一、引言

科学技术发展为教育带来了许多技术和理念的支持，“做中学”使学生利用认知工具建构知识，深化思维进程。祝智庭^[1]认为认知工具是教师给学生提供的一些工具软件，学生利用工具通过自己动手来探索外物，以更好地丰富原有的认知结构。认知工具包括概念图、思维导图、语义网络、知识地图和系统建模等，能支持、指导、深化和拓展学生思维过程。例如，Netlogo是基于现代教育教学思想的新型系统建模软件，以系统建模的方式模拟事物发展过程，通过分析该模型的数据和信息，使学生利用公式、图表、计算机程序和其他媒体来表征自己的理解，以此来强化模型^[2]。建模和仿真技术以逼真的形式呈现知识，由于仍然存在无法观察或无法完成的物理实验，利用Netlogo可以模拟真实电路或机械实验等；至于化学酸碱中和的分子和原子是如何结合的都会影响学生理解知识，然而现实生活完成这样的实验是很难的，可以借助Netlogo设计一个模拟现实很难观察和完成的实验过程。Netlogo模拟实验为学生创造参与类似真实的学习环境的机会，将实验过程的信息以可视化方式呈现，这种可视化过程为学生认知过程提供支架，提高学生问题解决能力。问题解决是一个高级的认知过程，它可以在内部知识表征的基础上与其它认知过程相互作用^[3]。王等^[4](Wang, et al., 2014)提出计算机学习环境使问题解决的思考和学习可视化，利用可视化的认知工具将问题解决和知识建构活动联结起来。Netlogo虚拟环境的学习对象可以是学生、老师和开发者等。

二、解读Netlogo

Netlogo是乌里–威伦斯基(Uri Wilensky)于提出，西北大学(Northwestern University)“关联学习与计算机建模中心”(Center for Connected Learning and Computer- Based Modeling)不断对其进行完善和发展^[5]。Netlogo模型库包括生物学、物理学、化学和地球科学等，内置学科仿真模型，无需改动即可执行，通过直观的参数调整可以改变运行状态。

    (一)Netlogo与可视化

卡德等^[6](Card et.al, 1999)将信息可视化定义为计算机支持的交互性的视觉表示法，对抽象数据进行表示，以增强认知。系统建模可以解释人思考的信息，以可视化的图像与动画表示思维和想象的过程，使抽象信息具体化，显性信息生动化^[7]，为人们知识建构提供支架，促进他们的思维发展，使信息在群体间更好的传播和创新。

Netlogo实现用模拟仿真的形式表示无法观察或进行的实验和思维过程。它不仅提供二维和三维视图效果，还提供描绘主体在世界中发展变化的绘图窗口，观察者可以跟踪具体的某主体的发展变化。此外，Netlogo利用相应的绘图窗口和数据监视器等窗口关注分析对象的发展变化，最后分析模型特点，增强学生理解知识，有助于减少学生认知负载，以及增强学习绩效。

    （二）Netlogo与认知能力

认知工具是可以呈现认知结构和认知过程的技术，用于增强认知和自我导向学习，培养学生问题解决能力。认知工具被视为追踪学生思维过程的最有效的可视线索，用于揭露复杂学习的头脑活动^[8]。Netlogo通过创建系统模型方式，帮助学生建构正确知识，验证自己思维过程，可以提高学生元认知意识，使学生监控和调节自己的认知和元认知。

学生利用Netlogo既可以观察图形、图像、数据和模型的变化，也可以预测模型或曲线发展趋势，由此掌握该模型的性质和特点，有利于知识迁移，促进学者对问题的理解和认识，逐渐地提升问题解决能力。

    （三）Netlogo:一种学习支架

维果斯基(Lev Vygotsky, 1978)将学生实际发展水平与潜在发展水平相交叠的区域称为“最近发展区”，学习支架可以帮助学生顺利穿越“最近发展区”以获得进一步的发展^[9]。学生学习过程借助Netlogo建模模型，引导学生学会知识、掌握技能，辅助学生达到最近发展区，提高学生问题解决能力。

利用Netlogo可以训练学生思维能力和认识世界的能力，而且Netlogo为学生创造了模拟仿真环境，模型动态发展过程为学生学习知识起到转变和调节作用，这些模型解释的问题和现象有助于点拨学生思维，对学生以后的独立学习起到潜移默化的引导作用，使他们在必要时利用各种途径寻找或构建支架来支持自己的学习，在教学中可以将其作为一种学习支架，提高学生学习效率。

    （四）Netlogo：提高学生高阶思维

问题解决是高阶认知过程，问题解决能力是学生用认知策略解决问题的能力，也是不同环境下获取知识的能力。Netlogo模拟真实现象或问题，根据提出问题、分析问题、验证问题和解决问题的过程，长期利用Netlogo可以提高学生问题解决能力。

