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[摘 要] 模型是对目标系统的简化的表征，模型建构是一种基于模型的学习活动。模型和模型建构是现代科学教学极为关注的课题。本文对国外关于模型与建模的内涵、计算机模拟与基于计算机的建模、计算机建模工具、计算机建模对科学教学的意义的研究作了概述，以期对我国的中小学科学教学改革有所启迪与借鉴。
[关键词] 模型； 计算机模型建构； 科学教学； 教学意义
[中图分类号] G434[文献标识码] A
[作者简介] 袁维新（1954—），男，江苏淮阴人。教授，硕导，主要从事课程与教学论和科学教育理论研究。E-mail：[email protected]。
模型（Model）与模型建构（Modeling）不仅是科学理论体系中的重要内容，也是认识科学世界的重要工具与方法。随着计算机技术的不断发展，使得计算机建模在科学教学中的应用成为可能。因此，如何认识模型和模型建构、如何通过计算机建模促进学生的科学学习，已成为科学学习与教学关注的重要课题。目前，国外对基于计算机的建模及其在科学教学中的应用的研究日趋活跃，并取得了重要成果。但是，对这一领域的研究一直没有引起我国基础科学教育界的重视。有鉴于此，本文对国外关于模型与建模的内涵、计算机模拟与基于计算机的建模、计算机建模工具、计算机建模对科学教学的意义的研究作了概述，以期对我国的中小学科学教学改革有所启迪与借鉴。
一、模型与建模的内涵
什么是模型？英汉姆和吉尔伯特（Ingham and Gilbert, 1991）[1]将其定义为：模型是对系统的简化的表征，它聚焦于系统的具体方面。这种对系统的表征主要突出系统的一些复杂的对象、事件、想法，以提供无论是可见或不可见的通常是知觉或抽象的产物（Gilbert, 1995）。[2]
许多研究者根据不同标准对模型进行分类。如Gilbert 等人（2000）[3]根据模型的本体地位将模型分为类八类：（1）心理模式（Mental Model）：是个人的被模式化的目标系统的内部表征。（2）表达模型（Expressed Model）：是由个人或小组在公众领域中，通常是在与其他人的互动过程中予以表征和使用的模型。（3）共识模型（Consensus Model）：在讨论与实验之后，不同的小组均同意表征模型是有用的，因此，原有表征模型就形成了一个共识模型。（4）历史模型（Historical Model）：这些共识模型是在特殊的历史情境产生，并随后被新模型取代，这种被取代的模型即为历史模型。（5）课程模型（Curricular Model）：若是将历史或是科学模型予以简化并融入正式的课程，即是课程模型。（6）教学模型（Teaching Model）：通常共识、历史和课程模型的产生是非常困难的，而教学模型则是由教师或学生发展的模型，以促进对上述模型的理解。（7）混合模型（Hybrid Model）：通过综合不同模型的特征，而用于课程与课堂的教学，犹如它是一个具有一致性的整体。（8）教学法模型（Model of Pedagogy）：教师在课堂中使用的模型。Buckley 和Boulter （2000）[4]依据表征的方式来区分模型：（1）具体的（Concrete）：三维空间的实体模型，如：一个塑胶的心脏。（2）言语的（verbal）：是指被听到，或是读到的、描述的、解释的、陈述的、辩论的、类比和隐喻的模型，如：心脏是一个泵。（3）视觉的（Visual）：是指被看到的模型，如图表、动画、模拟、影像，如对于月食过程的描述。（4）数学的（Mathematical）：是指以公式、方程式表征的模型，如牛顿三定律的方程式。（5）动作的（Gestural）：由身体或部分肢体的移动表征的模型，如以学生相互围绕的运动来表示太阳系。
综合上述研究者的观点，笔者认为，模型是用以表征现象、概念、过程、事件或是物体的，它可以是用不同的表征方式来呈现（如图像、文字、符号、肢体动作等多元方式），以达到不同的功能与目的（如解释性、描述性、沟通、模拟、抽象化、预测性、推理性、问题解决等），因此它具有单一或多重的、教学的、历史的、个人的/团体的、静态的/动态的等特点。实体则可包括具体物体属性和结构，而自然与物质现象可以是宏观或微观的。心理模型是长时记忆中的元素与外在环境或刺激物交互作用所产生的内在表征，因此它会随外在人、事、物等改变而改变，具有动态变化的特点。除此之外，它亦具有生成性、隐蔽性、简明性和受世界观制约等特点（Franco & Colinvaux, 2000）。[5]实体或现象与模型和心理模型交互作用。个体通过模型所表征的实体或现象来建立其内在的心理模型，而个体又可通过模型表征的方式来表达个人对实体或现象的理解。这种内隐知识结构与外显模型的交互作用，使我们得以建立科学的认识。
