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摘要：目前，针对中学课堂科学学科的学习，长期以来的问题之一是教师认为很难开展教学活动以帮助学生学习科学探究（Scientific Inquiry）这一复杂的知识。为了帮助中学生更好地学习科学探究，该文提供并介绍了一种名为计算机化科学探究（computational Scientific Inquiry，以下简#cso的模型。该模型由3D沉浸式虚拟世界（Virtualwodd）和基于代理的模型（Agent-BasedModeling）共同实现，并使用了名为有效失败（Productive Failure）的教学理念支撑学习活动的设计。根据CSI模型，我们打造了一个虚拟的3D星球omosa Virtual World，2D基于代理的模型Omosa Nedogo，并根据有效失败设计了相应的教学活动，三者共同构成了一个基于课堂的短期课程，来帮助学生在生物学科背景下学习科学探究。悉尼两个八年级班级参与了实证研究。在课堂中获得的实证结果证明，学生明显提高了他们在科学探究方面的学习，CSI的应用是卓有成效的。
关键词：科学探究；虚拟世界；基于代理的模型；有效失败
中图分类号：G434 文献标识码：A
21世纪科学学科课堂的教学目标正从仅仅针对概念的记忆与背诵积极转向对科学探究（Scientifie Inquiry）能力的侧重与培养。如今，科学探究能力已经成为中外理科学习的重点目标之一。我国的《义务教育初中科学课程标准（2011版）》对于科学探究给出了以下定义：“通常意义上的科学探究指的是科学家们用以研究自然界并基于此种研究获得的证据提出种种解释的多种不同途径。科学教育中所说的科学探究则是指学生经历与科学家相似的探究过程，为获取知识、领域科学的思想观念、学习和掌握方法而进行的各种活动。”
然而，在以教师讲授主要形式的传统课堂教学中，学生很难真正通过课堂学习提高科学探究能力。近年来，越来越多的教育研究者提倡利用虚拟世界（virtual World，以下简称VW）和基于代理的模型（Agent-Based Modeling，以下简称ABM）等计算机可视化技术帮助学生学习复杂困难的理科知识。
虚拟世界是一种类似真实世界的计算机模拟环境，往往基于3D技术，用户一般会通过一个Avatar（即一个用户的3D虚拟角色或该角色的2D图形展示）在其中漫游探索。用户可以使用虚拟环境中提供的一系列工具进行探索，也可以和非玩家角色（Non-Player Character，简称NPC）或其它在线用户在环境中进行互动。过去使用VW学习科学知识的项目主要有有哈佛大学团队的River City项目和EcoMUVE项目、亚利桑那州立大学的Quest Atlantis项目等。在River City项目中，学生需要在一个模拟的中世纪的城市中解决当地的瘟疫问题。他们的目标是帮助学生学习解决复杂的科学问题。在这个项目中，学生合作探究场景并进行观察，利用仿真的工具收集现实世界中无法觀测到的数据，例如使用显微镜观察细菌，一般课堂里不允许每个学生能够获得这样的设备，亦或是通过虚拟世界中的图书馆获得阅读书籍获得资源，和NPC谈话，与其他在线学员通过聊天窗口在线交流等。结果显示通过虚拟世界的学习，学生显著提高了他们的生物学知识以及他们的学习动机，但是在这个项目中并没有显示虚拟世界对于学习科学探究有明显支持。EcoMUVE则是一个用于学习生态学复杂因果关系的虚拟世界。该项目的研究结果同样表明经过了虚拟世界的学习，学生显著提高了他们在生态学知识方面的理解。与River City以及EcoMUVE相比，Quest Ahantis的环境更为混合，既有配合教室内展开正式学习的实践，也有校外的非正式学习实践，例如学生可以使用家里的电脑自由进入虚拟世界学习。相关的结果也表明学生明显提高了科学探究能力和对学习的兴趣。总而言之，整体的结果表明虚拟世界能够有效地帮助学生学习科学知识，增强学习动机。
