国外基于网络的协作探究学习平台研究

[摘要]Co-Lab是一款来自欧洲的、优秀的基于网络的协作探究学习平台，它以其独特的模拟性、建模性和协作性为学习者的协作探究学习提供了良好的支持。文章对Co-Lab的研究背景、特征以及它对协作探究学习的支持方面进行了深入的剖析。针对我国探究学习平台研究与建设的实际，Co-Lab可以带来这样一些启示：加强面向中小学的探究学习平台研究与开发，增强平台的探究性，引进系统动态建模方法，加强平台对协作的支持。

[关键词]探究学习平台：Co-Lab协作；建模；启示

[中图分类号]G40-057 [文献标识码]A [论文编号]1009-8097（2013）01-0074-06 [DOI]10.3969/j.issn.1009-8097.2013.01.016

一、引言

探究学习是当前国际科学教育领域大力倡导的一种学习方式，它对于培养学生的科学素养、创新精神与实践能力等方面具有非常重要的作用。我国自新课程改革以来，也把探究学习作为一种重要的教学理念和教学方式加以倡导和推广，如在《基础教育课程改革纲要》中指出：“要引导学生主动参与、乐于探究、勤于动手，引导学生质疑、调查、探究，在实践中学习”。但我国目前在探究学习的实施过程中，还存在着探究学习开展得不普遍和成效不佳等问题，而缺乏探究学习的课程材料和资源是导致这些问题的一个重要原因。

应用现代信息技术构建和开发的探究学习平台，则可以为探究学习提供良好的支撑环境，这是克服探究学习的课程材料和资源不足的一个重要解决方案。例如，利用基于现代信息技术的探究学习平台，学习者可以做模拟实验或远程实验，收集实验数据，保存、处理各种数据；建模工具可以支持学习者对探究对象建立模型，运行和修订模型；各种可视化工具可以使探究的过程和结果实现可视化，使学习者对知识有更深入的认识和理解；各种交流协作工具可以支持学习者之间的交流和协作。

在此背景下，国外关于探究学习平台的研究正方兴未艾，开发出了诸如K！E、WISE、Viten、Co-Lab等著名的探究学习平台。其中Co-Lab平台是一款优秀的基于网络的协作探究学习平台，它通过把探究、建模、协作三者的深层次整合，实现了对协作探究学习的良好支持。与国外相比，国内已开发出的探究学习平台还存在一些不足，表现在：探究学习平台主要是面向高等教育领域的，而面向中小学的很少；平台的“探究性”还比较弱；普遍缺乏对建模活动的支持；平台的协作功能还有待加强等。因此，借鉴Co-Lab平台的成功经验，可以为我国的探究学习平台的研究和建设带来有益的启示。

二、Co-Lab协作探究学习平台探析

1.Co-Lab平台的研究背景

Co-Lab协作探究学习平台面向的对象是高中生，其全称是Collaborative laboratory for Europe，即“欧洲协作实验室”，由来自欧洲3个国家的5家研究单位联合组成的团队开发，这些研究单位分别是荷兰的特温特大学、阿姆斯特丹大学、西班牙的穆尔西亚大学、意大利的Studio Teos公司和德国的IPN研究院。该平台的研究得到了欧盟的欧洲委员会（the European Commission）的“明天的信息技术社会（the Information Technology Society of Tomorrow）”项目的资助。该项目启动于2007年，历时3年，于2010年完成。该探究学习平台由于其强大的功能和良好的运行效果等，目前已成为国际上影响力很大的一种探究学习平台。

Co-Lab的主界面如图1所示。左边从上到下依次是工具箱和导航器。工具箱里有图形图表工具、过程调节者工具、模型编辑器工具、研究报告编辑工具和帮助工具，在探究过程中能获得的工具随探究任务的不同而不同。导航器用于在大厅、实验室、理论室和会议室这四个房间之间进行切换，对应着学习者在不同的探究任务之间进行转换。右边主要部分是平台的工作区，工作区界面随学习任务的不同而不同，用于显示图形、图表、模拟实验场景或模型编辑器等。学习者在平台上开展的各种探究学习活动都是在工作区进行的，如提出研究假设、做模拟实验、构建模型和撰写研究报告等。界面的下方是聊天室，用于支持学习者之间的交流与协作。

2.Co-lab平台的特征

（1）模拟性

建构主义学习理论强调学习应发生在真实的情境中，而Co-Lab平台的设计和开发深受建构主义学习理论的影响，最大限度地给学习者创建了一种接近真实科学探究的情境。Co-Lab平台对真实科学探究情境的模拟主要表现在两个方面，即对探究主题的组织和模拟实验的运用。