所谓模型建构，是一个包括定义变量、创建、检验、评价和修改模型的循环过程。科学知识的发展即为一个不断产生模型与修正模型的过程。学生使用他们已知的知识去整合新的信息，进而延伸他们的知识。在整合的过程中，来自于现象观察、直接经验或是经由许多表征的交互作用，经由心智的运作建立模型。不仅如此，模型的建立亦可通过讨论、理解、评估他人的模型，或是通过检验呈现的模型来进一步了解我们自己的心理模型，看它是否能让我们进一步去理解、描述、解释和预测现象或事件。如果符合，则模型将会被强化，或更为稳定，模型即可以被使用。如果经由这些过程必须否定模型，则模型必须进行改变，此时所需的便是修正模型，或是拒绝模型，或是重新建构一个新的模型。有鉴于此，我们认为科学教育中的模型建构是一种基于模型的学习（Model-Based Learning）活动。基于模型的学习是模型形成、应用、修正与详细阐述的反复过程。学生使用他们已知的知识建模，而教师则是帮助学生修正已存在的科学知识，建构科学的模型。
二、计算机模拟与基于计算机的建模
在当前有关建模的研究中，人们往往将建模与计算机技术联系在一起。但是，基于计算机的建模很容易与计算机模拟混为一谈。因此，有必要厘清计算机模拟与基于计算机的建模之间的关系。
模拟（Simulation）就是利用物理的、数学的模型来类比、模仿现实系统及其演变过程,以寻求过程规律的一种方法。计算机模拟是一种强调使用计算机去建立模型来模拟真实世界中的现象的技术。使用计算机模拟技术进行教学即为计算机模拟教学，它可以使学习具体化并依学习者的认知程度、适切的表征情境来帮助学生了解该现象。教学软件亦可设计成学生与计算机模拟互动，经由问题的呈现、分析、探索、考验、假说及尝试发现虚拟的自然现象，进行合理的解释。认知过程中，学习者能对所模拟的现象有更深刻的了解。计算机模拟软件能给学习者提供一个似真性的学习情境，在此情境中，学习者可收到亲自经历一自然现象或社会现象或过程的重现效果。亲临其境的效果不但可引发高度的学习动机，而且学生可与系统所呈现的情境发生互动，彷佛置身于真实的世界中。
在计算机模拟中，设计者事先已建立好了框架，提供了对某一主题领域的一个成熟的模型（是由专家建立好的）。学习者可以改变这一模型中某些变量的值，观察这些改变所带来的结果，从而探究这些变量之间的关系。这种交互性地操纵模型的方式比起过去那种注重概念、公式和规则的静态的课本学习是一个很大的进步。[6]但在计算机模拟中，学习者通常无法知道模型的工作原理和底层结构，学习者理解模型的方式可能会与设计者的意图有很大的出入，而且，学习者可能会想当然地认为计算机模拟所隐含的模型是非常合理的，不会积极思考模拟系统为什么要用这样的模型结构来表征事物，更不会想到要对这个模型加以改变了。
以上模型建构工具具有以下共同点：（1）它们都能较好地体现模型的功能，如模拟、预测与检验等；（2）它们大多属于定性工具，比较强调学生的推理过程；（3）它们均为学习者提供不同类型的模型表征方式（如数字型、图像型等），通过在软件中引入“脚手架”来支持学习者的认知活动。
四、计算机建模对科学教学的意义
计算机及其相关软件可以为学生的科学学习活动提供多方面的支持，将计算机建模应用于科学教学，具有以下几点意义：
1. 作为知识建构工具，促进学生对科学概念的理解
建构主义认为，知识是经由学习者主动参与建构而获得的，当学习者的角色从单向的接受者转变为知识的建构者与规划者时，学习者要面对分析、诠释与组织自己个人知识的挑战，计算机可以通过便利的图文编辑功能，让知识建构者随心所欲地将多媒体资源与超链接相结合来协助知识的建构。通过素材的设置与增修，学习者可将资料、信息与基本的诠释放置于计算机上；通过视觉的与听觉的数字化信息，学习者可快速有效地在计算机上处理与纪录个人知识建构的过程；通过超链接的运作，建立知识之间的关系与结构，进行有意义学习。[16]
知识建构的工具软件有Inspiration、Mindmanger 与Cmap Tools等。这类工具的主要功能在于学习者能透过操作图示与文字组块，探索、理解资料的关系与信息的类型，将关系与类型具体建构起来，绘制与修正概念图，以反映出学习者的知识结构。
研究表明，Pocket PiCoMap软件主要用于帮助学生创建以框图为主的概念图，概念和概念之间的关系能够通过箭头线来表示，帮助学生将头脑中的概念可视化，并且根据概念图表达自己对概念的理解。Artemis Express 主要用于支持学生在探究过程中查询网络或数字图书馆的资料，软件中有“提问”、“搜索”、“共享”以及“工具”，可以帮助学生更为便捷准确地找到相关资料；而Model-It 则是帮助学生建立一个有机的概念系统，概念和概念之间的关系通过其中变量变化引起的结果来显示，可用于诊断学生概念系统的完善程度。[17]
2. 作为科学探究的工具，促进学生的科学探究活动
借助计算机建模的相关软件及其手持实验设备可以开发更多适合教学的探究性课题。例如，以传感器为主要仪器的信息技术通过多种不同功能的探头，实现溶解氧、溶液pH、温度、压强、颜色、浊度等的测定，并通过计算机软件将这些性质以数字的形式进行呈现，不但有助于教材实验的改进，而且有助于开发出更多的课外探究性课题，加强科学探究内容的拓展。
