基于建模的中小學(xué)科學(xué)教學(xué)模式及其思考

申超男 胡衛(wèi)平 段海軍 蔡逢春 宋璐

摘要：基于建模的教學(xué)模式是中小學(xué)科學(xué)教育的一種有效方法，有利于促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)知識(shí)的理解，提高學(xué)生科學(xué)探究能力、反思能力以及合作學(xué)習(xí)能力。該模式在科學(xué)教育實(shí)踐探索中有三個(gè)方面值得關(guān)注：建模的循環(huán)性過程，師生互動(dòng)的重要性，信息技術(shù)的應(yīng)用。未來，基于建模的中小學(xué)科學(xué)教育應(yīng)拓展模型的使用范圍，注重元建模知識(shí)和建模實(shí)踐的結(jié)合，遵循建模的逐步深入性，努力提高學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力和教師的科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：模型；科學(xué)模型建構(gòu)；科學(xué)教育

中圖分類號(hào)：G623 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-9094（2014）06-0024-04＼

中小學(xué)科學(xué)教育成功與否，關(guān)系到人才塑造與培養(yǎng)質(zhì)量的高低，甚至將左右一個(gè)國(guó)家的創(chuàng)新能力和競(jìng)爭(zhēng)力。然而，當(dāng)前我國(guó)科學(xué)教育實(shí)踐面臨諸多困境和問題。因此，探索高效的中小學(xué)科學(xué)教學(xué)模式一直是教育工作者關(guān)注的焦點(diǎn)。近年來，基于建模的科學(xué)教學(xué)方法受到越來越多的重視，并成為學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)、提高科學(xué)思維能力的一種重要途徑?；诮５目茖W(xué)教學(xué)模式適應(yīng)了當(dāng)前社會(huì)對(duì)人才培養(yǎng)的新要求，與我國(guó)新課程改革強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的取向一致。因此，研究模型/模型化的科學(xué)教育具有十分重要的意義。

一、模型與建模的內(nèi)涵

科學(xué)模型是對(duì)一個(gè)系統(tǒng)的抽象、簡(jiǎn)化的表征，它聚焦于系統(tǒng)的具體方面。這種表征使該系統(tǒng)的核心功能和實(shí)質(zhì)更加明確化、可視化，是對(duì)客觀自然世界進(jìn)行解釋的一種科學(xué)工具，反映了人的心智活動(dòng)與自然世界的聯(lián)系。[1]科學(xué)模型依據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)可以分為不同的類別。如根據(jù)本體地位可將模型分為八類：（1）心理模型；（2）表達(dá)模型；（3）共識(shí)模型；（4）歷史模型；（5）課程模型；（6）教學(xué)模型；（7）混合模型；（8）教學(xué)法模型。無論是何種類型或形態(tài)的科學(xué)模型，其基本特征都是相似的，具有形象直觀性、簡(jiǎn)約相似性和主體詮釋性的特征。[2]

建模即建構(gòu)模型，主要是利用模型進(jìn)行研究、學(xué)習(xí)。建模是人類在研究復(fù)雜現(xiàn)象時(shí)，為揭示其內(nèi)在本質(zhì)規(guī)律，借助抽象思維的能力，用理想化的手段建立的一種與原型相關(guān)聯(lián)、能夠表征原型基本特性的模式，并對(duì)這一模式進(jìn)行研究，以探索它所表征的原型的本質(zhì)、規(guī)律的方法。

二、基于建模的科學(xué)教學(xué)模式的價(jià)值

科學(xué)模型和建模是個(gè)體獲得知識(shí)的重要途徑，它超越了對(duì)科學(xué)事實(shí)的簡(jiǎn)單識(shí)記，是人類科學(xué)探究的核心成分。人們通過構(gòu)建模型，將自身的心智變化與自然世界聯(lián)系起來，對(duì)客觀世界進(jìn)行深入理解和探索。

