【摘要】计算机模拟程序应用于学习中可以成为学习的工具和支架，它为信息技术与课程整合提供了一种新的途径。文章澄清了有效开展教学模拟的制约条件和影响因素，并结合实例探讨了基于教学模拟的学习设计。
【关键词】教学模拟，计算机模拟，教学设计，信息技术与课程整合
【中图分类号】G420
【文献标识码】B
【论文编号】1009—8097（2006）04—0009—04
数学和科学学科作为自然科学的基础、高新技术的基石，其基本理论、思想方法已渗透并应用到其他科学技术中。随着信息技术与课程整合的发展，一种重要趋势体现在为学习者创设一种开放、主动、发现式的学习环境，发展学生的高级思维能力和问题解决能力。[1]模拟作为一种主要的方式被广泛运用。一般而言模拟指的是复杂自然现象的简化模式。[2]模拟和计算机的结合产生了计算机模拟。本文将分析计算机模拟运用于教学的制约条件和影响因素，并探讨建立有效教学性模拟的学习设计流程。
一、模型、模拟程序和教学性模拟
数学和科学学科是一类对真实世界不断抽取要素建立各种模型的学科，其特殊的研究方法决定了模型在其理论体系中的重要地位。科学模型的掌握在整个学习活动中处于教学的核心。学习者一方面通过对模型的学习理解了专业知识，另一方面潜移默化地掌握数学和科学学科的思维方法。通过对发生在真实世界中的事件的观测，人们获得真实事件的行为数据。对科学专业工作者而言，通过将真实世界中发生的事件简化，得到其模型，通过对模型的输入后生成的行为数据与实际观测去比较来验证模型的正确性。随着技术的发展，软件开发人员和科学专业工作者合作，将模型开发成计算机模拟和仿真程序，通过虚拟的实验和控制得到所需的数据，很大程度上加快了科学研究。（见图1）
图1 模型和计算机模拟程序
如果换一个角度看模型和计算机模拟程序的关系，我们可以发现：对科学专业工作者而言的研究工具对于教师和学习者而言是很好的教学和学习工具。在这种思想指导下出现了很多用于教学和学习的计算机模拟教学软件。Thomas 和 Hooper (1991) 定义计算机模拟教学软件为“以真实或理论模型的可调控计算机程序”。[3]它是指用计算机去建立模型来模拟真实世界中的现象，以帮助学生掌握。学习者可在交互控制状态下对某种现象或过程进行学习或研究。
当计算机模拟程序用于教学或学习时，我们称为基于模拟式教学或学习（simulation-based learning），也被称作教学性模拟（instructional simulation，简称教学模拟）。教学模拟是利用计算机建模和仿真技术来表现某些系统（自然的、物理的、社会的）的结构和动态，为学生提供一种可供他们体验和观测的环境。[4]教学模拟作为一种十分有价值的信息化教学模式，在数学和科学学科的教学中有着广泛的应用。
二、计算机模拟程序：学习的工具和支架
计算机模拟可使学习者进入一个虚拟的环境中去体验所学内容, 获得近似于真实的经验，可增进学习者的学习动机，并提供认知发展过程的支持，有助于学习者进行有意义的思考和问题解决，促进学习者高阶思维能力的发展。计算机模拟是数学和科学学科的强有力的教学工具。有了这些可视化的分析工具，数学和科学模型从静态的图表发展到用互动的动态模型，根本改变了数学和科学探究的性质。学生们在理解不同的数学和科学观点时就可以利用建构电子化模型的方法。
在学习者学习的过程中计算机模拟还可提供一个暂时性的支持环境来协助学生发展其学习能力。随着学习者对学习内容的熟悉和掌握，其能力得到提升，学生利用模拟程序主动探究，并通过学习建构出属于自己的知识。计算机模拟作为学生探究学习的支架，其最主要目的就是使学习者保持在他们的邻近发展区活动。这通过两种方式达到目的，一是建构学习者的交互活动和探究虚拟环境；二是针对学习者目前的需要与能力，不断提供不同的支持工具。
可以看出，计算机模拟为学生提供了技术工具和环境支持。九十年代以来，英美等国在数学和科学教学中大量应用计算机模拟程序来促进学生对数学和科学的理解。使学生从“看”到 “做”，学生在课堂上进行推测和探究，并即时地进行验证，这样使得学生能拓展思维的范围，真正理解困难的科学概念和原理，不再是对教科书的被动接受和死记硬背，发展了学生的能力。
三、影响教学性模拟的因素
教学性模拟作为信息化教学模式的一种，多年来在教学中虽然对教和学有一定的帮助，但远没有发挥应有的作用。如果我们把数学和科学教学的过程归纳为直观感知、体验探究、抽象归纳、迁移应用四个阶段的话，那么在目前的大部分教学中，教学模式仍然是强调学生用语言形式来接受新知识，即使用计算机模拟也往往局限于直观感知阶段，把模拟程序作为新知识内容呈现的一种手段，信息技术应用教学的潜力远没有发挥。
研究者们对教学性模拟的实际效果进行了大量研究, 但结果很不一致。[5]这使我们需进一步澄清这种教学模式的制约条件和影响因素。产生这种现象的原因有很多方面，除了经济原因外，还和特定学科知识框架、使用人员（教师和学生）的使用方式、教师教学理念有很大关系。我们从教学系统的基本组元：教育者、学习者、媒体和教学内容入手，把教学内容和模拟程序合二为一，让计算机模拟充当学生探究环境和学习支架（如图2）。
图2 教学性模拟的制约条件和影响因素