研究表明，基于脚手架式教学模式的Model-It 的使用不仅有利于促进学生知识的建构，形成学生的有意义学习，而且有利于促进学生的科学探究活动。Stratford 等人（1994）认为正是Model-It 的使用使学生有机会参与了一系列计算机建模的认知活动，如分析、推理、合成、检测和诊断模型等，从而在一定程度上增强了学生的探究技能。
3. 作为动态建模工具，促进学生对模型本质的理解
为了探讨学生对于科学模型本质的理解，Treagust、Chittleborough 和 Mamiala（2002）[18]设计了诊断学生对于科学模型认识的工具，分别探讨模型是什么和模型所扮演的角色（包括模型如何被使用、什么因素会导致模型必须改变）。研究结果显示，学生对于模型的认识可以分为五种类型：模型是多重表征、模型是精确的复制、模型是解释的工具、科学模型的使用和模型变化的本质。Justi和Gilbert（2003） [19]的研究指出，大部分的6~14 岁的学生对于模型本质的看法均与日常生活中关于模型的意义有紧密的相关性，即认为模型是某事物精确的复制、模型是一个标准物、模型所表征的实体并不包括想法、模型是独特唯一的或模型是不能改变的，虽然有50%的学生认为模型具有预测功能，但他们相信对于模型真实性的判断是属于个人化的。综合上述的研究，大部分学生认为模型是某种事物的复制品，模型必须与真实的事物非常地接近，并且他们无法理解科学模型是如何被使用来说明科学想法与理论的。由此可见，学生对于模型的认识水平并不太高。研究表明，基于脚手架式教学模式的Model-It 的使用有效促进了学生对模型与建构本质的理解，如学生对建模活动的方法、目的、自变量与因变量的含义及其两者的关系的理解有所加强，从而获得有关建模过程的认知。[20]
4. 作为交流反思的平台，促进学生的反思与合作学习
建模活动是一种反思性学习活动，模型的修正和先前概念的转变均以学生的主动反思为基础。为了促进学生对学习过程的监控与反思，教师要给予学生必要的支架，例如要允许学生修改模型而不仅仅是与模型进行交互作用，要让学生通过不断反复的建模过程来评价自己的模型。这样的活动有助于发展学生的建模能力，有助于学生将建模过程和方法迁移到新的建模任务中，促进学生对相应新主题的理解。除了使模型本身成为学生反思的条件外，教师可以通过让学生解释他们的设计引导学生反思，还可以借助计算机工具来帮助学生监控自己的探究，从而促使其反思学习过程。“许多学习科学项目都通过软件工具来支持反思，这些工具组织了探究的步骤，并且使专家活动中不清晰的要素变得清晰。WISE、Symphony、Knowledge Forum、Collaboratory Notebook及INQUIRE项目都采用了这种方法。”[21]另外，小组合作也是实现反思的一项有效策略。小组成员间的分歧意见以及互相监督，为反思提供了必要的社会境脉。利用计算机的无线传输功能，可以随时随地支持学生的学习活动并相互之间分享学习资源及保持交流，有助于激发学生的学习兴趣，为创建无缝交流及合作学习环境打下基础。[22]例如，协作笔记本（Collaboratory Notebook）可以依照专题式学习的步骤协助学习共同体记录进程与发现,让成员共享这些资料。协作笔记本的目的就是为查询、咨询提供一个结构化的环境。内部的标签和链接旨在告诉学生一种调查性的步骤，协作者可以在协作笔记本内作评注，产生新的问题。
总之，计算机作为一种有效的认知工具，对于科学教学具有多方面的意义 ，诚如Susane Lajoie[23]指出的，计算机认知工具的主要功能有：（1）能够为学生提供问题解决的情境；（2）能够提高学生的认知能力；（3）能够帮助学生建构思维模型；（4）能够呈现学生头脑中的知识；（5）能够帮助学生获得并对知识进行表述；（6）培养学生的自学能力；（7）能够为学生提供合作学习的环境。
五、结 语
综上所述，国外基于计算机的建模及其对科学教学的意义的研究虽然取得了重要进展，但研究主要聚焦于开发计算机建模工具、计算机建模在科学教学中的应用等，对诸如如何有效地将计算机建模与中小学科学课程与教学整合、如何通过计算机建模促进学生概念转变和问题解决等诸多问题仍有待进一步研究。另外，由于硬件和软件方面的原因，国内关于科学教学中基于计算机建模的研究刚刚起步，绝大多数研究还停留在对计算机辅助教学和计算机模拟教学的层面。有鉴于此，笔者希望通过本文基于计算机建模及其对科学教学的意义的分析，能够为国内相关研究的开展提供一定的借鉴。
[参考文献]
[1] Ingham, A. M. and Gibert, J. K. The Use of Analogue Models by Students of Chemistry at Higher Education Level[J].International Journal of Science Education，1991，（13）:193~202.
