基于MUVE的中學(xué)科學(xué)課程:River City分析

【摘要】哈佛大學(xué)教育學(xué)院和亞利桑那州立大學(xué)教育技術(shù)專業(yè)人員借助于信息技術(shù)設(shè)計，開發(fā)了基于MUVE的中學(xué)科學(xué)課程“River City”并在北美中學(xué)科學(xué)教育中得到了廣泛的應(yīng)用。論文總結(jié)和分析了River City的課程設(shè)計特點(diǎn)，以期對我國相關(guān)課程的改革有所啟發(fā)和借鑒。

【關(guān)鍵詞】科學(xué)教育課程;多用戶虛擬環(huán)境(MUVE);River City;探究

【中圖分類號】G420 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【論文編號】1009—8097(2010)05—0023—04

相對于中學(xué)其他課程的教學(xué)而言，美國的科學(xué)教育教學(xué)方法中一直有著探究的傳統(tǒng)[1]。然而在現(xiàn)實(shí)的課堂教學(xué)中，科學(xué)探究由于受到時間、空間、資源及環(huán)境的種種限制很難真正實(shí)施。尤其對于那些美國城市中的公立學(xué)校而言，由于缺乏合格的科學(xué)課程教師，由于學(xué)生對于科學(xué)教育的內(nèi)容不感興趣，或由于學(xué)生基礎(chǔ)薄弱而難以理解和掌握科學(xué)教育的課程內(nèi)容，傳統(tǒng)的科學(xué)教育方法很難為學(xué)生提供參與科學(xué)探究的完整而真實(shí)的體驗。

在美國國家科學(xué)基金會(NSF)和史密森美國歷史國家博物館(Smithsonian's National Museum of American History)信息技術(shù)和社會部的資助之下，哈佛大學(xué)教育學(xué)院和亞利桑那州立大學(xué)教育技術(shù)專業(yè)人員利用信息技術(shù)為學(xué)生提供了一種支持創(chuàng)造性探究的虛擬環(huán)境――多用戶虛擬環(huán)境(multi-user virtual environment，MUVE)River City[2]，幫助中學(xué)生在虛擬世界中利用各種探究工具體驗科學(xué)科研的過程和方法，尤其是幫助那些基礎(chǔ)比較差、學(xué)習(xí)成績不好的中學(xué)生掌握復(fù)雜的科學(xué)概念及科學(xué)研究的技能。[3]

基于MUVE 的River City是一門英語和西班牙語的雙語科學(xué)教育課程，主要應(yīng)用于美國城區(qū)中的薄弱公立中學(xué)――這些學(xué)校中的學(xué)生群體主要來自城市中的貧困家庭和移民家庭，教師在傳統(tǒng)的科學(xué)教育中難以找到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的動機(jī)、興趣的有效方法，不知如何幫助那些基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生。另外，對于移民學(xué)生而言，還存在一個語言理解的障礙問題。River City是一個17個小時的、基于團(tuán)隊協(xié)作(每個小組由2-4人組成)的探究性課程，是傳統(tǒng)科學(xué)課程的替代(而不是課堂教學(xué)的補(bǔ)充)。該課程的設(shè)計和開發(fā)遵從了美國國家研究理事會(the National Research Council)提出的科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)、國家教育技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和21世紀(jì)的技能需求[4]，以科學(xué)教育課程內(nèi)容為主，涵蓋了生態(tài)學(xué)、健康、生物學(xué)、化學(xué)、地球科學(xué)及歷史學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域。課程從2002年開始在北美6-9年級的中學(xué)科學(xué)教育課程中實(shí)施，2007至2008年北美有12個州的近百名教師和五千多名中學(xué)生參與了該課程的學(xué)習(xí)，課程還從美國推廣到了加拿大和墨西哥。

