國際科學建模教學的發(fā)展及其促進策略

摘? ?要

在國際科學教育改革背景下，過去十年間科學建模教學在目標取向、教學模式和話語行為等方面都出現(xiàn)了新的發(fā)展特征，這為我國科學建模教學提供了經(jīng)驗和借鑒，如應加快形成以“素養(yǎng)”培育為導向的科學建模教學理念、采用有利于發(fā)展學生深度思維的“引導性問題支架”教學模式、建設對教師具有實踐指導價值的真實建模教學案例庫、加大力度研究并揭示科學建模學習的內(nèi)在機制等。

關(guān)鍵詞

科學建模教學? 產(chǎn)品導向? 過程導向? 素養(yǎng)導向? 話語行為

進入21世紀，世界各國紛紛啟動新一輪科學教育改革，并一致將發(fā)展學生模型意識和建模能力作為改革的核心目標。2017年，我國頒布實施的新版《普通高中物理課程標準》《普通高中化學課程標準》《普通高中生物課程標準》均將“模型與建模”納入學科核心素養(yǎng)體系，實現(xiàn)了與國際科學課程理念的接軌。在這一背景下，科學建模教學成為培養(yǎng)學生模型思維能力的重要途徑。本文借助國際頂級科學教育期刊近十年間發(fā)表的相關(guān)文獻，分析了科學建模教學的發(fā)展特征，進而提出了改善我國科學建模教學的對策和建議。

一、國際科學建模教學的發(fā)展特征

科學建模教學是指在物理、化學、生物等理科課堂中，教師通過設計建?；顒樱寣W生經(jīng)歷模型選擇與描述、建立與檢驗、修正與重構(gòu)等階段，從而發(fā)展和形成一定的模型意識和建模能力的教學活動。本文以《科學教育》《科學教育研究期刊》《國際科學教育期刊》《科學教育與技術(shù)期刊》作為數(shù)據(jù)源，檢索題目中包含modeling or modelling or model-based、learning、teaching、science education字段的文獻209篇，最終依據(jù)研究目的篩選出符合要求的文獻題錄61篇。對這61篇文獻進行精讀分析后，發(fā)現(xiàn)科學建模教學在目標取向、教學模式和課堂話語行為三個方面具有以下發(fā)展特征。

1.科學建模教學目標取向的變化

從教學目標取向來看，科學建模教學經(jīng)歷了從“產(chǎn)品”到“過程”再到“素養(yǎng)”的轉(zhuǎn)變。

第一個階段是基于產(chǎn)品的建模教學時期。1987年，赫斯滕斯等人發(fā)表的建模教學循環(huán)理論成為科學建模教學的里程碑。此時，概念轉(zhuǎn)變是科學教育領(lǐng)域的研究熱點，建模教學與科學概念的轉(zhuǎn)變結(jié)合就誕生了這個時期建模教學的目標，即通過建模活動發(fā)展學生對科學概念的理解。這種產(chǎn)品取向的建模教學將模型視作學生理解科學知識的工具，把建模作為科學過程的產(chǎn)品，而非科學過程本身。因此，這一時期的建模教學只能為學生提供回憶和理解科學概念的低階認知挑戰(zhàn)，不利于學生形成完善的元建模知識體系[1]。

第二個階段是基于過程的建模教學時期。1996年，美國頒布的《科學教育標準》描繪出以科學探究為關(guān)鍵詞的科學教育圖景。自此，科學建模教學目標轉(zhuǎn)向培養(yǎng)學生探究意識和探究能力。該階段，建模被作為科學探究必須經(jīng)歷的過程，忽略其本體性，而突出強調(diào)其工具價值，它給學生提供了更多的實踐機會，從而使學生能較深入地理解在科學活動中模型和建模的意義。

第三個階段是基于素養(yǎng)的建模教學時期。2011年以來，美國頒布的《K-12年級科學教育框架》《新一代科學教育標準》及英國的《卓越計劃》等文件，均強調(diào)將培養(yǎng)學生科學實踐能力作為科學教育的核心目標。為此，建模教學的目標也從過程轉(zhuǎn)為素養(yǎng)取向，旨在讓學生通過經(jīng)歷科學實踐過程，不斷發(fā)展對科學本質(zhì)的理解以及科學實踐的能力。實質(zhì)上，它是問題導向的教學，強調(diào)在解決某一特定問題的過程中實現(xiàn)科學建模能力的培養(yǎng)，具有明顯的反思性、目的性和自覺性的特征。所以，基于素養(yǎng)的建模教學直指對模型和建模這種科學實踐能力的培養(yǎng)，而非借助模型和建模來實現(xiàn)外在于它的別的什么目的。

