深圳城市更新保障房:美国科学教育的可视化协作学习环境——CoVis项目的理念、设计与评析

【关键词】实践共同体；可视化；协作；学习环境；活动

当今的科学教育依然沿袭着以教师为中心的教学模式，而真正的科学实践却是在围绕问题的开放式探究与共同体合作对话的交互中进行的。使科学学习更近似于科学实践是自杜威(1964)以来教育改革的夙愿。随着网络和多媒体技术在课堂中的应用，以及这些技术在科学实践中的作用日益增大，教育拥有了将科学实践成功应用于学习环境的良好契机。由美国西北大学和伊利诺州大学的大气科学系主要参与开发的中学科学教育可视化协作项目(CollaborativeVisualizationProjeot，以下简称CoVis项目)就是成功的一例。当国内的教育改革如火如荼地开展时，借鉴国外成功的改革经验无疑是大有裨益的。如何创设学习环境不仅是今天教学设计的隐喻所在，也成为教育改革的关键。以下，本文将从理念、设计、评析几部分简要地介绍美国科学教育改革的CoVis项目，希望能对当今的教育改革提供一些可资借鉴之处。

一、项目概述

可视化协作项目是由美国国家科学基金会资助应用计算机技术进行教育改革的实验项目之一。该项目利用网络和多媒体技术构建了一个中学科学学习的分布式多媒体学习环境，为学习者提供了开放式探究的建构激励工具，同时提供给他们与专家、教师和其他学习者建立、经营共同体的技术支撑。学习者通过基于项目的探究活动学习大气和环境科学，项目的主题全部或至少部分源于学生自身的兴趣，并且是镶嵌在广阔的科学世界中的。在活动中学生们使用一些与该领域科学家相同的研究工具和数据组，这些科学可视化软件是经过精心修改的，适合学习者现有经验和学习开展的实际情况。除此之外，CoVis项目还提供了一系列交流与合作的工具，如桌面视频会议系统、远程共享软件、协作记事簿等。该项目的目标不仅仅是使学习者获得一定的科学知识，更重要的是在科学实践的体验中理解科学知识、获得科学态度、建构科学实践中的社会交互关系，以及学会如何使用科学领域中的工具和技术，培养研究与交流的技能，成为更有效的终身学习者。

所谓“可视化协作”指的是在合作情境中以科学可视化工具为中介对科学问题进行探究和理解。最有效的科学学习通常发生在开放式探究的过程中。CoVis项目基于一种科学学习和教学的建构主义方法，强调把真实的、富有挑战性的项目作为浸润在学习共同体中的活动的中心，把基于项目的研究作为科学学习的主要方式，让学习者参与问题的思考与解决。同时出于知识社会学的视角，实践活动和支撑一个学科或领域研究的学术语言产生于合作协商的社会团体之中，CoVis项目强调利用计算和交流技术建立广泛的分布式电子共同体，让科学学习融人真实的科学实践。为了能使学习者像科学家那样以相似的方式处理数据，CloVis项目组修改了大气科学家使用的工具使其适合于中学的学生。迄今为止，CoVis项目组已经开发出了三种视觉环境：天气观察仪、气候观察仪和温室效应观察仪。这三种视觉环境都是与协作记事簿紧密地整合在一起的。协作记事簿与上述的合作技术一起构成了CoVis项目交流协商的网络环境。