一MUVE簡介

自從20世紀(jì)70年代末期英國艾塞克斯大學(xué)(University of Essex)的Richard Bartle和Roy Trubshaw開發(fā)出第一代基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的MUD1游戲以來，隨著計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，不斷出現(xiàn)了許多新型的多用戶虛擬環(huán)境模式，比如MOOs(面向?qū)ο蟮腗UDs)、MUVE(多用戶虛擬環(huán)境)、MMORPGs (大型多人在線角色扮演游戲)等[5]。這些虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前已在游戲(特別是網(wǎng)絡(luò)游戲)中得到了廣泛的應(yīng)用，但卻很少能夠應(yīng)用于學(xué)校的教育教學(xué)。哈佛大學(xué)教育學(xué)院和亞利桑那州立大學(xué)教育技術(shù)專業(yè)人員設(shè)計和開發(fā)的基于MUVE的中學(xué)科學(xué)課程River City，就是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)MUVE在中學(xué)科學(xué)教學(xué)課程中應(yīng)用的一種嘗試和探索。

與早期基于文本的MUD相比，MUVE的功能更加強(qiáng)大――可以使用戶進(jìn)入虛擬情境，與數(shù)字器具(digital artifacts)進(jìn)行交互，用“化身”(avatars)2來代表自己，與其他用戶進(jìn)行交流，與虛擬角色(基于計算機(jī)的代理)進(jìn)行交流，參與各種協(xié)作活動等[6]。作為一種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，MUVE在教育教學(xué)領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景，比如創(chuàng)建職前教師培訓(xùn)和職后教師專業(yè)發(fā)展的在線社區(qū)，通過再現(xiàn)真實(shí)的社會或政治事件使學(xué)生更好地學(xué)習(xí)和理解歷史，借助于一定的社會和文化情境促進(jìn)學(xué)生的社會和道德發(fā)展，為學(xué)生提供協(xié)作的機(jī)會和創(chuàng)造性探索的機(jī)會等[7]。

與傳統(tǒng)的教學(xué)方法相比，MUVE能為學(xué)生提供沉浸式(immersive)、交互式的學(xué)習(xí)環(huán)境，使科學(xué)教育能夠更加吸引學(xué)生，能夠激發(fā)學(xué)生的好奇心，使學(xué)習(xí)變得更加具有趣味性。

二River City虛擬城市簡介

River City是一座典型的19世紀(jì)晚期的美國工業(yè)化城市(那時正是科學(xué)家剛剛發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的時代)，有一條河流穿過該城，城市的地形有高有低，因此在低處就形成了一些洼地和沼澤。城市中的房屋、工廠、醫(yī)院、旅館、大學(xué)等分布在不同的地形之上，城市中既有富人的居住區(qū)，也有中產(chǎn)階級的聚集區(qū)和貧民區(qū)。River City中擁有史密森博物館收藏的五十多件藏品，設(shè)計者借助于博物館中的藏品來創(chuàng)設(shè)和重現(xiàn)19世紀(jì)晚期美國工業(yè)化城市的街道和建筑風(fēng)貌。

該課程基于真實(shí)的歷史、社會和地理情境――River City遇到了環(huán)境和健康問題，流行病蔓延，城市中的居民人心惶惶。課程要求學(xué)生利用所學(xué)知識以小組的形式進(jìn)行探究，在教師的指導(dǎo)下借助于科學(xué)研究的工具、方法和過程，來揭示引發(fā)城市疾病的原因，并提供相應(yīng)的解決對策。

River City的地圖如圖1所示[8]，課程界面和主要窗口如圖2[9]。

該課程允許多用戶同時參與，每個學(xué)生在虛擬城市中有一個特定的角色(稱作“化身”)，這些“化身”能夠表達(dá)開心、悲傷、同意或不同意等表情，還允許“化身”通過“瞬間移動”(teleport)到達(dá)城市中的任何一個地方。學(xué)生可以使用虛擬城市中的所有物品(比如在線顯微鏡或圖片等)，可以與同伴進(jìn)行交互，也可以和計算機(jī)代理(城市中的居民)進(jìn)行交互[10]。學(xué)生在虛擬城市中參與不同類型的協(xié)作學(xué)習(xí)活動，還可以得到在線導(dǎo)師的指導(dǎo)。

