国外科学教育建模教学研究的动态、趋势与启示

摘   要：科学思维是物理学科核心素养之一，模型建构是科学思维的重要组成部分，开展建模教学是世界科学教育改革的重要趋势。通过梳理国外主要科学教育期刊中62篇建模教学相关文献，总结了科学教育领域中建模教学过程的研究热点与动态，并对我国建模教学发展提出以下建议：建模教学目的应多样化，建模教学应从小学生抓起，建模教学方法需多样组合，应强化教师在建模教学过程的作用，建模教学应与技术相融合。

关键词：模型;建模教学;核心素养

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2022）9-0074-7

1    引  言

模型是对真实世界的表征，科学家们使用图形、图标、物理模型和数学方程等模型表征具体的物理情景，从而开始模型建构过程[1]。最早在教学中运用建模方法的是美国理论物理学家David Hestenes，他认为建模教学能够帮助学生更加连贯、灵活和系统地获取知识[2]。美国《K-12科学教育框架》（2012）中强调模型在科学教育中的核心作用，2013年发布的《新一代科学教育标准》（NGSS）将“开发和使用模型”列为学生应该参与的8种科学实践之一。芬兰的高中物理课程标准也强调建模。我国也在2017年修订的高中物理、化学、生物等学科的课程标准中将“模型建构”列为四大核心素养之一的科学思维的重要内容。《普通高中物理课程标准（2017年版）》指出：建模方法是科学研究的常用方法，模型思维是一种重要的科学思维，创设基于建模的科学学习环境，有利于学生建模思维的发展[3]。在建模教学中，学生通过创建、评估、修改和应用模型，表达自己对客观世界的认识，在收获知识、增长能力的同时，还获得了对模型本质以及更广泛的科学本质的深入理解。正因如此，建模教学已成为国际科学教育领域关注的前沿热点之一。

国外对于建模教学的研究已有40多年历史，开发出了不少建模教学模式与教学案例。相较于国外，我国建模教学研究起步相对较晚，尚有进一步发展的空间。已有研究多集中在建模教学的理论介绍，如张静等人撰写的《物理建模教学的理论与实践简介》[4]，黄国清的《物理模型教学的实践研究概述》[5];个别学者研究了建模教学理论在课堂中的实际应用，如何春生[6]和翟小铭[7]等人分别在“万有引力定律的应用”和“静电现象的应用”的教学中实践了建模教学理论。

鉴于此种情况，本文试图通过系统梳理国外近10年来关于建模教学的研究，厘清建模教学中涉及到的教学目的、教学对象、教学方法、教学行为等要素的具体要义，以期为我国建模教学的实践发展提供建议。本研究主要围绕以下问题分析文献：

1.建模教学的目的是什么？

2.建模教学的对象——学生，主要集中在哪个教育阶段？

3.建模教学过程中，教师采用了哪些建模方法？

4.建模教学过程中，教师主要运用哪些话语和行为？

5.建模教学过程中，教师的作用是什么？

6.建模教学过程中，是否有技术支持？采用了哪些技术？

2    研究方法

本文选取国外主流科学教育类期刊《Journal of research in science teaching》（《科学教学研究》）、《Science education》（《科学教育》）、《International journal of science education》（《国际科学教育》）和《Journal of science education and technology》（《科学教育与技术》）为综述文献来源。分别以“model”“modeling”和“model-based”为关键词检索2010—2021年间的标题和摘要，最初检索到717篇文献，通过阅读文献摘要，最终筛选出62篇建模教学的相关文献作为分析对象。其中，13篇文献来自《Journal of research in science teaching》，14篇文献来自《Science education》，20篇文献来自《International journal of science education》，15篇文献来自《Journal of science education and technology》。而后，围绕上述6个问题对文献进行梳理，总结得出近年来国际上关于建模教学的研究热点与发展趋势。

3    分析结果与讨论

3.1    建模教学的目的

分析总结文献发现，建模教学的目的通常包括三种，分别为理解科学概念、培养科学实践能力以及理解模型本质和科学本质，各自在文献中涉及的比例如表1所示。

从表中数据可以明显看出，建模教学最常见的教学目的是理解科学概念（85.5%，n=53）。例如，Lee调查了利用高速摄影机和定格动画软件SAM animation辅助建模能够在多大程度上促进学生对运动概念的理解，他在研究中发现，学生在教师的适当支持下，通过建构和解释运动模型，对运动概念的理解得到了提高[8]。其次是培养学生参与科学实践的能力（50.0%，n=31），Prins等人的研究强调了建模教学在培养学生科学实践能力中的重要作用，并建构了将真实的建模实践转化为有意义情景的、以活动为基础的教学框架[9]。最后是理解模型本质和科学本质（35.5%，n=22），典型的研究是Ioannis等人研究了学生在构建光的射线模型（反射、折射、全反射）过程中，发展了对于模型本质的理解，如什么是科学模型、模型如何准确反映现实等[10]。

此外，通过统计建模教学目的发现，30.6%（n=19）的研究中教学目的只有一种，其中绝大部分是促进学生理解科学概念。66.1%（n=41）的研究中教学目的是双重的，而双重目的的研究中，理解科学概念总是其中两个目的之一，如Lehrer设计了基于模型的进化课程，学生在构建进化模型的过程中，既参与了实践，又发展了对进化概念的认识[11]。只有2篇文章（3.3%，n=2）包含全部三个目的，分别是Todd[12]和Suna[13]所做的研究。