[2] Gibert, J. The Role of Models and Modelling in Some Narratives in Science Learning[R].Presented at the Annual Meeting of the American Educational Research Association,April 18~22. San Francisco, CA, USA. 1995.
[3] Gilbert, J. D., & Buckley, B. C. Introduction to Model-Based Teaching and Learning in Science Education[J]. International Journal of Science Education，2000，22（9）：891~894.
[4] Buckley, B. C. ,& Boulter, C. J. Investigating the Role of Representations and Expressed Models in Building Mental Models[A].In J. K.Gilbert and C.J. Boulter（eds.）,Developing Models in ScienceEducation[C].Netherlands:Kluwer Academic Publishers.2000.119~135.
[5] Franco, C. & Colinvaux, D. Grasping Mental Models[A].In J. K. Gilbert & C. J. Boulter （Eds.）, Developing Models in Science Education.Dordrecht[C].The Netherlands: Kluwer Academic Publishers,2000.93~118.
[6] Wilensky Uri. Learning Probability through Building Computational Models Proceedings of the Nineteenth International Conference on the Psychology of Mathematics Education[M]. Recife, Brazil, 1995.
[7] Bliss J, Ogborn J, Boohan R, Brosnan T, Mellar H, Sakonidis B. Modeling with Young Students-Quantitative and Qualitative [J].Journal of Computing in Higher Education, 1999, 10（2）: 69~110.
[8] 刘儒德.建模:一种有效的建构性学习方式[J].心理科学进展,2003，11（1）:49~54.
[10] Rivera, H. H., Galarza, S. L., Entz, S., & Tharp, R. G. Technology and Pedagogy in Early Childhood Education: Guidance from Cultural-Historical-Activity Theory and Developmentally Appropriate Instruction[J].Information Technology in Childhood Education，2002，1， 173~196.
[11] Boohan R. Creating Worlds from Objects and Events[A]. In Mellar H, Bliss J, Boohan R, Ogborn J, Tompseff C. ed. Learning with Artificial Worlds: Computer Based Modeling in the Curriculum[C]. The Fzlmer Press, 1994.
[12] Baxter J H, Preece P. Interactive Multimedia and Concrete Three-Dimensional Modelling[J]. Journal of Computer Assisted Learning, 1999，15（4）：323~31.
[13] Jackson，S. L., Stratford, S. J., Krajcik, J., & Soloway, E.Making Dynamic Modeling Accessible to Precollege Science Students[J]. Interactive Learning Environments，1994，4（3）:233~257.
[14] 何美.Model-It:支持建模学习活动的软件环境[EB/OL].http://lsc.ecnu.edu.cn/yjzl/jymxdtl/ytdt/001475.htm.2008-11-25.
[15] 陈凯,陈博,周宏.基于Netlogo 的化学建模教学案例评析及反思[J].中国电化教育,2010,（1）：94～97.
[16] 杨宏仁.以电脑建构模型作为学习工具[J].生活科技教育月刊,2008,（5）：12～18.
[17] Kathleen Tamara Luchini Collbry. Design Guildelines for Developing Scaffolded, Handheld Software to Support Learners During Science Inquiry[R].A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy. University of Michigan, 2005.49～52.
[18] Treagust, D. F., Chittleborough, G., &Mamiala, T. L. Students’Understanding of the Role of Scientific Models in Learning Science[J].International Journal of Science Education, 2002 ,24（4）:357～368.
[19] Justi,R.S., & Gilbert,J.K. Teachers’View on the Nature of Models[J].International Journal of Science Education, 2003，25（11）:1369～1386.
[20] Zhang, B. H. Using ICT Programs as Cognitive Tools for Student-centered Learning[A]. In M. S. Khine （Ed.）, Teaching with Technology: Strategies for Engaged Learners [C].Singapore：Pearson Prentice Hall. 2006.95～123.
[21] Daniel C. Edelson and Brian J.Reiser，Making Authentic Practices Accessible to Learners:Design Challenges and Strategies[A].The Cambridge Handbook of the Learning Sciences[C].Cambridge University Press，2006.335.
[22] Dieterle, E. Wearable Computers and Evaluation[J]. The Evaluation Exchange.2004，10（3）:4～5.