ABM则是一种计算机可视化模型，它能够提供一种“从底向上”的科学现象展示，并能够表现系统高层面的内容是如何通过独立低层面的元素之间的不断交互从而产生的。总而言之，在教育领域，比之过去更多地仅仅将计算机视为一种测量与计算的量化工具，可视化技术更能实现视觉上的呈现，作为一种质性工具更好地帮助学生体验科学实践。早期的研究中，ABM被用于帮助学生学习例如自我组织性和正反馈等复杂系统的知识。在近年的研究中，ABM主要被用于模拟科学学科中的复杂的现象，例如自然中的温室效应，电流中的电子运动等。结果表明学生通过ABM学习显著提升了他们对复杂知识的理解。不仅如此，通过ABM还能进一步帮助学习知识迁移，即学生能够将课堂知识应用在解决现实生活中的问题中。
在前人的研究基础上，针对理科科学探究的学习，迈克尔·J·雅各布森（Michael J.Jacobson）教授首次提出了名为计算机化科学探究（ComputationalScientific Inquirv）的模型。该模型旨在利用计算机可视化、计算机模拟实验技术让学生在课堂内展开模拟科学实践活动，从而学习和体会真实的科学探究过程。本研究中，团队分别选择了3D虚拟世界和Netlogo来分别实现计算机的可视化和计算机的模拟实验，二者共同实现了CSI模型的实体化。本研究将详细介绍：（1）CSI模型是如何通过其团队的“拯救Omosa星球原住民”项目被具体打造和实现的；（2）CSI模型的课堂应用实证研究过程和结果。
一、“拯救Omosa星球原住民”项目介绍
Omosa虚拟星球项目是由悉尼大学Jacobson教授领衔，悉尼大学、麦考瑞大学两所大学的研究者联合研发的一个跨学科项目，整个设计开发周期跨度历时约9年（2008-2017）。本项目的主要研究目的，是帮助传统课堂解决中学生难以学习科学探究这一问题。研究目的又可以分为两个层面：理论层面和实际层面。从理论层面，本项目旨在通过实际应用学习理论（即有效失败），验证该理论在中学科学学科学习领域的实际应用效果，并进一步探究和完善该理论的运行机制，推进学习科学领域学习理论的发展。从实际层面，该项目旨在打造一套完整的课程，包括计算机技术和教学材料在内，实现了科研产品能够直接应用于课堂，帮助学生学习科学探究。 本项目获得了澳大利亚研究局的支持，整个项目资助分为两期，研发基金均由澳大利亚政府支持，分别约合人民币175万（2010-2012）和333万（2015-2017）。经过近十年的努力，研究团队设计开发了一个3D虚拟世界Omosa，以及名为“拯救Omosa星球原住民”的配套课程。学生可以在该虚拟世界中扮演科学家的角色，与行星环境调查机构（IEIA）的科学家们一起，探索导致Omosa星球某岛屿上动物濒危的原因所在。学习过程中，学生像真正的生物学家一样收集数据，运行计算机模拟实验开展探究，并最终以报告的形式将他们的探究结果与同学和老师分享，从而有助于探究能力的培养和提升。
作为一个跨学科項目，研发团队成员主要由三部分组成：
（1）教学设计小组：成员由多位学习科学领域专家、一位生物系的生物学家，以及多名教师教育和学习技术领域的研究员和研究生组成。该小组主要负责确定学习目标和学习内容，完成虚拟环境Omosa星球的设计和其与配套的教学活动设计工作。其中生物学家夏洛特·E·泰勒（Charlotte E.Taylor）教授和当地的生物学老师负责梳理并确定项目相关的生物学知识和内容；
（2）图形设计与技术开发小组：由麦考瑞大学的黛博拉·理查德（Deborah Richards）教授主导，主要负责3D虚拟世界Omosa VWorld及配套的2D可视化ABM模型Omosa NetLogo环境的开发；