2.科學建模教學模式的變化

科學建模教學有表達建模、實驗建模、探究建模、評價建模和循環(huán)建模五種模式[2]。建模教學模式的選擇與教學目的價值取向密切相關(guān)，但無論在何種取向下，表達建模都是應用最普遍、最廣泛的建模教學模式[3]。表達建模通過口頭語言或文本符號使建模過程概念化，以實現(xiàn)個體思想的表達，及對科學現(xiàn)象的描述或解釋的教學模式[4]。其優(yōu)勢在于，能有效提高個體創(chuàng)建、解釋和重組知識的自主性和參與度。基于產(chǎn)品的建模教學利用模型和建模發(fā)展學生對科學概念的理解，把模型作為表征或連接現(xiàn)象和理論的橋梁，為此，表達建模順理成章地成為了基于產(chǎn)品的建模教學的主導教學模式。當建模教學目標轉(zhuǎn)向素養(yǎng)時，需要學生經(jīng)歷科學實踐過程，從而發(fā)展對模型本質(zhì)的理解和建模能力，因而，建模教學需采用表達建模、探究建模和實驗建模相結(jié)合的教學模式，以便使學生更多地參與科學活動，發(fā)展多種科學實踐能力。

近年來，出現(xiàn)了一種新的建模教學模式——引導性文本支架，即將傳統(tǒng)的教科書敘事文本改編為建模文本，引導學生逐步經(jīng)歷選擇、建立、驗證與重構(gòu)等建模過程，從而形成正確而穩(wěn)固的建模系統(tǒng)性思考[5]。引導性文本支架通過幫助學生理解創(chuàng)建模型的過程，判斷實驗方案的可行性，分析實驗數(shù)據(jù)等環(huán)節(jié)，改變了傳統(tǒng)的科學課堂結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)學生心智模型中變量間復雜關(guān)系的構(gòu)建，從而發(fā)展學生的深度思維[6]。

3.科學建模教學話語行為的變化

隨著建模教學目標的轉(zhuǎn)向，建模教學的話語行為也由教師主導的闡述模式變?yōu)楣蚕韺υ挼奶剿髂Ｊ?。社會符號學認為，課堂話語行為可定義為教師、主題以及學生在教學情境中的言語互動，不同的語言互動模式構(gòu)成了師生用以解釋世界的不同的經(jīng)驗框架。人際間的社會互動是個人學習的主要過程，在這個過程中語言發(fā)揮著重要的作用，它有助于學習者內(nèi)化那些出現(xiàn)并用于人們共同工作和交流的知識[7]。良好的話語行為不但能創(chuàng)造和諧的課堂氛圍，而且能起到調(diào)節(jié)教學和促進意義生成的作用。

根據(jù)服務于科學知識的建構(gòu)、發(fā)展和內(nèi)化的方式，話語行為可分為詳述、解釋、論證、探索、協(xié)商等11種模式。當產(chǎn)品導向時期，詳述、解釋、檢索是主要的話語行為模式，而素養(yǎng)導向時期，建模教學更加強調(diào)學生的自主性和參與度，探索、推理、協(xié)商等便成為主要的話語行為模式，其中探索話語是重中之重[8]。探索話語行為又分三個類型：一是“探索—探索”型。前一個探索是指教師和學生通過話語探索自然或?qū)嶒炇仪榫诚碌目茖W現(xiàn)象，并建立模型加以描述和解釋;后一個探索是指教師通過話語來試探學生關(guān)于某個科學主題的觀點，從而準確了解和定位學生的學習狀況?！疤剿鳌剿鳌痹捳Z行為既起到了激發(fā)學生課堂參與和積極表達的作用，同時又幫助教師從學生的話語中提取出關(guān)鍵概念，準確評價了學生的學情。二是“探索—檢索”型。當教師和學生針對某一科學現(xiàn)象或議題展開爭論，為了使學生構(gòu)建出科學有效的模型，教師通過語言引導學生檢索大腦中有用的概念框架。在“探索—檢索”話語行為中，教師既表達了對學生回答的關(guān)注，肯定了學生的作用，增強了學生參與知識構(gòu)建的積極性，又提供了關(guān)鍵的學習支持，增加了課堂信息的輸入，從而營造出輕松的學習環(huán)境，鞏固了師生間和諧的關(guān)系。三是“探索—協(xié)商”型。教師發(fā)現(xiàn)學生觀點與科學概念不一致時，創(chuàng)設一個新的情境來挑戰(zhàn)學生的錯誤概念，以引導他們通過同伴協(xié)商得到科學的答案。探索話語行為下的建模課堂處處體現(xiàn)出學生的主體性，如學生決定科學演示的實施方案，他們不會簡單地服從教師的引導性話語，而是積極地表達自己的想法，從而在挑戰(zhàn)和回應中實現(xiàn)互動與對話。

