國外科學教育建模教學研究的動態、趨勢與啟示

劉 風，孫枝蓮

山西師范大學教師教育學院，太原 030000

1 引言

模型是對真實世界的表征，科學家們使用圖形、圖標、物理模型和數學方程等模型表征具體的物理情景，從而開始模型建構過程。最早在教學中運用建模方法的是美國理論物理學家David Hestenes，他認為建模教學能夠幫助學生更加連貫、靈活和系統地獲取知識。美國《K-12科學教育框架》（2012）中強調模型在科學教育中的核心作用，2013年發布的《新一代科學教育標準》（NGSS）將“開發和使用模型”列為學生應該參與的8種科學實踐之一。芬蘭的高中物理課程標準也強調建模。我國也在2017年修訂的高中物理、化學、生物等學科的課程標準中將“模型建構”列為四大核心素養之一的科學思維的重要內容?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標準（2017年版）》指出：建模方法是科學研究的常用方法，模型思維是一種重要的科學思維，創設基于建模的科學學習環境，有利于學生建模思維的發展。在建模教學中，學生通過創建、評估、修改和應用模型，表達自己對客觀世界的認識，在收獲知識、增長能力的同時，還獲得了對模型本質以及更廣泛的科學本質的深入理解。正因如此，建模教學已成為國際科學教育領域關注的前沿熱點之一。

國外對于建模教學的研究已有40多年歷史，開發出了不少建模教學模式與教學案例。相較于國外，我國建模教學研究起步相對較晚，尚有進一步發展的空間。已有研究多集中在建模教學的理論介紹，如張靜等人撰寫的《物理建模教學的理論與實踐簡介》，黃國清的《物理模型教學的實踐研究概述》；個別學者研究了建模教學理論在課堂中的實際應用，如何春生和翟小銘等人分別在“萬有引力定律的應用”和“靜電現象的應用”的教學中實踐了建模教學理論。

鑒于此種情況，本文試圖通過系統梳理國外近10年來關于建模教學的研究，厘清建模教學中涉及到的教學目的、教學對象、教學方法、教學行為等要素的具體要義，以期為我國建模教學的實踐發展提供建議。本研究主要圍繞以下問題分析文獻：

1.建模教學的目的是什么？

2.建模教學的對象——學生，主要集中在哪個教育階段？

3.建模教學過程中，教師采用了哪些建模方法？

4.建模教學過程中，教師主要運用哪些話語和行為？

5.建模教學過程中，教師的作用是什么？

6.建模教學過程中，是否有技術支持？采用了哪些技術？

2 研究方法

本文選取國外主流科學教育類期刊《Journal of research in science teaching》（《科學教學研究》）、《Science education》（《科學教育》）、《International journal of science education》（《國際科學教育》）和《Journal of science education and technology》（《科學教育與技術》）為綜述文獻來源。分別以“model”“modeling”和“model-based”為關鍵詞檢索2010—2021年間的標題和摘要，最初檢索到717篇文獻，通過閱讀文獻摘要，最終篩選出62篇建模教學的相關文獻作為分析對象。其中，13篇文獻來自《Journal of research in science teaching》，14 篇文獻來自《Science education》，20篇文獻來自《International journal of science education》，15 篇文獻來自《Journal of science education and technology》。而后，圍繞上述6個問題對文獻進行梳理，總結得出近年來國際上關于建模教學的研究熱點與發展趨勢。

3 分析結果與討論

3.1 建模教學的目的

分析總結文獻發現，建模教學的目的通常包括三種，分別為理解科學概念、培養科學實踐能力以及理解模型本質和科學本質，各自在文獻中涉及的比例如表1所示。

表1 建模教學目的涉及的百分比及樣本數

從表中數據可以明顯看出，建模教學最常見的教學目的是理解科學概念（85.5%，n=53）。例如，Lee調查了利用高速攝影機和定格動畫軟件SAM animation輔助建模能夠在多大程度上促進學生對運動概念的理解，他在研究中發現，學生在教師的適當支持下，通過建構和解釋運動模型，對運動概念的理解得到了提高。其次是培養學生參與科學實踐的能力（50.0%，n=31），Prins等人的研究強調了建模教學在培養學生科學實踐能力中的重要作用，并建構了將真實的建模實踐轉化為有意義情景的、以活動為基礎的教學框架。最后是理解模型本質和科學本質（35.5%，n=22），典型的研究是Ioannis等人研究了學生在構建光的射線模型（反射、折射、全反射）過程中，發展了對于模型本質的理解，如什么是科學模型、模型如何準確反映現實等。

