用MUVE支持科學探究式學習*——以River City為例

劉敏 李建生

南京師范大學教育科學學院 南京 210097

MUVE提供了猶如身臨其境的、充滿魅力的虛擬環境，吸引了不少學生，但它很少被真正應用到教學和學習中。當前中學科學課堂中大力提倡科學探究式教學的大背景，為把MUVE與教學和學習整合提供了契機。利用MUVE支持科學探究式學習，創造一種寓教于樂的、以科學問題為引導的學習環境，為學生更加自覺、快樂地學習科學帶來福音。

1 MUVE及其特征

1.1 MUVE的涵義

MUVE（Multi-User Virtual Environment）即多用戶虛擬環境，又稱共享的三維虛擬環境。它是虛擬現實技術的多用戶化發展，是基于網絡連接的虛擬現實系統。它支持分布在不同地域的用戶同時進入虛擬環境，多個用戶通過計算機網絡連接在一起，在一個由計算機三維圖形構筑的虛擬空間里實時交互，用戶能相互視頻交流，如同處于同一個空間[1]。近年來，MUVE在歐洲、美國等發達地區發展迅速，顯示出廣闊的應用前景。

在教育界里，MUVE又被稱作“多人虛擬實境”，是某種可以啟發學生了解數學與科學新知的一類游戲。MUVE這種游戲不像其他會讓父母、教師反感的游戲或社交網絡，它是一個有良好行為標準的環境，它被設計用來思考并解決問題，而不是打怪物。MUVE鼓勵學生找出答案，才能獲得游戲內的成功。

1.2 MUVE的特征

1）共享空間。MUVE允許分布在不同地理位置的用戶共同使用同一虛擬空間。2）實時交互。MUVE旨在構建一種和諧的、具有沉浸感的實時交互環境，多個用戶之間通過各自的三維圖形（即替身）表示該環境中的多人感知、用戶間的交互及對虛擬對象的協同操作。3）臨場感。MUVE在聽覺和視覺上都是三維的，具有逼真的擬物性和高度的擬人性，各個用戶在不同的虛擬情境中能自如地體驗不同的生活情境，充分融入自己在該情境中扮演的角色（替身）。4）共享資料。MUVE中豐富的學習資料拓寬了獲得資料的時間和空間，學習者可通過自己發現問題、向同伴或老師請教問題、到數字圖書館查閱文獻等方式獲取學習資料。

2 為何能將MUVE與“科學探究式學習”融合

在國際、國內科學課程改革中，一個重要的理念和行為變化是從重知識的傳授到強調科學探究式學習[2]。所謂科學探究，美國《國家科學教育標準》對其下了明確的定義：“科學探究指的是科學家們用以研究自然界，并基于此種研究獲得的證據提出種種解釋的多種不同途徑。”學生雖不是科學家，但他們模仿科學探究的活動就像科學家在從事科學探究一樣，所以該標準又指出：“科學探究也指的是學生構建科學知識、領悟科學的思想觀念、領悟科學家們研究自然界所用的方法而進行的各種活動。”[3]而后一種科學探究則指科學探究式學習。

MUVE有促進科學教學的潛質，但是少有標準來指導如何創建這樣的虛擬環境。如何利用MUVE，使得科學教學同時具備健全的教學方法和沉浸度高、吸引學生的臨場體驗呢？當考慮如何設計這種學習環境時，可以發現利用MUVE支持科學探究式學習存在以下幾方面的優勢。

2.1 便于構建以科學問題為核心的學習環境

科學探究式學習以問題為核心，科學探究的過程是發現問題、解決問題的過程。盡管學生的科學問題與科學家的科研問題性質不同，但正是這些問題引發學生進行探究，不斷豐富和擴展其對于客觀世界的認識和理解，建立科學的世界觀。而MUVE環境可以根據不同的科學問題構建不同的虛擬環境，這些問題并不直接展示出來，而是蘊含在虛擬環境當中，當學生以替身的形式親自體驗該環境后可以主動發現其中存在的問題。MUVE的高度臨場感可以很好地激發學生解決問題。此外，MUVE還可以虛擬過去、現在和未來的環境，在達到目的的條件下節約不少科學研究經費。

2.2 便于實現科學探究式學習中的建構主義思想

建構主義認為，學習是在一定的情境（即社會文化背景）下借助他人的幫助（即通過人際間的協作活動）而實現的意義建構過程，“情境”“協作”“會話”和“意義建構”是學習環境中的四大要素。科學探究作為一種認知活動，是個體主動建構對于客觀世界的理解的過程。科學探究式學習能夠激活先前知識，鼓勵學生將新知識納入現有知識，從而促進學習。利用這一教學方法，當學習者的思維方式并不能產出其預期結果時，他們便經歷一個認知沖突[4]。根據皮亞杰的認知沖突觀，這一認知上的不協調或沖突，將促進同化和順應[5]。在該科學問題的解決過程中，學習者不斷修改和評估他們的理解，最終達到一種新的平衡。MUVE的臨場感可以為科學探究式學習提供逼真的“問題情境”，其高度的實時交互性有助于和MUVE中其他用戶的替身、既定對象或虛擬生物進行“會話”和“協作”。通過觀察、收集資料、形成假設、進行實驗、分析數據、交流總結等過程，學生可以實現“意義建構”。

