生物虚拟实验教学效果调研外文翻译资料

Development of an Online Experiment Platform for High

School Biology

Dimitri V. Blondel amp; Anna Sansone amp; Joshua M Rosenberg amp; Elizabeth A Godin amp; Brenda W. Yang amp;

Lawson T. Jaglom-Kurtz amp; Lisa Linnenbrink-Garcia amp; Rochelle D. Schwartz-Bloom

摘要：我们开发了一个新颖的在线平台Rex(“真实实验”的简写)，能让让学生沉浸在科学探究中。Rex是一个虚拟的网络生物科学实验平台，由真正的科学家主持，并利用实际的实验室实验来生成真实的数据以供学生收集、分析和解释。我们准备了七项以斑马鱼和大鼠为模型系统的神经科学实验，研究了四氢大麻酚（THC）、咖啡因、酒精和香烟等高中生感兴趣的药物的作用。我们在不同的高中生物教室进行了小型的Rex实地测试（如标准、荣誉、AP、解剖/生理校正）以获得学生和老师对项目实施和可用性的反馈。我们也评估学生的情境性兴趣，以确定Rex实验是否引起学生们的注意，以及它是否是一个愉快和有意义的经验。总的来说,学生们在参加了Rex实验后报告了中等程度的情境兴趣（SI）水平.且情境兴趣不因教师、班级、年级或实验类型的不同而不同。此外，我们还介绍了在课堂上遇到的技术问题的细节，并向可能希望在其课堂中使用该资源的读者提供指导。

关键词：在线实验；高中生物；虚拟实验；神经学；药物；情境兴趣（SI）

一、介绍

基于实验室的学习是科学教育的重要组成部分。然而，在美国传统的高中物理实验室实验中，存在着一些需要教师克服的挑战。尽管最近进行了改革，但许多中学实验室实验并不总是能有效地结合起来，尽管国家研究委员会2006年、2012年和实验室试验对学生来说并非总是有意义，也不与他们的日常生活相关。此外，许多高中实验室实验并不是作为真正的研究经验进行的，下一代科学标准国家指导小组2013年的国家报告指出，这对于帮助学生从事科学实践和了解科学的性质十分重要。这些问题由于许多高中的背景因素而更加严重。例如，计划、建立和管理高精尖实验所需的时间可能与其他课程要求相竞争。此外，教师在尖端研究技术方面的经验可能有限，学校可能没有资源购买进行许多实验所需的各种科学设备。最后，就生物学而言，一些管辖区域限制在K-12学校使用脊椎动物进行实验。

解决其中许多限制的一些方法是使用干式工作台：比如使用计算机数据库、实验室实验或非传统的实验室试验。非传统的实验室实验一般可分为两类：虚拟实验，其中包括模拟的、物理上不存在的设备，以及远程试验，它涉及用户遥控操作的真实物理设备。干法实验室和非传统实验室不仅降低成本，而且在可用性、可获得性和安全性方面提供额外的好处。穆恩和他的同事们已经证明，在同一个主题上进行一项湿法基因分型DNA杂交或干法胆汁酸数据库研究方法的实验，可以让学生们对现实世界中的科学本质有类似的看法。一项基于56项研究结果的元分析发现，和传统实验对比，非传统实验的教学效果显得相当有效：89%的研究报告说非传统实验的学习成绩相比于传统实验的学习成绩持平甚至高于后者。 在大学一级，Rowe等人研究发现，使用化学虚拟/计算机模拟实验室的学生的表现与传统化学实验室课程的学员一样好或更好。

网上有各种资源支持学生在科学方面的学习。这类资源的交互性范围很广，从简单的动画到点击学习交互演示，到教育视频游戏，再到虚拟实验室实验。在线实验室的参与可包括进行实验、收集数据和回答问题。在霍华德·休斯医学研究所的生物互动网站（http://www.hhmi.org/biointeractive/）上可以找到这一光谱范围内的全部实例。目前已经制定了许多方案，将技术支持纳入不同科学领域的学习，其中包括纳米技术、甲烷检测和检测等。 此外，关于混合学习的研究表明，在不牺牲面对面交流的好处的情况下，将在线活动纳入反馈、文件和信息获取的便利有意义地加强了传统教学。

然而，许多虚拟实验室使用的是一种低演绎的查询模型，该模型对科学过程提出了一种过于简单的模型。通常，虚拟实验室提供了一个理想的世界，使用简化的条件和完全符合假设的完美数据。虚拟实验不能完全还原现实的科学调查的干扰因素影响，以及错误和复杂的结果解释。