此外，通過統計建模教學目的發現，30.6%（n=19）的研究中教學目的只有一種，其中絕大部分是促進學生理解科學概念。66.1%（n=41）的研究中教學目的是雙重的，而雙重目的的研究中，理解科學概念總是其中兩個目的之一，如Lehrer設計了基于模型的進化課程，學生在構建進化模型的過程中，既參與了實踐，又發展了對進化概念的認識。只有2篇文章（3.3%，n=2)包含全部三個目的，分別是Todd和Suna所做的研究。

從以上統計分析可以看出，目前國際上建模教學的目的主要有幫助學生理解科學概念、培養學生的科學實踐能力，以及幫助學生理解模型本質和科學本質。其中，促進學生對科學概念的理解是關注的重點。筆者認為，之所以出現這樣的結果，原因在于教師在教學過程中大多將關注點集中在學生正在學習的知識。事實上，知識學習和對科學本質的理解是有一定聯系的，學生通過建模能夠更深入地了解知識背后的因果關系和復雜機制，這在一定程度上有利于對科學本質的理解。另外，大概有三分之一的建模教學注重培養學生對模型本質和科學本質的理解，這也充分印證了我國將科學本質作為物理學科核心素養中“科學態度與責任”的重要組成部分的科學性。本研究中最值得注意的是第二個目的——培養科學實踐能力，關注科學實踐能力培養的建模教學多是通過基于模型的探究（MBI）實現的，探究基本上能夠作為建模教學中實踐的代名詞，世界各國的課程標準都將科學探究能力視為培養目標之一，如美國《新一代科學教育標準》（NGSS）強調培養學生進行探究所需的能力和對探究的理解能力，科學探究也是我國物理學科核心素養的重要內容，在科學探究中教師應結合教學內容引導學生進行建模。

除了單一目的之外，還有部分研究具有雙重甚至三重目的，只是所占比例相對較小。我們應該認識到，概念理解、實踐能力和對科學本質的理解是密不可分的，都是學生未來走向社會必備的能力素養，這種雙重和三重一體的研究不僅有助于實現建模教學的三種主要目的，而且有助于理解這些目的是如何相互作用以及如何相互支持的，未來有必要進行更多的此類研究和教學設計。

3.2 建模教學的對象

關于這一問題，我們把建模教學的對象——學生所處的教育階段分為三種，分別為小學教育階段、中學教育階段和本科教育階段，統計結果如圖1所示。

圖1 建模教學對象所處的教育階段分布餅狀圖

從上圖中可以明顯看出，中學教育階段的建模教學是學者們的主要研究領域；除此之外，對小學教育階段建模教學的研究也占據了較高的比例。Baumfalk等人做了一個為期5年的研究項目，該研究以小學三年級的學生為研究對象，實驗班使用基于建模的FOSS水循環單元課程，對照班采用通用課程。實驗結果表明，參與科學建模的學生能夠更加清晰地表達水循環現象。文獻中對本科教育階段的建模教學研究得較少。

通過分析文獻發現，目前國際上關于建模教學的研究大多集中在中學教育階段，而對小學和大學的研究相對較少。這一現象的原因可能在于研究者低估了年幼學生的科學建模能力。在過去十年間，越來越多的研究表明，在教師的適當支持下，基于模型的教學在小學教育階段實施的可能性，如Lehrer和Schauble等人的研究就證明了六年級學生通過基于建模的課程能夠更好地掌握進化思維，此外還 有 Louca、Samarapungavan、Tobin等人的研究同樣可以證明這一觀點。

3.3 建模的方法

關于建模方法，我們采用了Oh對建模方法所做的分類。Oh將建?；顒臃譃槲宸N類型，分別為探索性建模、表達性建模、實驗性建模、評價性建模和循環建模。以下是對這五種建模方法的具體解釋：

1.探索性建模：學生利用已有模型（例如改變模型參數），觀察效果，總結模型性質。

2.表達性建模：學生創建新模型或使用已有模型表達自己對科學現象的看法或認識。

3.實驗性建模：學生提出關于科學現象的假設，并使用模型設計實驗驗證假設。

4.評價性建模：學生評價解決相同問題的模型，選擇出最合適的模型解釋現象或解決問題。

5.循環建模：學生參與創建、評估、改進和應用模型的循環過程。

通過梳理文獻，筆者歸納出了使用上述建模方法的文獻數量和百分比，如表2所示。

表2 建模方法所占百分比及樣本數

從表中可以看出，表達性建模是最常用的建模教學方法（79.0%，n=49)，探索性建模（16.1%,n=10）和評價性建模（14.5%，n=9)是使用相對較少的兩種建模方法。在多數已有研究中，并非只采用一種建模方法，而是常常結合兩種甚至三種以上的建模教學方法開展教學，其中表達性建模和實驗性建模(n=17)、表達性建模和探索性建模(n=19)是最常見的建模方法組合。在Lee所做的研究中，學生經過初步學習后，在白紙上畫出心臟血液循環模型，表達他們對血液循環的認識，然后用水泵模擬心臟，通過開關閥門驗證學生對于血液循環的假設。使用建模方法最多的是Bennett等人做的研究，他在教學中引導學生進行表達性建模、實驗性建模、評價性建模和循環建模，以調查本科生物專業學生如何處理需要構建模型的任務。