[23] Lajoie, S. Computers as Cognitive Tools[A].Volume Two: No More Walls: Theory Change, Paradigm Shifts, and Their Influence on the Use of Computers for Instructional Purposes[C].Mahwah, NJ: Lawrence Erlbaum Associates.2000.
[关键词] 模型； 计算机模型建构； 科学教学； 教学意义
[中图分类号] G434[文献标识码] A
[作者简介] 袁维新（1954—），男，江苏淮阴人。教授，硕导，主要从事课程与教学论和科学教育理论研究。E-mail：[email protected]。
模型（Model）与模型建构（Modeling）不仅是科学理论体系中的重要内容，也是认识科学世界的重要工具与方法。随着计算机技术的不断发展，使得计算机建模在科学教学中的应用成为可能。因此，如何认识模型和模型建构、如何通过计算机建模促进学生的科学学习，已成为科学学习与教学关注的重要课题。目前，国外对基于计算机的建模及其在科学教学中的应用的研究日趋活跃，并取得了重要成果。但是，对这一领域的研究一直没有引起我国基础科学教育界的重视。有鉴于此，本文对国外关于模型与建模的内涵、计算机模拟与基于计算机的建模、计算机建模工具、计算机建模对科学教学的意义的研究作了概述，以期对我国的中小学科学教学改革有所启迪与借鉴。
一、模型与建模的内涵
什么是模型？英汉姆和吉尔伯特（Ingham and Gilbert, 1991）[1]将其定义为：模型是对系统的简化的表征，它聚焦于系统的具体方面。这种对系统的表征主要突出系统的一些复杂的对象、事件、想法，以提供无论是可见或不可见的通常是知觉或抽象的产物（Gilbert, 1995）。[2]
许多研究者根据不同标准对模型进行分类。如Gilbert 等人（2000）[3]根据模型的本体地位将模型分为类八类：（1）心理模式（Mental Model）：是个人的被模式化的目标系统的内部表征。（2）表达模型（Expressed Model）：是由个人或小组在公众领域中，通常是在与其他人的互动过程中予以表征和使用的模型。（3）共识模型（Consensus Model）：在讨论与实验之后，不同的小组均同意表征模型是有用的，因此，原有表征模型就形成了一个共识模型。（4）历史模型（Historical Model）：这些共识模型是在特殊的历史情境产生，并随后被新模型取代，这种被取代的模型即为历史模型。（5）课程模型（Curricular Model）：若是将历史或是科学模型予以简化并融入正式的课程，即是课程模型。（6）教学模型（Teaching Model）：通常共识、历史和课程模型的产生是非常困难的，而教学模型则是由教师或学生发展的模型，以促进对上述模型的理解。（7）混合模型（Hybrid Model）：通过综合不同模型的特征，而用于课程与课堂的教学，犹如它是一个具有一致性的整体。（8）教学法模型（Model of Pedagogy）：教师在课堂中使用的模型。Buckley 和Boulter （2000）[4]依据表征的方式来区分模型：（1）具体的（Concrete）：三维空间的实体模型，如：一个塑胶的心脏。（2）言语的（verbal）：是指被听到，或是读到的、描述的、解释的、陈述的、辩论的、类比和隐喻的模型，如：心脏是一个泵。（3）视觉的（Visual）：是指被看到的模型，如图表、动画、模拟、影像，如对于月食过程的描述。（4）数学的（Mathematical）：是指以公式、方程式表征的模型，如牛顿三定律的方程式。（5）动作的（Gestural）：由身体或部分肢体的移动表征的模型，如以学生相互围绕的运动来表示太阳系。
综合上述研究者的观点，笔者认为，模型是用以表征现象、概念、过程、事件或是物体的，它可以是用不同的表征方式来呈现（如图像、文字、符号、肢体动作等多元方式），以达到不同的功能与目的（如解释性、描述性、沟通、模拟、抽象化、预测性、推理性、问题解决等），因此它具有单一或多重的、教学的、历史的、个人的/团体的、静态的/动态的等特点。实体则可包括具体物体属性和结构，而自然与物质现象可以是宏观或微观的。心理模型是长时记忆中的元素与外在环境或刺激物交互作用所产生的内在表征，因此它会随外在人、事、物等改变而改变，具有动态变化的特点。除此之外，它亦具有生成性、隐蔽性、简明性和受世界观制约等特点（Franco & Colinvaux, 2000）。[5]实体或现象与模型和心理模型交互作用。个体通过模型所表征的实体或现象来建立其内在的心理模型，而个体又可通过模型表征的方式来表达个人对实体或现象的理解。这种内隐知识结构与外显模型的交互作用，使我们得以建立科学的认识。
