

[课后应用]运用所学知识解决问题。

Molecules & Minds在“扩散”（Diffusion）一节中设置了一个不完善情境：两个同学认为游泳池里的含氯消毒剂会危害他们，然后一起回忆了氯气作为化学武器在二战时的各种危害以及防护措施（情境中展示了多张二战图片，从历史的角度讲述氯气的扩散）。这些模拟只是草稿，学习者根据它们自主完善生成新的情境漫画。

2 Molecules & Minds的教育实证效果研究

National Center for Education Research（简称NCER）中Milne，Catherine和Plass，Jan分别研究了Molecules & Minds项目。

2005～2008年，Plass，Jan开展了“课题一：优化模拟化学教育”研究。约720名中学生（15～17岁）参与研究，学习并被测试分子运动理论和气体定律相关知识。在2010年出版的Cognitive Load Theory[1]，着重说明了Molecules & Minds深刻贯彻认知负荷理论，尤其强调其中视觉认知负荷的优化使其适合不同认知层次的学生。视觉模拟（图像、表格、静态和动态图像等）会降低学生的认知难度，色彩鲜艳，互动交流频繁的网站风格又深得青少年的喜爱。

2009～2012年，Milne，Catherine开展了“课题二：开发桥接支架来支持化学学习”研究。纽约的四所公立高中生参与了这项研究，学习并被测试扩散、分子运动理论、气体定律和相变相关知识。研究者探究互动式模拟教学对学生化学认知的影响，以及哪种模拟方式更适合学生认知，详细见表3。研究发现：被研究学生的学习水平高低不一，然而他们经历了模拟教学后，测试后的成绩差不多。

研究者认为模拟是学科和游戏的结合体，具有极大的“互动性”，因此直接将模拟实验称为“play games”。研究者对互动性做出了新的定义，认为用户、学习环境和系统的模型设计是互动性的三个重要前提。研究者在三个重要前提的基础上，划分了五个要素（学习环境、行为活动、认知活动、情感动机、心智模型），构成了互动多媒体综合模型（INTERACT），如图5所示。五种因素相互影响，相辅相成，导致了多种形式网站的建立（精英式的纯学术交流论坛的诞生和大众化科普学习网站）。

以Molecules & Minds为例，它的用户是不同认知水平的学生，模型实验的学生主体性设计又给学生提供了可控化学习环境，学生是实验的操纵者。在三个重要前提中，用户是主体，需考虑不同年龄段学生的心智模型、认知活动、行为活动和情感动机等多方面因素，其他两个要素都基于用户而设计。比如学习环境可以根据学生的认知程度分成可控式和不可控式，模拟设计中的建模也可以根据学生的互动程度分为共享建模区和独立建模区。

3 启发和反思

Molecules & Minds網站对国内科学教育网站的创新设计提供了新颖、实用的导向作用。

3.1 基于模型创设科学学习环境

作为含有建模工具的学习环境，Molecules & Minds为学生提供了根据三种表征方式、从简单到复杂的建模工具，为不同水平学生的模型建构提供了支持。科学探究方法和技能的学习一般以实验为载体，通过在科学实验的设计中融入对方法和技能的学习要求，达到使学生通过实验探究，掌握基本技能，习得方法的教学目的[4]。大量研究表明，基于模型的科学学习环境在教学中的应用，不仅有助于促进学生科学概念的学习，而且能够培养学生的批判性思维、推理能力、自我监控能力以及合作学习能力等。

3.2 计算机模拟情境开发需要考虑学习者

Molecules & Minds网站的主要用户群是中学生，尤其针对学习微观知识较困难的学习者，文字表达通俗易懂，电子讲义的配色、布局和主题情境具有一定趣味性。Molecules & Minds在主题案例呈现过程中提供了大量启发性或质疑性问题，与漫画情境相结合，更加创设了真实、新异的教学情境。国内化学教育网站充斥着各种知识点总结，试题成集等现象，尚缺乏这种风格独特、充满个性的学习模块，并且其网站风格严肃呆板，以各种化学符号和文字等抽象知识模型为主，实验部分较少，不适合化学水平较弱的学生。

3.3 提供多样化互动教学

与只含模型的学习环境相比，含有建模工具的学习环境对于培养学生的反思和调控能力更有帮助。学生成为模拟情境的开发者而不是虚拟观察者。Molecules & Minds选材广泛，情境多来源于生活又不拘泥于严肃的学科体系，表现形式活泼，学习者既可以在成熟的教学案例上，尤其在模拟实验上天马行空，也可以把未成熟的案例当作建模素材供给自己来完善成熟。Molecules & Minds中的未成熟案例组成了共享建模区，共享建模区的建立让学习者相互交流，共同完成新的模拟情境。

兼具网络教学和模拟实验功能的Molecules & Minds与学习者有一份双向互动评价：网站需通过一些生活问题来检测学习者的知识掌握情况，学习者也需要对网站内容做出评价，讨论如何改善模拟学习活动以创造一个更有价值的情境。这种双向互动的评价方式不仅可以更好地了解学习者的学习情况，而且也可以了解学习者真实的学习需求。

参考文献：

[1] Plass ， J.L.， Moreno， R.， Brünken， R..Cognitive Load Theory [M]. Cambridge： Cambridge University Press， 2010.

[2] Homer， B.D.， and Plass， J.L. Expertise Reversal for Iconic Representations in Science Visulizations [J]. Instructional Science： An International Journal of the Learning Sciences， 2009， 38（3）： 259～276.

[3] Domagk， S.， Schwartz， R.N.， and Plass， J.L. Interactivity In Multimedia Learning： An Integrated Model [J]. Computers In Human Behavior， 2010， 26（5）： 1024～1033.

[4]孙丹儿，叶孝轩.计算机技术支持的中学科学探究式学习环境设计[J].中国电化教育，2012，（3）：104～108.