當學生在運用最常用的表達性建模時，他們會通過創建新模型或使用現有模型來表達他們描述或解釋科學現象的想法。運用表達性建模能夠給學生提供表達自己見解的機會，并能夠通過交流、論證、推理等方式反思和重建已有知識。這種建模方法還經常與實驗性建模和探索性建模一起組合使用。正如Passmore所說：建立和使用模型是科學的核心所在，因此，表達性建模正是建模方法的核心。由此，我們可以得出這樣的結論：表達性建模是最常見、最有效的建模方法。未來建模方法研究的重點應該關注表達性建模如何同其他建模方法一起運用，以及不同的組合方式如何影響學生的學習。

3.4 建模教學中教師的重要話語和行為

教師的話語和行為是影響建模教學效果的關鍵因素，許多學者對其進行了深入研究。如Khan的研究說明了教師提出與探究任務相關的問題能夠幫助學生更好地利用模型進行學習；Niaz和Buckley等人也分別證明了論證和科學推理對于建模成敗的重要性。通過對已有建模教學研究中話語和行為的研究，我們確定了以下話語和行為分析框架，包括解釋(explanation)、論證(argumentation)、寫或畫(writing or drawing)、科學推理(scientific reasoning)、同行評價(peer evaluation)、合作學習(collaborative learning)、“腳手架”(scaffolding)、協商(negotiation)和交流(communication)，并對文獻中出現的重要話語和行為進行編碼，結果如表3所示。

表3 建模教學中重要的話語和行為所占比例及樣本數

各個話語及行為的定義如下：

1.解釋：學生闡釋自己對于模型的理解，說明構建模型的組成部分、性質以及模型如何表征客觀現象等。

2.論證：指學生在建模過程中基于證據和理由，通過爭論、反駁等方式辯護自己所構建的模型，并且說服別人認同自己的模型。

3.寫或畫：學生在紙板上用文字或圖像構建模型以表達看法和認識。

4.科學推理：是學生在模型建構過程中根據一個判斷得出另一個判斷的思維形式。

5.同行評價：指在建模過程中，學生或小組之間互相評價構建模型的優點和局限性。

6.合作學習：指為了完成建模目標，學生在教師指導下以小組為基本組織形式，協作配合，共同完成建模任務。

7.“腳手架”：指教師針對學生學習需要，有意識地提供對解決問題和建構意義起輔助作用的概念框架、問題情境、學習方法、學習方向、學習工具等。

8.協商：是在教師指導下，學生之間共同商量形成一致意見，逐步接近知識本質的過程。

9.交流：交流指在建模過程中，師生或生生之間互相溝通、傳遞信息的過程。

從上表可以看出，科學推理（n=20）和“腳手架”(n=18）是出現頻率最高的話語和行為，其次為解釋（n=16）、寫或畫（n=16）、合作學習（n=16）和交流（n=16），而同行評價（n=7）和協商（n=3）出現的頻率最低。

任何教學都必然植根于師生、生生之間的對話和行為，話語及行為是影響建模教學效果的關鍵因素。建模教學中出現頻率最高的話語和行為是科學推理，科學推理、模型建構與科學論證同為物理學科核心素養“科學思維”的重要組成部分，相互之間有著緊密的聯系。從統計數據中可以明顯看出，科學推理出現次數要遠遠多于論證，今后需要深入加強建模和論證相融合的教學研究。其次為“腳手架”，建模教學是一種新興的教學模式，對學生提出了較高的要求，學生在構建模型過程中，經常會遇到一些問題和疑難，因此需要教師給予一定支持。Bennett就給出了這樣的一個例子，他在學生構建模型的過程中，會針對性地給學生一些提示詞，幫助學生順利完成模型建構。

3.5 建模教學過程中教師的作用

約有33.9%（n=18）的文獻中強調了教師在建模教學過程中的支持作用，這與第四個問題——建模教學中的話語和行為的統計結果是大體一致的。如Tay等人對一位物理教師在模型評估階段和模型修正階段的微觀動作的原因、目的和順序進行了細致分析，提出教師的微觀動作在很大程度上會影響學生模型評估和模型修正的成?。籏e等人的研究解釋了在以建模為基礎的單元課程中，教師傳達信息的內容和方式對學生建模實踐的影響。