首先教学性模拟的开展与教育者的使用方式有关。教师的使用方式和教师教学理念密切相关。有的教师把模拟程序仅仅当作知识呈现、情景展示的工具，忽视学生学习的内在规律，学生难以参与教学，其任务仅是理解和吸收教师传授的知识。教师的使用方式还和教师信息技术能力有关。有的教师直接使用某个学科特定模拟软件支持教学。有的教师信息搜索的能力很强，在网上找到很多已经开发好的，适合某个课时的模拟程序。有的教师程序设计能力比较强，能够自行利用工具开发适合某个知识点的模拟程序和课件。
其次教学性模拟的开展和学习者有关。不同的学习者有不同的学习风格，其原有的知识结构不同，导致学习者在使用模拟程序中会遇到困难。Jong & Joolingen[6]将学习者在计算机模拟情境中遇到的困难归纳为以下四类：(1) 形成假设。学习者常常难以提出新假设, 也难以针对收集到的新数据进行修改、假设或提出另外的假设。(2) 设计实验。学习者常常难以利用模拟程序系统逻辑地设计科学实验，表现出了很多不足和错误偏向。(3) 解释数据。不能正确理解数据中反映的规律。(4) 发现学习的调节。缺乏对发现活动的计划和监视。不克服上述这些困难, 学习者就很难充分利用计算机模拟的潜在优势, 难以达到更好的学习效果。
最后教学性模拟的开展和准备在教学和学习中使用的模拟程序有关。软件设计人员设计出的开发工具中体现的设计理念、开发方式（开源或商业方式）、学习内容将直接影响其产生的模拟程序。软件设计人员要充分考虑学习者遇到的困难，设计的方案要符合教育教学规律。要让使用者更多地了解在模拟程序背后的学科知识并适当加以拓展，以提高他们的远迁移能力。大多数开发人员并不熟悉教学过程，他们开发的教学应用程序有的夹杂着其预设的教学模型，当教学对象和教学环境发生改变时，程序设计者们期待的教学成效自然就会大打折扣。因此对于模拟程序的课堂应用存在着教师二次开发和使用的问题。
四、开展教学性模拟的教学设计
建立教学性模拟的关键工作是建立被模拟对象的模型（学习内容），然后用计算机程序描述此模型。基于对教学性模拟的制约条件和影响因素的分析，结合国内外大量教学性模拟有效性的研究成果，笔者总结出一种有效开展教学性模拟的流程（如图3）。下面结合高一下学期物理课程中单摆这一节内容进行论述。
图3 有效教学模拟的教学设计
首先是分析教学内容，包括对课型的判断和对教学目标的分析。新课、练习课、测验课、复习课对应着不同的教学要求。不同的教学内容对应不同的教学目标。“单摆”这堂课是一节新课。其要达到的教学目标有：知道什么是单摆；理解单摆做简谐振动的条件；掌握单摆的周期公式；培养学生观察分析和归纳问题的能力；激发学生学习科学的热情。用实验的方法来证实单摆的振动周期与那些物理量有关是本节课的重点。确定了上述的教学目标，教师应该将教学重点放在引导学生学会预习、学会读物理书、学会提出问题、学会用实验来证明自己的假设上。
接着教师需要考虑学生特点，选择合适的教学方式，要分析模拟在学习中起的作用方式和学生使用方式。Thomas和Hooper把模拟在教学中所起的作用可分为四种：(1)体验(experiencing)：即在讲解新知识之前提供铺垫性经验；(2)学习新知识(informing)：利用计算机模拟使学生形成新知识，它可以是与讲解结合在一起，也可以单独发挥作用；(3)巩固(reinforcing)：在讲解性教学后用以巩固对知识的记忆；(4)整合(integrating)：在教学之后用以促进知识的综合和融会贯通。[7]教师需要结合学生已有的知识结构决定模拟软件在教学中的作用方式。按照作用方式不同，教师需要设计教学使用方式。常用的模拟教学方式有：演示法、实验法、探索体验法、游戏法等。[8]在本节课的教学中，模拟可以起着（1）和（2）项作用。学生的使用方式可以采用实验法和探索体验法。将模拟软件创设的虚拟自然环境作为学生学习中的一个必不可少的组成部分，用统计软件来处理获取的信息，学生将会以一种自然的方式对待信息技术，有利于学生科学素养的培养。
接下来教师需要结合自身的信息技术能力，选择恰当的模拟程序。通过对可进行教学性模拟的计算机程序的分析，我们不难发现主要有以下三类：通用模拟开发平台、学科特定模拟程序、内容预置的模拟程序。不同类型的模拟程序其特点和对教师信息技术能力的要求不同。表1列出三类模拟程序不同特点。我们可以看出从内容预置、特定学科到通用模拟开发，对教师的信息技术能力要求逐步提高。在本节课中实验设计可以借助于MATLAB软件的计算功能和模拟功能，进一步分析单摆周期与摆长L、重力加速度g有怎样的函数关系，将其的数值计算及模拟功能引进课堂教学。如果任课教师对MATLAB软件不熟悉，还可以选用“交互式物理”等其它类似软件为学生提供一个动手实验的平台。此外还可以从网上搜索一些单摆的Flash小程序，让学生动手操作、测量数据、分析数据。
表1 不同类型模拟程序特点比较
以上三步是教师在课前所要准备的，接下来可以进行教学实施。在实施过程中，要发挥教师组织者和促进者作用，要防止学生因过于困难而引起的消极态度。同时教师要在适当的地方增加具体指导。比如学生在利用软件统计和分析单摆周期公式的数据时，可以提示利用散点图等直观的表达工具，避免繁琐的计算过程，让学生清晰的看到公式中各个物理量之间的联系。
