科學(xué)建模學(xué)習(xí)進(jìn)階：從理論走向?qū)嵺`

姚 楠

(華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院 上海 200062)

1 引言

2004年，史密斯等人向美國國家研究理事會(National Research Council，簡稱NRC)提交了有關(guān)物質(zhì)和原子分子理論的學(xué)習(xí)進(jìn)階研究報告[1]，自此，學(xué)習(xí)進(jìn)階(Learning Progression)進(jìn)入了科學(xué)教育領(lǐng)域.NRC將學(xué)習(xí)進(jìn)階定義為“對學(xué)生在一個時間跨度內(nèi)學(xué)習(xí)和探究某一主題時，依次進(jìn)階、逐級深化的思維方式的描述”[2].學(xué)習(xí)進(jìn)階以學(xué)生對核心概念的理解和關(guān)鍵能力的培養(yǎng)為研究對象，描述學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展歷程并提供針對性教學(xué)方案[3].學(xué)習(xí)進(jìn)階已成為學(xué)習(xí)、評價、課程等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，將學(xué)習(xí)進(jìn)階應(yīng)用于物理教學(xué)中，有助于教學(xué)目標(biāo)的設(shè)計和教學(xué)策略的選擇[4].

近年來，國內(nèi)外有關(guān)學(xué)生科學(xué)建模能力的學(xué)習(xí)進(jìn)階研究逐漸涌現(xiàn)和發(fā)展，并在進(jìn)階變量的選取、進(jìn)階層級的構(gòu)建、進(jìn)階模型的應(yīng)用上逐步深入.本文將從以上3方面對國內(nèi)外科學(xué)建模學(xué)習(xí)進(jìn)階研究進(jìn)行分析與討論，以期為物理課程中的建模教學(xué)實(shí)踐以及更深入的進(jìn)階研究提供參考.

2 進(jìn)階變量：從“關(guān)鍵能力”到“能力+概念”

科學(xué)建模學(xué)習(xí)進(jìn)階研究之初，文獻(xiàn)[5]通過中小學(xué)生建模能力的紙筆測驗(yàn)、反思性訪談及課堂建?；顒?，以“科學(xué)建模能力”為進(jìn)階變量，從“科學(xué)模型作為預(yù)測和解釋的工具”和“隨著理解的提高而改進(jìn)模型”兩個維度構(gòu)建了科學(xué)建模的學(xué)習(xí)進(jìn)階.

在應(yīng)用模型進(jìn)行預(yù)測和解釋時，學(xué)生的建模能力進(jìn)階依次表現(xiàn)為：

(1)能構(gòu)建和應(yīng)用描述單一現(xiàn)象的模型，將模型視為一種表征現(xiàn)象的方式；

(2) 能構(gòu)建并應(yīng)用與實(shí)際情況一致的模型來說明和解釋現(xiàn)象，將模型視為表達(dá)他們對現(xiàn)象理解的手段；

(3)能構(gòu)建多重模型從多方面對現(xiàn)象作出解釋，將模型視為可以支持他們思考和認(rèn)識各類現(xiàn)象的工具；

(4)能夠自發(fā)構(gòu)建和應(yīng)用模型，并通過不同的模型來理解現(xiàn)象，生成新問題.

在模型改進(jìn)方面，學(xué)生從用正確或錯誤來絕對性評價模型，到能夠根據(jù)權(quán)威信息進(jìn)行模型改進(jìn)，進(jìn)而發(fā)展為考慮模型與經(jīng)驗(yàn)證據(jù)的擬合度來比較和改進(jìn)模型，最終形成科學(xué)建模的發(fā)展性視角，能夠自發(fā)地考慮模型的改進(jìn)，增強(qiáng)模型解釋力.

此后，文獻(xiàn)[6]提出，雖然建模能力是科學(xué)實(shí)踐的核心，但應(yīng)與被建模的對象(科學(xué)概念/規(guī)律)相互滲透，進(jìn)而構(gòu)建了生物進(jìn)化論主題概念理解和建模能力的整合進(jìn)階.以“生態(tài)系統(tǒng)”核心概念的學(xué)習(xí)進(jìn)階為例，學(xué)生從只能敘述性地用人類類比思考其他生物與物理環(huán)境的關(guān)系，發(fā)展為通過繪圖或使用圖鑒將生物體和環(huán)境相關(guān)聯(lián)，進(jìn)而利用地圖等模型劃分區(qū)域，考慮各區(qū)域生物的存活和繁殖情況，最終能運(yùn)用電子工具建模，思考生物體和物理環(huán)境間的相互作用，預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性.

