摘要：本文首先分析了“技術增強的、基於建模的教學”( TMBI) 的主要特點，在此基礎上著重從 TMBI如何促進科學探索、TMBI 如何促進基於建模的思維、TMBI 如何促進協作式學習和支架式 TMBI 的設計與應用等，論述了 TMBI 方式在教學中的重要意義與作用。
一、引言
《教育傳播與技術研究手冊（第四版）》第五部分（“具體領域的策略與模型”篇）的第41章論述了“科學教育中技術增強的、基於建模的教學”（任友群等，2015）。該章主要圍繞“技術增強的、基於建模的全新教學方式”的意義與作用進行了較深入的探討。
學術界普遍認為，科學教育中“技術增強的、基於建模的教學”（Technology-enhanced，Modelingbased Instruction，簡稱TMBI）是一種創新的教學方式，它鼓勵學生通過創造模型，使用、分享和評估模型，來表徵和解釋科學現象及相關過程。不少學者研究並實施了技術增強的、基於建模的教學方式（即TMBI方式）。結果證實：這種教學方式確實能有效地提高學生的概念理解、批判性思維和科學探究能力（Hart，2008；Hestenes，1987；Khan，2007；Lehrer，& Schauble，2006；Passmore，& Stewart，2002；Schwarz et al.，2009；Sel et al.，2006；White，1993；Windschitl et al.，2008）。一般認為，技術增強的、基於建模的教學方式具有以下特點：
1）能夠使學生積極參與學習，這是因為學生自主創建、測試並修改所建模型的過程，和科學家創建和測試科學模型的過程很相似。
2）採用了多種表徵方式和替代模型，其中包括物理模型（實體模型）、計算機可視化、圖形、數學公式、人類角色扮演等，可以滿足不同學習風格學習者的需要。
3）能夠促進同伴學習社群（即學習共同體）的形成。由於同學們可以一起創建模型，也可以與同伴交流各自創建的模型，和共同評估備選模型，從而有利於同學們更深入地理解複雜現象和抽象概念。
信息與通信技術的快速發展，不僅極大地擴展了科學教育中用於建模的媒體的種類，而且顯著地改變了基於建模教學的傳統學習環境。當前已經開發了多種面向K-12科學教育的技術增強的、基於建模的教學環境（即TMBI環境），這類教學環境使學生能夠大範圍地圍繞科學現象建模——尤其是那些在日常生活中太小而難以看見的、太抽象而難以表徵的、太複雜而難以理解的或者太危險而難以在現實中探究的現象都可以建模。與此同時，這類環境也提供各種合作方式，使學生可以在班級內或者在班級之間共同建模（Gobert，& Pallant，2004），其中不少技術增強的、基於建模的教學環境還可以提供即時反饋和自動的支架輔助，使學生的自主學習和自主探究得到強有力的支持——學生不僅可以管理自已的學習步調，還可以及時獲得個性化的教學指導（Hannafin，& Land，1997）。
在瞭解技術增強的、基於建模的教學方式特點的基礎上，下文將從“促進科學探索”“促進基於建模的思維”“促進協作學習”和“設計支架式的技術增強的、基於建模的教學”等四個方面，論述這一方式在教學中的重大意義與作用。
二、TMBI如何促進科學探索
為了促進學生在理科教學領域的探究性學習，布蘭斯佛德（Bransford et al.，2000；White，1993）等學者開發了具有內置功能並可作為理科教學材料的計算機模型，以便於學生能利用該模型探究正在學習的科學現象。這些內置功能可用於提供差異化教學，有利於學生進行自主探究——這正是理科教學改革追求的一個重要目標。