如圖2所示，課程界面中有四個主要的窗口，一是觀看和行動窗口，允許用戶改變觀看的視角，允許各自的“化身”執(zhí)行不同的動作(旋轉(zhuǎn)、跳躍、揮手等);二是虛擬窗口，用戶的“化身”可以在此虛擬空間中自由行動，除了正常移動之外，還可以飛行、奔跑、傾斜、游泳等;三是聊天窗口，學(xué)生可以和自己的隊友聊天，也可以和城市中的居民聊天;四是學(xué)生的工作窗口，通過該窗口可以為學(xué)生在虛擬城市中的探究提供指導(dǎo)(比如在線《學(xué)生實(shí)驗指導(dǎo)手冊》)，還為學(xué)生提供在線學(xué)習(xí)記事薄和地圖(如圖1 所示，學(xué)生可以隨時知道自己處于虛擬城市中的具體位置)等。

三River City課程設(shè)計分析

本課程的設(shè)計主要針對中學(xué)科學(xué)教師在傳統(tǒng)教學(xué)中所面臨的問題和挑戰(zhàn):如何讓學(xué)生體驗和掌握科學(xué)探究的技能，如何讓學(xué)生理解和掌握科學(xué)研究的實(shí)驗設(shè)計。由于這是一項高階認(rèn)知技能，僅僅依靠教師的課堂口頭講授是很難完成的，因此必須為學(xué)生提供進(jìn)行科學(xué)探究和實(shí)驗的真實(shí)情境，而River City的難度和復(fù)雜性設(shè)計正好處于傳統(tǒng)的課堂教學(xué)和真實(shí)情境中科學(xué)家的科學(xué)研究之間[11]。River City課程的設(shè)計特點(diǎn)總結(jié)如下:

1 基于MUVE的科學(xué)課程River City首先為學(xué)生提供了一種“沉浸”于科學(xué)探究的復(fù)雜、真實(shí)而經(jīng)過精心設(shè)計的情境。所謂“沉浸”，即個體對某一復(fù)雜而真實(shí)經(jīng)歷的主觀感受。當(dāng)學(xué)生沉浸于River City這個虛擬環(huán)境中時，他們由被動的觀察者變成了科學(xué)實(shí)驗的設(shè)計者，學(xué)生以一種全新的角色和身份主動參與虛擬環(huán)境中的協(xié)作和探究。[12]

2 學(xué)生在River City中可以親身體驗科學(xué)家的探究過程，體驗科學(xué)家群體通過觀察、推理、協(xié)作對問題進(jìn)行識別的過程，體驗科學(xué)家形成和驗證假設(shè)的過程，體驗科學(xué)家基于證據(jù)導(dǎo)出結(jié)論的過程。學(xué)生在虛擬城市中可以借助于信息技術(shù)工具追蹤城市居民發(fā)病的原因，并形成假設(shè)，設(shè)計實(shí)驗來驗證假設(shè)，最終基于實(shí)驗數(shù)據(jù)提出問題解決的方案。River City可以支持學(xué)生開展如下活動:(1)科學(xué)概念和原理的學(xué)習(xí);(2)體驗和學(xué)習(xí)科學(xué)家的觀察技能和推理技能;(3)設(shè)計和實(shí)施科學(xué)探究。(4)理解和體會科學(xué)探究的價值與意義。

