国际科学建模教学的发展及其促进策略

摘   要

在国际科学教育改革背景下，过去十年间科学建模教学在目标取向、教学模式和话语行为等方面都出现了新的发展特征，這为我国科学建模教学提供了经验和借鉴，如应加快形成以“素养”培育为导向的科学建模教学理念、采用有利于发展学生深度思维的“引导性问题支架”教学模式、建设对教师具有实践指导价值的真实建模教学案例库、加大力度研究并揭示科学建模学习的内在机制等。

关键词

科学建模教学  产品导向  过程导向  素养导向  话语行为

进入21世纪，世界各国纷纷启动新一轮科学教育改革，并一致将发展学生模型意识和建模能力作为改革的核心目标。2017年，我国颁布实施的新版《普通高中物理课程标准》《普通高中化学课程标准》《普通高中生物课程标准》均将“模型与建模”纳入学科核心素养体系，实现了与国际科学课程理念的接轨。在这一背景下，科学建模教学成为培养学生模型思维能力的重要途径。本文借助国际顶级科学教育期刊近十年间发表的相关文献，分析了科学建模教学的发展特征，进而提出了改善我国科学建模教学的对策和建议。

一、国际科学建模教学的发展特征

科学建模教学是指在物理、化学、生物等理科课堂中，教师通过设计建模活动，让学生经历模型选择与描述、建立与检验、修正与重构等阶段，从而发展和形成一定的模型意识和建模能力的教学活动。本文以《科学教育》《科学教育研究期刊》《国际科学教育期刊》《科学教育与技术期刊》作为数据源，检索题目中包含modeling or modelling or model-based、learning、teaching、science education字段的文献209篇，最终依据研究目的筛选出符合要求的文献题录61篇。对这61篇文献进行精读分析后，发现科学建模教学在目标取向、教学模式和课堂话语行为三个方面具有以下发展特征。

1.科学建模教学目标取向的变化

从教学目标取向来看，科学建模教学经历了从“产品”到“过程”再到“素养”的转变。

第一个阶段是基于产品的建模教学时期。1987年，赫斯滕斯等人发表的建模教学循环理论成为科学建模教学的里程碑。此时，概念转变是科学教育领域的研究热点，建模教学与科学概念的转变结合就诞生了这个时期建模教学的目标，即通过建模活动发展学生对科学概念的理解。这种产品取向的建模教学将模型视作学生理解科学知识的工具，把建模作为科学过程的产品，而非科学过程本身。因此，这一时期的建模教学只能为学生提供回忆和理解科学概念的低阶认知挑战，不利于学生形成完善的元建模知识体系[1]。

第二个阶段是基于过程的建模教学时期。1996年，美国颁布的《科学教育标准》描绘出以科学探究为关键词的科学教育图景。自此，科学建模教学目标转向培养学生探究意识和探究能力。该阶段，建模被作为科学探究必须经历的过程，忽略其本体性，而突出强调其工具价值，它给学生提供了更多的实践机会，从而使学生能较深入地理解在科学活动中模型和建模的意义。

第三个阶段是基于素养的建模教学时期。2011年以来，美国颁布的《K-12年级科学教育框架》《新一代科学教育标准》及英国的《卓越计划》等文件，均强调将培养学生科学实践能力作为科学教育的核心目标。为此，建模教学的目标也从过程转为素养取向，旨在让学生通过经历科学实践过程，不断发展对科学本质的理解以及科学实践的能力。实质上，它是问题导向的教学，强调在解决某一特定问题的过程中实现科学建模能力的培养，具有明显的反思性、目的性和自觉性的特征。所以，基于素养的建模教学直指对模型和建模这种科学实践能力的培养，而非借助模型和建模来实现外在于它的别的什么目的。

2.科学建模教学模式的变化

科学建模教学有表达建模、实验建模、探究建模、评价建模和循环建模五种模式[2]。建模教学模式的选择与教学目的价值取向密切相关，但无论在何种取向下，表达建模都是应用最普遍、最广泛的建模教学模式[3]。表达建模通过口头语言或文本符号使建模过程概念化，以实现个体思想的表达，及对科学现象的描述或解释的教学模式[4]。其优势在于，能有效提高个体创建、解释和重组知识的自主性和参与度。基于产品的建模教学利用模型和建模发展学生对科学概念的理解，把模型作为表征或连接现象和理论的桥梁，为此，表达建模顺理成章地成为了基于产品的建模教学的主导教学模式。当建模教学目标转向素养时，需要学生经历科学实践过程，从而发展对模型本质的理解和建模能力，因而，建模教学需采用表达建模、探究建模和实验建模相结合的教学模式，以便使学生更多地参与科学活动，发展多种科学实践能力。