为了提供更真实的体验，除了传授科学技能和概念外，我们还开发了一个在线平台，让学生沉浸在实际的科学调查过程中；学生获得了规划实验、收集和分析真实数据以及作为一个团队参与整个过程的经验。

我们创建雷克斯平台，意图借助平台实现以下几个目标：

第一，雷克斯的目的是培养人们对科学的兴趣。因此，我们把重点放在药理学和神经科学的课题上，这些课题是高中生们相对感兴趣的课题，并且可以提高基本的生物学和化学内容知识。高中生的毕业成为大学生后，早期的药理学实验能增加学生在科学与药理学上的专业程度。因此，通过它对药物和大脑的关注以及基于网络平台的使用，雷克斯被设计用来支持学生对科学的情境兴趣。情境兴趣是一类响应环境因素而产生的学生兴趣。情境兴趣可以先于并促进更持久和更深层次的个体兴趣。 个人兴趣是职业选择的一个强有力的预测因子，它也与学术活动和成就有关。在这项研究中，我们测量的是情景而不是个人的兴趣，因为SI是最有可能通过参与其中一个Rex模块而形成的心理结构。例如，学生可能需要参与多个模块的雷克斯经验，以产生影响，他们更持久的个人兴趣。

第二，雷克斯的目的是让学生参与科学家在现实世界中使用的同样真实的科学过程，而不是实际的亲身参与。

第三，雷克斯的设计是为了最大限度地利用实验室实验，作为教师教学中的一个强大资源。一旦该平台进行最终修订，将在网上向教师免费发布。

在本文中，我们详细地记录了Rex网络平台，并描述了我们在北卡罗来纳州八个高中生物教室的初步实施。我们讨论了教师培训、教室访问以进行实施观察和技术支持，以及遇到的各种技术挑战，并总结了我们从教师和学生那里得到的反馈。此外，我们分享了我们对学生的评估，以确定雷克斯实验是否引起学生们的注意，以及它是否是一次愉快和有意义的经历。值得注意的是，本报告的目的是与读者分享我们开发基于网络的虚拟实验的过程，以便对这类工作感兴趣的其他人能够学习我们的经验。我们在此展示的关于教师、教师和学生对雷克斯环境的反应的研究结果，提供了我们首次在该平台上进行基于设计研究的结果。基于设计的研究不仅关注迭代开发和测试工具或干预的过程，而且关注在真实的上下文中理解它。在技术增强型学习环境中，基于设计的研究也可以产生实用的知识，帮助TELE设计社区的王宏和汉纳芬2005年的目标。因此，我们的目的是了解如何进一步发展该平台，以支持学生参与真正的科学实验室，并了解学生对这些实验室的体验和反应。评估雷克斯学习平台的有效性超出了本研究的范围，是今后进行更大规模干预的一个目标。

二、虚拟实验平台设计

1、平台组件概览

Rex的程序包括几个部分：实验设计和建立Rex平台，通过实际的实验来产生真实的数据供用户分析，雇佣研究生做真正的科学家，制作实验科学家的录像并与高中生进行交流，以及开发教师教程。下文介绍了其中的每一个特点。

2、雷克斯平台内容

（1）程序架构

雷克斯是一个基于云的分布式体系结构的交互式在线平台。Rex客户端是主要基于JavaScript开发，能在Chrome浏览器上理想地运行。此应用程序来自于Rex服务器端应用程序，并与之交互，该应用程序宿主于云应用程序平台HerokuChampionship。客户端和服务器端应用程序还与其他几种云服务进行交互，以实现关键功能：（1）存储用户生成的数据并管理帐户信息和身份验证的安全数据库平台（Firebase），（2） 可下载文档的文件存储和同步服务，也与协作电子表格软件（Google Drive/Sheets）集成；（3）实验数据图像文件的网络存储服务（Amazon S3/Cloudfront）；以及4）托管科学家视频的视频共享网站（YouTube）。我们选择GoogleDrive是为了方便组织和编辑可下载文件；选择AmazonS3/Cloudfront存储数据文件，因为它经过优化，可以快速下载静态图像。该网站是为Chrome浏览器设计和支持的，尽管它也可以在其他浏览器中运行。

（2）整体网站设计

雷克斯平台展示了七项个体神经科学实验。一旦用户选择了一项实验，他们就会在导航菜单和YouTube视频的引导下完成这项实验。每个雷克斯实验都是以同样的方式组织进行的，先从题目的背景阅读开始，然后继续进行假设的形成，最后选择变量，例如剂量、时间、年龄等。最后，对实验中的一系列问题进行了评析，为教师提供了学生理解实验的信息。

