虛擬分子生物學學習實驗室構建

楊冬梅 李朝陽 張麗 李俊年

摘 要 本文提出一種將有指導的知識獲取與在計算機學習環境下的實踐經驗相結合，以計算機為基礎的學習環境，包括學習環境的教學原理是在學習科學的研究中得到的科學教育的方法。對有各種臺架工具的虛擬實驗工作臺和演示工具進行了評估，結果顯示學生們參與該項目的同時，不受預知識和興趣的差異的影響。

關鍵詞 虛擬實驗室 分子生物學

中圖分類號：G482 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.01.030

Abstract This paper proposes a computer-based learning environment that combines guided knowledge acquisition with practical experience in a computer learning environment. The teaching principle of the learning environment is a scientific education method obtained in the study of learning science. A virtual lab bench and demonstration tools with various bench tools were evaluated and the results showed that students were not affected by differences in pre-knowledge and interest while participating in the project.

Keywords virtual lab； molecular biology

培養學生基礎科學素養是當代生物、化學和物理領域高等學校和大學教育的主要目標之一。科學素養包括在科學的背景下的認知能力和元認知知識以及應用這些知識的能力。科學素養要求能夠識別和發展科學的問題，然后從理論考慮和經驗性的研究中得出結論。[1]分子生物學的實踐研究主要是通過實驗和解釋其結果來驗證理論和假設。在科學教育中缺乏實驗研究是有很多原因的，包括安全問題、實驗室的高成本和不符合學校時間表的耗時實驗。在這種情況下，老師們通常會在課堂上使用“展示和講述”的方法，這讓大多數學生處于被動接受的角色。學生將在這種情況下獲得知識，但它是零碎的，沒有融入更大的腦力模型，[2]而且過于抽象和不專業，可以被廣泛使用和轉移。[3]這并不一定意味著在傳統教育中學習是無效的；然而，課外學習往往會導致學生無法運用自己的知識。[4]以計算機為基礎的學習環境，被認為能夠提供真實性和“動手”體驗，即使在那些學校不能提供“真實”的學習環境的地區。[5]然而，對模擬學習多年的經驗和研究[6]表明，設計模擬環境來促進學習并不是一件簡單的任務，在模擬時設計師需要非常小心地決定要將現實的哪些方面結合起來。此外，從這個研究我們知道，除了提供真實的模型，學習者能夠充分利用提供的信息將精心設計的工具整合到仿真環境，并能夠應對探索式學習的要求。[7]此外，開始逐漸了解社會互動對科學學習的作用，以及如何將群體學習融入到模擬和探索式學習的環境中。[8]這里報告的研究旨在為設計師提供基于計算機的學習環境生命科學：將高品質（三維）實驗室模擬與許多“心智工具”[9]結合起來進行有效的規劃、分析和報告。我們由這種情況的分析和模擬環境需要的工具開始，來捕捉分子生物學實驗室工作的關鍵要素。

為了將實驗過程與重要的生物學原理概念聯系起來，需要有兩種知識：關于因果關系的知識（“因果知識”），它允許學生在時間上向前和向后推理（例如，“凝膠中的探針因帶負電荷由負極向正極遷移”）。此外，關于目標—子目標關系，關于實驗室儀器的功能，以及實驗步驟和某些工具的使用與目標相關（“規劃知識”）的知識允許學生去思考（實驗）計劃。規劃知識不僅是創造實驗程序的必要條件，而且在我們的語境中更重要的是理解實驗過程：計劃識別。雖然在教科書和教師中廣泛傳播因果關系，但規劃知識很少，也很少有系統地與學生交流。我們的目標是培養這兩種知識，因為我們相信，復雜的實驗過程，包括先進的儀器，并不是完全基于因果知識的。也許更世俗的計劃和計劃識別知識在科學教育中沒有得到足夠的關注，這在一定程度上可能是由于實驗的概念非常有限，這是大部分研究的基礎。[10]

基于該領域的學習目標的序列模型，Lifelab在引導探索學習中為學生提供了許多教學措施和工具。第一次評估研究的結果達到了期望，即Lifelab非常適合不同程度的領域知識和對生命科學的不同興趣的學生。

最主要的結果是，學生們實際上是通過使用虛擬實驗室來有效地學習，無論先驗知識水平如何，學習收益都差不多。有興趣的學生和不太感興趣的學生都從與這個項目的互動中得到了支持。據報道，這項研究還遠遠超出了具體的條件和參與的專業學生的范圍。其他方法問題，如隨機抽樣和避免自我選擇效應，將需要在今后的工作中加以解決。我們需要記錄過程數據，以便更近距離地觀察單個工具和設計特征的使用，以及課堂研究，以了解教師和學生如何在更有效的生態條件下使用和適當地使用該程序。幾乎無法獲得知識獲取過程的細節，這將證實我們的主張，即在Lifelab中開發出兩種知識：因果知識和規劃知識。令人沮喪的是，在評估進行時，項目的狀態不允許觀察交流和表示，這是非常重要的。

科學素養的發展是一個復雜的過程，需要多年的專業知識發展。很明顯，像Lifelab這樣的項目不能僅僅為這種擴展和持續的學習提供必要的挑戰和支持。然而，在這種環境下，這種學習的方式在學校全面的科學素養方面的進步帶來相當大的發展，應該是大學水平課程的良好準備。這是因為，通過認真使用Lifelab，它的推理過程與專業研究人員的推理有許多相似之處。Lifelab不僅在尊重學生的問題，模擬實驗室環境和儀器是真實的，而且在認識論意義上是真實的。

“認識論”是由Chinn和Malhotra（2001）提出的：“指導關于何時以及如何改變一個人的知識以回應證據的決定的基本原則”。工作中的Lifelab，是與一個歐洲領先的生命科學研究中心分子生物學家們建立密切互動，在認識論規范內學生正在進行著同真正的科學家做的和想的具有密切相似之處的實驗活動和解釋。這種關于認識論的重要性的論證是如此重要以至于它的優點需要進一步詳細闡述。

參考文獻

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