2.3 便于模擬科學探究中反復實驗的過程

MUVE中的各種虛擬實驗室使學生能在其中自由地做各種實驗，不必考慮危險程度。比如：可在虛擬地理實驗室中做地震波傳播、火山噴發等實驗；可在虛擬物理實驗室中做重力、慣性等實驗；可在虛擬生物實驗室中做各種解剖實驗；可在虛擬化學實驗室中利用各種化學藥品嘗試燃燒、爆炸等各種化學反應。

3 如何利用MUVE進行科學探究式學習（以River City為例）

科學探究式學習中最重要的是科學探究的過程及該過程的實現。什么是科學探究的過程呢？對此國內外的研究者提出各自的觀點。如，特羅布里奇等人認為，科學探究的基本程序包括形成問題、建立假設、設計研究方案、檢驗假設、表達或交流結果等；美國國家研究理事會（2000）認為，科學探究包括形成科學研究問題、收集數據、建立假設、檢驗假設和交流結果；我國《全日制義務教育科學課程標準（實驗稿）》（2001）提出，科學探究包括提出科學問題、進行猜想和假設、制定計劃和設計實驗、獲得事實與證據、檢驗與評價、表達與交流[6]。綜合而言，他們對于科學探究過程的一些基本過程，如提出問題、建立假設、制定研究方案檢驗假設、得出結論、交流結果等的認識較為一致。那么，在MUVE中進行科學探究式學習的過程及實現方法和技術又如何呢？下面以美國哈佛大學教育學院研發的River City MUVE為例，介紹如何利用MUVE支持科學探究式學習。

The River City Project（以下簡稱RC）是為中學生學習科學探究方法和21世紀技能而設計開發的交互式計算機模擬情境，該項目獲美國國家科學基金會資助。RC是一個長達17小時的基于任務的MUVE課程，允許多個用戶同時進入虛擬世界，允許和數字文物（如在線顯微鏡）交互，用戶以“替身”的形式與其他用戶或計算機代理交互，允許不同類型的合作學習活動。RC以形成假設和實驗設計的技巧為中心，感覺上像一款電腦游戲，但包含的內容卻是國家科學教育標準、國家教育技術標準及21世紀技能。RC模擬了一座城市，該城市建于19世紀后期，集中在一條河流的周圍，河流自山上流出，奔向其下游的垃圾場和沼澤地，RC里有許多區域，有工廠、醫院、大學等機構。為了實施RC，并不要求教師在某一學年里安排額外的時間，相反，RC是為代替現行的課程而設計的。RC屬于交叉學科課程，包括了生態學、健康衛生、生物學、化學以及地球學甚至歷史。該課程在MUVE中充分運用科學探究式學習方法，下面介紹其探究過程。

3.1 形成科學問題

學生的替身可以在RC中走動、跑步與游泳，也可以成群結隊地進行探險。城鎮里有污染的河川與充滿蚊子的沼澤。3種疾病同時影響著RC居民的健康，學生按下某物體就可以開啟相關主題，得到讓居民難受生病的各種可能原因。學生通過觀察形成問題——為什么RC的居民總是生病？在尋求這個終極問題的科學解釋的同時，不同的學生又會形成不同的小問題，例如：“為什么住在人口密度極高公寓里的居民比住得較遠的有錢人更容易被疾病等災害侵襲？”在RC探索的過程中，學生不斷遇到問題，不斷主動思考如何解決問題。

3.2 收集數據

科學探究式學習的第二步是“收集數據”。在RC中，設計1978年的秋天和1979年的冬、春、夏三季，學生可隨時間變化跟蹤收集數據。為了讓學生領悟到科學探究過程中要科學客觀地證明某一發現，需要各方面的大量數據，而RC提供了豐富的收集數據的方式。1）招生圖：在醫院內，提供病人的醫療信息。2）臭蟲抓捕人員：分散在RC中，提供在某區域測量臭蟲的數量。3）線索圖片：分散在RC各處，提供19世紀后期的生活快照。4）健康測量儀器：在電腦屏幕右下角，提供某一替身附近地區的環境狀況的總體說明。5）信息亭：在RC各處，包括各類信息，如天氣預報、RC新聞、重大事件、招聘廣告等。6）圖書館藏書：在虛擬圖書館中，提供各種主題的定義。7）RC居民：在RC各處，提供RC發生的事件的重要信息，如某些居民不在季節輪回中穿梭并且對若干問題僅做有限回答。8）隱性線索：在RC各處，便于根據RC居民的口述和行動、圖片、環境等進行推斷。9）水取樣站：在RC各處，可在此測量不同水源中大腸桿菌和炭疽桿菌的數量。