二、理念透视

1.情境理论的人类学观点：构建科学实践共同体

实践共同体是设计、开发CoVis项目的一个重要的理论支撑。CoVis项目的研究者试图利用网络多媒体技术把科学实践中的学习过程应用于科学课堂的学习环境。在生活中，我们通过参加各种专业的、非专业的、日常生活的实践共同体获取大量知识与技能。在人类学家的视野中，“日常生活实践中没有一种特殊的‘学习’，只有根据文化背景的差异而不断变化的参与性实践活动。”“日常生活中的参与是在实践中改变理解的过程，即学习。”“学习被理解为是现实世界中的创造性社会实践活动中完整的一部分，是对不断变化的实践的理解与参与。”学校里传统的学习方式与知识实际产生、发展的方式相背离，把概念、规则、原理从丰富的情境之中抽离出来，以说教的方式传递给学习者，难以使学习者深入理解与合理建构。而且，日常的实践活动通常是在实践共同体中开展的。一些有着共同利益追求的个体共享着一系列相互明确的信念、理解和实践。在这个共同体里，个体不仅要完成真实的任务，同时也进行着身份的再生产，沿着旁观者、参与者到成熟实践的示范者的轨迹前进——即从合法的边缘参与者逐步到共同体中的核心成员，从新手逐步到专家。由此，我们可以看出在自然环境下学习是如何产生的。

CoVis项目的设计采用了情境理论的人类学取向，试图利用计算机技术构建分布式的电子共同体，帮助学习者学会如何做科学，成为合法的边缘参与者，在科学实践共同体中理解科学概念。CoVis项目对科学实践共同体的构建可以分为两部分：(1)实现真实的科学学习；(2)开发合作交流工具。创设一个真实的科学学习的学习环境，不仅要保留科学家使用的工具和技术，更重要的是要保留界定科学实践的科学家的工作态度和社会的交互关系。为了成功地把科学实践应用于学习，CoVis项目把科学家的工具和技术放在学生的手中，并让他们处于一个囊括了科学实践所具备的上述特点的丰富情境之中。学习者通过各种合作技术与真实的科学家、科学教育人员建立长期的合作关系，介入真实的科学实践，逐渐感受、理解科学家共同体中的信念、价值观和行为规范，并了解科学实践共同体的关注点和研究方法等。学习者不仅介入科学家共同体，而且也在学习者、教师、科学家、其他科学教育人员之间建立起广泛的共同体联盟。

2．活动理论：贯穿建构主义学习环境设计的理论基石

CoVis中的项目是对真实科学实践中的活动系统的模拟。例如，对全球变暖的研究、为期一年的对环境的观察等。因此，在设计各个基于项目的学习活动时最直接的分析框架就是活动理论。活动理论是“一个研究不同形式人类活动的哲学和跨学科理论框架”，“包括同时相互联系的个人层面和社会层面”。不同于传统的教学设计，活动理论把活动系统作为分析的单位。“它关注的不是知识状态，而是人们参与的活动、他们在活动中使用的工具的本质、活动中合作者的社会关系和情境化的关系、活动的目的和意图以及活动的客体或结果。”活动理论认为，知识不是脱离于活动存在的，而是遍布于活动之中的心智过程的结果。因此，不能简单地分析知识状态，而应该分析活动系统的组成要素，以及它们之间复杂的动态关系。清晰描述这些动态关系，创设丰富的情境脉络，可以使学习者对活动和思考过程建构的意义更多。CoVis并没有把真实的科学实践活动搬到学校里面，只是模拟了它的重要部分，如活动结构，社会文化境脉以及中介系统等等。

以一个项目学习“地球变暖”为例，简要地分析CoVis是如何应用活动理论设计学习环境的。首先，CoVis研究者对真实研究领域中科学家从事的地球变暖项目进行分析，得出组成该活动系统的重要要素，以及它们之间的相互关系，如活动的主体、客体、产品、活动发生的情境、共同体的组成与内部运作、活动的分工、采用的工具、活动的表征系统等等。然后，根据学习者和学校教学的特点对活动进行重新设计，以便适应学习者的经验和教学的实际情况与要求。这里，例举活动意图、活动结构和中介系统做以介绍。地球变暖的活动目标是希望学生们在活动结束的时候提出一个缓解或解决地球变暖的方案。这需要他们识别地球变暖涉及到的问题，研究温度变化的规律，以及导致地球变暖的原因，目前已经采取了哪些举措以及效果如何等等。一般来说，活动意图决定了活动系统中的活动、行动以及操作。为了达成这个活动目标，该项目把活动的结构设计成：1．前测，找出学习者未能理解的概念；2．以教授的方式帮助学生理解这些概念；3．播放录像，学生写下录像中讨论的问题(两段录像分别支持地球变暖争论的两方)；4．学生们分成七个项目小组围绕着地球变暖这个主题进行开放式的探究；5．提出他们自己的解决方案；6．与前测保持一致性的后测。在这个项目中，CoVis也用了大量的活动中介，如世界观察仪、18921999年间全球平均温度表、背景资料——温室效应与地球变暖、数据分析法等。总之，不论在分析真实实践中的活动时，还是在构建CoVis项目的学生活动时，都大量地应用了活动理论作为重要的“中介手段”。从分析简单的活动成分，到对复杂的活动子系统内部要素之间的互动与矛盾的剖析，都在于要理清活动的内在机制，从而在新的意义层面上模仿或重塑活动系统。