软件界面由中央的主面板、左侧的导航菜单和可折叠笔记本组成

在右边。主面板包含（1）短文本部分（例如，背景；图2），（2）科学家的视频（图3）

（3） 要回答的问题（图3）和（4）实验（图4）。左侧的导航菜单面板（图5）可用于跳到系统中的任何一点实验。笔记本，打开在右边的小组（图5），是学生回答学生提问的方科学家们输入并绘制他们的数据，然后回答关键的思考问题。我们设计这个界面是为了让学生控制自己的进度，这样就可以灵活适应各种不同的能力。除了导航菜单和视频控制，我们提供了弹出式关键字定义和可选链接到更详细的背景信息和教程（图6）。

（3）雷克斯实验

雷克斯的7个实验基于以前发表的神经科学研究。这些实验被分成四种方法：第一类是行为，第二类是生理，第三类是细胞，第四类是分子。一些实验具有简单的设计和实现，而另一些则具有更多的技术驱动和复杂的实现方法（例如分子生物学实验）实验生物为斑马鱼、白鳍豚和家鼠，它们是公认的研究药物对人体影响课题中的简单模型。 每个实验的概要和一些建议可以在教师指导手册在线资源1的第17页找到。

首席研究员凯斯楚的实验室成员（而不是受雇的研究生演员）做了这些实验来产生真实的数据，数据最终将被储存在云服务器上以供学生访问。不过空间学习和基因表达实验得到的原始数据是分别从发表的研究中获得的。

所有实验的数据都被收集为图像、或视频剪辑。中学生可以像科学家一样获得相同形式的数据，为学生提供真实的研究体验，但不包括动手操作部分。

Rex的TeacherResources部分包含了每个实验的书面协议，数据被填入表格和示例图。它为教师提供了更多信息，如科学内容和过程与下一代科学标准、挪威科学联合会2013年牵头国家和数学共同核心标准之间的映射关系、全国州长协会最佳做法中心、国家首席学校官员理事会2010年暂定。协议允许老师在生物实验室里实际进行实验，如果他有资源的话。在线资源1的第6页包含了StartleResponse实验协议的副本。

（4）雷克斯的科学家和拍摄

Rex的一个主要特点是实验由一系列真实科学家的视频剪辑组成，其中包括10名研究生参与实验和与高中生的互动。我们从更大的申请者群体中挑选了我们大学的基础科学博士研究生，作为演员为嵌入在雷克斯中的视频片段进行实验。在10名科学家中，有6名是妇女，4名是代表性不足的少数族裔，1名是非洲裔美国人，3名是拉美裔/拉丁美洲人。他们的部门附属机构包括药理学、神经生物学、生物化学、细胞生物学和生物学。选择研究生的主要依据是雷克斯公司以前使用的各种实验技术的经验，以及他们对获得大专前科学教育经验的兴趣。

一对科学家领导了一个视频实验，每对中至少有一对是女性或者是代表不足的少数。通过这种方式，我们希望与社会对科学家的刻板印象作斗争，希望高中生就能看出科学家其实也不过是普通人。我们与科学家研究生密切合作，为视频片段创建脚本，以覆盖背景、假设、变量选择、稀释计算、数据收集和数据分析。研究生们用剧本作指导，加以适当的即兴表演。视频片段是在我们的实验室拍摄的，其中包括实验中使用的实际设备的演示。拍摄结束后，视频片段被上传到YouTube。

视频片段包含了Brame于2016年所讨论的许多元素，这些元素可以最大限度地提高学生的学习，包括提供主动学习、促进学生参与和管理认知负荷。举个例子，录像的目的是让学生在实验中发挥积极作用，尽管缺乏动手能力。为了鼓励互动，影片的结尾是科学家向学生提出一个问题，并告诉学生在他们的雷克斯笔记本上写下答案。为了加强这些问题,我们在视频窗口下面放了一个红色的盒子.在某些情况下，我们提供了如何输入信息的说明，例如，在RexNotebook中输入数据。为了进一步促进参与，科学家要求学生选择药物剂量、动物年龄等实验参数。学生从提供的范围中进行选择。同时，如果选择不合适，阶段性和弹出式警报会通知他们。（例：剂量过大可能会让研究动物中毒）因此，即使科学家已经完成了实验，允许学生选择实验参数仍使他们对实验有一定的所有权。其指导性、互动性的问题和赋予学生控制力的特点，可增加学生适切的认知负荷，改善记忆，提高学生的自我评价能力。此外，通过缩短视频片段的长度~1个目标2分钟，可以提高视频被观看的百分比，减少目标漫游。视频和平台元素都是专门设计用来减少认知负荷的。视频利用分割的方法对信

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