在我國科學(xué)教育領(lǐng)域，物理學(xué)科率先開展了建模能力與核心概念整合的學(xué)習(xí)進(jìn)階研究.文獻(xiàn)[7]以“浮力”概念的教學(xué)為例，探討了如何基于科學(xué)方法教育突破思維障礙實(shí)現(xiàn)某一具體概念的“學(xué)習(xí)進(jìn)階”.該研究結(jié)合科學(xué)建模過程進(jìn)行概念學(xué)習(xí)的進(jìn)階設(shè)計，將“浮力”概念進(jìn)階與科學(xué)建模進(jìn)階整合(表1)，通過“實(shí)驗(yàn)—理論—模型—生活”的認(rèn)知過程，內(nèi)化學(xué)生模型構(gòu)建、科學(xué)推理的思維方式，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對“浮力”從經(jīng)驗(yàn)概念到科學(xué)概念的轉(zhuǎn)變，從心智模型外顯到科學(xué)模型構(gòu)建的能力進(jìn)階.

表1 “浮力”概念及建模能力整合進(jìn)階

3 進(jìn)階層級：從“逐級遞進(jìn)”到“循環(huán)完善”

物理建模教學(xué)有助于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，能幫助學(xué)生強(qiáng)化物理知識應(yīng)用意識及創(chuàng)新意識，提升分析和解決問題的能力，培養(yǎng)獨(dú)立思考和團(tuán)隊合作精神[8].在探索如何將學(xué)習(xí)進(jìn)階理論應(yīng)用于物理學(xué)科建模教學(xué)的過程中，科學(xué)建模的進(jìn)階層級也發(fā)生了演變.

文獻(xiàn)[7]在“浮力”概念和建模能力整合進(jìn)階(表1)中，構(gòu)建了逐級遞進(jìn)的感知-映射-定性-科學(xué)-整合的5層級科學(xué)建模學(xué)習(xí)進(jìn)階模型，在與科學(xué)概念教學(xué)相融合的過程中，展現(xiàn)出此進(jìn)階模型應(yīng)用于科學(xué)教學(xué)實(shí)踐的可能，但是并未對各層級作出更加具體的描述和解釋.

文獻(xiàn)[9]探討了基于物理建模的學(xué)習(xí)進(jìn)階的可行性，構(gòu)建了物理建模學(xué)習(xí)進(jìn)階框架，并結(jié)合勻速圓周運(yùn)動的圓錐擺模型加以解釋(表2).與文獻(xiàn)[5]的科學(xué)建模學(xué)習(xí)進(jìn)階不同，該進(jìn)階模型更加關(guān)注學(xué)生逐步構(gòu)建科學(xué)模型的過程，并與學(xué)科特征相結(jié)合，更加適用于學(xué)科教學(xué)和課堂實(shí)踐.

表2 物理建模學(xué)習(xí)進(jìn)階

此后，隨著科學(xué)建模學(xué)習(xí)進(jìn)階在科學(xué)課程中的進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展，文獻(xiàn)[10]基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，建立了一個動態(tài)循環(huán)的科學(xué)建模教學(xué)進(jìn)階模型(圖1).學(xué)生面對一個物理現(xiàn)象或問題，首先通過猜想、類比、概括等初步構(gòu)建心智模型，這與表2中“心智模型外顯”層級一致；而后，對模型進(jìn)行表征、描述和分析，并嘗試應(yīng)用模型解決問題，在此過程中，對模型進(jìn)行評估和修正，即表2中“科學(xué)模型初建和優(yōu)化”；最后，判斷修正后的模型是否能夠與問題情境相吻合，以確定是否進(jìn)一步優(yōu)化模型抑或再次循環(huán)建模.由此可見，該研究拓展了模型建構(gòu)的循環(huán)修訂過程，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)建模能力進(jìn)階層級從“逐級遞進(jìn)”到“循環(huán)完善”的演變.

圖1 動態(tài)循環(huán)的科學(xué)建模教學(xué)進(jìn)階模型

4 進(jìn)階應(yīng)用：從“教學(xué)設(shè)計”到“課堂實(shí)踐”

隨著進(jìn)階研究的不斷深入，科學(xué)建模學(xué)習(xí)進(jìn)階逐漸從理論走向了實(shí)踐.