Co-Lab平台在探究主题的组织方面运用了一种建筑隐喻，以模拟科学家的真实探究情境。学习主题用楼房来代表，每栋楼房代表一个探究学习主题，如“水管理”和“温室效应”学习主题等。而每栋楼房又有不同的楼层，分别代表不同的学习难度（楼层越高，难度越大）。每个楼层都由四个房间组成，分别是大厅、实验室、理论室和会议室，它们分别代表不同的探究学习任务。在大厅中，学习者领取各自的探究学习任务，并提出对问题进行解释的假设。在实验室中，学习者可以通过做模拟实验、操作远程实验设备或者访问远程数据库来收集数据，探究和验证假设。在理论房间里，学习者根据来自实验室的数据信息，使用建模工具构建模型。在会议室，在“过程调节者”工具的帮助下，学习者计划和监控他们的探究学习行为，并撰写研究报告等。

模拟实验的运用也是为了创建一种接近真实科学实验的学习情境。在Co-Lab平台的实验室中，学习者可以做模拟实验，以探究假设中变量之间的关系，产生数据和图表。图2所示是平台中“水管理”探究学习主题中的水箱模拟实验界面。在该实验中，水箱的高度和直径、龙头的水流量等变量都可以改变，运行该模拟实验可以模拟真实水箱的行为，并能自动产生实验的数据和图表。

（2）建模性

建模是科学探究中非常普遍的一种活动，科学家根据对科学现象的观察和实验数据建构理论模型，基于这种理论模型，就可以对科学现象进行解释和预测等。因为探究学习是对科学家的真实科学探究的模拟，所以建模也应该被引入探究学习领域。通过建模活动，可以使学习者对于知识的理解外显化，帮助他们检验与修订所提出的假设，提高对科学现象进行解释与论证的能力，以及增进对科学过程和科学本质的理解。此外，建模还能起到促进认知的作用。

Co-Lab平台通过内置的“模型编辑器”来支持学习者的建模活动。[121该模型编辑器是一种使用“系统动态建模”方法的图形化建模工具，支持变量之间从定性到定量的建模。所谓“系统动态建模”是一种基于系统动力学的建模方法，用于描述复杂系统的动态特征，其构建的模型可以自动运行，以此来模拟、预测变量之间直接或非直接的关系。Co-Lab的模型编辑器使用了Forrester图标来表示组成模型的不同元素，各元素的符号及其所代表的意义如表1所示。

（3）协作性

为了使学习者“像科学家一样行动”，探究学习环境应该支持学习者以协作小组的形式学习，这主要是基于以下三个方面的缘由：首先，因为探究学习是对科学家的真实科学探究的模拟，而对于真实的科学探究来说，协作是非常自然的，所以在探究过程中采用协作，可以使学习环境更接近真实的探究；其次，学习者之间的协作可以弥补单个学习者在知识、探究技能等各方面的不足，从而促进探究学习过程的顺利进行；此外，现代信息技术的迅猛发展也为协作提供了良好的技术支撑环境。

学习者在Co-Lab平台中进行探究学习时，协作贯穿了探究学习过程的始终。Co-Lab平台提供了聊天室、知识共享空间和协作控制策略来支持学习者之间的协作学习。聊天室支持学习者之间同步或异步的在线交互，这种在线交互突破了学习者在时空上的限制，促进了他们之间的互帮互助，也增加了他们的社会存在感（一种在一起的感觉）。在知识共享空间中，学习者可以看见小组所有成员的学习行为，也可以记录各自对知识的理解。知识共享空间提高了学习小组在达成共同学习目标中的有效性。控制工具可以协调和控制学习者的各种学习行为（如控制学习者对模型的编辑和修改的权限），避免学习者学习行为之间的冲突，从而使协作得以顺利、高效地进行。

3.Co-Lab平台对协作探究学习的支持

（1）对探究过程的支持

如前文所述，Co-Lab平台的探究学习活动在大厅、实验室、理论室和会议室这四个房间里进行，整个探究学习过程分为5个阶段，即准备、假设、实验、建模和结论阶段。在准备阶段，学习者确定所要探究的问题是什么，明确问题中的主要变量，熟悉平台中各种工具的使用方法。在假设阶段，学习者对所要探究的问题提出假设，假设中应包含变量以及各变量之间的关系。在实验阶段，学习者要设计实验，然后通过做模拟实验或远程实验来收集数据。在建模阶段，运用模型编辑器工具对各变量之间的关系进行建模：然后运行所构建的模型，分析由实验和模型所产生数据的一致性，以此检验模型的科学性和有效性。在得出结论阶段，学习者要撰写一份简短的研究报告，以对整个探究过程进行概述和总结，内容应包括所探究的问题、研究假设、所构建的模型、研究结果和结论等。