三、设计分析

CoVis项目是沿着真实科学实践分析到模拟科学学习活动这样一个思路来做整体设计的。我们主要从项目的整体设计人手，分析如何构建真实科学实践的学习环境。

1．剖析真实的科学实践

在将科学实践应用于课堂时，往往最容易出现的问题就是仅仅关注科学的知识、工具和技术，而忽略了其它一些要素。在对科学家的研究中，我们发现科学家的工作态度和社会交往也是界定科学实践的重要属性。对于学生来说，全面地理解这些要素才能真正地理解科学实践的过程。

(1)科学态度

一般来说，科学态度是指科学家身上所具备的批判质疑的思维特性和强烈的责任感。任何将科学实践应用于教育环境的努力都需要将培养学生的科学态度作为一个重要的维度。这样就需要给学生提供机会让他们亲身体历真实世界中真正不确定的问题，让他们探索处于自己的价值体系中的有意义的问题。

(2)工具和技术

每个学科都有一套具有领域特殊性的工具和技术，这些工具通常包括可供探究的研究工具和与他人交流的交互工具，借助这些中介，科学家们在科学家共同体的共享情境中探究一系列的问题。

(3)社会交互

科学不仅仅是探究，它同时包含了在科学家共同体中共享研究结果、关注点和问题。科学家关注的问题体现了共同体的整体价值取向，同时研究也是在与他人的合作交流中开展并完成的。

科学领域中的专家的知识结构是丰富而多元的，整合了对科学态度、工具与技术的使用以及社会交互的理解，同时包含大量的知识的适用情境和有组织的概念模块。我们希望通过让学生参与真实的科学实践，围绕着一系列中心性的概念建立起相对完整的知识结构。那么，如何使学习活动整合上述科学实践的特征呢?方法之一就是让学生利用类似于科学家们使用的研究方法探究他们真正关心的问题，与那些有着共同兴趣点的人交流与对话，利用相关领域的工具和技术产生、分析数据，并像科学家一样在提出与研究问题的过程中不断地积累与理解知识。虽然我们强调让学生参与真实科学实践的重要性，但是必须承认的是实践中的学习者和科学家存在着很大的不同。为学生而开展的科学活动需要反映这两个群体在兴趣点、背景知识和驱动力上的重要差别。

2．将科学实践应用子学习——构建科学实践的可视化协作学习环境

将科学实践应用于学习的观点并非是新近才提出来的。然而，长期以来却由于很难在学校中实行而受到阻碍。传统的实验活动只能给学生提供应用真实的科学工具和技术的机会，却减少了科学探索过程中的非确定性和对科学实践中的社会交往关系的关注。随着新技术的出现，如今已经可以在学校的环境中进行拟真的科学探索。如何构建具有真实科学实践活动关键性特征的学习环境呢?以下我们简要分析CoVis项目的设计。

(1)选取开放性的探究主题

与传统科学教育不同的是，CoVis活动中的主题是开放的和结构不良的，允许学生有较大的操纵空间。存在于科学共同体中的有争议的、不确定的问题更容易引发学生探究的驱动力，因此，学习主题应该选取那些科学家正在从事的、或与此类似的问题，同时考察问题是否在学生的价值域内。例如，CoVis中的陆地使用管理计划、水质分析、天气预报、国家矿藏的开采等等。

