融合元建模的初中科學(xué)建模能力的測評研究

祝錢 黃初

傳統(tǒng)科學(xué)建模能力的評測通常指向了元建模和建模實踐能力測評兩個向度，但這也導(dǎo)致了“分而評之”困局的出現(xiàn)。而融合了元建模的科學(xué)建模能力測評，給上述困局的解決帶來了新的思路。通過基于課標的評測框架確立，基于質(zhì)性分析的評測指標建構(gòu)，基于評分者一致性、內(nèi)容水平效度的檢驗等環(huán)節(jié)，建構(gòu)了初中科學(xué)建模能力評測工具。最后，圍繞“直觀-真實情境化教學(xué)、元建模教學(xué)的設(shè)計、建模評價標準的學(xué)習(xí)”等三方面進行了反思探討。

科學(xué)課程標準；核心素養(yǎng)；素養(yǎng)測評；科學(xué)建模；元認知；元建模；建模實踐

隨著2022版《科學(xué)》課程標準的出臺，科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實踐和態(tài)度責(zé)任四大核心素養(yǎng)被正式納入課標。而科學(xué)建模能力，則置于了重要思維能力的位置被詳加考察。不難發(fā)現(xiàn)，科學(xué)建模很好地體現(xiàn)了其作為聯(lián)結(jié)現(xiàn)實和理性世界的中介作用；作為內(nèi)具抽象概念、原理和規(guī)律的表征價值；以及作為促進學(xué)生科學(xué)思維形成和內(nèi)化的認知功能。科學(xué)建模能力的發(fā)展，不僅反映了學(xué)科的本質(zhì)特性，更彰顯了科學(xué)教育特有的育人價值。因此，如何開展科學(xué)建模能力測評便成為了科學(xué)教育工作者所要關(guān)注的議題之一。

科學(xué)建模能力主要體現(xiàn)在，基于經(jīng)驗對客觀事物進行抽象、概括，進而建構(gòu)模型，并基于模型進行分析、解釋現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、關(guān)系和變化過程。但要讓學(xué)生真正有意義地發(fā)展科學(xué)建模能力，就要讓他們理解：現(xiàn)在做的是什么？為什么要做？怎么做？，此時元建模就顯得尤為重要。而當前對于科學(xué)建模能力的測評研究，也主要是從元建模和建模實踐兩個方向來展開的。

元建模主要是對于“模型和建模是什么？有何用？如何建構(gòu)？”等涉及內(nèi)涵、目的、價值以及反思等元認知層面的認識。對其測評主要是通過訪談以及問卷等工具來進行的。其中，最具代表性的是Grosslight的一項研究，他通過對學(xué)生有關(guān)建模目的訪談，將學(xué)生對模型的認識分成了實體層、半抽象層、完全抽象層等三個層次。后續(xù)相關(guān)的評測也基本沿襲了Grosslight的研究思路。如Justi的研究就顯示，大部分6-14 歲學(xué)生認為模型是對事物的復(fù)刻、是一個標準物。劉俊庚的研究也表明，臺灣地區(qū)8、9年級學(xué)生對模型的認識著重于模型是具體的事物，模型是物體的復(fù)制品。國內(nèi)有關(guān)元建模的研究則主要集中在高中階段，如鄧峰就發(fā)現(xiàn)高中段3個年級的學(xué)生對科學(xué)模型的基本描述功能及其可變性有較好的理解，但對于模型更高層次的功能的認識卻處于中等水平。

該視角的研究本質(zhì)是將建模看成是一個模型逐步形成的過程，這個過程又被分解成了建構(gòu)、檢驗、修正等環(huán)節(jié)，建模子能力則被分散到各個環(huán)節(jié)之中。Hestenes認為“建模本身是一種過程性認知，建模能力則是在模型建構(gòu)過程中所表現(xiàn)出來的描述、構(gòu)想、衍生和驗證的能力。”Halloun提出了“選擇—建立—驗證—分析—拓展”五個建模階段，而建模能力實則就是這五個階段實踐中所表現(xiàn)出來的能力。這樣一種分而評之的研究，在國內(nèi)也有很多學(xué)者繼續(xù)沿用，如吳攀便從模型選擇、建構(gòu)、檢驗、應(yīng)用、拓展等五個維度對高中生進行了精細的評測。陳蕾則從信息的提取組織、選擇應(yīng)用、檢驗評價和拓展等視角對初二學(xué)生物理建模能力進行深入分析。而眾多建模實踐能力的評測研究，都揭示了不同年段學(xué)生在某一或某幾項建模子能力方面薄弱的事實。

但從局部視角來考察建模某一方面的能力是有缺陷的，因為它忽視了建模能力作為各子能力間相互影響而成的一個完整個體存在的客觀性。學(xué)生在參與建模的實踐過程中，不能簡單地將其看成是各單項能力的機械疊加，其建模行為的背后必定是卷入了學(xué)生對于模型的認識、對于建模過程的反思等元認知成分。因此，這種對于建模子能力的評測不能如實反映學(xué)生建模能力的真容。