1.有助于促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)知識(shí)的理解

建構(gòu)主義知識(shí)觀認(rèn)為，知識(shí)是主體對(duì)客觀世界的一種解釋，它是由個(gè)人主動(dòng)建構(gòu)而獲得的。在這個(gè)過程中，個(gè)體從被動(dòng)的知識(shí)接受者轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)的知識(shí)建構(gòu)者，在已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析、組織與詮釋當(dāng)前的新信息。通過建構(gòu)模型，學(xué)生利用可觀察的物體盡可能準(zhǔn)確地表征那些不能被觀察的物體和現(xiàn)象，從而深刻感知所學(xué)知識(shí)。建模活動(dòng)使學(xué)生抽象的心智結(jié)構(gòu)表征化、形象化，有利于促進(jìn)概念的轉(zhuǎn)變和理解。比如中學(xué)化學(xué)學(xué)科中的“平衡”這一概念在宏觀層面上看是靜態(tài)的，但是，通過構(gòu)建科學(xué)模型，從不同層級(jí)對(duì)其進(jìn)行理解，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)從亞微觀水平上看，因?yàn)榇嬖诜肿铀缴系倪\(yùn)動(dòng)以及化學(xué)鍵的斷開和形成，這個(gè)系統(tǒng)又是動(dòng)態(tài)的。

2.有助于促進(jìn)學(xué)生科學(xué)探究能力的提高

強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和思維能力是科學(xué)教育發(fā)展的主要方向?？茖W(xué)模型是中小學(xué)科學(xué)教育中最為高效的學(xué)習(xí)工具之一，具有較強(qiáng)的主觀詮釋性，在構(gòu)建模型的過程中，學(xué)生可以自主開發(fā)更多相關(guān)探究性課題，提高其科學(xué)探究能力。例如，以傳感器為主要儀器的信息技術(shù)通過多種不同功能的探頭，實(shí)現(xiàn)溶解氧、溫度、濁度、顏色、壓強(qiáng)等的測(cè)定，并通過計(jì)算機(jī)軟件將這些性質(zhì)以量化的形式進(jìn)行呈現(xiàn)。這樣不僅改進(jìn)了教材實(shí)驗(yàn)，而且提高了學(xué)生動(dòng)手能力以及發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的科學(xué)探究能力。

3.有助于促進(jìn)學(xué)生的反思與合作學(xué)習(xí)

構(gòu)建模型是一種反思性的學(xué)習(xí)活動(dòng)，反思是建模學(xué)習(xí)中的一個(gè)決定性因素。學(xué)生在建?；顒?dòng)中進(jìn)行反思，不但可以使認(rèn)知過程顯化，還可以凸顯學(xué)生潛意識(shí)里的錯(cuò)誤概念，為概念轉(zhuǎn)變提供條件。模型的構(gòu)建不是一次就可以完成的，需要學(xué)生在教師的指導(dǎo)下通過反復(fù)的建模過程評(píng)估自己的模型，在這些過程中，學(xué)生往往需要轉(zhuǎn)變現(xiàn)有的表征方式，考慮他們的模型缺乏解釋力的地方，模型的修正和先前概念的轉(zhuǎn)變均以學(xué)生的主動(dòng)反思為基礎(chǔ)。模型/模型化的科學(xué)教育，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)共同體的培育。在學(xué)習(xí)共同體中，學(xué)生與他人分工學(xué)習(xí)、共享資源、互相幫助，同時(shí)接受他人的挑戰(zhàn)和審視。在與他人進(jìn)行思想碰撞的過程中，學(xué)生激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，共享了他人的智慧和專長(zhǎng)，提高了合作學(xué)習(xí)的能力。

三、基于建模的科學(xué)教學(xué)模式的探索

在以模型/模型化為基礎(chǔ)的科學(xué)教學(xué)中，最重要的是如何讓每個(gè)學(xué)生能夠通過內(nèi)在心智模型的變化達(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo)。為達(dá)到這一目的，研究者對(duì)基于建模的科學(xué)教學(xué)模式進(jìn)行了深入探索，并主要關(guān)注以下三個(gè)方面：