(2)支撑开放式探究——构建可视化学习工具

就CoVis项目目前已开发出的三种可视化工具而言，它们都是与科学领域中的某个问题或现象的研究相对应的：

①天气观察仪天气观察仪是一种预测全美最新时刻天气状况的工具。利用这个观察仪，学生可以通过形象的图片或红外线波谱观察卫星云图、反映大气状况和地区预报的天气图，以及呈现不同变量(如，温度、风速、风向、气压、湿度等)状态的模拟色彩图。另外，还有一些文本的报告和国家天气预测站所做的天气预报作为视觉信息的补充。天气观察仪所使用的这些数据都是由伊利诺斯州大学的大气科学系提供的。他们不仅对中学生提供当前的天气图和有关信息，也向全国的研究人员和教育工作者开放此项服务。在使用的高峰时段，他们曾接到了超过10万条的访问请求。

这个可视化环境的主要特点是可以让学生随心所欲地为国内任何一个地方、任何一个纬度建构自己的天气图，还可以将这个图表与天气观察仪预置的卫星云图和天气图进行比较。天气观察仪常常被学生用来实时测试天气和预测天气。

②气候观察仪气候观察仪给学生提供了开发地球气候模式的数据和工具，它包含了从19世纪60年代初到80年代末25年间北半球大部分地区每天两次的天气数据(温度、气压、风速和风向)。在气候观察仪中，温度、海拔、风向分别是以光栅色彩图、等高线和箭头或向量编码的，并附加了可选的覆盖图表示各个大陆块。学生可以利用鼠标选择研究地带并对相应的变量进行取样，也可以通过删减图片观察随着时间而变化的气候的发展趋势。气候观察仪是由气象学家用来测量数据的工具拓展而来的，只是在功能上有所增加。比如，增加了经纬线的标记和大陆覆盖图、华氏温度和摄氏温度的数字标识等等，让数据和图片更加直观化。气候观察仪中存储的数据来自于国家气象中心的数据组。

学生们利用气候观察仪可以研究他们自己选择的主题，如海岸线对当地气温的影响、预测5000万年后加利福尼亚的气候。在使用气候观察仪的过程中，最有趣的是学生们发现用来产生数据的模块存在明显的错误。当观察喜马拉雅山几个年份的温度时，他们发现这一地区要比周围的地区寒冷得多，也就是说这个数据模块有可能存在错误。假设得到了进一步证实。这个检测数据来源和可靠性的过程对学生来说是一次理解科学过程的宝贵机会。

③温室效应观察仪温室效应观察仪是CoVis最新开发的视觉环境。它可以让学生们观察、处理有关地球大气吸收、反射太阳辐射的数据。这个观察仪是围绕地球——太阳系统的三种模型建构起来的。温室效应观察仪把标准数据和最初的数据综合起来，让学生考察吸收太阳辐射、地球表面的反射系数、地球表面的温度等一些变量，理解和解释地球变暖的可能原因。

可视化观察仪的设计反映了CoVis项目的教育追求——让学生在真实的科学探究中学习科学。但在设计的时候，重要的是要区分工具使用者的差异。真实科学实践中使用的研究工具是在默许了科学家具备一些必要的知识背景的前提下开发的，而这对于刚刚涉足科学领域的学生显然是不适用的。因此，开发工具时必须识别出工具使用过程中的默会知识。比如，科学定理，搜集数据和精细化数据的规则、方法以及如何使用可视化工具的程序性知识等等。然后在重新为学生改制工具时把这些默会知识外显化来支撑学生的科学实践。如，设计更加友好的界面(如上文提到的气候观察仪增加了经纬线的标记和大陆覆盖图等)，以及设计一些教师的辅助性活动等。最后根据使用者的评价重新精致化设计。