Co-Lab平台通过“过程调节者”工具实现对探究学习过程的支持和管理，其界面如图3所示。界面左边是包含5个阶段的探究过程流程图，右边显示的是每个阶段所对应的具体探究任务、任务描述和提示。“过程调节者”分别对各个阶段的探究任务给予了详细的描述，对学习者在探究中可能遇到的困难也给予了提示。“过程调节者”中还内置了注释工具，学习者利用该工具做笔记和回答问题。学习者通过做笔记和回答问题，可以帮助他们加深对探究主题的理解；而这些笔记和对问题的回答也是最后形成研究报告的重要参考依据。

实验是探究学习过程中的重要活动，其目的是为了探究假设中各变量之间的关系，实验的结果也是建模的基础。Co-Lab平台提供了模拟实验和远程实验两种方式来支持实验探究活动。关于平台的模拟实验部分前文已做了介绍，这里不再赘述。Co-Lab平台提供了远程实验室的接口，通过该接口可以对远程的实验设备进行监控和数据收集。例如在“温室效应”探究学习主题中，学习者通过平台的远程实验室接口，对远程实验室中的“温室效应”实验设备进行监控和数据收集。该温室配备有各种传感器，可以分别测量温室内的二氧化碳、氧气、水蒸气的浓度以及温度和光照度，温室的这些变量数据和实验场景的视频通过网络传输到平台的界面上。另外，还可以通过该平台远程控制温室中的光照度。

（2）对建模的支持

在Co-Lab平台中，学习者使用模型编辑器来开展建模活动。建模一般要经过以下四个阶段：①画模型草图；②模型详述；③数据解释；④模型修订。学习者通过画模型草图来表达他们对于所探究问题的最初理解。在模型详述阶段，学习者界定模型中各变量间的关系，一般遵循从定性到定量的原则。在建模的初始阶段，学习者还缺乏关于变量间关系的清晰理解，这时定性详述是适宜的；在定性确定了变量间关系的基础上，定量的、基于公式的详述对于探究结论的得出则更有用。在数据解释阶段，学习者把来自实验的数据和运行模型所产生的数据进行比较，如果两者不一致，则分析、解释其原因。在模型修订阶段，学习者根据以上数据解释的结果，对所构建的模型进行修订，直至模型和实验产生的数据结果一致。

在建模的初始阶段，可以运用模型编辑器的各个元素符号画模型草图；在模型详述阶段，模型编辑器支持先定性、后定量地详述变量间的关系，并实现了从定性到定量的良好过渡；在数据解释阶段，模型编辑器可以在一张图形中同时呈现实验数据和模型所产生的数据，使两者之间的比较更方便和直观；在模型修订阶段，模型编辑器的曲线适配工具可以计算出模型的输出曲线和理论曲线的拟合程度，为模型的修订提供指引和方向。

图4所示为使用模型编辑器对上述水箱实验的建模实例。该模型形象描述了水箱实验中水的容量、龙头的流入率和出水管的流出率之间的数量关系，运行该模型，可以得出各个变量随时间的变化情况（可以使用图表的形式进行显示）。

（3）对协作的支持

Co-Lab平台通过聊天室、知识共享空间和相应的控制策略实现对协作学习的支持。聊天室支持学习者之间同步或异步的交互。在聊天室中，学习者要清楚地表达他们的思想观点，并把他们的思想观点与其他学习者分享，这对完成探究学习目标有很好的促进作用。交互一般局限在同一房间的学习者之间，即交互是在开展相同探究任务的学习者之间进行。但有时为了扩大交互的范围，可以通过所谓的“内部通话系统”工具，使不同房间中的学习者参与到对主题的讨论中来。

建构共享的知识是协作学习的重要目标。为了建构共享的知识需要注意以下两点：第一，共享的知识必须要被清晰地描述和表达，以使学习者明确他们正在讨论的对象。第二，学习者提出的多种观点应该被整合在一起，以便于对它们进行比较和修改。Co-Lab平台提供的“知识共享空间”正是为建构共享的知识而服务的，它在设计上遵循了以上的两条原则。知识共享空间为学习者提供一个公共空间来存放他们的思想观点、假设和模型等，并允许他们操作公共空间中的描述对象，共同为知识的建构做出贡献。

Co-Lab平台的控制策略主要体现在对协作学习行为的操作权限的控制上。根据学习行为在平台中是否保留有痕迹，学习者的学习行为可分为可逆行为和不可逆行为。可逆行为在学习平台中不会保留永久的痕迹，而不可逆行为则相反。可逆行为的一个例子是，从已有的数据集中打开一个已存在数据的窗口。不可逆行为可以是创建一个新数据集，或者对模型做出修改。Co-Lab平台在默认情况下，只有协作学习小组的组长可以操作所有的行为，而其他学习者一般只允许操作可逆的行为。另外，通过专用的控制工具，学习者也可以彼此请求和传递“控制”，从而获得相应学习行为的操作权限。