所谓模型建构，是一个包括定义变量、创建、检验、评价和修改模型的循环过程。科学知识的发展即为一个不断产生模型与修正模型的过程。学生使用他们已知的知识去整合新的信息，进而延伸他们的知识。在整合的过程中，来自于现象观察、直接经验或是经由许多表征的交互作用，经由心智的运作建立模型。不仅如此，模型的建立亦可通过讨论、理解、评估他人的模型，或是通过检验呈现的模型来进一步了解我们自己的心理模型，看它是否能让我们进一步去理解、描述、解释和预测现象或事件。如果符合，则模型将会被强化，或更为稳定，模型即可以被使用。如果经由这些过程必须否定模型，则模型必须进行改变，此时所需的便是修正模型，或是拒绝模型，或是重新建构一个新的模型。有鉴于此，我们认为科学教育中的模型建构是一种基于模型的学习（Model-Based Learning）活动。基于模型的学习是模型形成、应用、修正与详细阐述的反复过程。学生使用他们已知的知识建模，而教师则是帮助学生修正已存在的科学知识，建构科学的模型。
二、计算机模拟与基于计算机的建模
在当前有关建模的研究中，人们往往将建模与计算机技术联系在一起。但是，基于计算机的建模很容易与计算机模拟混为一谈。因此，有必要厘清计算机模拟与基于计算机的建模之间的关系。
模拟（Simulation）就是利用物理的、数学的模型来类比、模仿现实系统及其演变过程,以寻求过程规律的一种方法。计算机模拟是一种强调使用计算机去建立模型来模拟真实世界中的现象的技术。使用计算机模拟技术进行教学即为计算机模拟教学，它可以使学习具体化并依学习者的认知程度、适切的表征情境来帮助学生了解该现象。教学软件亦可设计成学生与计算机模拟互动，经由问题的呈现、分析、探索、考验、假说及尝试发现虚拟的自然现象，进行合理的解释。认知过程中，学习者能对所模拟的现象有更深刻的了解。计算机模拟软件能给学习者提供一个似真性的学习情境，在此情境中，学习者可收到亲自经历一自然现象或社会现象或过程的重现效果。亲临其境的效果不但可引发高度的学习动机，而且学生可与系统所呈现的情境发生互动，彷佛置身于真实的世界中。
在计算机模拟中，设计者事先已建立好了框架，提供了对某一主题领域的一个成熟的模型（是由专家建立好的）。学习者可以改变这一模型中某些变量的值，观察这些改变所带来的结果，从而探究这些变量之间的关系。这种交互性地操纵模型的方式比起过去那种注重概念、公式和规则的静态的课本学习是一个很大的进步。[6]但在计算机模拟中，学习者通常无法知道模型的工作原理和底层结构，学习者理解模型的方式可能会与设计者的意图有很大的出入，而且，学习者可能会想当然地认为计算机模拟所隐含的模型是非常合理的，不会积极思考模拟系统为什么要用这样的模型结构来表征事物，更不会想到要对这个模型加以改变了。
以上模型建构工具具有以下共同点：（1）它们都能较好地体现模型的功能，如模拟、预测与检验等；（2）它们大多属于定性工具，比较强调学生的推理过程；（3）它们均为学习者提供不同类型的模型表征方式（如数字型、图像型等），通过在软件中引入“脚手架”来支持学习者的认知活动。
四、计算机建模对科学教学的意义
计算机及其相关软件可以为学生的科学学习活动提供多方面的支持，将计算机建模应用于科学教学，具有以下几点意义：
1. 作为知识建构工具，促进学生对科学概念的理解
建构主义认为，知识是经由学习者主动参与建构而获得的，当学习者的角色从单向的接受者转变为知识的建构者与规划者时，学习者要面对分析、诠释与组织自己个人知识的挑战，计算机可以通过便利的图文编辑功能，让知识建构者随心所欲地将多媒体资源与超链接相结合来协助知识的建构。通过素材的设置与增修，学习者可将资料、信息与基本的诠释放置于计算机上；通过视觉的与听觉的数字化信息，学习者可快速有效地在计算机上处理与纪录个人知识建构的过程；通过超链接的运作，建立知识之间的关系与结构，进行有意义学习。[16]
知识建构的工具软件有Inspiration、Mindmanger 与Cmap Tools等。这类工具的主要功能在于学习者能透过操作图示与文字组块，探索、理解资料的关系与信息的类型，将关系与类型具体建构起来，绘制与修正概念图，以反映出学习者的知识结构。
研究表明，Pocket PiCoMap软件主要用于帮助学生创建以框图为主的概念图，概念和概念之间的关系能够通过箭头线来表示，帮助学生将头脑中的概念可视化，并且根据概念图表达自己对概念的理解。Artemis Express 主要用于支持学生在探究过程中查询网络或数字图书馆的资料，软件中有“提问”、“搜索”、“共享”以及“工具”，可以帮助学生更为便捷准确地找到相关资料；而Model-It 则是帮助学生建立一个有机的概念系统，概念和概念之间的关系通过其中变量变化引起的结果来显示，可用于诊断学生概念系统的完善程度。[17]
2. 作为科学探究的工具，促进学生的科学探究活动
借助计算机建模的相关软件及其手持实验设备可以开发更多适合教学的探究性课题。例如，以传感器为主要仪器的信息技术通过多种不同功能的探头，实现溶解氧、溶液pH、温度、压强、颜色、浊度等的测定，并通过计算机软件将这些性质以数字的形式进行呈现，不但有助于教材实验的改进，而且有助于开发出更多的课外探究性课题，加强科学探究内容的拓展。
