四、结论和启示

　　(一)模型和建模工具的设计

　　1. 提供简单的建模方式

　　通过以上分析，本文总结国外MbSLE的建模方式主要分为三种，一种是以PhET和WOW等为代表的需编程人员针对特定学科、特定主题而设计的模型，是基于编程语言的建模方式。使用者较难依据自己需求修改并设计新的模型，因此，该类方法设计的模型种类也相对比较单一，更新慢，适用范围较窄。第二种是以NetLogo和 Simquest 为代表的通过为教师提供模型编辑区，提供相对编程语言简单的建模语言供教师建构所需模型，并可编辑一定的教学内容，是基于模型编辑区的建模方式。这种环境中往往还提供共享平台或模型库来帮助用户上传、存储以及共享所建的模型，模型种类丰富，更新率高，但不适合建模水平较低的学生使用。

　　第三种是以Co-Lab、Cacoo、ModelingSpace和 Model-It为代表的通过提供面向学生的简单建模工具，并辅以所需的图库或符号库等，以结构图的方式通过一定的关系来形成模型的设计，是基于建模工具的建模方式。这种建模方式更为简便、直观，适合不同认知水平的学生使用。这三种方式的建模难度层层递减，从面向编程人员到面向学生，适用群体也进一扩大。第三种方式中除了提供简单的建模方法外，还为建模提供符号、图片、视频、动画等，使学生从更为直观的角度来理解概念系统的组成。因此，相对于前两种，第三种建模方式更适合中学的科学学习，建议教师在日常教学中多选择含有此类建模方式的科学学习环境。而对于教师自身，也应适当关注并使用第二种建模方式的学习环境，不但有助于增强自身的建模水平，更能为学生提供多样化的学习模型。

　　2. 使用结构图来表征模型

　　结构图对科学原理或概念的高度概括能力，使得其普适性较其他形式的.模型表达方式更强。用结构图表征科学模型能够加强学生推理、概念的深度认知以及系统观点的形成，[22][23]研究也表明，学生更容易通过这种方式表达对概念的认知。[24]在这些结构图示的组成要素中，主要包括主体、变量以及变量与变量之间的关系。本文对上述学习环境涉及的结构图中模型的要素、要素的表达方式进行了总结，见表6。可见，大多数结构图用特定的图形或符号来表征概念系统中的主体、变量及其关系。

　　面向不同的使用者，设计策略不同。当面向低水平学习者时，资源库中包含更多能够表征一定主体和变量的图片、视频以及动画等。在面向高水平的学习者时，资源库则提供了不同种类的符号以及图形等。在结构图变量关系的表征中，也使用了不同的符号，如直接用直线、直接加文字描述、直线加方程、直线加符号等。便于学习者依据自身能力，建立不同水平的模型关系。这样的设计，也为相关研究者提供了启示，即面向不同水平的学习者，认知符号和表达方式的设计需要有一定的层次性，从具体到抽象、从简单到复杂、从显性到隐性描述的设计原理，为用户提供一个更为灵活的学习环境。

　　(二)支持性工具的设计

　　支持性工具主要分为三种：支持控制和执行模型的工具、支持学生学习过程的内容设计、促进学生合作交流的工具。[25][26]

　　1. 提供不同控制程度的模型支持性工具

　　在模型的建构中，学习者主要通过改变模型要素，参数以及变量关系等来形成模型。在模型的形成中，通过模型建构来生成模型的方式，变化性最强，由学习者全新建构而成，对学生认知水平和建模技能要求较高;附有因素控制的支持性工具的模型可控制性次之，如在类型1中，大多通过设计可控制按钮使因素种类和大小改变来观察模型的变化。

　　这些均属于可调控模型的范畴，模型的要素大多已经确定，变量关系也由计算机生成而非学习者定义，因此，这样的模型对于学生的认知水平和建模水平的要求相应降低。而无调控工具的模型则适合教师演示和学生观察，对于学生自主探究能力的要求降低。所以，在实际教学中，教师应针对学习者的学习水平，选择不同层次控制程度的建模支持性工具，便于学生观察和控制各种模型。适当对认知水平较高的学生，提供相应的建模工具，为锻炼学生思维、促进系统观点的形成提供更为有力的支持。

　　2. 设计不同程度的共享工具

　　除其他支持性工具外，当前国外MbSLE的最大特点是共享建模区的设计。该设计使建模过程融合学生的讨论、互评、自我反思等方法，[27]进一步体现了基于计算机的合作学习的价值。在共享建模区中依据共享程度的不同，分为实时建模和非实时建模，实时建模往往表现为共享建模过程，非实时建模则表现为共享建模结果。实时建模是一种更为严格的共享方式，允许少量的合作者共同建模，技术难度较大。在ModelingSpace 和CmapTools中，建模主体为一人，其他学习者若想共享模型，则需提出请求。这种一个共享界面在固定的时间只能允许一人建模，是非实时建模的一种。而在Cacoo 和Cool Modes的设计中，建模过程和结果均可以和其他人实时共享，多个合作者可以在同一时间同一界面合作建构一个模型为实时建模方式。与非实时建模方式相比，实时建模方式对于学习者的交流、合作能力提出了更高的要求，适合具有较高水平合作能力的学习者使用，教师在教学过程中需要介入更多的干预，以加强学生的配合。

　　3. 为教学提供内容设计方法

　　在MbSLE中，除了基于模型的教学理论应用外，其他教学方法和原理也渗透于教学内容的设计和工具的使用中。比如，学生在使用Simquest时，该软件会为学生提供一系列与模型内容配套的学习内容及其测评工具，如作业、反馈、前侧和后侧等。

　　[28]这种与模型紧密结合的学习内容，本文称之为联结性教学内容设计;另一种则是设计共享内容，该共享内容以独立的模块存在于该环境中，包括基本知识、技能、方法等，如WOW中为学生提供了基本概念、教学计划以及数据收集和分析方法等，这些共享内容的提供为学生科学探究提供了帮助，但是其内容设计与具体建模活动是分离的，本文称之为独立性教学内容设计;除了教学内容设计外，还有依据学习环境的要素特点，提供相应的教学模式，如APoME的教学，研究者提倡通过5E教学模式，即按照参与(Engage)、探究(Explore)、解释(Explain)、拓展(Elaborate)以及评价(Evaluate)等过程组成的模式来设计教学内容;Simquest则是依据发现式学习的方式来设计教学内容;Model-It的计划、建构和测试的科学建模程序为教学提供了技术支持;在ModelingSpace中，渐进式建模理论的设计，为不同学习水平学生的学习提供了支持，有助于其模型水平的逐级提高。

　　利用这些教学理论，基于模型的科学学习环境可以更有效地为课堂教学服务。当面向学生中心的教学情境时，基于模型的环境设计需要更关注学生的推理能力、自我调控能力以及反思能力的培养，建议使用联结性教学内容设计方法，该方法也适用于低年级学生的使用。共享式的独立教学内容设计则更适用于高年级学生的学习活动。因此，建模工具和环境设计的教学原理之间的结合关系的确定，依据实际适用对象以及教学情境而定，教师在使用各种性质的基于模型的科学学习环境时，应掌握该环境设计时使用的教学理论，结合教学理论和课堂实际来设计基于MbSLE的教学内容，使得该类学习环境能够体现其应有的价值。