3．架构合作对话的平台——开发协作互动的学习环境

为了提供一个可供学生、教师和专家广泛交流的平台，CoVis开发了一套群件技术。其中包括可供实时协作的视频会议、屏幕共享、协作记事簿，以及e-mail、新闻组等非实时协作工具。这些技术和开放式可视化科学探究工具一起构成了CoVis的协作学习环境。这里着重介绍一下协作记事簿。协作记事簿是一个基于网络的多媒体数据库，为学生提供了探究过程的支撑以及与他人协同工作的机制。

最初，一组学生通常会记录一些他们发现的问题、目前已经形成的假设，并开发一个问题研究的计划。教师和导师可以阅读这些问题、假设和计划，并帮助他们聚焦于那些可找到的、又有利于研究的资源。接下来学生们分别在个人空间里记录下各自的活动过程和结果。并在浏览他人的记录、相互交换问题和研究结果之后，或推导出结论、或重新开始一次新的研究。在研究的过程中，学生通常也需要教师或科学家导师的指导和帮助。

协作记事簿在某种程度上模仿了科学家的记事簿，用户可以创建一个或一组页面。这些页面一般是以探究过程中涉及的内容命名的(如，问题、假设、正、反面证据等)，并且通过多媒体界面链接到相关页面。这些设计为学生提供了一个帮助性的支撑结构，帮助他们记录自己的思维过程和活动以及构建探究的模式。此外，这些设计还为浏览者提供了非常好的导航，便于更加高效地阅读。

实质上，协作记事簿提供了一种在社会情境中开展建构性学习的机制，它不仅仅是个体间协作对话的工具，同时也是一种建构激励工具。协作记事簿与科学可视化工具和其他的网络探究工具一起支撑了知识建构的社会过程。

4．寻找专家——建立远程导师数据库

为了使学生真正步人科学问题的探究情境，在可能的情况下，最好有一些科学或相关领域的专家介入进来，辅助学生的研究活动，以便使学生更深刻地理解成人世界中的科学实践是怎样的。在早期，CoVis的导师志愿者通常是一些科学及相关领域的教授和研究生，也有一些知识渊博的本科生。后来，拓展到包括一些大型的组织，比如，国家能源实验室、国家气象台和博物馆的研究与工作人员。学生与导师一般在空间上是分离的。导师的任务是帮助学生提出韦趣且可行的问题并加以清晰化和精致化，设计实验，澄清困惑，如何分析数据，以及与共同体相关的知识等等。

远程导师数据库里记录了导师志愿者的个人基本情况和研究的领域与专长，教师可以根据教学的需要进行选择。使用导师数据库的流程和方法是：①导师填写志愿者表格②教师浏览并识别这些信息③教师搜索并得到了一张符合要求的导师列表④一组e—mail被自动群发到各个导师的信箱里⑤导师回复是否可以提供帮助⑥教师从数据库里“取出”愿意合作的导师并匹配给各个学生小组⑦在一个项目结束的时候，教师把这些导师重新“放回”数据库以便其他的教师可以与他们合作。

5．提供丰富的资源

资源是科学实践活动中很重要的一个元素，贯穿整个活动的过程，从产生问题、提出假设、进行验证到最后得出结论都要依托于一定的资源。CoVis内设了一个很大的资源库，里面包含了与气象相关的各种信息(如，气压与风、恶劣天气、天气分析与预测、太空科学、地质学、环境科学、海洋与大气的关系、海洋学等专题，以及术语表等参考资料)和网站地址。信息的呈现形式也是多样的，有彩色图表、文本、动画、视频、音频等。

CoVis项目本身设计了一些具体的学习主题以及活动开展的流程，但更重要的是为教师提供了大量的资源、认知工具、合作技术和来自社会的支持——远程导师数据库，鼓励教师自行开发课程内容。也就是说，CoVis给教师提供了建立完整科学探究学习环境的基本组成要素，而对于活动的具体开展方式、资源的组织和活动中支架的设计则要依托于教师对学科以及教育理念的理解。CoVis给了教师更大的自由空间，同时也是为了满足不同学生群体的兴趣和要求。因而，对多种可视化探究工具的开发和资源库的充实与丰富将是CoVis未来的发展趋势之一。