研究表明，基于脚手架式教学模式的Model-It 的使用不仅有利于促进学生知识的建构，形成学生的有意义学习，而且有利于促进学生的科学探究活动。Stratford 等人（1994）认为正是Model-It 的使用使学生有机会参与了一系列计算机建模的认知活动，如分析、推理、合成、检测和诊断模型等，从而在一定程度上增强了学生的探究技能。
3. 作为动态建模工具，促进学生对模型本质的理解
为了探讨学生对于科学模型本质的理解，Treagust、Chittleborough 和 Mamiala（2002）[18]设计了诊断学生对于科学模型认识的工具，分别探讨模型是什么和模型所扮演的角色（包括模型如何被使用、什么因素会导致模型必须改变）。研究结果显示，学生对于模型的认识可以分为五种类型：模型是多重表征、模型是精确的复制、模型是解释的工具、科学模型的使用和模型变化的本质。Justi和Gilbert（2003） [19]的研究指出，大部分的6~14 岁的学生对于模型本质的看法均与日常生活中关于模型的意义有紧密的相关性，即认为模型是某事物精确的复制、模型是一个标准物、模型所表征的实体并不包括想法、模型是独特唯一的或模型是不能改变的，虽然有50%的学生认为模型具有预测功能，但他们相信对于模型真实性的判断是属于个人化的。综合上述的研究，大部分学生认为模型是某种事物的复制品，模型必须与真实的事物非常地接近，并且他们无法理解科学模型是如何被使用来说明科学想法与理论的。由此可见，学生对于模型的认识水平并不太高。研究表明，基于脚手架式教学模式的Model-It 的使用有效促进了学生对模型与建构本质的理解，如学生对建模活动的方法、目的、自变量与因变量的含义及其两者的关系的理解有所加强，从而获得有关建模过程的认知。[20]
4. 作为交流反思的平台，促进学生的反思与合作学习
建模活动是一种反思性学习活动，模型的修正和先前概念的转变均以学生的主动反思为基础。为了促进学生对学习过程的监控与反思，教师要给予学生必要的支架，例如要允许学生修改模型而不仅仅是与模型进行交互作用，要让学生通过不断反复的建模过程来评价自己的模型。这样的活动有助于发展学生的建模能力，有助于学生将建模过程和方法迁移到新的建模任务中，促进学生对相应新主题的理解。除了使模型本身成为学生反思的条件外，教师可以通过让学生解释他们的设计引导学生反思，还可以借助计算机工具来帮助学生监控自己的探究，从而促使其反思学习过程。“许多学习科学项目都通过软件工具来支持反思，这些工具组织了探究的步骤，并且使专家活动中不清晰的要素变得清晰。WISE、Symphony、Knowledge Forum、Collaboratory Notebook及INQUIRE项目都采用了这种方法。”[21]另外，小组合作也是实现反思的一项有效策略。小组成员间的分歧意见以及互相监督，为反思提供了必要的社会境脉。利用计算机的无线传输功能，可以随时随地支持学生的学习活动并相互之间分享学习资源及保持交流，有助于激发学生的学习兴趣，为创建无缝交流及合作学习环境打下基础。[22]例如，协作笔记本（Collaboratory Notebook）可以依照专题式学习的步骤协助学习共同体记录进程与发现,让成员共享这些资料。协作笔记本的目的就是为查询、咨询提供一个结构化的环境。内部的标签和链接旨在告诉学生一种调查性的步骤，协作者可以在协作笔记本内作评注，产生新的问题。
总之，计算机作为一种有效的认知工具，对于科学教学具有多方面的意义 ，诚如Susane Lajoie[23]指出的，计算机认知工具的主要功能有：（1）能够为学生提供问题解决的情境；（2）能够提高学生的认知能力；（3）能够帮助学生建构思维模型；（4）能够呈现学生头脑中的知识；（5）能够帮助学生获得并对知识进行表述；（6）培养学生的自学能力；（7）能够为学生提供合作学习的环境。
五、结 语
综上所述，国外基于计算机的建模及其对科学教学的意义的研究虽然取得了重要进展，但研究主要聚焦于开发计算机建模工具、计算机建模在科学教学中的应用等，对诸如如何有效地将计算机建模与中小学科学课程与教学整合、如何通过计算机建模促进学生概念转变和问题解决等诸多问题仍有待进一步研究。另外，由于硬件和软件方面的原因，国内关于科学教学中基于计算机建模的研究刚刚起步，绝大多数研究还停留在对计算机辅助教学和计算机模拟教学的层面。有鉴于此，笔者希望通过本文基于计算机建模及其对科学教学的意义的分析，能够为国内相关研究的开展提供一定的借鉴。
[参考文献]
[1] Ingham, A. M. and Gibert, J. K. The Use of Analogue Models by Students of Chemistry at Higher Education Level[J].International Journal of Science Education，1991，（13）:193~202.
