哈佛教育研究所(Harvard Graduate School of Education)开发的River City 是按照国家科学教育标准围绕中学生物和生态环境展开的网络虚拟探究平台。它由一条河流横贯其中,不同的地形决定了河流的走向,河岸边有各种社区、机构,如医院、学校、工厂等。学习者三人一组,居住进城市中。虚拟城市中有各种数字资源(图片、动画、视音频等),有虚拟的教师,可以与计算机代理(Computer agent)进行交互。虚拟平台右边的界面可以显示参与者与虚拟环境交互的情况,参与者之间交谈的文本以及参与者与计算机代理交流的文本会显示在窗口下方的文本框中。学生可以像科学家一样,相互合作,通过观察和推导确定问题,形成假设,对假设进行验证,最后得出具有充分证据的结论。
以网络为基础的虚拟探究平台还可以为学生导航,帮助学生思考各个探究的过程是如何联系的,回答诸如“我从哪里开始?”“接下来我要做什么”和“这意味着什么”之类的问题,许多活动可以通过网络浏览和交互完成。例如,美国迈阿密科学博物馆(Miami Museum ofScience)的pH酸碱度网络虚拟实验室就是一个典型的例子,如图9‐2‐12所示。该虚拟实验室帮助中小学教师把酸和碱的概念介绍给学生,所有的学习材料被组织成一个称为“7E”
的概念框架:激励(Excite)、探索(Explore)、解释(Explain)、扩充(Expand)、延伸(Extend)、交流(Exchange)、测验(Examine),每一个“E”都包含交互式的屏幕显示和课程计划,都有相对应的问题、活动和导航语,可以在教室里供全班使用,也可以供学生个人或小组学习。
较为典型的科学虚拟探究平台还有美国芝加哥大学的电子可视化实验室和交互计算环境实验室共同开发的名为“美妙”(NICE)的儿童科学虚拟世界,它是“叙述性、身临其境感、合作互动环境”(Narrative Immersive Collaborative Environments)的简称,其宗旨是“让我们在虚拟世界里一起学习和成长”。这一虚拟世界的使用对象是10岁左右的儿童,所以不要求他们具有多少计算机知识,而是靠生动的、直观的、交互的、启发性的、叙述性的方法,把儿童们逐步地引入到科学世界中去。当学生戴上头盔式显示器或其他三维显示设备时,虚拟园就出现了(如图9‐2‐13所示)。在虚拟园中,有一系列有关科学教育的项目,如关于天体的形成和运动、航天知识、建造和规划一个城市的知识等等。当儿童进入虚拟园后,他们会看到一些醒目的路标,他们可以按照路标的提示探寻宝物,或是深入海底,或是飞上太空。儿童戴上立体眼镜后看到的“虚拟园地”,以及他们在这个“虚拟园地”内亲手劳作的情景。如果想学习种植蔬菜瓜果,他们可以从虚拟木箱内选取不同的种子并栽入到虚拟的土壤中。
种子入土后,儿童们要学习培植、浇水、管理等知识,让幼苗发芽,生长。幼苗需要得到适当的水分和阳光,为了让幼苗得到适当的雨水,儿童要把雨云挪到种子的上方,为了不让苗儿受到阳光曝晒,就要挪一块阴云遮挡阳光。由此,儿童们可以在这个“虚拟园”里亲身体会到春华秋实的欢乐。
(二)基于项目的网络探究平台
1.基于项目的科学探究学习
基于项目的科学探究学习(Project‐Based Learning)是“一种教与学的方式,它关注科学的主要知识内容和关键概念,鼓励学生参与到问题解决和有意义学习中,允许学生自己构建对知识的理解,最后以生成学生自己的实物作品为终点”。
基于项目的学习和问题解决学习都是真实的、建构主义的学习方式,都试图将学生带领到“真实世界”里进行学习,教师提供给学生具有多种解决方法或答案的“开放性”的项目和问题,试图激发起一种真实的情境;都是以学生为中心的,教师承担指导者和促进者的角色;通常是在一段时间内以合作小组的形式展开的,教师鼓励学生利用各种学习资源(图书馆、音像资料、网络等)寻找各种信息;都强调真实的表现性评价。它们的不同之处表现在:“问题”其实是项目中的一种,项目除包含问题外,还包含专题、主题。问题式学习可以作为短期项目学习而独立存在,也可以作为项目学习的一部分,存在于项目学习的某一阶段;基于项目的学习通常采用一种“生产模式”,学生明确创作作品的目的及作品的受众,研究项目主题,形成驱动性问题,制订项目研究计划,设计作品,并使用和展示他们的作品,进行评价;问题解决学习,正如名字所包含的那样,以学生所要解决或学习的一个问题入手,这个问题常以故事情景的方式呈现,模仿了现实生活中的复杂情况,所要解决的问题通常是结构不良问题,具有复杂性和可探索性,学生经过观察或实验最终获得答案即可。
基于项目的学习和国内倡导的研究性学习体现了相同的教育理念,两者之间的差异非常小。从主题的选择来看,基于项目的学习更倾向于一种针对实际应用的设计性学习活动,要求学生在综合应用所学的各科知识和技能基础上,进行问题解决的实际操作,创作出产品;而研究性学习趋向于开展一种理论与实践相结合的探究性的“课题研究”,诸如“学校周围的植物”、“蜗牛”、“水的循环”等。
2.网络环境中基于项目的科学探究学习
国外,许多的科学教学研究组正在设计一些项目,为学生提供展开网络探究的平台,如CoVis(Collaborative Visualization)、WISE 等就是运用计算机技术来支持基于项目的科学探究学习的网络环境,它们试图帮助中学教师和学生运用这种基于项目的方法和技术的支持来学习科学。
CoVis 是指在一个合作的环境中,通过可视化工具探索科学现象,形成对科学本质的理解,它是由成千上万的学生、一百多位教师、几十位研究者所组成的团体。他们在一起工作,寻找在课堂上思考和进行科学实践的新方法。通过使用专门为了创造学习环境而设计的可视化软件,CoVis 中的学生像科学家一样,探究真实的生活问题,并提出解决的策略和方案。
CoVis 项目为学生提供了一系列的合作和交流的工具,包括桌面视频会议、实时合作、多媒体科学家笔记本等,支持学生的合作探究。除了这些技术工具外,它还与学校中的科学教师密切合作,开发了新的课程资源和教学方式来展开基于项目的科学探究学习,如课程指南、导师数据库(Mentor Database)、研究档案和研究主题等。例如,Weather Visualizer 就是其中的一个很好的在线工具,它可以提供各种关于天气和气候的数据和资源,如实时的天气数据,每个学生都可以获得与环境科学研究中的前沿科学家一样的研究工具和数据,为学习者生成相应的图片,学习者还可获得大量在线帮助,包括大气科学的各种详细的交互式模块,Collaboratory Notebook 是一个在线的多媒体工具,学生可以在上面呈现自己的推理和见解,与其他学习者的页面链接,展开讨论,记录科学探究过程。