1.關(guān)注科學(xué)建?；顒?dòng)中的循環(huán)過程

在基于模型的科學(xué)教育中，探究學(xué)習(xí)過程被看作是一個(gè)模型化的循環(huán)過程，即建構(gòu)模型是學(xué)習(xí)循環(huán)過程中的一個(gè)重要的中介學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。

模型/模型化科學(xué)學(xué)習(xí)包括五個(gè)結(jié)構(gòu)化的過程：探索階段、模型的不確定推論階段、模型形成階段、模型的使用階段以及模型的范式綜合階段。盡管從結(jié)構(gòu)上看，這五個(gè)過程是非連續(xù)的，學(xué)習(xí)模型可以劃分為不同階段，但實(shí)際上個(gè)體的心智模型卻是不斷發(fā)展著的。當(dāng)一個(gè)新概念需要激活模型進(jìn)行思考時(shí)，個(gè)體并不會(huì)立刻形成完善的模型，而是經(jīng)過一系列不斷修正的過程，即從名義上的模型向似合理模型、調(diào)查模型的形成轉(zhuǎn)變，最后形成適當(dāng)?shù)姆妒侥Ｐ停麄€(gè)構(gòu)建模型過程中存在大量微循環(huán)過程。[3]

2.關(guān)注科學(xué)建?；顒?dòng)中的師生互動(dòng)

在建模的學(xué)習(xí)中，師生的交流互動(dòng)是影響科學(xué)教育的主要因素。以模型/模型化為基礎(chǔ)的科學(xué)教學(xué)成功與否，不僅取決于學(xué)生自身通過構(gòu)建模型形成關(guān)于事物的心智模型，而且依賴于教師對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)的引導(dǎo)、幫助以及建模過程中的師生互動(dòng)。

在科學(xué)教學(xué)過程中，教師與學(xué)生的互動(dòng)應(yīng)遵循一定的學(xué)習(xí)過程，即：明確已知的和想要了解的知識(shí)—生成可驗(yàn)證的假設(shè)—尋找證據(jù)—構(gòu)建論斷。（見圖1）在這個(gè)模型中，教師需要首先讓學(xué)生產(chǎn)生和表達(dá)他們頭腦中的心智模型，了解學(xué)生已有的概念和心智特征，并且結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及某個(gè)科學(xué)概念的重要性明確教學(xué)內(nèi)容。接下來，教師要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己的觀察和經(jīng)驗(yàn)，抽離出自己想要探究的科學(xué)問題，并形成假設(shè)。然后，教師通過與學(xué)生的交流，借用實(shí)驗(yàn)儀器、圖表、計(jì)算機(jī)等工具，讓學(xué)生解釋觀察到的現(xiàn)象，并用量化的方式來表現(xiàn)變量之間的關(guān)系，為假設(shè)尋找證據(jù)。當(dāng)各種關(guān)系隨著理解的加深而豐富起來時(shí)，學(xué)生們便會(huì)試圖通過推論來解釋和驗(yàn)證自己提出的模型，形成論斷，他們最初的表達(dá)模型便隨之形成了頭腦中的心智模型。課堂建模是一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的動(dòng)力系統(tǒng)，這一活動(dòng)的成功與否很大程度上取決于教師對(duì)學(xué)生表達(dá)觀點(diǎn)的鼓勵(lì)以及教會(huì)學(xué)生如何使用多種方式表征知識(shí)、何時(shí)使用模型這一認(rèn)知工具。

3.關(guān)注科學(xué)建?；顒?dòng)中的信息技術(shù)應(yīng)用

信息技術(shù)的不斷發(fā)展給教育的改革帶來了新的機(jī)遇。當(dāng)前，有關(guān)科學(xué)建模的研究中，人們往往將建模與計(jì)算機(jī)技術(shù)聯(lián)系在一起。計(jì)算機(jī)作為一種建模工具可以幫助學(xué)生對(duì)知識(shí)之間的因果關(guān)系進(jìn)行形象化表征，通過量化的數(shù)據(jù)關(guān)系或網(wǎng)絡(luò)化的圖形關(guān)系，促進(jìn)學(xué)習(xí)者對(duì)知識(shí)的理解。