這方面的典型案例之一，是美國科羅拉多大學博爾德分校（University of Colorado，Boulder）開發的PhET交互式仿真程序①。該程序是開源、獨立的，通常用Java或Flash編寫。現在PhET已有多種語言版本，並在世界範圍使用，能幫助學生自主創建可視化且可測試的科學知識模型，以便於進行探究性學習（Perkins et al.，2006；Wieman et al.，2008）。與此同時，該程序還可用於開展不同類型的交互活動或學習任務。它最初只涉及物理學，現在已擴展到數學、化學、地球科學以及生物學等（Wieman，et al.，2010）。阿丹姆司等學者（Adams et al.，2009）專門研究了不同層次水平的指導下，學生如何參與PhET仿真環境的交互活動。他們與100多名學生進行了250多次伴隨“出聲思考”的訪談。學生被要求在四種不同水平的指導下，說出他們探究和創建計算機模型時的思維過程。這四種不同水平的指導包括：無指導、只提驅動性問題、淺層次引導、深層次引導。阿丹姆司等學者發現，學生在PhET仿真環境下進行的探究活動，高度依賴於該仿真程序所創設的情境。如果該仿真程序創設的情境複雜，學生無法理解就很難參與進去；如果創設的情境太簡單，學生不感興趣，就可能只參加很短的一段時間；只有創設的情境有一定難度且能激發學生的動機與興趣，學生才會堅持探究。當仿真程序設計比較精準，對學生有較強的吸引力，且提供的指導又切合學生特點時，學生會表現出最佳的參與狀態。
波多勒夫斯基（Podolefsky et al.，2010）等人觀察採談訪了大學生是如何在最低限度的指導下與PhET仿真環境進行交互的，他們記錄了學生在仿真環境下如何進行科學探究的案例。該仿真環境是“波的干擾”，仿真程序允許學生在水、聲、光三種情景下控制和觀察波的干擾；學生可以選擇不同的情景（填選項卡）、展示不同的對象、使用不同的測量工具、操控不同的變量。該項研究驗證了學生是如何利用計算機模擬程序一步步創建關於“波的干擾”的科學模型的。由於PhET仿真程序的靈活性，學生可以選擇不同的探究路徑，就像科學家探索自然現象那樣。同時，仿真程序的內置功能與實時反饋能引導學生進行自主探究，使他們的學習過程更有成效。此外，學生在高階思維方面也很有收穫——在與波的仿真程序進行交互的過程中，學生將建立起真實世界與科學表徵以及其他表徵之間的內在聯繫，從而有利於學生形成歸納、總結和類比推理等能力，這正是通過建模發展學生能力的關鍵所在（Lehrer，& Schauble，2006）。
利用TMBI促進科學探究的另一個典型案例是“River City課程”。這是哈佛大學教育研究生院開設的，該課程開發了一個多用戶虛擬環境“MUVE”②，宗旨是增強中學生的學習動機和促進他們的科學探究學習（Nelson，Ketelhut，et al.，2005）。River City課程以探究為核心、時長17個小時。在該課程中學生先形成科學假設，然後通過虛擬實驗檢驗假設——是什麼引起虛擬城市中居民疾病爆發的？該虛擬城市是一個關於人與自然系統的計算機模型，涉及生態學、健康學、生物學、化學和地球科學等多方面的知識。在該課程實施過程中，每2-4名學生組成學習小組開展研究，並且與數字產品、隱性線索、計算機代理以及彼此的化身進行交互。
研究結果表明：River City課程確實提高了學生的學習動機，增長了學科內容知識（Ketelhut et al.，2006）和探究技能（Ketelhut et al.，2006）。學者克特勒胡特（Ketelhut，2007）等人還專門調查了學生的探究行為是否在參與該課程時形成的學生的自我效能感和科學探究行為之間有關係，以及使用哪種類型的工具能對學生的學習產生影響。克特勒胡特的調查說明，學生通過參與River City課程開展科學探究，其探究行為的次數，會隨時間的推移而增多；自我效能感高的學生比自我效能感低的學生參與了更多的科學探究；而且使用課程中相關工具進行探究的學生與未使用這些工具的控制組學生相比，具有更強的探究意識和更高的探究質量（Ketelhut et al.，2006）。
三、TMBI如何促進基於建模的思維
TMBI環境可以促進基於建模的思維習慣的形成。基於建模的思維有三個特徵：一是關注定性思維與定量思維；二是重視計算思維；三是強調系統思維。下面我們就看看TMBI如何促進這幾種思維的發展。
（一）定性思維與定量思維