[2] Gibert, J. The Role of Models and Modelling in Some Narratives in Science Learning[R].Presented at the Annual Meeting of the American Educational Research Association,April 18~22. San Francisco, CA, USA. 1995.
[3] Gilbert, J. D., & Buckley, B. C. Introduction to Model-Based Teaching and Learning in Science Education[J]. International Journal of Science Education，2000，22（9）：891~894.
[4] Buckley, B. C. ,& Boulter, C. J. Investigating the Role of Representations and Expressed Models in Building Mental Models[A].In J. K.Gilbert and C.J. Boulter（eds.）,Developing Models in ScienceEducation[C].Netherlands:Kluwer Academic Publishers.2000.119~135.
[5] Franco, C. & Colinvaux, D. Grasping Mental Models[A].In J. K. Gilbert & C. J. Boulter （Eds.）, Developing Models in Science Education.Dordrecht[C].The Netherlands: Kluwer Academic Publishers,2000.93~118.
[6] Wilensky Uri. Learning Probability through Building Computational Models Proceedings of the Nineteenth International Conference on the Psychology of Mathematics Education[M]. Recife, Brazil, 1995.
[7] Bliss J, Ogborn J, Boohan R, Brosnan T, Mellar H, Sakonidis B. Modeling with Young Students-Quantitative and Qualitative [J].Journal of Computing in Higher Education, 1999, 10（2）: 69~110.
[8] 刘儒德.建模:一种有效的建构性学习方式[J].心理科学进展,2003，11（1）:49~54.
[10] Rivera, H. H., Galarza, S. L., Entz, S., & Tharp, R. G. Technology and Pedagogy in Early Childhood Education: Guidance from Cultural-Historical-Activity Theory and Developmentally Appropriate Instruction[J].Information Technology in Childhood Education，2002，1， 173~196.
[11] Boohan R. Creating Worlds from Objects and Events[A]. In Mellar H, Bliss J, Boohan R, Ogborn J, Tompseff C. ed. Learning with Artificial Worlds: Computer Based Modeling in the Curriculum[C]. The Fzlmer Press, 1994.
[12] Baxter J H, Preece P. Interactive Multimedia and Concrete Three-Dimensional Modelling[J]. Journal of Computer Assisted Learning, 1999，15（4）：323~31.
[13] Jackson，S. L., Stratford, S. J., Krajcik, J., & Soloway, E.Making Dynamic Modeling Accessible to Precollege Science Students[J]. Interactive Learning Environments，1994，4（3）:233~257.
[14] 何美.Model-It:支持建模学习活动的软件环境[EB/OL].http://lsc.ecnu.edu.cn/yjzl/jymxdtl/ytdt/001475.htm.2008-11-25.
[15] 陈凯,陈博,周宏.基于Netlogo 的化学建模教学案例评析及反思[J].中国电化教育,2010,（1）：94～97.
[16] 杨宏仁.以电脑建构模型作为学习工具[J].生活科技教育月刊,2008,（5）：12～18.
[17] Kathleen Tamara Luchini Collbry. Design Guildelines for Developing Scaffolded, Handheld Software to Support Learners During Science Inquiry[R].A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy. University of Michigan, 2005.49～52.
[18] Treagust, D. F., Chittleborough, G., &Mamiala, T. L. Students’Understanding of the Role of Scientific Models in Learning Science[J].International Journal of Science Education, 2002 ,24（4）:357～368.
[19] Justi,R.S., & Gilbert,J.K. Teachers’View on the Nature of Models[J].International Journal of Science Education, 2003，25（11）:1369～1386.
[20] Zhang, B. H. Using ICT Programs as Cognitive Tools for Student-centered Learning[A]. In M. S. Khine （Ed.）, Teaching with Technology: Strategies for Engaged Learners [C].Singapore：Pearson Prentice Hall. 2006.95～123.
[21] Daniel C. Edelson and Brian J.Reiser，Making Authentic Practices Accessible to Learners:Design Challenges and Strategies[A].The Cambridge Handbook of the Learning Sciences[C].Cambridge University Press，2006.335.
[22] Dieterle, E. Wearable Computers and Evaluation[J]. The Evaluation Exchange.2004，10（3）:4～5.
[23] Lajoie, S. Computers as Cognitive Tools[A].Volume Two: No More Walls: Theory Change, Paradigm Shifts, and Their Influence on the Use of Computers for Instructional Purposes[C].Mahwah, NJ: Lawrence Erlbaum Associates.2000.