二、科學建模教學的促進策略

根據(jù)國際科學建模教學發(fā)展的特征和經(jīng)驗，結(jié)合我國現(xiàn)階段建模教學的現(xiàn)實情況，本文提出以下幾方面的促進策略。

1.樹立“素養(yǎng)”導向的科學建模教學觀念

今天，國際科學建模教學已轉(zhuǎn)向關(guān)注學生素養(yǎng)的培育。然而，教師教學觀念的轉(zhuǎn)變在很大程度上受國家教育政策文本導向的影響，比如課程標準。施內(nèi)爾一針見血地指出：“各個國家都在轟轟烈烈地開展科學建模教學，但很多國家并沒有給教師提供明確的教育方向、實施路徑和相應的教學支持?！苯處煂Ξa(chǎn)品取向的教學輕車熟路，但素養(yǎng)取向的教學對于教師來說則是一個新興事物，它是什么樣子、怎樣去實施、如何來看待，教師無從知曉，他們只能在科學課堂上根據(jù)個人的經(jīng)驗和想象實施建模教學。由此可見，國家教育政策性文本提供的有力支持和明確指導，是教師順利實現(xiàn)從理解到認同，再到采用基于素養(yǎng)的科學建模教學的前提和基礎(chǔ)[9]。

2.采用“引導性問題支架”教學模式

引導性問題支架作為一種科學文本，它圍繞科學概念或原理，以系統(tǒng)的科學建模歷程編寫問題文本，在它的引導下學生逐漸熟悉建模步驟，進而實現(xiàn)初始心智模型向科學概念模型的轉(zhuǎn)變。引導性問題支架教學模式有利于學生更快地熟悉建模歷程并參與建模實踐，從而促進他們建模能力發(fā)展。它是以外顯化科學建模過程的方式，引導學生依循建模步驟學習科學原理或定律，即按照科學原理或定律建構(gòu)的歷程學習科學知識。這一模式既有利于學習科學概念，又利于熟悉建模歷程，從而便于學生思路清晰地建構(gòu)自己的概念模型。引導性問題支架作為一種新型建模教學模式，其優(yōu)勢明顯，而這一優(yōu)勢的發(fā)揮則依賴于引導性問題文本的合理設計。建議引導性問題文本應選擇那些與學科核心概念相關(guān)的，涉及推理、論證等科學實踐活動的主題，應該突出和明晰建模階段，并強調(diào)建模實踐的真實性。

3.建設真實的科學建模教學案例庫

科學建模教學缺乏真實的、可參考和效仿的教學樣例。只有提供真實的科學建模教學案例，才能幫助教師獲得豐富的感性認知和廣闊的見識，如尼爾森的物理課堂就向教師們展現(xiàn)了一個完整的探索—探索話語模式的建模教學過程，包括課堂問題設計、演示實驗的選擇、話語行為順序的安排等[10]，再如曾茂仁設計的化學建模教學則幫助于教師理解建模與探究二者間的關(guān)系，以及透過探究建立對科學模型的認識和應用[11]，這樣的案例現(xiàn)在還太少。建設能啟發(fā)和指導教師開展科學建模教學的案例庫，是實現(xiàn)教師盡快熟悉建模教學環(huán)節(jié)，完成實際教學預判和思考，從而設計出適合具體課堂特征的建模教學方案的最便捷、最有效的途徑。

4.加速推進科學建模學習機制研究

學生進入科學課堂之前已經(jīng)具備相當?shù)纳罱?jīng)驗和初始的心智模型。然而，他們對模型的認知以及對科學家建模的理解，會影響其詮釋模型的方式，也會影響教師建模教學的成效。教育研究者要向教師提供一幅清晰的學生建模學習圖景，揭示學生建模學習的機制，以幫助教師了解學生建模學習歷程的本質(zhì)，從而設計更有效的科學建模教學策略和方案。只有更多的學者加入到學生建模學習機制的研究中，才能盡快打開學生模型學習過程黑箱的一隅，從而為教師面對科學建模教學這一新的教學樣態(tài)提供最本質(zhì)的教學支持，以便重塑其教學信心，幫助其選擇恰當?shù)慕虒W模式和話語行為，最終實現(xiàn)學生建模能力的提升。

參考文獻

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[11] 曾茂仁.探討建模本位探究教學于化學電池的學習成效與建模能力[D].臺北：臺灣師范大學科學教育研究所，2016：77.

[作者：袁媛（1977-），女，河北懷安人，遼寧師范大學教育學院，講師，博士。]

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