值得深思的是，強調教師在建模教學過程中應發揮作用的文獻只有33.9%，這個結果與教師在實際教學過程中的重要地位是不一致的。作為教學過程中的主導者或引導者，教師的話語、行為和微觀動作、教師對模型和建模本質和功能的理解、教師有關建模知識的構成等方方面面都影響著實際教學的效果，教師在建模教學中的作用與地位理應受到研究者的更多關注。然而，大多數的研究視角都聚焦在學習者的建模認知、建模實踐活動以及建模表現評價上，對教師的關注尚遠遠不夠，這有待以后進一步開展研究。

3.6 建模教學過程的技術支持

隨著社會不斷發展，教育與科技的結合愈來愈緊密，許多研究者和教師將科學技術應用到建模教學中。Malone等人就將Excel作為一種建模工具，通過設計對照實驗，證明了經過Excel建模學習的學生對生態系統和自然選擇的理解更深刻，并能更好地表達他們的想法。本研究綜述的62篇文章中，有45.2%（n=28）的文章在建模過程中采用各種技術作為輔助建模工具，使用的技術呈現多樣化，包括Netlogo，Sam animation，ABMS，Powersim等，其中使用最多的技術是Netlogo建模平臺，約占21.5%。如Fuhrmann等人應用雙焦點建?？蚣埽˙MF)進行教學實驗，實驗中兩組學生均使用Netlogo建模平臺進行模型建構，實驗組在構建模型之前經歷了模型設計環節，在紙上繪出了模型草圖，而對照組學生沒有經歷這一環節。結果證明，實驗組在知識理解和模型認識兩方面都明顯優于對照組。

基于計算機的建模工具能使學生更容易地構建模型，這些工具為學生提供了構建復雜現象或系統模型的虛擬環境，他們能在這種虛擬環境中改變模型參數，觀察特定變化對模型性質的影響。目前，國外采用技術輔助建模教學的情況較普遍，且運用最多的技術為Netlogo建模平臺。

4 對我國建模教學的啟示

4.1 建模教學目的應多樣化

建模教學目的應該是多方面的，主要包括理解科學概念、培養學生的科學實踐能力、促進學生理解模型本質以及更廣泛的科學本質。建模教學不僅僅要讓學生掌握知識，更重要的是培養學生參與實踐、參與社會的能力以及認識和了解我們所處的世界，了解簡單的物理現象背后所蘊涵的復雜機制和因果關系，否則建模教學將被異化為披著建模外衣的傳統教學。

4.2 適當加強小學階段建模教學實踐與研究

模型思維不是在某個階段突然形成的，而是循序漸進的產物。國外已經有相當一部分的研究證明，在教師的適當支持下，小學教育階段通過基于模型的教學有助于學生對知識的理解與思維的形成。當前國外的建模教學研究主要集中在中學階段，雖然小學階段所占比例不低，但仍然不夠。擴展建模教學的研究視角，關注小學教育階段的建模教學的實踐與研究，應是我國學者今后研究的重點與趨勢。

4.3 建模教學方法應多樣組合

梳理文獻發現，表達性建模雖然是目前國際上最常用、最有效的建模方法，但國外的大多數建模教學并不是僅僅局限于使用這一種建模方法，而是注重不同建模方法的組合應用。文獻梳理結果表明，已有的研究還沒有涉及到不同建模方法的使用效果以及不同的建模方法組合對培養學生建模能力的影響等微觀的層面，這些話題需要在今后的研究中特別關注，學者們需要探索在不同的課程類型中，如何組合建模方法以更好地提高教學效果，促進學生的學習。

4.4 教師在建模教學中的作用需要進一步強化

建模教學要發揮應有的教育價值，教師的作用尤為重要。教師對模型、建模本質和功能的理解、教師的建模教學知識（PCK）、教師建模教學的評價知識等直接影響著教師教學設計的質量與教學實施的效果。此外，教師在建模教學過程中應該扮演的角色是指導者、幫助者以及促進者，要給予學生充分的自主權去探究發現。但是，目前國內外對建模教學中有關教師的研究與其重要性相比略顯不足，今后應進一步加強。

4.5 建模教學應和技術相融合

建模教學與計算機技術之間有很好的兼容性，國外已經開發了多種計算機輔助建模軟件，并將之應用到建模教學過程中。通過計算機建模，學生可以更加直觀地將自己的思維轉化為具體的模型，這不僅可以使建模過程更加便捷，也更能夠吸引學生參與到建模過程中來，并且直觀的模型也更容易進行評判，減小了建模教學評價的難度。信息化時代，教育與計算機技術相結合是必然趨勢，我國在《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》文件中明確提出，“到2020年基本建成覆蓋城鄉各級各類學校的教育信息化體系，促進教育內容、教學手段和方法現代化”。因此，推動計算機技術在建模教學中的應用，深化計算機技術與建模教學的融合研究，為學生營造更真實的建模環境，促進建模能力與計算機思維共同發展是今后建模教學研究的重點所在。