近年來，隨著研究者的不斷關(guān)注，計(jì)算機(jī)建模工具的開發(fā)和應(yīng)用有了較大的發(fā)展和突破。Model-It是密歇根大學(xué)高級(jí)互動(dòng)計(jì)算機(jī)小組設(shè)計(jì)開發(fā)的一種以定性模型為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)建模工具，采用定性描述思路，應(yīng)用學(xué)習(xí)者中心設(shè)計(jì)技術(shù)，旨在為學(xué)生的建?；顒?dòng)提供簡(jiǎn)單易行的工具，為課堂建模活動(dòng)的專業(yè)性提供了技術(shù)支持。學(xué)生使用Model-It可以為復(fù)雜系統(tǒng)構(gòu)建并測(cè)試動(dòng)態(tài)模型。不僅如此，Model-It還可以作為檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)科學(xué)知識(shí)理解程度的一種技術(shù)。Model-It能較好地體現(xiàn)模型的功能，有助于培養(yǎng)學(xué)生的推理能力，為學(xué)習(xí)者提供不同類型的模型表征方式，通過在軟件中引入“腳手架”來支持學(xué)習(xí)者的認(rèn)知活動(dòng)。[4]

四、基于建模的科學(xué)教學(xué)模式的幾點(diǎn)思考

基于建模的科學(xué)教育受到越來越多的關(guān)注，建模已經(jīng)成為科學(xué)教育的核心方法之一。隨著研究以及教學(xué)實(shí)踐的不斷深入，一些基于建模的科學(xué)教學(xué)模式初見成效。然而，仍存在一些問題，未來應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

1.注重元建模知識(shí)和建模實(shí)踐相結(jié)合

中小學(xué)科學(xué)教師越來越重視模型活動(dòng)在課堂中的滲透，學(xué)生科學(xué)建模的能力有了較大提升，然而，學(xué)生對(duì)于科學(xué)模型本質(zhì)的理解水平卻并不高。大部分學(xué)生認(rèn)為模型是某種事物的復(fù)制品、是獨(dú)特唯一的或是不能被改變的，并且他們無法理解如何利用科學(xué)模型來說明科學(xué)想法和理論。因此，未來科學(xué)模型的教學(xué)活動(dòng)應(yīng)注重元建模知識(shí)和建模實(shí)踐的結(jié)合，在兩者相互作用、相互影響的過程中提高學(xué)生的綜合建模能力。既要幫助學(xué)生理解元建模知識(shí)：科學(xué)建模的目的、實(shí)質(zhì)以及評(píng)估模型的標(biāo)準(zhǔn)等，又要通過實(shí)踐活動(dòng)使學(xué)生學(xué)會(huì)建立模型以描述、解釋、預(yù)測(cè)客觀世界，比較和評(píng)估不同的模型。（見圖2）以元建模知識(shí)指導(dǎo)實(shí)踐活動(dòng)，在建模的實(shí)踐活動(dòng)中深化理解元建模知識(shí)。

2.拓展模型的使用范圍

當(dāng)前，中小學(xué)科學(xué)教育中較少包含建?；顒?dòng)，特別是在低年齡學(xué)段科學(xué)教學(xué)中。提及構(gòu)建模型，人們往往只想到年齡較大的學(xué)習(xí)者或是科學(xué)家，低年齡的學(xué)生似乎不具備抽象概括的能力，無法在學(xué)習(xí)過程中構(gòu)建模型。然而，事實(shí)上低學(xué)齡學(xué)生已具備運(yùn)用模型學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的能力。建模是人類一種自然的認(rèn)知現(xiàn)象，當(dāng)遇到需要理解的現(xiàn)象時(shí)，個(gè)體會(huì)很自然地建構(gòu)關(guān)于那些現(xiàn)象的個(gè)人理論，并以模型的方式在心智中對(duì)其進(jìn)行表征。[5]因此，作為科學(xué)啟蒙課程的小學(xué)科學(xué)應(yīng)融入科學(xué)建模活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，拓展模型的使用范圍，提早培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)建模的能力。