利用MUVE設計多維度、多途徑的數據收集方式為學生進一步展開科學探究提供了極大的便利，激發了學生進一步解決科學問題的動機。

3.3 建立假設

建立假設的步驟在RC中體現為“實驗設計”，實驗設計一般是由學生在離線狀態下自由設計的，學生通過已有知識及在RC中收集到的數據提出假設，制定實驗方案。

3.4 測試假設

在RC探索的過程中，學生可以利用各種交互工具進行探究并檢驗假設。如：利用虛擬顯微鏡，學生能測試小鎮上河流、水井及沼澤地里水的質量（圖1）；利用其他的虛擬工具，學生可以為當地居民進行血液、虱子以及糞便的檢測（圖2）。

RC中最具特色的是存在控制世界和實驗世界（圖3）兩個一模一樣的世界，學生可以改變任何一個世界里的某個變量（圖4）從而觀察改變后的效果。也許，某個因素的改變就能改變居民患病的種類。當學生設計好疾病成因的假設后，可以改變某個自變量從而測試其假設的正確性[7]。例如，學生也許認為RC里的昆蟲和堆滿垃圾的沼澤地是疾病的一種誘因，決定清理掉這些因素，然后學生可以比較控制世界和實驗世界，看看這種清理對居民的病情、水污染或蚊子數量等其他因素有何影響。在RC中，還可以隨意建造和破壞環境，以得到其想要的結果。

3.5 交流結果

在RC游玩的所有學生都要獨立書寫基于證據的、科學的報告，向虛擬市長展示其對于科學探究以及疾病傳播的理解。報告中應該對RC居民生病的原因作出解釋，同時提出減輕居民疾病和痛苦的方案。最后，學生可以和其他小組交流經驗和所見所聞。

3.6 利用MUVE進行評價

RC與數據庫相連接，能夠捕捉并記錄學生的一舉一動（例如，記錄學生使用實時的基于文本的工具與隊友交流）。這些數據將在24小時內郵寄給教師，為教師提供學生學習的形成性評價，使教師能不斷追蹤進度，及時察覺學生是否脫離任務，是否需要復習。這些信息既是學生學習的反映，也便于教師、家長等共同了解學生的學習過程。

可見，在RC中探索的過程便是一個典型的科學探究式學習過程。事實證明，這種利用MUVE支持科學探究式學習的方法極大地激發了學生的學習動機，能夠取得良好的學習效果。RC曾被推薦給美國各地的100名教師與1萬名學生來使用，在邁阿密與密爾瓦基的教學成效突出。哈佛團隊正在觀察RC是否可以被成功推展到更多學校。這個計劃同時已得到美國的國家科學基金會400萬美金的資助，在美國的7個州實施。

4 小結

以RC為代表的MUVE不僅為創建真實、情境化、分布式的學習體驗開創了新的可能，而且為評價學生提供了一種新的標準和方法。利用MUVE支持科學探究式學習，使得研究者和設計者能夠創造出安全、符合成本利益、沉浸度高的逼真的科學探究環境，為當前大力提倡的科學探究式學習提供一個新的切入點。但是，創建MUVE形式的科學探究式學習環境需要大量的人力、物力支持，其中非常重要的一點是：虛擬世界同時要由充滿知識和動機的教育工作者來引領學習。隨著科技的日益發達，經濟的日益繁榮，筆者相信，用MUVE支持科學探究式學習將會取得更加廣泛的應用。

[1]趙曉亮.教育視角下的多用戶虛擬環境初探[J].浙江現代教育技術,2008(2):45-49

[2]賴小琴,劉炳升.科學探究式學習的意義[J].教學儀器與實驗,2003(1):16-17

[3]國家研究理事會.國家科學教育標準[M].戢守志,等,譯.北京:科學技術文獻出版社,1999:23

[4]Savery J R & Duffy T M. Problem-based learning: An instructional model and its constructivist framework[J].Educational Technology,1995,35(5):31-35

[5]Koschmann T D, Myers A C, Feltovich P J & Barrows H S. Using technology to assist in realizing effective learning and instruction: A principled approach to the use of computers in collaborative learning[J].The Journal of the Learning Sciences,1994,3(3):227-264

[6]陳琴,龐麗娟.科學探究:本質、特征與過程的思考[J].教育科學,2005,21(1):1-5

[7]Ketelhut D J, Nelson B, Dede C & Clarke J. Inquiry learning in multi-user virtual environments[A].San Francisco, the National Association for Research in Science Teaching,2006