三、CO-Lab平台对我国探究学习平台研究与建设的启示

在对Co-Lab平台进行深入分析的基础上，针对我国探究学习平台存在的不足，Co-Lab平台能给我们带来以下的一些启示。

1.加强面向中小学的探究学习平台研究与开发

我国已开发的探究学习平台绝大部分是面向高等教育领域的，但面向中小学的探究学习平台很少。这种现状是与我国基础教育新课程改革对探究学力倡导的背景不相适应的。国外的这些著名探究学习平台如KIE、WISE、Viten和Co-Lab都是面向中小学的，它们对于促进中小学生的探究学习，培养他们的科学素养起到了很好的作用。

针对我国的实际，我们要加强面向中小学的探究学习平台的研究与开发，为中小学生的探究学习提供良好的支撑环境。探究学习平台的研发是一个复杂的系统工程，需要计算机专家、学科专家、教学设计专家以及一线教师等的通力合作，这样才能保证平台的良好使用效果。Co-Lab平台的研发过程就非常注重科研院所、企业与中小学的合作。我国目前的探究学习平台的研发主体主要是高校（另外还有少量的公司），在研发的过程中存在着各研究单位各自为政，缺少合作等问题。因此，我国的探究学习平台的研究与建设过程中，也要大力加强科研院所、企业以及中小学之间的合作。

2.增强平台的“探究性”

平台的“探究性”是指平台对科学探究的4大核心要素“问题”、“证据”、“解释”和“交流”所体现的程度。总的来说，国内探究学习平台的“探究性”还比较弱，如只重视定性探究而忽视定量探究，侧重于对实验的模拟和仿真，缺乏对完整探究过程的支持等。

在增强平台的“探究性”方面，Co-Lab平台带来的启示有：首先，加强平台对完整探究过程的支持。Co-Lab平台通过把探究、协作、建模三者相整合，实现了对完整探究过程的良好支持。国内的探究学习平台一般虽然也有探究和协作的功能，但两者之间的整合程度不够，另外协作的功能也比较弱，普遍缺乏建模的功能。其次，加强能支持定量探究平台的研发。定量探究更有利于培养学习者的变量意识、证据意识和逻辑推理能力等，这些都是构成科学素养的重要素质。由于定量探究比定性探究的难度大，让学习者直接进行定量探究往往有困难，我们可以借鉴Co-Lab平台的从定性向定量探究过渡的解决策略，以使学习者逐步适应定量探究的要求。

3.引进系统动态建模方法

国外的探究学习平台普遍重视对建模活动的支持，Co-Lab平台更是把建模作为了探究学习的内在组成要素。Co-Lab平台所提供的系统动态建模是一种很好的建模方法，它可以培养学习者观察、解释系统的组成要素及其依赖关系的能力，以及精确描述组成要素之间动态关系的能力。但国内的探究学习平台对建模的支持方面普遍比较薄弱，绝大部分平台没有建模的功能，或者只提供了一些简单的建模工具（如概念图、电子表格等），都缺乏对系统动态建模的支持。因此，在探究学习平台的研究和开发中，我们要引进系统动态建模的方法，增加平台对系统动态建模的支持。

由于国内学界对系统动态建模还比较陌生，在引进这种新的建模方法时，可以采取逐步推进的策略：首先，学习国外已经比较成熟的系统动态建模工具（如Model-it、Netlogo、Stell、Co-Lab的模型编辑器）的成功经验，掌握这些系统动态建模工具的原理和基本架构等。其次，在前述的基础上，研究和开发满足我国探究学习实际需要的系统动态建模工具。最后，把所开发的系统动态建模工具整合到探究学习平台中去，使它成为平台内在的一部分。

4.加强平台对协作的支持

探究学习本质上是一种基于建构主义理论的学习方式，而建构主义学习理论特别强调学习者之间的交流与协作，交流与协作是学习者完成意义建构的重要保障，因此，探究学习离不开协作，国外文献常把“探究学习”称为“协作探究学习”，以强调协作在探究学习中的重要地位。

与国外相比，国内的探究学习平台所提供的交流协作功能还比较弱（特别是协作功能方面），一般只提供一些交流的工具如聊天室、论坛、E-mail等，但对于学习者之间的协作重视程度不够，所提供的协作工具也非常有限。还有一些平台缺乏交流与协作的功能。因此，国内的探究学习平台需要加强对协作的支持。在这方面，Co-Lab平台的知识共享空间和协作控制策略可以为我们提供参考和借鉴。知识共享空间相当于一个公共的知识存储仓库，它为学习者提供了丰富的知识建构环境；Co-Lab平台的协作控制策略设计得非常细致而又灵活，实现了对协作学习行为的良好控制与管理。这些经验都可以应用于平台协作功能的设计和开发中。