从以上统计分析可以看出，目前国际上建模教学的目的主要有帮助学生理解科学概念、培养学生的科学实践能力，以及帮助学生理解模型本质和科学本质。其中，促进学生对科学概念的理解是关注的重点。笔者认为，之所以出现这样的结果，原因在于教师在教学过程中大多将关注点集中在学生正在学习的知识。事实上，知识学习和对科学本质的理解是有一定联系的，学生通过建模能够更深入地了解知识背后的因果关系和复杂机制，这在一定程度上有利于对科学本质的理解。另外，大概有三分之一的建模教学注重培养学生对模型本质和科学本质的理解，这也充分印证了我国将科学本质作为物理学科核心素养中“科学态度与责任”的重要组成部分的科学性。本研究中最值得注意的是第二个目的——培养科学实践能力，关注科学实践能力培养的建模教学多是通过基于模型的探究（MBI）实现的，探究基本上能够作为建模教学中实践的代名词，世界各国的课程标准都将科学探究能力视为培养目标之一，如美国《新一代科学教育标准》（NGSS）强调培养学生进行探究所需的能力和对探究的理解能力，科学探究也是我国物理学科核心素养的重要内容，在科学探究中教师应结合教学内容引导学生进行建模。

除了单一目的之外，还有部分研究具有双重甚至三重目的，只是所占比例相对较小。我们应该认识到，概念理解、实践能力和对科学本质的理解是密不可分的，都是学生未来走向社会必备的能力素养，这种双重和三重一体的研究不仅有助于实现建模教学的三种主要目的，而且有助于理解这些目的是如何相互作用以及如何相互支持的，未来有必要进行更多的此类研究和教学设计。

3.2    建模教学的对象

关于这一问题，我们把建模教学的对象——学生所处的教育阶段分为三种，分别为小学教育阶段、中学教育阶段和本科教育阶段，统计结果如图1所示。

从上图中可以明显看出，中学教育阶段的建模教学是学者们的主要研究领域;除此之外，对小学教育阶段建模教学的研究也占据了较高的比例。Baumfalk等人做了一个为期5年的研究项目，该研究以小学三年级的学生为研究对象，实验班使用基于建模的FOSS水循环单元课程，对照班采用通用课程。实验结果表明，参与科学建模的学生能够更加清晰地表达水循环现象[14]。文献中对本科教育阶段的建模教学研究得较少。

通过分析文献发现，目前国际上关于建模教学的研究大多集中在中学教育阶段，而对小学和大学的研究相对较少。这一现象的原因可能在于研究者低估了年幼学生的科学建模能力。在过去十年间，越来越多的研究表明，在教师的适当支持下，基于模型的教学在小学教育阶段实施的可能性，如Lehrer和Schauble等人的研究就证明了六年级学生通过基于建模的课程能够更好地掌握进化思维[15]，此外还有Louca[16]、Samarapungavan[17]、Tobin[18]等人的研究同样可以证明这一观点。

3.3    建模的方法

关于建模方法，我们采用了Oh对建模方法所做的分类。Oh将建模活动分为五种类型，分别为探索性建模、表达性建模、实验性建模、评价性建模和循环建模[19]。以下是对这五种建模方法的具体解释：

1.探索性建模：学生利用已有模型（例如改变模型参数），观察效果，总结模型性质。

2.表达性建模：学生创建新模型或使用已有模型表达自己对科学现象的看法或认识。

3.实验性建模：学生提出关于科学现象的假设，并使用模型设计实验验证假设。

4.评价性建模：学生评价解决相同问题的模型，选择出最合适的模型解释现象或解决问题。

5.循环建模：学生参与创建、评估、改进和应用模型的循环过程。

通过梳理文献，笔者归纳出了使用上述建模方法的文献数量和百分比，如表2所示。

从表中可以看出，表达性建模是最常用的建模教学方法（79.0%，n=49），探索性建模（16.1%，n=10）和评价性建模（14.5%，n=9）是使用相对较少的两种建模方法。在多数已有研究中，并非只采用一种建模方法，而是常常结合两种甚至三种以上的建模教学方法开展教学，其中表达性建模和实验性建模（n=17）、表达性建模和探索性建模（n=19）是最常见的建模方法组合。在Lee所做的研究中，学生经过初步学习后，在白纸上画出心脏血液循环模型，表达他们对血液循环的认识，然后用水泵模拟心脏，通过开关阀门验证学生对于血液循环的假设[20]。使用建模方法最多的是 Bennett[21]等人做的研究，他在教学中引导学生进行表达性建模、实验性建模、评价性建模和循环建模，以调查本科生物专业学生如何处理需要构建模型的任务。

当学生在运用最常用的表达性建模时，他们会通过创建新模型或使用现有模型来表达他们描述或解释科学现象的想法[22]。运用表达性建模能够给学生提供表达自己见解的机会，并能够通过交流、论证、推理等方式反思和重建已有知识。这种建模方法还经常与实验性建模和探索性建模一起组合使用。正如Passmore所说：建立和使用模型是科学的核心所在[23]，因此，表达性建模正是建模方法的核心。由此，我们可以得出这样的结论：表达性建模是最常见、最有效的建模方法。未来建模方法研究的重点应该关注表达性建模如何同其他建模方法一起运用，以及不同的组合方式如何影响学生的学习。

3.4    建模教学中教师的重要话语和行为

教师的话语和行为是影响建模教学效果的关键因素，许多学者对其进行了深入研究。如Khan的研究说明了教师提出与探究任务相关的问题能够帮助学生更好地利用模型进行学习[24];Niaz和Buckley等人也分别证明了论证和科学推理对于建模成败的重要性[25-26]。通过对已有建模教学研究中话语和行为的研究，我们确定了以下话语和行为分析框架，包括解释（explanation）、论证（argumentation）、写或画（writing or drawing）、科学推理（scientific reasoning）、同行评价（peer evaluation）、合作学习（collaborative learning ）、“脚手架”（scaffolding）、协商（negotiation）和交流（communication），并对文献中出现的重要话语和行为进行编码，结果如表3所示。