著名的物理教育先驅赫斯騰司（Hestenes，1987）在談到物理建模時，特別強調數學建模的重要性。數學模型指數學方式的表徵，包括數字、符號、圖形和其他形式的現實表徵；而定量思維則是形成數學模型的核心與關鍵。與此同時，不少學者也強調定性思維的重要性，因為定性理解可以為定量推理奠定堅實基礎（Bredeweg & Forbus，2003；Forbus，1984）。由此可見，我們應當同時關注青少年定性思維與定量思維的培養。為此，人們開發了一批致力於發展青少年定性建模與定量建模能力的計算機程序，以便促進廣大青少年定性思維與定量思維能力的形成與發展。
Model-It③是用於幫助學生進行定性建模的樣本程序，由密歇根大學交互計算中心開發。Model-It用來幫助初中或高中學生構建和測試表徵科學現象的定性模型（Stratford et al.，1998）。Model-It內置了計劃、構建和測試三種模式，以便搭建支架幫助學生形成定性思維模式建模。
在計劃模式中，學生創建對象並定義相關變量；
在構建模式中，學生以口頭或圖形方式設定變量關係（在此過程中學生只用定型關係，例如變量A增加，變量B減小）；
在測試模式中，學生可能會通過修改變量的值，觀察模型如何工作的。在此過程中，變量只是在幾個層級之間變化。
斯特拉佛德等人（Straford et al.，1998）發現學生運用Model-It建模程序，可以開展四種類型活動：
1）分析，即把正在被研究的系統分成若干部分；
2）關係推理，即探討系統組成部分之間的關係；
3）整合，即將相關內容加以整合，以確保模型可以表示完整的事物形象；
4）測試和調試，即對模型進行測試與調試，探討各種可能性，根據外部表現確定問題，尋找解決方法。
專家與學生利用Model-It程序建模的不同之處在於，專家開始時先有明確的關注點，該關注點是某一對象（或某種因素），然後再按照計劃、構建和測試的內置序列依次實施；在最終形成模型之前，專家往往會花較長時間進行計劃，並思考全部相關因素以及各因素之間的關係。
為了促進學生定量思維的發展，人們也開發了基於TMBI的程序及相關研究。學者茜斯（Sins et al.，2009）等人曾進行過一項有關學生“在認識論層面對模型和建模理解”的調查，希望瞭解學生對模型本質、模型用途、建模過程和對模型如何評價的認識，以及這些認識背後學生的認知過程（這裡的認知過程有深淺之分）。該研究情境有26名學生，每兩人為一組完成基於計算的力學建模任務——構建滑冰者的運動模型。學生使用Powerism簡版構造器軟件程序，這是一個免費的、基於系統動力學的建模工具，有庫存、利率、輔助物、常量和連接器等五個模型建構板塊。其中，庫存代表可以增加或減少的量；利率決定現有庫存數量的變化速度。從定性的角度看，學生可以添加、刪除和移動這些元素。從定量的角度看，學生可以控制利率和這些元素的數量（例如，可用數值表示溜冰者的速率，還可以添加公式）。具有指定數量和利率的Powerism程序，可以自動運行，並生成相應的微分方程計算運行結果（計算結果可用圖形或表格顯示）。
茜斯等人的研究證明：學生在認識論層面的理解和他們的認知過程之間呈正相關。他們還發現大多數學生實際上經歷了一個淺層的認知過程，例如，尚未提及背景物理知識就去量化一個模型，理解水平較低的學生往往只關注模型的視覺方面。
事實上，在定性和定量建模的統一體中，定性建模和定量建模之間沒有明顯界限，而且更強的建模能力的形成，有賴於這二者的結合，定性建模可以幫助學生將主要建模元素可視化，從而為精確的定量描述打下基礎。定量建模則使學生能夠在量上控制變量以及變量之間的關係，引導學生較好地理解和掌握數學公式。目前許多基於TMBI的建模程序能幫助青少年在理科學習中培育定性建模和定量建模能力（White，1993；Komis et al.，2007）。
（二）計算思維
學者武英（Wing，2006）把計算思維定義為：計算機科學家思考世界（理解人類）、解決問題和設計系統的方法。他指出，將計算思維等同於計算機編程是狹隘的，相反，計算思維的典型特徵包括不同的抽象層次、根本性的以人為本的問題解決、融合數學與工程思想和在日常生活中運用計算概念等。
由協和聯盟（Concord Consortium）開發的分子工作臺軟件（Molecular Workbench）就是能通過計算機建模發展學生計算思維的一種有效軟件工具4。它基於Java的建模環境，為理科的教與學提供可視化、交互式計算實驗與建模（Xie，2010）。該分子工作臺軟件關注跨學科（例如，跨越物理、化學、生物等學科）的一系列主題的分子和原子間的相互作用，其算法依賴於分子動力學和量子動力學的模擬方法（Xie et al.，2011）。學生利用該工作臺可以創建模型來模擬、實驗、預測真實世界中的事件。