（3）学习研究设计小组：由悉尼大学Jacobson教授主导，成员与教学设计小组的成员相同。该研究小组主要负责制订详细的实证研究计划，以考察Omosa虚拟世界在中学中应用的效果，有序推进该研究项目，确保项目的初始研究目标按期达成，并将相关成果在各大渠道（如期刊、著作章节、学术会议等）进行发表。
整个项目的研究过程大致分为三步：首先，由教学设计小组展开教学内容、教学理念等有关的教学设计。伴随第一步展开的同时，技术与图形设计小组则进行3D虚拟环境的研发，研发工具为Unity3D （http：//unity3d.com/），一个跨平台游戏开发引擎，2D的ABM模型也被开发完毕。最后，团队开展基于课堂的实证研究和应用，并整理成果逐步进行公开发表。
（一）Omosa软件环境
Omosa环境主要由两部分组成：3D虚拟世界Omosa VWorld和2D可视化ABM模型Omosa NetLogo。两者共同作用具体实现了CSI模型，作为一个整体应用于教学实践。
1.Omosa VWorld
Omosa VWorld是一个3D虚拟世界。该虚拟世界的主体是Omosa星球上的一片岛屿，它模仿和呈现了古代澳洲干旱岛屿的生态环境。虚拟世界中学生能够以第一视角探索该岛屿，其移动和操作方式都和市面上流行的角色扮演类游戏相似，十分简单和易于上手，如图1所示。界面的左上角是工具区，提供了地图、书包（用于存放道具）、帮助、退出等工具。通过点击右上角的卫星按钮，学生能够以俯视的角度观察岛屿上叶鹿和花斑狼的运动和捕食链行为（花斑狼以叶鹿为食）。其中，叶鹿与花斑狼的运动与捕食链行为背后的运行规则由ABM算法实现。关于算法实现部分的详细内容，本文不作详细介绍，请参考麦考瑞大学Richards教授的文章《评估在捕食链关系下3D智能虚拟动物的行为和模型》。
岛屿拥有诸多地点与场景供学生开展各式各样的探究性活动（例如：观察动物，与村民沟通等），如图2所示。主要的区域有：（1）村庄：学生可以观察Omosa原住民的生活或者与他们交流；（2）狩猎场：学生可以在那里发现并观察成群的动物；（3）研究机构：学生可以和机构中各种不同专业背景的科学家交流；（4）气象站：学生可以和其中的气象专家交流或查看与气候相关的数据。
由于本课程中学生需要扮演科学家解决岛屿上某种动物（即叶鹿，原型来自于澳洲已经灭绝的古代似鹿生物）为何濒危的问题，以上一系列场景将为此提供各类实用的信息与数据，如右图3所示。学生可以通过自身的观察，与NPC交流等活动一步步地收集信息，并进而提出各种科研设想。通过前期探索与收集到的信息，学生一般会得到最主流的三种推论：（1）气候变化导致叶鹿濒危；（2）火耕农业破坏当地生态环境进而导致叶鹿濒危；（3）原住民过度捕杀导致生物濒危。
2.Omosa NetLogo
当学生在Omosa VWorld中进行了足够的观察及信息获取后，他们会形成对于探究问题的一些初步的推论。接下来，为了进一步验证他们的推论，学生会被要求使用2D可视化ABM——Omosa NetLogo进一步观察和证明他们的推论。Omosa NetLogo是一种由NetLogo语言编写的可视化ABM，在本项目中用于呈现若干变量在一定的初始条件下发生的动态变化关系，这些变量包括：（1）叶鹿数；（2）花斑狼数；（3）草地；（4）是否有原住民（有原住民则会引入火耕和捕食叶鹿两个变量）。这种变量的持续动态变化直接以2D图像的形式呈现，同时系统也会显示传统的数字数据和动态趋势图。以下页图4为例，图4显示的是在一定数量的叶鹿、花斑狼和草地的条件下，引入原住民和火耕行为后其它几个变量的动态变化情况。右方的2D图形显示的是实时的草地面积、叶鹿和花斑狼的数量与位置，左侧上方显示的是各种变量的初始情况，下方是变量的数量和该数据的变化趋势图。