利用Netlogo有助于判断和验证知识，根据模拟某现象，利用这些数据和图像预测该现象的发展趋势；也可以用自己的实际能力设计和改造一些模型，多次实验有利于学生培养创造性思维能力。问题解决是一个复杂的思维过程，包括批判性思维、创造性思维和推理性思维，而这些思维都属于高阶思维^[10]。高阶思维是发生在较高认知水平层次上的心智活动或较高层次的认知能力，如分析、综合和评价^[11]。Netlogo基于多主体建模，分析主体之间的关系，评价认知思维过程，培养学生高阶思维能力。

三、基于Netlogo教学双重过程模型构建

可以在Netlogo程序界面编写程序代码，结合工具界面的工具创建一个模型，也可以改写模型库的模型代码，建立一个新模型。综合文献和实际操作，构建Netlogo在教育应用的双重过程模型。首先从宏观思考Netlogo如何应用于教学过程，然后从微观分析Netlogo如何应用于学习过程。

    （一）基于Netlogo教师教的过程模型

根据“戴尔经验之塔”理论，学生通过“做的经验”对知识理解程度最高，基于建模技术与教学融合，构建了Netlogo在教育中应用的过程模型(如图1所示)。Netlogo既可以作为教师的教学工具，也可以作为学生的学习工具。教师将Netlogo结合学科知识组织教学活动，学生也可以根据Netlogo结合学科知识进行学习活动。可以展开探究式、协作式和合作式学习和自主学习等，完善所学的知识内容。最后，教师和学生可以将这些活动的效果报告给软件编辑或开发者，使改善后的Netlogo更好地应用于教学活动，优化教师教和学生学。

图1  基于Netlogo教师教的过程模型

    （二）基于Netlogo学生学的过程模型

Netlogo包括演示界面、说明界面和程序界面。演示界面包括常用的建模工具、数据和视图，说明界面主要是关于模型的介绍，程序界面是程序运行所必需的代码。学生利用工具调节、观察和分析模型库里的模型变化，不断调节开关、滑动条或按钮等，观察模型与数据的变化。

根据学生利用Netlogo学习过程构建了一个过程模型(如图2所示)，Netlogo与学科知识融合，可以优化学生学习。首先当Netlogo融入学科知识后，学生根据演示界面的绘图、监视器和视图等，深入理解学习内容，学生长时间训练和探索有利于增强自身认知能力，提高学生问题解决能力。由于利用Netlogo可以培养学生的推理性思维能力、创造性思维能力和批判性思维能力，进而培养学生高阶思维能力。学生认知能力和问题解决能力与可视化功能存在必然联系，知识可视化不仅影响学生认知能力而且也影响学生问题解决能力，学生认知能力也影响问题解决能力。同时，这三者都支持者学生有意义学习，既可以是来自于协作和合作学习，也可以来自于个人自主学习。

图2  基于Netlogo学生学的过程模型

四、基于Netlogo课堂教学过程案例

穆雷(Murry)^[12]认为建模是重要工具，用于呈现、分析和讨论与生物系统相关的观点或思想。以Netlogo 5.1.0版本模型库中生物模型为例，教师导入学习目标，允许学生利用Netlogo和教材和网络资源展开探究式学习，探讨狼、羊与草三者之间的关系。

    （一）理解工具属性

进入“生物(biology)”模型库“狼与羊的掠夺行为(Wolf Sheep Predation)”模型，教师讲解各个工具和窗口的涵义与功能。调整按钮、开关和滑动条，观察界面的绘图窗口，分析三者之间的变化关系。 

    （二）观察视图，设置参数

根据需要调整工具栏的速度滑动条，或将模型视图的瓦片变大，更细致地观察世界主体变化，在视图窗口，选择狼、羊或草地，鼠标右击后可以监视、观察和跟随某海龟，而瓦片只可以被监视。如图3所示，调整瓦片大小为20像素，监视(-4, 8)位置的瓦片(指草地)，学生不仅能监视瓦片而且还可以跟踪、监视和观察海龟(指羊和狼)；也可以在指令中心输入代码，观察视图中海龟和瓦片的变化，例如，在指令中心下的观察员输入框中输入“ask turtle 217[set color red]”可以观察“sheep217”的能量、再生和位置等变化。将二维视图转化为三维视图后，学生可以选择旋转、缩放、移动和交互视图，使学生清楚地看到狼、羊和草的分布。

图3  对狼与羊关系的观察

    （三）数据和视图分析

探讨分析羊、狼和草的数量关系，以及曲线变动的原因和趋势，分析三者数量是否符合种群增长的“J”型分布、“S”型分布，或者符合其他分布；根据羊、狼与草的能量变化，分析三者是竞争、捕食还是其他关系；也可以深入学习和探讨，如监视或跟踪某主体后观察，羊与狼的位置变化和再生的狼与羊。实验数据和视图的分析如下：