茜伊（Xie et al.，2011）等人的實驗研究表明：一般學生和物理、化學專業的學生利用分子工作臺能創造新的計算模型，深入探討化學現象及其原理（如離子結合、淨化和燃料電池等）。
帕帕葉夫日皮多等學者（Papaevripidou et al.，2007）利用面向對象的建模工具Stagecast Creator（SC），讓學生不必使用編程語言，而是通過圖形化編程工具制定規則，以控制角色的某些行為（如拖動一個角色到新的位置）。學生也可以通過定義變量來制定用於確定或控制操作的規則（如學生可以用數字表示“某角色單位運動所消耗的能量”）。研究結果表明：利用上述工具學習一個單元后，學生的建模技能明顯提高（例如，學生的關注點從開始時只對現象作陳述性描述，轉向創造出“能顯示現象的組成部分以及各部分之間相互關係”的複雜模型。此外，有計算建模經驗的學生，能更全面地描述日常交互，從對給定的模型、指定的標準、對模型的欣賞，到利用工具軟件反覆、持續地對模型進行修正和細化。
（三）系統思維
為了能理解複雜的科學現象，青少年需要培養系統思維（Kauffman，1995；Wilensky & Resnick，1999）。系統思維的特徵是：
1）能感知由若干個元素相互作用而形成的系統；
2）能理解系統內因某個元素的變化而導致其他元素乃至整個系統的改變；
3）懂得單個元素的相對簡單行為，能通過某種機制進行組合，然後可用來解釋綜合層面的複雜系統。
不少基於TMBI的建模程序（如Model-It和Powerism）都有助於學生系統思維的培養。要注意的是，培養系統思維涉及系統動力學建模的更具包容性的要求。下面將介紹基於TMBI並側重於系統思維培養的典型軟件工具NetLogo，它是一種基於代理的建模工具，能模擬複雜和分散的系統（Wilensky & Rand，2009）。在NetLogo平臺上，某個體可以被編碼，以便獨立運行，但要遵循一定的規則。例如，為了表徵一群鳥，每個代表一隻鳥的“代理”，需遵循一套獨立的規則，包括代理之間如何相互作用的描述（如當兩隻小鳥接近到一定距離時，彼此要設法遠離對方以避免相撞）。可見，NetLogo不僅能揭示不同層次的感知系統（如微觀系統和宏觀系統），也能揭示不同層次系統之間的內在聯繫（例如，個體代理的相互作用將導致產生集體行為）。
勒維和威廉斯基（Levy & Wilensky，2009a；Levy & Wilensky，2009b）專門對如何利用NetLogo平臺促進學生系統思維的發展進行了研究。相關的情境是一門利用NetLogo語言編程的“連接化學課程”——主要講述化學中的氣體定律和分子運動理論。該課程旨在幫助學生在亞微觀、象徵性、經驗和宏觀四種層次的系統訪問之間建立聯繫，從而使學生獲得概念性的、數學和物理學三方面知識。
勒維和威廉斯基的研究結果表明：通過這樣的建模環境，從亞微觀的水平開始，探討單個質點的運動，然後在此基礎上，學生不僅可以形成比較科學的化學世界系統觀，而且學習了這樣的課程後，他們對氣體定律和分子運動的本質也有了更深入的理解，把亞微觀和宏觀世界聯繫起來的能力有了較大的提升。他們還發現：當評價被嵌入建模過程中，而不是在後測的問卷中時，學生將獲得更大的成功。學生對模型本質的認識也將更深刻（例如，能認識到多個模型可以用來表示某個相同的現象）。
四、TMBI如何促進協作式學習
按照建構主義理論，科學知識通過社會性建構形成，即學生需要通過協作交流和參與社會交往活動建構和深化對科學現象與科學概念的認識與理解。這表明，協作是基於建模的教學方式的關鍵。
在TMBI環境中，學生經常通過不同形式的協作共享資源或加強建模實踐。下文是利用TMBI環境有效促進協作式學習的幾種典型案例。
（一）SMALLLab支持的協作學習