近年来，出现了一种新的建模教学模式——引导性文本支架，即将传统的教科书叙事文本改编为建模文本，引导学生逐步经历选择、建立、验证与重构等建模过程，从而形成正确而稳固的建模系统性思考[5]。引导性文本支架通过帮助学生理解创建模型的过程，判断实验方案的可行性，分析实验数据等环节，改变了传统的科学课堂结构，实现学生心智模型中变量间复杂关系的构建，从而发展学生的深度思维[6]。

3.科学建模教学话语行为的变化

随着建模教学目标的转向，建模教学的话语行为也由教师主导的阐述模式变为共享对话的探索模式。社会符号学认为，课堂话语行为可定义为教师、主题以及学生在教学情境中的言语互动，不同的语言互动模式构成了师生用以解释世界的不同的经验框架。人际间的社会互动是个人学习的主要过程，在这个过程中语言发挥着重要的作用，它有助于学习者内化那些出现并用于人们共同工作和交流的知识[7]。良好的话语行为不但能创造和谐的课堂氛围，而且能起到调节教学和促进意义生成的作用。

根据服务于科学知识的建构、发展和内化的方式，话语行为可分为详述、解释、论证、探索、协商等11种模式。当产品导向时期，详述、解释、检索是主要的话语行为模式，而素养导向时期，建模教学更加强调学生的自主性和参与度，探索、推理、协商等便成为主要的话语行为模式，其中探索话语是重中之重[8]。探索话语行为又分三个类型：一是“探索—探索”型。前一个探索是指教师和学生通过话语探索自然或实验室情境下的科学现象，并建立模型加以描述和解释;后一个探索是指教师通过话语来试探学生关于某个科学主题的观点，从而准确了解和定位学生的学习状况。“探索—探索”话语行为既起到了激发学生课堂参与和积极表达的作用，同时又帮助教师从学生的话语中提取出关键概念，准确评价了学生的学情。二是“探索—检索”型。当教师和学生针对某一科学现象或议题展开争论，为了使学生构建出科学有效的模型，教师通过语言引导学生检索大脑中有用的概念框架。在“探索—检索”话语行为中，教师既表达了对学生回答的关注，肯定了学生的作用，增强了学生参与知识构建的积极性，又提供了关键的学习支持，增加了课堂信息的输入，从而营造出轻松的学习环境，巩固了师生间和谐的关系。三是“探索—协商”型。教师发现学生观点与科学概念不一致时，创设一个新的情境来挑战学生的错误概念，以引导他们通过同伴协商得到科学的答案。探索话语行为下的建模课堂处处体现出学生的主体性，如学生决定科学演示的实施方案，他们不会简单地服从教师的引导性话语，而是积极地表达自己的想法，从而在挑战和回应中实现互动与对话。

二、科学建模教学的促进策略

根据国际科学建模教学发展的特征和经验，结合我国现阶段建模教学的现实情况，本文提出以下几方面的促进策略。

1.树立“素养”导向的科学建模教学观念

今天，国际科学建模教学已转向关注学生素养的培育。然而，教师教学观念的转变在很大程度上受国家教育政策文本导向的影响，比如课程标准。施内尔一针见血地指出：“各个国家都在轰轰烈烈地开展科学建模教学，但很多国家并没有给教师提供明确的教育方向、实施路径和相应的教学支持。”教师对产品取向的教学轻车熟路，但素养取向的教学对于教师来说则是一个新兴事物，它是什么样子、怎样去实施、如何来看待，教师无从知晓，他们只能在科学课堂上根据个人的经验和想象实施建模教学。由此可见，国家教育政策性文本提供的有力支持和明确指导，是教师顺利实现从理解到认同，再到采用基于素养的科学建模教学的前提和基础[9]。