与在Omosa VWorld中学生只能进行观察不同，Omosa NetLogo能够让学生操控多个自变量进行赋值，并观察赋值后因变量的动态变化情况。通过这个小实验，学生根据推论设计实验，并收集计算机最终呈现的种种数据。完成数据收集后，学生再基于数据进行判断和分析，最后得出相应的结论。此外，学生也可以将2D环境收集到的数据与3D虚拟世界中获得的数据互相对照。这一系列借助计算机进行数据收集和分析的活动与21世纪科学家开展的科学探究活动在过程上是相互对应的。 此外，本项目也有一些不足，例如样本量小，数据部分遗失问题等。我们希望能够通过团队未来的工作来弥补。
尽管本项目有一些不足，但我们依然认为本项目有着诸多意义。长期以来，在传统教室中学习科学探究这样的知识非常困难。从科研角度来说，我们填补了行业内针对学习和培养科学探究能力、“玩中学”等领域的研究空白，并在教学理念上创新地实践了“PF 由低到高的教学顺序”的教学方法。与许多玩中学研究得到的矛盾的结果不同，本次研究的结果表明CSI模型和PF的结合整体是卓有成效的。这一情况反映了当下玩中学必须给予合理的教法支撑才能真正帮助学生提高学习。从技术角度，我们贡献了Omosa这一3D虚拟世界和2D的ABM模型等教学软件与环境。特别是在3D虚拟世界中展示合理的动物行为模型，为相关算法做出了贡献。从应用角度，我们设计了一整套完整的学习课程与配套软件，能够帮助现今国内外传统课堂的学生足不出户就能模拟体验户外的科学探究活动，弥补了传统课堂针对该部分教学的困难和传统教室客观物理条件上的不足。不仅如此，由于虚拟世界可以模拟各种现实中不存在的场景，本次研究的虚拟世界能够带领学生前往类似古代澳洲的环境并让学生展开研究，这一点是现实世界无法做到的，也是虚拟世界的优势。我们希望这一整套包括软件在内的课程能够真正普及，走向更多的传统课堂，帮助学生模拟体验户外科研的过程，进而通过这样的学习活动提高他们的科学探究能力。
针对本项目，我们认为未来可以改进及开展的方向有：进一步修正CSI学习课程，并观察将其融入常规课堂后学生的学习情况；通过更多大规模的实验探索与验证“由低到高”的教学顺序是否优于传统课堂“由高到低”的教学方法；通过发掘更多细节，进一步探究如何通过搭载先进的计算机技术，利用CSI模型更好地帮助学生学习和培养各类理科科目中各种复杂的知识与能力等。
如今许多学生对于传统课堂带来的科学探究和理科学习依然表现得较为消极和抵触，探究类问题依旧是初高中理科教学的难点。作为总结，我们希望我们的研究能够吸引更多的科研工作者着眼于利用虚拟世界和模型等计算机技术帮助学生学习科学探究和理科知识的领域中来。所以，我们十分希望未来我们能够通过将这些计算机技术与先进教学方式的結合，设计出能够真正培养学生对理科知识产生深刻理解和兴趣的课程。
收稿日期：2017年3月1日
责任编辑：赵云建
关键词：科学探究；虚拟世界；基于代理的模型；有效失败
中图分类号：G434 文献标识码：A
21世纪科学学科课堂的教学目标正从仅仅针对概念的记忆与背诵积极转向对科学探究（Scientifie Inquiry）能力的侧重与培养。如今，科学探究能力已经成为中外理科学习的重点目标之一。我国的《义务教育初中科学课程标准（2011版）》对于科学探究给出了以下定义：“通常意义上的科学探究指的是科学家们用以研究自然界并基于此种研究获得的证据提出种种解释的多种不同途径。科学教育中所说的科学探究则是指学生经历与科学家相似的探究过程，为获取知识、领域科学的思想观念、学习和掌握方法而进行的各种活动。”
然而，在以教师讲授主要形式的传统课堂教学中，学生很难真正通过课堂学习提高科学探究能力。近年来，越来越多的教育研究者提倡利用虚拟世界（virtual World，以下简称VW）和基于代理的模型（Agent-Based Modeling，以下简称ABM）等计算机可视化技术帮助学生学习复杂困难的理科知识。
