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科學課最難教的部分，往往是學生看不到的部分。這份文件說明科學實驗室的模擬為什麼這樣設計、它們回應哪些學習困難、可以怎麼接進課堂，以及 AI 助教不應該接手哪些工作。
自然科學的核心概念，多半無法在一節課的時間與空間尺度內被直接觀察。驅動颱風路徑的科氏力、形成雲的絕熱冷卻、行星尺度的三胞環流、百萬年的板塊運動、原子尺度的軌域，都是如此。學生不是不願意理解，而是沒有可以看、可以動手改的對象。
這使自然科學成為十二年國教中最依賴表徵中介的領域之一：教學必須先把不可及的機制轉為某種可見的形式，學生才有可能對它進行推理。傳統上這個角色由靜態圖、公式與板書擔任，代價是學生只能接受既定的表徵，無法追問「如果不是這樣呢」。
可操作的模擬所改變的，不是「把現象畫得更漂亮」，而是讓參數變成可以改的東西。當學生能把重力場換成月球的、把阻尼調到零、把科氏力關掉再打開，機制才從一段敘述變成一個可以被質問的對象。
在一場與高中地球科學教師的共同設計論壇中，教師指出的稀缺資源不是內容，而是回饋的輪次：一位教師的批改量能通常只夠一輪，學生因而不修改。設計模擬時我們把這件事放在前面，第 4 節說明它如何影響 AI 助教的角色設定。
每個模擬頁由四個部分組成，四者缺一，探究就會退回成觀看。
| 組件 | 作用 |
|---|---|
| 操作介面 | 把該概念的關鍵變因暴露為可調參數，學生自行設定初始條件 |
| 即時圖表 | 現象與量化結果同時呈現，使學生得以連結「看到的」與「量到的」 |
| 實驗任務 | 頁面內建的探究提示，指出值得追問的方向，而非給出答案 |
| 數據記錄 | 學生自行記錄每次試驗的參數與結果，可匯出後在試算表中繼續分析 |
所有模擬皆在學生的瀏覽器中以 JavaScript 數值積分運算，不經伺服器。這帶來三個教學上的後果：反應零延遲，學生可以密集嘗試而不必等待；不需登入即可操作，教師可以直接把連結貼進教材；以及模擬本身不呼叫語言模型、不寫入資料庫，沒有 token 成本，課堂全班同時使用不會產生費用。
唯一的例外是全球風場地球儀。它不是數值模擬，而是真實資料檢視器：定時擷取全球大氣模式的風場快照，以粒子動畫呈現近地面、駛流層與噴流層的實際流場。這個例外在第 3 節有其教學上的用意。
最直接的用法是讓學生找出一條規則在什麼時候失效。單擺的週期公式在小角度下成立，模擬可以讓學生自己把角度加大到近似開始偏離的位置，而不是被告知「大角度不適用」。共振曲線也是如此：掃描驅動頻率，看著振幅在自然頻率附近爆增，比記住共振的定義更接近物理。
這類任務的教學價值在於，適用範圍不再是課本的附註，而是學生自己量出來的結果。
「一次只改一個變因」是探究教學最常說、也最難落實的一句話。在真實實驗室，改變單一變因往往受限於器材與時間；在模擬中，它是一個可以立刻執行的動作，而且可以重複二十次。
更重要的是，這個動作留下痕跡。系統記錄學生改了哪些參數、執行了幾次、記錄了哪些數據，因而「有沒有真的控制變因」不再只能靠自陳或教師巡視判斷，而是可以從歷程中看出來。
多數教學模擬只提供理想化模型，多數資料入口只提供真實資料。科學實驗室刻意把兩者接在同一條路徑上：學生先看全球風場地球儀裡真實、複雜、無法化約為單一公式的流場，再進入以科氏力為核心的理想化氣旋模擬，那裡只保留少數參數，可操作、可重複、可推導。
兩者的落差本身即為教學內容。當學生看見真實風場的不規則，再看見理想模型的對稱氣旋，「模型省略了什麼、為什麼可以省略」成為一個可被追問的問題。這正是科學本質教學的入口，也是模型本位學習的核心關切。
並置的順序建議由真實到理想。先讓學生描述真實流場的複雜，再進入模型，學生比較容易意識到模型是一種選擇；反過來先看模型，學生容易把理想化的對稱誤認為自然界的樣子。
每個模擬頁的側欄有一位 AI 實驗助教。它的設計原則是「狀態上行、指令下行」：模擬完全在學生的瀏覽器執行，學生每次發話時，系統把當下的模擬狀態一併送給助教，因此助教看得見學生眼前的實驗，能就具體的參數提問，也能回傳設定參數、執行與重設的指令，由瀏覽器代為執行。
這解決了對話式助教常見的失效模式：助教談的參數與學生螢幕上的模擬對不起來。
助教不代替學生繪製圖表、不代替學生寫出解釋、不直接判定學生的成績。前兩項的依據來自教師的明確要求：產生與判讀表徵本身就是學習目標，交給機器等於把要學的東西外包出去。第三項則是因為評分需要教師對課程脈絡的判斷，AI 的角色是提供下一輪可以修改的方向。
助教真正被期待補上的，是第 1 節提到的稀缺資源：回饋的輪次。學生畫完圖、寫完解釋之後，助教可以就這一份產出持續追問，讓學生有第二次、第三次修改的機會，而這是單一教師的批改量能難以提供的。
探究與實作是自然科學領域的部定必修，也是教材最稀缺的一塊。教師在共同設計論壇中反覆指出，這個課程成分至今少有現成教材可用，而它恰好是模擬與真實資料最能發揮的位置。
模擬可以承載探究的前半段：形成問題、規劃變因、產生數據。平台另提供的即時環境資料則可以承載後半段：處理未經整理的真實資料、判斷資料品質、寫出有根據的解釋。教師在論壇中未經提示便指定了幾項任務，可直接作為設計範例：
這些設計的共同特徵是：問題有真實答案，但答案不在課本裡，而且資料的雜訊本身就是內容。
模擬中沒有測量誤差、沒有儀器校正、沒有接觸不良、沒有意外。它練的是模型推理與變因控制，不是實驗技能。真實的動手操作無法被取代，模擬的位置是在動手之前建立預期，或在動手之後解釋為什麼結果與預期不同。
每一個模擬都做了選擇：保留哪些變因、忽略哪些。如果教學上不把這件事講明，學生可能把模型的行為當成自然界的行為。第 3.3 節的並置設計就是為了處理這個風險，但它需要教師在課堂上明確帶到。
科學實驗室目前提供的是教學設計與歷程紀錄，尚未累積足以支持成效宣稱的資料。前後測與歷程分析仍在早期階段，本文件描述的是設計理由與可能的用法，不是已驗證的效果。
生成式 AI 在地球科學等領域仍會出錯，教師在論壇中把「先查核、才使用」列為採用的前提，並指出若未經檢查就把平台交給學生無監督操作，學生可能接收到錯誤的訊息。這個提醒同樣適用於模擬頁的 AI 助教：建議教師先自行操作一輪，確認該模擬與助教在自己要教的概念上表現合宜，再交給學生。
| 學科 | 模擬數 | 涵蓋範圍舉例 |
|---|---|---|
| 物理 | 46 | 力學、波動、電磁、近代物理 |
| 地球科學 | 31 | 大氣、固體地球、水圈、天文 |
| 化學 | 10 | 反應動力、平衡、溶液性質 |
| 生物 | 9 | 生理調節、族群、遺傳 |
全部模擬免登入即可操作；AI 實驗助教需要登入，並設有使用頻率限制。