2.采用“引导性问题支架”教学模式

引导性问题支架作为一种科学文本，它围绕科学概念或原理，以系统的科学建模历程编写问题文本，在它的引导下学生逐渐熟悉建模步骤，进而实现初始心智模型向科学概念模型的转变。引导性问题支架教学模式有利于学生更快地熟悉建模历程并参与建模实践，从而促进他们建模能力发展。它是以外显化科学建模过程的方式，引导学生依循建模步骤学习科学原理或定律，即按照科学原理或定律建构的历程学习科学知识。这一模式既有利于学习科学概念，又利于熟悉建模历程，从而便于学生思路清晰地建构自己的概念模型。引导性问题支架作为一种新型建模教学模式，其优势明显，而这一优势的发挥则依赖于引导性问题文本的合理设计。建议引导性问题文本应选择那些与学科核心概念相关的，涉及推理、论证等科学实践活动的主题，应该突出和明晰建模阶段，并强调建模实践的真实性。

3.建设真实的科学建模教学案例库

科学建模教学缺乏真实的、可参考和效仿的教学样例。只有提供真实的科学建模教学案例，才能帮助教师获得丰富的感性认知和广阔的见识，如尼尔森的物理课堂就向教师们展现了一个完整的探索—探索话语模式的建模教学过程，包括课堂问题设计、演示实验的选择、话语行为顺序的安排等[10]，再如曾茂仁设计的化学建模教学则帮助于教师理解建模与探究二者间的关系，以及透过探究建立对科学模型的认识和应用[11]，这样的案例现在还太少。建设能启发和指导教师开展科学建模教学的案例库，是实现教师尽快熟悉建模教学环节，完成实际教学预判和思考，从而设计出适合具体课堂特征的建模教学方案的最便捷、最有效的途径。

4.加速推进科学建模学习机制研究

学生进入科学课堂之前已经具备相当的生活经验和初始的心智模型。然而，他们对模型的认知以及对科学家建模的理解，会影响其诠释模型的方式，也会影响教师建模教学的成效。教育研究者要向教师提供一幅清晰的学生建模學习图景，揭示学生建模学习的机制，以帮助教师了解学生建模学习历程的本质，从而设计更有效的科学建模教学策略和方案。只有更多的学者加入到学生建模学习机制的研究中，才能尽快打开学生模型学习过程黑箱的一隅，从而为教师面对科学建模教学这一新的教学样态提供最本质的教学支持，以便重塑其教学信心，帮助其选择恰当的教学模式和话语行为，最终实现学生建模能力的提升。

参考文献

[1][9] Sanne Schnell Nielsen;Jan Alexis Nielsen.A Competence-Oriented Approach to Models and Modelling in Lower Secondary Science Education：Practices and Rationales Among Danish Teachers.Research in Science Education，2019，12（18）：1-29.

[2] Van Joolingen，W.Roles of modeling in inquiry learning.Paper presented at the IEEE International Conference on Advanced Learning Technologies，Joensuu，Finland，2004.

[3][10] Campbell，T.，ZuWallack，B.A.，Longhurst，M.，Shelton，B.E.， & Wolf，P.G.An examination of the changes in science teaching orientations and technology-enhanced tools for student learning in the context of professional Development. International Journal of Science Education，2014，36（11）：1815-1848.

[4] Oh，P.S.，&Oh，S.J.What teachers of science need to know about models：An overview.International Journal of Science Education，2011：33（08）：1109-1130.

[5][6] Jing Ping Jong;Mei Hung Chiu;Shiao Lan Chung.The Use of Modeling-Based Text to Improve StudentsModeling Competencies.Science Education，2015，99（05），986-1018.

[7] Vygotsky，L.S.Mind in society：The development of higher psychological processes. Cambridge，MA：Harvard University Press，1978.

[8] Campbell，T.，Oh，P.S.，& Neilson，D.Discursive modes and their pedagogical functions in model-based inquiry（MBI）classrooms.International Journal of Science Education，2012，34（15），2393-2419.

[11] 曾茂仁.探讨建模本位探究教学于化学电池的学习成效与建模能力[D].台北：台湾师范大学科学教育研究所，2016：77.

[作者：袁媛（1977-），女，河北怀安人，辽宁师范大学教育学院，讲师，博士。]

【责任编辑  白文军】