五、开展教学模拟时潜在的问题及其解决办法
教学模拟作为一种信息技术与课程整合的新途径，能够为学生积极主动的学习创造一个逼真的虚拟探索环境。但是在开展教学模拟时会带来一些问题：（1）过分依赖于模拟软件带来的“无所适从”。技术对教学的影响改变着教师在课堂中的角色。教室里模拟软件的使用会造成部分教师对自身作用的改变认识不清，主体发生了迷失。在这种情况下，教师需要转变教学观念，从讲台上走下来，成为学生学习的促进者和管理者，创造学生为中心的学习环境。（2）教学模拟对于教师的信息技术能力有一定要求，部分教师会本能的排斥和拒绝使用这种教学方式。在培训和辅导这类教师时，应该结合他们自身现有的信息技术能力展示一些他们认为力所能及的教学模拟的实例。并且通过同伴的带领作用激励他们的学习动机，提高他们使用教学模拟方式的信心和决心。（3）部分教师会认为教学模拟这种教学方式只能发挥“体验探究”的作用，却忽视了其“抽象归纳”的作用。教师们不仅要让学生走进模拟软件进行体验探究，而且让学生从模拟软件中走出来进行抽象归纳。从前面的讨论中，我们可以看到模拟的基础是模型法，这种思维方式是数学和科学学科一种根本思维方法。从教学模拟中教师不仅要促进学生对于知识的探究，更重要的是培养他们良好的思考方式和科学素养。
六、结论
对于内容有严谨结构的学科（如数学、物理、化学等理科），教师应能创设有丰富资源的学习环境，方便学生主动发现和探索；要构造主动、自主的学习空间，通过学生实际操作，由被动的学习逐渐转化为自主的学习。[9]通过计算机模拟学习情境，学生在独立探索和合作探索的学习过程中，逐步取得“获得自信”和“进行高效率学习”的经验，提升学习效果。学习者可以通过不断更新自己的知识结构，培养创造能力。随着人工智能技术的出现，我们相信计算机模拟在课堂中的运用将会有更大的发展。
参考文献
[1] 陈琦,刘儒德.信息技术教育应用[M].北京:人民邮电出版社,1997
[2] Jonassen, D. H. Computers in the classroom: Mindtools for critical thinking. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall,Inc.1996.
[3][7]Thomas, R. & Hooper, E. Simulations: An opportunity we are missing. Journal of Research on Computing in Educa-tion,1991,23(4):497-513
[4][8]祝智庭等.现代教育技术－走进信息化教育[M].北京:高等教育出版社,2005,7:159-160
[5] 张建伟.基于模拟式教学及其效果研究回顾[J].电化教育研究,2001,(7):70
[6] Jong,T.De, & Joolingen, W. R Van. Scientific discovery learning with computer simulations of conceptual domains. Review of Educational Research, 1998. 68 (2) , 179- 201.
[9] 张家全.利用现代信息技术促进教学过程的改善[J].教育研究,2001,(10):46-51
Instructional Simulation: The New Approach in Integrating Technology in the Curriculum
Li Wenhao1Zheng Yan2
1、Huazhong Normal University, Wuhan Hubei, 430079 2、Huazhong Normal University, Wuhan Hubei, 430079
Abstract: The computer simulation programmes can be used as tools and scaffolding of study, thus give a new approach in integrating technology in the curriculum. This article has clarified the factors that restrict and influence the effective perform of the instructional simulation, and has also probed into the learning design of it.
Keywords：Instructional Simulation, Computer Simulation, Instructional Design, Integrating Technology in the Curriculum
“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文”