SMALLLab是一個用於高中生探究“地質演化”的混合式現實環境（Birchfield & Megowan-Romanowicz，2009）。在SMALLLab系統的支持下，學生通過與環境以及與特別開發的發光球之類的手持設備的交互，可以彼此面對面進行協作。為了使這種協作更有成效，全班學生被分成若干小組，每個小組承擔不同的角色。按照課程內容的要求，小組的建模活動是合作共建“千層餅”地殼。實驗結果表明，與控制組相比，實驗組學生之間的互動增加了33%。此外，受干預的實驗組學生在“地球科學內容”的測試中，也比控制組學生的成績好，這種測試還透露出一個重要信息：實驗組學生比控制組學生多得到的分數，主要來自開放性題目（而不是多項選擇題）。這表明，通過這種協作學習，學生的知識面和思維能力能得到較好和較大的擴展。
（二）Mr.Vetro支持的協作學習
Mr.Vetro是一個用於支持高中生探究人體生理學的建模軟件（Ioannidou et al.，2010）。學生以小組或全班為單位開展協作。每個小組控制一臺無線連接的計算機模擬（例如，有的小組負責心臟，有的小組負責大腦），各組收集到的信息數據都送入中心複合模擬（在本案例中指以血液為中心的軀體表徵），並通過各組的相互協調維持人體的健康。
在Mr.Vetro支持的課程中，學生通過計算機模型能夠對人體器官進行可視化觀察，可控制影響人體複雜血液系統的生理變量，並通過各組之間的協作、配合維持整個系統的正常運轉。實驗結果表明：與基於觀察和教師訪談的對照組班級相比，Mr.Vetro支持的課堂更具探究性。就學習效果而言，使用Mr.Vetro的班級確實比對照組班級好得多（尤其是涉及科學定義和開放性內容，二者的差異更顯著）。研究還發現，課程中使用Mr.Vetro建模工具，將對學生如何看待生物學與個人相關性的態度產生積極影響。
（三）WISE支持的協作學習
基於網絡的科學探究環境（Web-based Inquiry Science Environment，縮寫WISE）是專門利用與情境相關的嵌入式支架支持中學理科教學的一種學習環境。它支持引導式探究、過程性評價、同伴協作、教師定製等功能，目的是促進學生對複雜抽象概念的理解和實現學科之間知識的整合（Linn，2000）。與此同時，它也有效地支持學生的協作學習（不僅是同一班級內的面對面協作，還包括跨地區的遠程協作）。學者葛伯特和帕蘭特（Gobert & Pallant，2004）曾對將WISE環境應用於地質學板塊構造內容單元的協作學習案例進行專門研究。在該案例中，學生可以觀察、操作、構建和評估與板塊構造（如地震、火山）有關的計算機模型；該課程單元的實施過程不僅能促進同一班級內各組同學之間的面對面協作，還有助於來自美國東西海岸的不同學校班級之間的遠程協作與交流，來自東西海岸的學生可以通過WISE平臺進行在線討論、功能分析，並相互評論彼此建構的模型。這樣的協作經歷還被內置於學生真實建模的過程中。葛伯特和帕蘭特通過研究發現，該課程單元的學習結束後，學生們普遍對模型本質的理解更加深入，對模型本質已有較深刻認識的學生也能得到更大的收穫與提高。
（四）ToonTalk支持的協作學習
ToonTalk是由辛普松（Simpson et al.，2006）等人開發的、用於計算機編程和玩視頻遊戲的工具，其作用是幫助學生學習運動學。在ToonTalk支持下，學生以兩人一組的形式編寫程序、構建視頻遊戲和使用圖形，還可以共同合作基於互聯網的項目，從而可通過網絡協作系統與來自其他國家的學習夥伴進行討論、交流、協作和分享（學生可以在網絡協作系統自由發表學習心得與評論）。
辛普松等人發現，使用ToonTalk工具學習後，學生們普遍提高了對位移的理解，對課程其他內容的學習效果也因有充分的協作學習機會而得以增強，在這樣的協作學習環境中，學生們既可共同分享模型、又可跨網站向同伴發起挑戰，從而促使本地學生進行更加活躍、深入地面對面討論。
五、支架式TMBI的設計與應用