3 設(shè)計者力圖使中學(xué)生能夠借助21世紀(jì)的技能和信息技術(shù)來解決19世紀(jì)的城市環(huán)境和健康問題。River City中提供了多種資源、工具來幫助學(xué)生進(jìn)行探究――(1)首先是實(shí)驗手冊，實(shí)驗手冊中的問題是經(jīng)過精心設(shè)計的，是學(xué)生在River City中自主、協(xié)作探究的重要指導(dǎo)資源。實(shí)驗手冊首先指導(dǎo)學(xué)生探索和熟悉虛擬環(huán)境，學(xué)習(xí)和掌握與網(wǎng)絡(luò)界面進(jìn)行交互的基本技能，并學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)收集及處理的一些基本技能。另外，在課程進(jìn)行的過程中學(xué)生還需要回答實(shí)驗手冊中提出的問題，教師可以根據(jù)學(xué)生的回答情況對學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)行形成性評價。因此，實(shí)驗手冊為學(xué)生的探究提供了必要的指導(dǎo)和支架。課程同時還為教師設(shè)計了指導(dǎo)手冊，提供了更加詳細(xì)的、更有針對性的指導(dǎo);(2)其次是課前的系列視頻，為學(xué)生在虛擬城市中的探究做好充分的準(zhǔn)備;(3)River City中還提供了“數(shù)據(jù)收集站”，為學(xué)生提供世界各地的水樣本信息;(4)各種幫助學(xué)生探究的數(shù)字器具(比如各類音、視頻片斷資料，圖片，在線顯微鏡等)。

4 課程的評價方式設(shè)計:(1)形成性評價――學(xué)生在探究的過程中，可以隨時和虛擬城市中《River City時報》記者Kent Brock3交流。Kent Brock會對學(xué)生進(jìn)行訪談，不但向?qū)W生尋求信息，而且會告知學(xué)生一些信息。他不但對事實(shí)感興趣，更關(guān)注于學(xué)生的以下能力:說明的精確性、解釋的意義性、應(yīng)用的效果性、觀點(diǎn)的批判性和可信性、移情的敏感性和可理解性、自我意識性(了解自己知道的和不知道的)。除了回答Kent的問題，學(xué)生還需要對Kent即將在《River City時報》上發(fā)表的文章進(jìn)行評論。學(xué)生與Kent的交互內(nèi)容將作為學(xué)生形成性評價的一部分。另外，學(xué)生對于實(shí)驗手冊中問題的回答情況也是形成性評價的一部分;(2)總結(jié)性評價――所有學(xué)生都要基于自己對疾病傳播的探究向River City的市長提交一份科學(xué)研究報告，報告中必須解釋為什么城市中會有如此多的人感染疾病以及如何消除疾病等。

四River City中科學(xué)探究過程的設(shè)計與實(shí)施

美國國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)中將探究界定為[14]:科學(xué)家研究自然界，并基于研究工作的證據(jù)對自然界進(jìn)行解釋的種種活動，也包括學(xué)生形成和理解科學(xué)概念，理解科學(xué)家如何探索自然界的一系列活動。

在整個課程學(xué)習(xí)的過程中，每位學(xué)生都經(jīng)歷了一個從新手向?qū)I(yè)科學(xué)人員成長的過程，完整體驗了科學(xué)探究的全過程:觀察――問題識別――形成假設(shè)――設(shè)計實(shí)驗――實(shí)施實(shí)驗――形成結(jié)論――提出建議――匯報分享――總結(jié)完善。學(xué)生在River City中的科學(xué)探究過程如表1所示[15]:

虛擬城市中有三條疾病傳播的途徑――水源污染、空氣傳播和昆蟲傳播，這三條疾病傳播途徑又是和特定的歷史、社會和地理因素交織在一起的，共同構(gòu)成了一個影響虛擬城市健康問題的復(fù)雜環(huán)境。學(xué)生在這種真實(shí)的情境中以團(tuán)隊的形式主動地對復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)問題(城市中面臨的環(huán)境和疾病)進(jìn)行科學(xué)探究，在這種跨時空的虛擬城市中，學(xué)生能夠借助21世紀(jì)的技能和信息技術(shù)來解決19世紀(jì)的城市環(huán)境和健康問題。最后，學(xué)生需要向市長提交研究報告，描述城市的環(huán)境和健康問題，并提出改進(jìn)居民生活的建議。

