第36章《模型促进的学习》读书笔记

通过阅读本章，了解到其旨在讨论模型在学习中可能起到的作用——计算机模型：一是根据模型的学习中（learning from models），主要通过改变学生的输入变量的值并观察输出变量的值，来探究模型本身；二是通过建模的学习（learning by modeling）中，学生按照要求构建一个外部模型，可以用来模拟重建审视系统可观测到的现象；三是在基于模型的探究性学习中（model-based inquiry learning），两种利用模型的方法可以结合起来。学生可以通过改变输入变量和观察输出变量的值来研究它，然后重建模型，这两个模型作用相似。

首先本章将模型定义为“允许人们生产预设和解释的一组表征、规则和推理机构”，即可以看做是依据变量或概念以及他们的彼此关系，对某一领域的结构化表征。接着通过对比计算机模型在学习中起到的作用，讨论三种在教育中使用模型的方法：一是学生试着掌握现有模型的性质；二是学生从构建模型的过程中学习；三是将前两种结合。

1. 根据计算机模型学习

根据计模型学习即学生用给定模型做实验，在改变模型表现的基础上，试图构建一个心智模型。学生通过模型界面与计算机模型交互，在交互过程中允许他们改变模型变量的值，允许用不同的方式显示操作的计算结果。20世纪70年代后期到80年代，许多西宫最初是和操作模型或操作模型与概念欧美性的结合体相关的，如SOPHIE——教授电子检修技能的软件，在这个环境里，学生也学到了特定知识。这些系统中，在一定程度上都存在支架，但是只有基于学生充分的职称后，根据模型的学习才是成功的。缺乏支撑的模型通常是没有成效的，因此我们可以将认知性支架和模型软件整合在一起。

根据模型学习分为以下四个步骤：目标确定——确定一个总的研究问题，学生对该领域进行广泛分析；假设生成过程——选择这个领域的某个具体陈述来思考；实验——学生设计和执行一个检验这个假设或模型有效性的测试，进行预测并解释实验结果；结论——学生提出关于假设的有效性结论或形成新的观点；评价——反思学习过程，习得该领域知识。这些过程直接产生知识，因为它反映了信息到知识的转换，因为探究性学习是伴随许多活动和反复的复杂学习，包括以计划和检测学习过程为目的的程序。

在上述过程中，评价占据很特殊的位置，它处在转换过程和常规过程之间。在评估过程中，学生检验探究过程及其结果，并试图回溯一步，从自己的经验中学习。这种反思可以涉及到实验过程本身，也可以设计正在研究的领域，评估活动可以发生在循环的任何阶段，而不只是在评估过程中，其也可以影响探究过程本身，因而对探究过程具有一种调节的作用。相对于比较传统的教学形式，对基于技术的探究环境的大规模评估不经常出现，但又确实存在一些。本章指出要为学生提供足够的支架提高探究学习的有效性，因为在一个探究型的环境所提供的真实情景中从事学习，有助于加深学生对知识的理解。

通过模型学习指出计算机提供了不同于课本的科学教育方式，向教室和学习者提供一个新的工具，让学生通过直接操作和实验来研究科学概念和数学概念。

2. 通过创建计算机模型来学习

此方法与建构主义基本原理一致：即知识建构发生在学生从事创造客体的活动之时。对于学生来说，不是学生探究的那些模型，而是主动创建它们。科学总是利用模型来认识一个领域。例如学生可以通过键入描述初始状态和一段时间后状态变化的方程来创造一个动力系统模型。一开始系统动力学模型的绘制是用作推理工具。之后被用来创造计算机程序的指南。它们都遵循同一个原理，学生确定一个可执行的模型，这个模型是按照图表结构画的，所产生的结果是模型表现出来的理念的结果。要提高学生学习效果需要经常给学生提供让他们模仿某一现象的任务，学生的总体目标是以这种方式创造一个模型，该模型的行为是模仿理论模型或真实现象的行为。

Hestenes的“概念化”观点建议，学生需要通过是三类过程来复演构建一个模：.明确目标——在此过程中辨识和定义对象及变量；说明——在此过程中明确变量之间的关系和方程；评价——根据真实世界的情况及其和预期相符的情况来解释模型的结果。上述过程通过以下环节进行：一是学生提取研究对象和变量，做出模型的最初轮廓；二是变量之间的关系以定性或可计算的定量的方式加以确定，还可以引入其他变量；三是对照预期评价模型结果，并与自己的观察作比较。因此通过详细分析，一些科学家提出建模学习的优势：

• 通过建模学习对理解动力系统有积极的作用。

• 建模能更好地理解概念性的内容和解决的方案，提高学习者解决问题的能力。

• 建模能显著提高学生的探究技能。

• 使用建模设施的学生在探究后侧和远迁移问题上有所提高。

• 使用建模工具进行建模的同学，在建模技能方面要强于那些使用较传统的工作表的同学，而且他们还可以用较复杂的方法对领域进行建模。

除了上述这些初步结果，很少有证据证明通过可以通过建模进行学习，尤其是涉及到实验学习。但是van Borkulo和van Joo lingen开发的工具可能最终帮助我们系统收集关于建模学习的好处的证据，以及收集支持建模过程的更多的具体知识。他们的工具把不同的学习结果化成四种测试题，这些题型与运用知识进行推理的过程的类型相联系：1.再现事实领域的知识，与之相连的观点是，一个人在建模中获得该领域的知识。2.基于模型的推理表现为执行模型的心理模拟过程，将涉及应用于给定情境，或者更明确地预测和解释模型行为。3.模型评估，针对既定目标觉得它的正确性和适切性。4.对模型整体或部分地创建。