文獻(xiàn)[11]通過對物理新課程標(biāo)準(zhǔn)的分析，發(fā)現(xiàn)在課程結(jié)構(gòu)、學(xué)業(yè)質(zhì)量及教學(xué)評價中均體現(xiàn)著進(jìn)階思想.進(jìn)階思想有助于幫助教師了解學(xué)生、開發(fā)教學(xué)模式、設(shè)計教學(xué)評價標(biāo)準(zhǔn)，教師在教學(xué)工作中應(yīng)重視進(jìn)階理論的影響，將進(jìn)階運(yùn)用于教學(xué).

文獻(xiàn)[9]在構(gòu)建物理建模學(xué)習(xí)進(jìn)階框架的基礎(chǔ)上，針對每一個進(jìn)階層級提出了基于學(xué)習(xí)進(jìn)階開展建模教學(xué)的指導(dǎo)策略(表3)，為將學(xué)習(xí)進(jìn)階理論成功應(yīng)用于課堂教學(xué)實(shí)踐中提供了可能.

表3 物理建模學(xué)習(xí)進(jìn)階指導(dǎo)策略

此外，文獻(xiàn)[12]基于科學(xué)建模學(xué)習(xí)進(jìn)階對“帶電粒子在電場中的運(yùn)動”一節(jié)進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計，從進(jìn)階目標(biāo)確立、進(jìn)階起點(diǎn)預(yù)設(shè)和診斷、進(jìn)階層級劃分和核心活動3方面詳細(xì)闡述了教學(xué)內(nèi)容和設(shè)計思路，對科學(xué)建模學(xué)習(xí)進(jìn)階指導(dǎo)下的課堂實(shí)踐提供了更加詳細(xì)的參考.

此后，文獻(xiàn)[13]將物理建模學(xué)習(xí)進(jìn)階的指導(dǎo)策略(表3)應(yīng)用于課堂實(shí)踐，圍繞“牛頓運(yùn)動定律”主題進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，展開課堂教學(xué)，并進(jìn)行了教學(xué)效果的測量.通過與傳統(tǒng)教學(xué)方法的對比，發(fā)現(xiàn)基于物理建模的學(xué)習(xí)進(jìn)階教學(xué)比傳統(tǒng)教學(xué)具有更好的教學(xué)效果，能更加科學(xué)、高效地促進(jìn)學(xué)生對物理概念的掌握，落實(shí)核心素養(yǎng).

文獻(xiàn)[14]圍繞靜電平衡核心概念開展探究性教學(xué)，在教學(xué)過程設(shè)計中，讓學(xué)生多次經(jīng)歷物理模型的建立、完善、檢驗(yàn)、應(yīng)用過程，借助實(shí)驗(yàn)探究引入和完善物理模型.通過教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，將實(shí)驗(yàn)探究過程與模型構(gòu)建的進(jìn)階過程相融合，能夠有效實(shí)現(xiàn)對學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng).

文獻(xiàn)[10]也將科學(xué)建模循環(huán)進(jìn)階模型(圖1)引入“超重和失重”概念的課堂教學(xué)，針對進(jìn)階模型的每一個層級逐級展開科學(xué)建模的教學(xué)實(shí)踐.研究發(fā)現(xiàn)，在科學(xué)建模學(xué)習(xí)進(jìn)階框架下組織物理課堂教學(xué)，能夠有效優(yōu)化學(xué)生的學(xué)習(xí)路徑，對學(xué)生建立物理概念、應(yīng)用物理規(guī)律以及解決實(shí)際問題有重要的意義，并且，能夠以學(xué)生的思維發(fā)展為中心，幫助學(xué)生發(fā)展模型構(gòu)建、問題解決和實(shí)驗(yàn)探究等關(guān)鍵能力.

5 啟示

目前，學(xué)習(xí)進(jìn)階研究仍需進(jìn)一步探索，科學(xué)建模的進(jìn)階也需要進(jìn)一步豐富和發(fā)展.首先，建模能力和核心概念的整合進(jìn)階對學(xué)科教學(xué)具有重要意義，但我國在這方面的研究尚處于起步階段；其次，適用于課堂教學(xué)的科學(xué)建模進(jìn)階模型仍需在實(shí)踐中不斷的發(fā)展和完善；最后，學(xué)習(xí)進(jìn)階作為一個新興研究方向，雖然能夠搭建起學(xué)習(xí)研究和課堂教學(xué)之間的橋梁，但目前仍需要大量的、長期的教學(xué)實(shí)踐的檢驗(yàn)，以滿足實(shí)際應(yīng)用的訴求.