虚拟世界是一种类似真实世界的计算机模拟环境，往往基于3D技术，用户一般会通过一个Avatar（即一个用户的3D虚拟角色或该角色的2D图形展示）在其中漫游探索。用户可以使用虚拟环境中提供的一系列工具进行探索，也可以和非玩家角色（Non-Player Character，简称NPC）或其它在线用户在环境中进行互动。过去使用VW学习科学知识的项目主要有有哈佛大学团队的River City项目和EcoMUVE项目、亚利桑那州立大学的Quest Atlantis项目等。在River City项目中，学生需要在一个模拟的中世纪的城市中解决当地的瘟疫问题。他们的目标是帮助学生学习解决复杂的科学问题。在这个项目中，学生合作探究场景并进行观察，利用仿真的工具收集现实世界中无法觀测到的数据，例如使用显微镜观察细菌，一般课堂里不允许每个学生能够获得这样的设备，亦或是通过虚拟世界中的图书馆获得阅读书籍获得资源，和NPC谈话，与其他在线学员通过聊天窗口在线交流等。结果显示通过虚拟世界的学习，学生显著提高了他们的生物学知识以及他们的学习动机，但是在这个项目中并没有显示虚拟世界对于学习科学探究有明显支持。EcoMUVE则是一个用于学习生态学复杂因果关系的虚拟世界。该项目的研究结果同样表明经过了虚拟世界的学习，学生显著提高了他们在生态学知识方面的理解。与River City以及EcoMUVE相比，Quest Ahantis的环境更为混合，既有配合教室内展开正式学习的实践，也有校外的非正式学习实践，例如学生可以使用家里的电脑自由进入虚拟世界学习。相关的结果也表明学生明显提高了科学探究能力和对学习的兴趣。总而言之，整体的结果表明虚拟世界能够有效地帮助学生学习科学知识，增强学习动机。
ABM则是一种计算机可视化模型，它能够提供一种“从底向上”的科学现象展示，并能够表现系统高层面的内容是如何通过独立低层面的元素之间的不断交互从而产生的。总而言之，在教育领域，比之过去更多地仅仅将计算机视为一种测量与计算的量化工具，可视化技术更能实现视觉上的呈现，作为一种质性工具更好地帮助学生体验科学实践。早期的研究中，ABM被用于帮助学生学习例如自我组织性和正反馈等复杂系统的知识。在近年的研究中，ABM主要被用于模拟科学学科中的复杂的现象，例如自然中的温室效应，电流中的电子运动等。结果表明学生通过ABM学习显著提升了他们对复杂知识的理解。不仅如此，通过ABM还能进一步帮助学习知识迁移，即学生能够将课堂知识应用在解决现实生活中的问题中。
在前人的研究基础上，针对理科科学探究的学习，迈克尔·J·雅各布森（Michael J.Jacobson）教授首次提出了名为计算机化科学探究（ComputationalScientific Inquirv）的模型。该模型旨在利用计算机可视化、计算机模拟实验技术让学生在课堂内展开模拟科学实践活动，从而学习和体会真实的科学探究过程。本研究中，团队分别选择了3D虚拟世界和Netlogo来分别实现计算机的可视化和计算机的模拟实验，二者共同实现了CSI模型的实体化。本研究将详细介绍：（1）CSI模型是如何通过其团队的“拯救Omosa星球原住民”项目被具体打造和实现的；（2）CSI模型的课堂应用实证研究过程和结果。
一、“拯救Omosa星球原住民”项目介绍
Omosa虚拟星球项目是由悉尼大学Jacobson教授领衔，悉尼大学、麦考瑞大学两所大学的研究者联合研发的一个跨学科项目，整个设计开发周期跨度历时约9年（2008-2017）。本项目的主要研究目的，是帮助传统课堂解决中学生难以学习科学探究这一问题。研究目的又可以分为两个层面：理论层面和实际层面。从理论层面，本项目旨在通过实际应用学习理论（即有效失败），验证该理论在中学科学学科学习领域的实际应用效果，并进一步探究和完善该理论的运行机制，推进学习科学领域学习理论的发展。从实际层面，该项目旨在打造一套完整的课程，包括计算机技术和教学材料在内，实现了科研产品能够直接应用于课堂，帮助学生学习科学探究。 本项目获得了澳大利亚研究局的支持，整个项目资助分为两期，研发基金均由澳大利亚政府支持，分别约合人民币175万（2010-2012）和333万（2015-2017）。经过近十年的努力，研究团队设计开发了一个3D虚拟世界Omosa，以及名为“拯救Omosa星球原住民”的配套课程。学生可以在该虚拟世界中扮演科学家的角色，与行星环境调查机构（IEIA）的科学家们一起，探索导致Omosa星球某岛屿上动物濒危的原因所在。学习过程中，学生像真正的生物学家一样收集数据，运行计算机模拟实验开展探究，并最终以报告的形式将他们的探究结果与同学和老师分享，从而有助于探究能力的培养和提升。
