导 语 在STEM教育中，整合科学观察与数学推理的“数理融合意义建构（MSS）”是科学思维的核心支柱，也是学生在STEM领域持续发展的关键。但传统教学普遍重公式套用、轻意义建构，多数学生难以自发形成这项能力；对STEM领域的历史边缘群体而言，教育资源不均更让他们在这项核心能力上起步即落后。 近期发表于教育技术顶刊《Computers & Education》的研究提出了可落地方案：基于开源PhET互动模拟、锚定成熟认知框架的“定向自主引导学习”模型，仅需一次1.5小时的自主学习活动，即可显著提升边缘群体学生的MSS能力，且效果可长期留存、跨学科迁移。
01 研究背景
数理融合意义建构（MSS）是学生结合科学现象与数学逻辑建立数学模型的认知过程，是计算思维的重要组成，也是深度科学理解的标志。传统本科STEM课程多直接呈现公式、靠刷题强化应用，学生极少经历“从现象观察到公式推导”的完整建构过程，始终停留在“套公式解题”的浅层水平。 这一问题在历史边缘STEM学习者中更为突出。受系统性资源不均影响，该群体普遍缺少探究式学习经历，数理基础薄弱，在入门STEM课程中更容易掉队，而入门课程表现直接关联STEM学位完成率——补上MSS能力短板，是帮助该群体留在STEM领域的关键抓手。 完全无引导的自由探索并不适合基础薄弱的学生，因此研究采用“定向自主引导学习（DSGL）”路径：通过外部支架把控学习方向，同时保留学生自主探索空间，是从被动学习走向完全自主学习的合理过渡。 PhET开源互动模拟是承载该模式的理想载体：它可动态呈现变量变化带来的现象改变，学生能直观调整参数、观察规律，既降低认知负荷与语言门槛，又为数理意义建构提供真实探究情境。但此前少有研究系统探讨如何通过模拟的脚手架设计系统性培养MSS这类高阶认知能力，尤其针对边缘群体学习者。本研究基于已验证的MSS认知进阶框架，用模拟工具搭建定向自主学习路径，填补了这一空白。
02 研究设计
本研究核心是将MSS认知框架、PhET互动模拟与定向自主引导学习三者深度结合。 研究以MSS三阶九级认知框架为标尺：层级1为定性水平，仅能识别变量、描述定性变化规律；层级2为定量水平，能对应数值、发现定量模式，可代入数值验证公式，但无法从概念层面解释公式结构；层级3为概念水平，能准确写出公式，解释变量的科学意义，将数学运算与定量模式对应，形成完整因果机制解释。所有任务均按认知顺序从低到高排布。 在此基础上构建的学习模型分为三阶段：一是核心定向自主探索，学生先完成前测，再按“定性→定量→概念”完成分层任务，每层级结束后获得反馈与总结，可结合模拟复盘进阶；二是即时迁移任务，活动结束后学生在全新学科情境的PhET模拟中无支架独立推导公式，检验短期迁移；三是延迟后测，1-4周后完成跨情境MSS综合测试，检验长期留存与远迁移。 研究设计了物理（库仑定律）、化学（热容）两个主题的学习活动，招募27名来自美国少数族裔服务院校的大一新生（均为STEM历史边缘群体背景），采用两组交叉设计：一组学习热容、迁移测试库仑定律；另一组学习库仑定律、迁移测试热容。
03 研究发现
研究结果清晰验证了该学习模型的实际效果。 整体学习增益效应显著。配对样本 t 检验显示，参与活动后学生 MSS 水平较前测有极显著提升（p<0.001），效应量 d=1.64，属于极大效应；所有学生 MSS 层级至少提升 2 个子层级。绝大多数学生前测处于最低的定性层级，仅能说出相关变量与大致趋势，无法写出准确公式；活动结束后，大部分学生达到最高的概念机制层级，既能写出正确公式，也能解释公式运算对应的科学规律。 短期与长期迁移效果均十分可观。短期迁移中，多数学生可将 MSS 推理方式立刻迁移到全新学科情境，其中库仑定律组迁移表现优于热容组。 长期迁移方面，1-4 周后的延迟后测显示，所有学生 MSS 水平均显著高于活动前，大部分保持层级 2 以上表现，超半数学生在至少一个学科情境中达到层级 3 水平，说明一次活动建立的 MSS 能力形成了可留存的认知能力。 此外，学生使用最多的学习资源是 PhET 模拟与层级总结文本，额外数据表格使用率较低，印证了可视化、可交互的模拟比纯数字表格更能支撑边缘群体的数理建构。
04 学术价值
这套轻量模式能产出显著效果，核心在于契合三重认知逻辑： 一是进阶式支架匹配认知发展规律。任务严格按“定性识别→定量找规律→概念建机制”排布，每一步都落在学生最近发展区内。 二是互动模拟精准降低学习门槛。PhET以可视化方式呈现抽象规律，弱化对先备知识、语言能力的要求，让基础薄弱的边缘群体学生也能亲自“做科学”。 三是“定向+自主”的平衡实现深度建构。外部支架把控建构路径，自主探索推动主动意义建构，过程导向的学习天然更利于能力迁移。
结 语 综上，该研究不仅验证了模拟支持的定向自主学习模式在培养数理融合意义建构能力方面的实践有效性，更彰显了一项关键的教育理念：经由科学系统的教学设计，技术工具与认知学习理论的深度融合，能够为STEM领域历史边缘群体学习者搭建起促进教育公平的发展阶梯，助力其掌握STEM学科的核心思维与建构能力，而非仅停留在碎片化知识的识记层面。