四、评析

技术的发展给人类创造了无限的可能。我们欣喜于信息技术所能带给教育的种种奇迹，它把教育几百年来的童话变成了现实，从而也使教育越来越走向支撑人类自然状态下的学习活动，变得更加人性化。我们承认信息技术同样是因为有了先进的教育理论的土壤才能在当今的教育舞台上占有一席重要的位置。无论是国内还是国外的研究中，信息技术与教育整合都是一个热点问题。在纵观国内外的研究现状时，我们发现国外的一些研究确实是值得借鉴的，下面以CoVis为例进行简要的分析：

1．以先进的教育理念为支撑

教育改革的灵魂与起始点是观念的转变，没有理念支撑的技术犹如没有思想的躯壳一样黯然无光。理念是核心，技术是手段。随着国外一些先进的教育与学习理论的引入，国内也开始探索如何在学校的情境中实现教育的新憧憬，但是这个过程举步维艰，往往很难达到我们的期望值。为什么会这样?我想这其中可能有两个原因：一是不想借助技术的力量，这难免会重现杜威时代的教育困境；二是没有深刻地理解新的教育理念的内涵，而盲目地将技术应用于课堂。比如，现在许多中小学课堂都融人了信息技术，但是大多数只是为了把知识以更形象化的方式呈现出来或把课本知识变成电子版本，还有做得好一些的：把技术作为搭建知识结构的建构工具、资源搜索与储存工具等。但这些都反映出我们还处于对教育理念的领会和技术的开发的初始阶段。这里我们引介了CoVis项目，才发现原来技术与理念可以结合的这样好。我们引介与借鉴CoVis项目并不是说经历了本次教改后的课堂都要采用类似的开放的(特注：在社会上建立广泛的学习共同体，以及活动本身是开放的)探究活动，其实，必要的讲授也是需要的，未来的课堂应该是多种学习方式共存的。但是，站在研究的角度，我们要看到此时此刻最美丽的风景。

2．深度挖掘技术的潜质

曾经有学者感叹说：“国内在忙着做课件，国外却在忙着开发软件”。我想这在某种程度上确实反映了当前的一些状况。课件主要用于知识的呈现与理解，而软件则是对整个学习活动的支撑。这一方面是由于前面所说的对理念理解的问题，另一方面也是由于我们对技术的认识和开发不够。CoVis项目的三种视觉环境和协作记事簿在整个探究活动中为学生提供了多种需要的脚手架，为知识的建构提供了良好的支撑，如，对视觉信息的生成与呈现、良好的交互操作(根据学生输入的数据生成不同的图像)、各种资源的链接、使活动中的思维过程外显化等等。理念需要技术的支撑，而技术会让实践中的理念更加曼妙多姿。就象CoVis中的视觉环境一样，每个小软件都有各自的功能和用途，需要根据课程的内容设计。因此，重要的是挖掘技术的潜质，这样才能根据需要进一步地开发设计，让技术更好地为教育服务。

3．从习惯的学习方式出发

CoVis设计了许多成熟的课程样本，在开放性、媒体的使用和支撑性上都不尽相同。例如，“地球变暖”课程就不是完全借助于网络的，而且活动的设计为学生提供了较多的帮助和支撑，在每一个小活动里都设置了一些问题供学生在研究时思考，而不是完全由学生自己提出思考的问题，而且事先也规定了整个活动的流程和内容，这在某种程度上限制了探究的开放性，但我们也需看到的是这也许更适合那些长久以来习惯于讲授式的学生和教师。从习惯的学习方式逐渐转变到开放式的探究，无论对学生和教师的心理准备而言还是对整个教育体制而言都需要一个漫长的过程。因此，CoVis开发多种课程版本(从实验室活动到模拟真实的科学实践的连续体)的做法也是值得我们借鉴的，给学生和教师搭建一个个的“脚手架”，帮助他们逐渐突破传统学习方式的藩篱。