3. 基于模型的探究学习

许多建模文献都认为，建模是一个独立活动，建模的过程发生在缺乏要建模的数据的情况下，因此建模仍是一个纯理论的活动。将模型用于描述从给定模拟中生成的数据的研究工作，因此建模成为探究过程中的一个组成部分。

本章通过举出简要的具体学习环境的例子——Co-Lab，来说明基于模型的探究学习在学习过程中扮演着不可或缺的作用。Co-Lab提供了一个学习环境，其中学生组成小组来合作完成一个科学探究任务，他们有机会探究现有模型、借助系统动力学的专用建模语言来创建正式模型，并将自己所建模的结果与通过模拟所生成的数据或是从实验中收集的数据加以比较。一个典型的Co-Lab任务是，构建在该环境中发现的现象的一个模型，或将其作为一个模型，或作为一个可以远距离控制的远程实验室。例如学生可以连接到一个小型温室，里面有植物和测试CO₂、O₂、H₂O浓度、温度、光强的感应器。该环境的目标是构筑一个模型，用来描述作为有效光照量的函数的光合作用率。为了实现这一目标，学生可以利用从感应器读出的数据，并通过改变灯的位置或是否点亮来控制光的强度。学生可以制成图标来反应每种水平的光照所带来的光合作用率，综合这些结果能让他们把光合作用率建模成一个光照水平的函数。

在这个实验中，Co-Lab环境被分成不同的大楼，每个大楼有许多个楼层。一个大楼代表一个领域（温室效应），每个楼层代表一个子域（光合作用）或是代表某一个难度水平。每一个楼层由四个房间组成：大厅、一个实验室、一个理论室和一个会议室。这个环境中的光合作用情景在大厅中开始，大厅是所有Co-Lab环境默认的进口处。学生们在这个大厅里将一个任务的陈述以研究问题的形式解释该楼层的目标，同时还获得开始工作所需要的一些背景信息。阅读完任务陈述后，他们到实验室找到温室的一个远程链接，学生可以通过网络摄像头观察温室，并可以控制它并使用一个专用界面检查温室参数，他们便可开始一系列的测量并在图标中绘出数据的变化。在理论室里，学生找到一个系统动力学模型的工具，这个工具同时允许定性和定量的建模，并可检查他们已经储存在知识库的数据集，也可以用这些数据集作为建模的参考。最后学生可以在会议室计划和监控他们的工作，他们可以通过远程协调程序，在探究和建模的过程中回顾重要的步骤。

Co-Lab的主要特征是在一个环境里将通过在实验室里的模型学习和通过在研究室里的建模学习结合起来。这样做是为了使学习过程更加透明，作为模型或者模型的一部分，假设变的可视化；作为模型输出，假设所预测的结果也变的可视化，模型的有效性可以参照从实验室手机的域模型的数据来评估。把该模型与参考模型进行结构性对比，在此基础上评估学生的模型也是有可能的。这说明领域模型不仅可以作为数据源进行操作，还可以作为教学资源进行操作。因此具有任务型动机的学习者往往表现出更深入的学习过程，如参照先前知识改变或运行模型，可以由此创造更好的模型。

在这一章，我们讨论了以计算机模型为中心的学习的三种样式。一种是根据模型学习，在学习中学生通过探究学习收集隐藏在模拟背后的模型知识；另一种建模学习，学生通过创建模型来学习；第三种是将上述两种学习样式结合起来的系统的例子，产生了一个探究的整合过程。在模拟环境中通过模型学习和通过建模学习二者主要的不同在于：在前者中，学生看不到模拟背后潜在的模型；而在建模学习中，模型的准确特征就是学习的重点，因此，知识类型越直观，越适合根据模型来学习；而在通过建模的学习中，比较明确的概念知识更容易获得。两种方法中，比较一般性的、过程导向的知识都应该被习得。学习过程还设计相似性，科学探究过程（明确目标、生成假设、实验、总结）和建模过程（明确目标、说明、评价）非常相似。但这两者存在的根本区别：1.在根据模型学习中，一个假设不必形成一个可运行的模型；2.在通过建模的学习中，实验并不是构建模型时收集数据的必要手段，学生可以多渠道收集数据并将其作为创建模型的输入。将通过模型学习和通过建模学习相结合，其背后的假设是两种方法可以彼此促进。

不管选择什么方法，如果没有支架，学生就无法展开探究和建模或者二者的结合。在探究研究中，一整套探究的认知工具已经得到发展，用于建模的比较性支架也即将出现。在整合设计环境中，将不同的方法整合在一起，合作或多种认知工具为学习过程提供支架，这类环境能够为学生提供学习机会，帮助他们获得直观和正式的领域知识以及一般过程知识。

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