3.遵循建模的逐步深入性

建模是中小學(xué)科學(xué)教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，學(xué)生對(duì)模型的認(rèn)知是逐步深入的。學(xué)生對(duì)科學(xué)模型的理解經(jīng)歷了四個(gè)階段：第一階段學(xué)生認(rèn)為模型是不可改變的，但是有正確與錯(cuò)誤之分；第二階段學(xué)生認(rèn)為模式是可以根據(jù)理解的加深進(jìn)行修正的；第三階段學(xué)生將注意力放在提高模型的解釋力上；第四階段學(xué)生理解了模型不僅可以解釋客觀世界，還可以對(duì)將要發(fā)生的現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測(cè)。因此，中小學(xué)科學(xué)教育中的建?；顒?dòng)教學(xué)應(yīng)根據(jù)學(xué)生認(rèn)知能力的發(fā)展和差異調(diào)整科學(xué)建模的目標(biāo)，逐層滲透、步步深入，切莫企圖一步到位地完成教學(xué)目標(biāo)。

4.提高學(xué)生建模的內(nèi)驅(qū)力

研究表明，中小學(xué)科學(xué)教育中學(xué)生建模的內(nèi)驅(qū)力不強(qiáng)，大多是出于教師的要求。學(xué)生對(duì)于建模活動(dòng)缺乏參與感，認(rèn)為課堂中的模型大都是由教師建構(gòu)的，是另一種形式的“科學(xué)答案”，他們并沒有將模型作為促進(jìn)自己想法科學(xué)化以及與他人交流的工具。以模型/模型化為基礎(chǔ)的科學(xué)教學(xué)的達(dá)成依賴于模型解釋的現(xiàn)象、建模參考的科學(xué)知識(shí)以及學(xué)生自身產(chǎn)生的解釋之間的平衡，學(xué)生自主的建模活動(dòng)至關(guān)重要。因此，教師要把握模型的特點(diǎn)，以問題為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合實(shí)際生活發(fā)現(xiàn)自己感興趣的問題，對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)情況教師要及時(shí)反饋、正確評(píng)價(jià)，激發(fā)他們自主建模的內(nèi)驅(qū)力，使學(xué)生利用已有的知識(shí)去整合新信息，完善知識(shí)體系。

5.加強(qiáng)教師的科學(xué)素養(yǎng)

教師是模型化科學(xué)學(xué)習(xí)活動(dòng)的中樞，他們承擔(dān)了幫助學(xué)生建構(gòu)模型以及提供學(xué)習(xí)支架和反饋的作用，是影響學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)的主要因素。然而，教師在課堂建模中的重要作用與當(dāng)前教師缺乏相關(guān)知識(shí)和素養(yǎng)之間的矛盾日益突出。大多教師認(rèn)為模型對(duì)于科學(xué)背景的教學(xué)十分有效，但是卻沒有真正理解模型的本質(zhì)。由此可見，教師科學(xué)素養(yǎng)的提高迫在眉睫，勢(shì)在必行。我們應(yīng)圍繞科學(xué)素養(yǎng)的提高，從科學(xué)知識(shí)、能力以及情感態(tài)度方面著手，注重教師認(rèn)知結(jié)構(gòu)的形成；以科學(xué)探究能力為中心，培養(yǎng)教師適于科學(xué)教育的全面的科學(xué)能力；強(qiáng)調(diào)教師求實(shí)創(chuàng)新的科學(xué)精神，激發(fā)對(duì)科學(xué)的興趣，形成良好的科學(xué)態(tài)度與科學(xué)價(jià)值觀，培養(yǎng)出科學(xué)素養(yǎng)全面的新型教師。

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責(zé)任編輯：楊孝如