作为一个跨学科項目，研发团队成员主要由三部分组成：
（1）教学设计小组：成员由多位学习科学领域专家、一位生物系的生物学家，以及多名教师教育和学习技术领域的研究员和研究生组成。该小组主要负责确定学习目标和学习内容，完成虚拟环境Omosa星球的设计和其与配套的教学活动设计工作。其中生物学家夏洛特·E·泰勒（Charlotte E.Taylor）教授和当地的生物学老师负责梳理并确定项目相关的生物学知识和内容；
（2）图形设计与技术开发小组：由麦考瑞大学的黛博拉·理查德（Deborah Richards）教授主导，主要负责3D虚拟世界Omosa VWorld及配套的2D可视化ABM模型Omosa NetLogo环境的开发；
（3）学习研究设计小组：由悉尼大学Jacobson教授主导，成员与教学设计小组的成员相同。该研究小组主要负责制订详细的实证研究计划，以考察Omosa虚拟世界在中学中应用的效果，有序推进该研究项目，确保项目的初始研究目标按期达成，并将相关成果在各大渠道（如期刊、著作章节、学术会议等）进行发表。
整个项目的研究过程大致分为三步：首先，由教学设计小组展开教学内容、教学理念等有关的教学设计。伴随第一步展开的同时，技术与图形设计小组则进行3D虚拟环境的研发，研发工具为Unity3D （http：//unity3d.com/），一个跨平台游戏开发引擎，2D的ABM模型也被开发完毕。最后，团队开展基于课堂的实证研究和应用，并整理成果逐步进行公开发表。
（一）Omosa软件环境
Omosa环境主要由两部分组成：3D虚拟世界Omosa VWorld和2D可视化ABM模型Omosa NetLogo。两者共同作用具体实现了CSI模型，作为一个整体应用于教学实践。
1.Omosa VWorld
Omosa VWorld是一个3D虚拟世界。该虚拟世界的主体是Omosa星球上的一片岛屿，它模仿和呈现了古代澳洲干旱岛屿的生态环境。虚拟世界中学生能够以第一视角探索该岛屿，其移动和操作方式都和市面上流行的角色扮演类游戏相似，十分简单和易于上手，如图1所示。界面的左上角是工具区，提供了地图、书包（用于存放道具）、帮助、退出等工具。通过点击右上角的卫星按钮，学生能够以俯视的角度观察岛屿上叶鹿和花斑狼的运动和捕食链行为（花斑狼以叶鹿为食）。其中，叶鹿与花斑狼的运动与捕食链行为背后的运行规则由ABM算法实现。关于算法实现部分的详细内容，本文不作详细介绍，请参考麦考瑞大学Richards教授的文章《评估在捕食链关系下3D智能虚拟动物的行为和模型》。
岛屿拥有诸多地点与场景供学生开展各式各样的探究性活动（例如：观察动物，与村民沟通等），如图2所示。主要的区域有：（1）村庄：学生可以观察Omosa原住民的生活或者与他们交流；（2）狩猎场：学生可以在那里发现并观察成群的动物；（3）研究机构：学生可以和机构中各种不同专业背景的科学家交流；（4）气象站：学生可以和其中的气象专家交流或查看与气候相关的数据。
由于本课程中学生需要扮演科学家解决岛屿上某种动物（即叶鹿，原型来自于澳洲已经灭绝的古代似鹿生物）为何濒危的问题，以上一系列场景将为此提供各类实用的信息与数据，如右图3所示。学生可以通过自身的观察，与NPC交流等活动一步步地收集信息，并进而提出各种科研设想。通过前期探索与收集到的信息，学生一般会得到最主流的三种推论：（1）气候变化导致叶鹿濒危；（2）火耕农业破坏当地生态环境进而导致叶鹿濒危；（3）原住民过度捕杀导致生物濒危。