數(shù)據(jù)的收集是科學(xué)研究中的關(guān)鍵，River City中設(shè)計了多種收集數(shù)據(jù)的途徑[16]:

#61548;與城市中的居民交談。

#61548;一些隱性的線索――河流及樹木的外觀，天氣及季節(jié)的變換，聲音(蚊子的嗡嗡聲、病人的咳嗽聲、水流聲等)。

#61548;醫(yī)院中病人的病歷(學(xué)生可以根據(jù)病人的癥狀和指標(biāo)檢測數(shù)據(jù)來了解病情)。

#61548;環(huán)境監(jiān)測計(學(xué)生可以根據(jù)上面的數(shù)字推測城市環(huán)境的健康狀況)。

#61548;一些數(shù)字圖片中所提供的必要信息。

#61548;利用在線顯微鏡檢測水站中水的純度及蚊子繁衍狀況。

隨著課程學(xué)習(xí)的深入，學(xué)生需要分別在城市的四個不同季節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集和探究:1878年10月，1879年元月，1879年4月和1879年7月，而城市中的疾病也在隨著時間的不同而發(fā)生著變化。通過數(shù)據(jù)的收集，學(xué)生需要思考和回答如下問題:為什么窮人比富人更容易生病?學(xué)生還需要對引發(fā)疾病的原因進(jìn)行因果分析，包括低洼地的水源污染、濕地的昆蟲傳播、城市貧民區(qū)居住的過度擁擠、昂貴的醫(yī)療費(fèi)用等等。

結(jié)語

在傳統(tǒng)的科學(xué)課堂教學(xué)中，由于課程資源或時間、空間的限制，學(xué)生們常常被直接告知一些簡單的、確定性的答案，往往無法親身體驗科學(xué)探究的過程和樂趣。而在基于MUVE的River City中，學(xué)生以團(tuán)隊的形式可以根據(jù)各自的興趣對復(fù)雜的真實(shí)問題進(jìn)行科學(xué)探究，從而能夠在虛擬的情境中親身體驗科學(xué)的觀察、數(shù)據(jù)的收集、問題的提出、實(shí)驗的設(shè)計、問題的分析與解決等。River City課程從2002年秋季開始在美國城區(qū)中的公立中學(xué)科學(xué)教育課程中實(shí)施，因為幾乎所有的學(xué)生都有過玩計算機(jī)或視頻游戲的經(jīng)歷，所有學(xué)生在初次使用MUVE界面時就很容易地學(xué)會了操作，除了網(wǎng)頁瀏覽工具之外，學(xué)生們還可以使用即時通訊工具及其它聊天工具。研究發(fā)現(xiàn)學(xué)生的參與度非常高，非常樂于合作，初步的研究表明MUVE能夠提高所有學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)課程的動機(jī)，包括那些傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式中表現(xiàn)不佳的學(xué)生。

除了River City之外，實(shí)際上還有許多的基于MUVE的課程或?qū)W習(xí)項目，比如阿巴拉契亞州立大學(xué)(Appalachian State University)的AppEdTech[17]，佐治亞理工學(xué)院(Georgia Institute of Technology)的AquaMOOSE 3D[18]，印第安納大學(xué)(Indiana University)的Quest Atlantis(QA)[19]、斯坦福國際研究院(SRI)Tapped IN[20]等等。這些新型的教育教學(xué)模式，將為傳統(tǒng)教學(xué)方式的變革提供新的機(jī)遇和啟示。

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[19]Quest Atlantis [OL].，2010.04.

[20] Tapped IN [OL].，2010.04.

注:1根據(jù)情境的不同，MUD可以代表“多用戶城堡/多用戶空間/多用戶空間”等不同的涵義，是一種早期的主要基于文本的多用戶、角色扮演類虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

2網(wǎng)絡(luò)用戶在以圖像為主的虛擬世界中的虛擬形象。

3他自己也染上了城市中的流行疾病，因此急需得到研究者的幫助。