    1.控制草的数量是650*4恒定不变

首先，设置羊数量是100，狼数量为0的理想环境下，观察羊数量的变化。随着时间增长，该数量增长曲线越接近于指数分布，即“J”型分布。

其次，设置羊数量为0，狼数量为50，之后，狼由于无食物而逐渐减少，最后消失。

最后，设置羊数量是100，狼数量是50，观察曲线变化。结果是可能剩下羊和草，或者只剩下草。

    2.控制草的数量可变

首先，设置羊初始值为100，狼初始值为0，草初始数量是325*4，草再生时间为30，羊获得食物的数量是5，羊再生率为5%，羊与草的关系如图4所示。

图4  羊与草的数量增长曲线

其次，设置狼数量为50，羊数量为0，狼从食物中获得数量是20，狼再生率是5%，草数量是325*4，结果是狼由于缺少食物而消失。

最后，设置羊数量为100，狼数量为50，草数量为325*4，那么三者关系如图5所示。

图5  狼、羊和草三者之间的关系曲线

综上，第一，狼是食肉动物，不仅吃羊，也可以以狼为食，羊以草为食。第二，当羊或狼在理想环境下(食物充足、环境适宜、空间不限、没有敌害)，其数量增长服从“J型曲线分布”。第三，现实存在环境阻力(食物有限、空间有限、种间竞争、种内斗争、天敌捕食)时，羊与狼的增长大致服从“S”型曲线分布。第四，由于狼以羊为食，羊以草为食，当草数量增多时，羊数量就会增加，然后狼数量也会增加；当狼数量增加到一定程度时，羊数量就会减少，而狼数量也会相应减少，但是草数量就会迅速增加，这时，羊数量又会增加。

    （四）学习总结

学生调整视图大小和变化，以自己的学习步调和特点进行自主学习，也可以是同学之间的合作学习、协作学习和探究式学习等。Netlogo模型为学生展示可视化信息，使学生掌握狼、羊与草的食物链关系，帮助教师完成教学任务，辅助学生建构正确知识。经过分析，利用Netlogo可以培养学生认知能力和问题解决能力。学生汇报讨论结果，教师总结教学，然后扩展相关知识，以测验或提问来验证学生学习效果，最后，教师将知识迁移到下一课。

五、研究结论与展望

Netlogo为学生提供一个虚拟环境和一些工具，可以探索、假设和验证问题。随着模型库的更新和完善，可以构建更多现实无法完成的实验，验证难以理解的知识和模型，使学生构建正确知识结构。学生可以自己控制实验进度，创建和验证模型。本文构建了基于Netlogo的教师教和学生学的双重过程模型，从“狼与羊的掠夺行为”模型分析表明，利用Netlogo可以提高学生认知能力和问题解决能力。在数据海洋时代，Netlogo可以分析学生学习特点和学习路径，学习过程和学习内容依据学生个性特征和偏好做出适应性变化，结合学生进度推荐个性化学习内容，提高学生学习效果。此外，将Netlogo安装在移动终端上，使学生利用移动设备随时随地学习，提高学习效率。

参考文献：

[1] 万菲. 基于认知工具的中学科学探究学习平台研究[D]. 西南大学, 2010.

[2] 陈凯,陈博,周宏. 基于Netlogo的化学建模教学案例评析及反思[J]. 中国电化教育, 2010, (1): 94-97.

[3] 尚晓晶,马玉慧. 问题解决情境下认知工具的设计研究——以数学应用题为例[J]. 现代教育技术, 2012, (2): 42-47.

[4] Lin, C F. Hung, Y H. Chang, R I. et al. Developing a problem-solving learning system to assess the effects of different materials on learning performance and attitudes [J]. Computers & Education, 2014, (77): 50-66.

[5] 刘小波. 基于NetLogo平台的舆情演化模型实现[J]. 情报资料工作, 2012, (1): 55-60.

[6] 赵国庆,黄荣怀,陆志坚. 知识可视化的理论与方法[J].开放教育研究, 2005, (1): 23-27.

[7] 张天凤. 知识可视化在初中信息技术教学中的应用研究[D]. 山东师范大学, 2013: 10-11.

[8] Wang, M. Wu, B. Kinshuk, et al. Connecting problem-solving and knowledge-construction processes in a visualization-based learning environment [J]. Computers & Education, 2013, (68): 293-306.

[9] 闫寒冰. 信息化教学的学习支架研究[J]. 中国电化教育, 2003, (11): 18-21.

[10] Kuo, F R. Hwang, G J. A five-phase learning cycle approach to improving the web-based problem-solving performance of students [J]. Educational Technology & Society, 2014, 17 (1): 169-184.

[11] 钟志贤.论学习环境设计[J]. 电化教育研究, 2005, (7): 35-41.

[12] Ginovart M. Discovering the power of individual-based modelling in teaching and learning: the study of a predator–prey system[J]. Journal of Science Education and Technology, 2014, 23(4): 496-513.

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*基金项目：天津市教育科学研究院青年课题“智能导学系统中元认知感知与情绪调节研究”（项目编号：TJJKY2023-QN-01）。

作者简介：韩建华，女，博士，天津市教育科学研究院，研究方向为智能个性化学习。