2.Omosa NetLogo
当学生在Omosa VWorld中进行了足够的观察及信息获取后，他们会形成对于探究问题的一些初步的推论。接下来，为了进一步验证他们的推论，学生会被要求使用2D可视化ABM——Omosa NetLogo进一步观察和证明他们的推论。Omosa NetLogo是一种由NetLogo语言编写的可视化ABM，在本项目中用于呈现若干变量在一定的初始条件下发生的动态变化关系，这些变量包括：（1）叶鹿数；（2）花斑狼数；（3）草地；（4）是否有原住民（有原住民则会引入火耕和捕食叶鹿两个变量）。这种变量的持续动态变化直接以2D图像的形式呈现，同时系统也会显示传统的数字数据和动态趋势图。以下页图4为例，图4显示的是在一定数量的叶鹿、花斑狼和草地的条件下，引入原住民和火耕行为后其它几个变量的动态变化情况。右方的2D图形显示的是实时的草地面积、叶鹿和花斑狼的数量与位置，左侧上方显示的是各种变量的初始情况，下方是变量的数量和该数据的变化趋势图。
与在Omosa VWorld中学生只能进行观察不同，Omosa NetLogo能够让学生操控多个自变量进行赋值，并观察赋值后因变量的动态变化情况。通过这个小实验，学生根据推论设计实验，并收集计算机最终呈现的种种数据。完成数据收集后，学生再基于数据进行判断和分析，最后得出相应的结论。此外，学生也可以将2D环境收集到的数据与3D虚拟世界中获得的数据互相对照。这一系列借助计算机进行数据收集和分析的活动与21世纪科学家开展的科学探究活动在过程上是相互对应的。 此外，本项目也有一些不足，例如样本量小，数据部分遗失问题等。我们希望能够通过团队未来的工作来弥补。
尽管本项目有一些不足，但我们依然认为本项目有着诸多意义。长期以来，在传统教室中学习科学探究这样的知识非常困难。从科研角度来说，我们填补了行业内针对学习和培养科学探究能力、“玩中学”等领域的研究空白，并在教学理念上创新地实践了“PF 由低到高的教学顺序”的教学方法。与许多玩中学研究得到的矛盾的结果不同，本次研究的结果表明CSI模型和PF的结合整体是卓有成效的。这一情况反映了当下玩中学必须给予合理的教法支撑才能真正帮助学生提高学习。从技术角度，我们贡献了Omosa这一3D虚拟世界和2D的ABM模型等教学软件与环境。特别是在3D虚拟世界中展示合理的动物行为模型，为相关算法做出了贡献。从应用角度，我们设计了一整套完整的学习课程与配套软件，能够帮助现今国内外传统课堂的学生足不出户就能模拟体验户外的科学探究活动，弥补了传统课堂针对该部分教学的困难和传统教室客观物理条件上的不足。不仅如此，由于虚拟世界可以模拟各种现实中不存在的场景，本次研究的虚拟世界能够带领学生前往类似古代澳洲的环境并让学生展开研究，这一点是现实世界无法做到的，也是虚拟世界的优势。我们希望这一整套包括软件在内的课程能够真正普及，走向更多的传统课堂，帮助学生模拟体验户外科研的过程，进而通过这样的学习活动提高他们的科学探究能力。
针对本项目，我们认为未来可以改进及开展的方向有：进一步修正CSI学习课程，并观察将其融入常规课堂后学生的学习情况；通过更多大规模的实验探索与验证“由低到高”的教学顺序是否优于传统课堂“由高到低”的教学方法；通过发掘更多细节，进一步探究如何通过搭载先进的计算机技术，利用CSI模型更好地帮助学生学习和培养各类理科科目中各种复杂的知识与能力等。
如今许多学生对于传统课堂带来的科学探究和理科学习依然表现得较为消极和抵触，探究类问题依旧是初高中理科教学的难点。作为总结，我们希望我们的研究能够吸引更多的科研工作者着眼于利用虚拟世界和模型等计算机技术帮助学生学习科学探究和理科知识的领域中来。所以，我们十分希望未来我们能够通过将这些计算机技术与先进教学方式的結合，设计出能够真正培养学生对理科知识产生深刻理解和兴趣的课程。
收稿日期：2017年3月1日
责任编辑：赵云建