在交互性和動態性、基於計算機建模的學習環境中開展科學探究，需要從認知、操作方面對學生提供支持。這種支持（也稱教學支架，簡稱支架）可以從多方面入手，例如，讓學習者關注模型中某個關鍵方面，減輕學習者的認知負荷，為學習者提供相關資源和背景資料，幫助學習者自我評價或對他人評價以及提供即時反饋等。這些支持（支架）對學習者都是至關重要的。以評價為例，學習者評價（包括自我評價和對他人的評價）能顯著增強學習者對該學科的理解，而詳細的腳本和激勵性問題則可以作為支架提供給學習者。如果沒有這樣的支架支持，學習者的自我評價和對他人的評價很可能是淺層次、不具針對性、非實質性的。
嵌入式學習環境中的支架若要具有有效性，應有相關學習理論的指導，而學習環境的創建也要以相關學習理論為基礎，所以二者是完全一致的。這方面比較成功的典型例子是前面提到的基於網絡的科學探究環境（WISE系統），它是專門利用與具體情境相關的嵌入式支架支持引導式探究、過程性評價、同伴協作、教師定製等功能的開源在線學習環境。
基於網絡的科學探究環境的目的是幫助學生理解掌握複雜、抽象的科學概念和實現知識的深層次建構與整合（Linn，2006）。基於網絡的科學探究環境支持的課程嵌入了大量與具體情境相關的支架，這些支架既支持教師的教，也支持學生的學。僅支持學生的知識整合過程就包括：激發學習動機、發展批判性思維、加入新的想法、區分不同觀點、整合並形成新思路或新知識。下面進一步介紹幾個用於支持學生科學建模的支架策略。
（一）含有激勵性問題的嵌入式支架
初學者在正確理解和提取科學模型的複雜信息時，往往存在一定的困難，所以在TMBI環境中嵌入能幫助學習者關注模型中某個關鍵方面的支架是很必要的。例如，在WISE支持的學習單元“熱力學：探測你的環境”中，包含有“微粒模型”，該模型展示了微粒水平上兩個物體之間是如何進行熱傳遞的（Xie & Tinker，2006）。與此同時，溫度圖顯示物體的溫度是如何隨著時間的推移而發生變化的。為了引導學生能自主應用該模型和圖形學習，在嵌入式支架中應包含激勵性問題，這些問題要求學生預測、觀察並解釋模型所反映的現象及結果。在學生正式開始觀察前，激勵性問題要求學生預測粒子的速度是如何隨溫度的變化而變化（從而吸引並集中學生的注意力）；在正式觀察中，激勵性問題要求學生著重觀察模型中粒子是如何移動的（以便幫助學生抓住問題的關鍵）；在學生觀察了動態分子模型後，激勵性問題則要求學生解釋模型所顯示的結果（以深化學生對知識意義的建構）。研究結果表明，在嵌入式支架中包含了這類激勵性問題後，確實能幫助學生對學習內容取得更深刻的認識與理解。
（二）利用顯性支架支持科學建模
為了幫助學生有效地從事科學建模，最好能開展某種批判性活動（作為一種顯性支架）支持學生的建模實踐。例如，WISE項目的“熱力學分子模型”允許學生對模型進行修改。學生通過改變兩個物體的溫度、物體的構成材料和物體之間接觸的時間，有意或無意地對計算機模型進行實驗。為了幫助學生制定如何使用熱力學模型進行科學實驗的標準，WISE系統專門設計了一項批判性活動，以鼓勵學生用模型批判虛擬的學生實驗。批判性活動的納入是基於支架式視角（也稱“顯性支架”）——學生需要的支持，不僅有結構化學習任務，還包括問題化和情境化學習任務（Reiser，2004；Shen，2010）。實驗結果表明，開展批判性活動的學生，和沒有開展批判性活動的學生相比，能設計出更有效的實驗，形成關於科學模型的更全面、深刻的理解。
（三）通過思維可視化幫助學生構建抽象的科學模型
通過思維可視化，嵌入式支架也可以被設計成幫助學生構建基於直觀模型和先前經驗的抽象解釋模型。沈和林恩（Shen & Linn，2011）介紹了他們基於WISE的研究。
他們針對高中生開發了關於靜電科學的解釋模型。沈和林恩仔細描述了學生關於感應現象的解釋模型如何隨著時間的推移而出現的變化，並使用秘鑰控制的知識整合設計原則，目的在於使思維可視化，讓科學概念易於理解，從而幫助學生隨時提取先驗知識，以便於理解當前的計算機模型，並把當前模型與實際經驗聯繫起來。這樣，上述內置支架就能幫助學生建構從基礎的“基於電荷的解釋模型”到“基於粒子的模型”再到“面向能量的模型”。
沈和林恩的研究結果表明，學生學習了基於WISE的“靜電單元”以後，能夠理解和整合不同層次的模型，能更清晰、科學地闡述與靜電學相關的日常生活經驗及有關現象。
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