鑒于傳統(tǒng)評測無法實現(xiàn)對建模能力整體性刻畫的弊端，故將元建模嵌入到建模實踐的過程之中，并將其置于整體性的框架中加以研究便成為了解決上述困局的一種新的視角。其中，Schwarz團隊的研究具有開創(chuàng)意義，他們定義了建模實踐能力和元建模間的交互作用，即元建模可以來指導(dǎo)學(xué)生的建模實踐，反過來建模實踐也可以促進元建模能力的進一步豐富。同時在測評框架的設(shè)計中，他們并沒有把建模實踐各個階段作為評測的對象，而是將元建模同建模實踐作為一個整體來進行看待。Schwarz始終認為這樣的融合設(shè)計比根據(jù)實踐要素來組織對學(xué)生表現(xiàn)水平的分析更有用。后續(xù)Fortus基于訪談對建模學(xué)習(xí)的進階研究，Pierson基于計算機模型和圖表模型對學(xué)生建模學(xué)習(xí)行為開展進階研究，兩者基本都沿襲了Schwarz的研究思路。顯然，融合了元建模的建模能力評測，一方面通過對建模實踐成果的整體性評測，能從理論層面更好地反映出建模實踐背后所對應(yīng)的元認知水平。另一方面，也突顯了元建模在建模實踐中的指導(dǎo)價值，促進了學(xué)生在科學(xué)學(xué)習(xí)過程中對建模實踐本身的反思。故本研究所要解決的問題便是：

課標中“抽象-概括”等關(guān)鍵詞反映了建模中高階思維的抽象性卷入，“描述-解釋”等關(guān)鍵詞則體現(xiàn)了模型價值的功能性聚焦。而Schwarz研究中的“建模實踐”維度也是從模型的功能價值，即“描述、解釋、預(yù)測”等水平層級來進行標定。“建模實踐”背后所對應(yīng)的“元建模”維度則是基于學(xué)生對模型功能的進階性理解，即“模型是用于展示現(xiàn)象、用于交流解釋想法、用于支持對現(xiàn)象的思考、用于產(chǎn)生新想法”等水平層級來進行描述。綜上所析，本研究將以Schwarz“建模實踐-元建模”相融理論為研究視角來構(gòu)建本次研究測評的理論框架。如表1：

指導(dǎo)

接下來將參考Schwarz、劉崇清等研究中用圖和訪談的方式來捕捉學(xué)生建模水平的方法，來構(gòu)建融合元建模的建模能力指標。

本次試題工具分為兩部分，其中“碘遇到淀粉的神奇變化”開放性試題通過建模成果所呈現(xiàn)出的水平，以此來捕捉學(xué)生的建模實踐能力，而指向建模目的的結(jié)構(gòu)化問答則用于刻畫學(xué)生的元建模水平。

試題：①對“碘液滴到饅頭上、碘蒸氣遇到饅頭”的現(xiàn)象作出客觀的描述和合理的解釋。②預(yù)測“對已變藍的淀粉溶液先進行加熱，然后再冷卻到室溫”這個過程中顏色的變化，并以文字、圖片或圖文并茂的形式給出你認為合理的解釋。

訪談問題：請談?wù)勀阍诮鉀Q科學(xué)問題中，構(gòu)建模型的主要目的和作用是什么？請你結(jié)合一個具體的例子來闡述。

測評試題和訪談問題均以中考試題和先前成熟研究成果為基礎(chǔ)，且試題改編過程中也得到了多位教學(xué)專家的論證。試題除了考慮難度和區(qū)分度等因素外，也將初中化學(xué)的主干知識、真實性情境、認知發(fā)展等因素考慮其中。上述試題涉及浙教版八下微觀粒子中的相關(guān)內(nèi)容，學(xué)生對“構(gòu)成微粒決定物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)”的基本知識也有學(xué)習(xí)，而對于“碘遇淀粉變藍”這一知識也在植物光合作用一節(jié)的學(xué)習(xí)中有所儲備。同時，前后兩個子問題呈現(xiàn)了進階式的思路，即從學(xué)生可直接套用已學(xué)的模型進行描述和解釋，到現(xiàn)有模型基礎(chǔ)上的變式遷移并用于預(yù)測。而訪談問題則是指向了學(xué)生建模背后元認知成分的探析，即建模的目的是什么？

本研究選擇了H市D中學(xué)8年級14個班的學(xué)生，其中男生308人，女生304人，合計612人。由于D中學(xué)是一所公辦事業(yè)編初級中學(xué)，生源入校時未經(jīng)精英化篩選，且校科學(xué)均分正好位居區(qū)域均值。這些都保證了所獲研究結(jié)果的典型性和代表性。

首先，對612份中200份試題進行隨機抽樣，并以三位骨干教師盲評達成一致作為結(jié)果，最終發(fā)現(xiàn)存在五種建模實踐的表現(xiàn)水平。然后，根據(jù)200份調(diào)查樣本中的不同水平比例，按比例抽取36份樣本，以聊天的方式對其進行結(jié)構(gòu)化訪談，通過手寫方式進行全程記錄，最后以表1中的元建模理論框架將學(xué)生的回答進行了五級歸類。

如圖1便顯示了一個學(xué)生所建構(gòu)的“I-淀粉”反應(yīng)模型，其中包括了“碘液、碘蒸氣、饅頭”等直觀要素，而他對結(jié)構(gòu)性問題的回答是“這個我就是畫的和實際一樣，讓老師批改的時候能看得更加清楚。”顯然，該生所建構(gòu)的模型中呈現(xiàn)了現(xiàn)象中的具體要素，但對于內(nèi)在機制的解釋是不清的。同時，他的建模目的也指向了對現(xiàn)象的描述層面。故將其歸入第2類，即直觀描述層。再如圖2顯示了某生所建構(gòu)的三組模型，即“I和淀粉分子構(gòu)成的新分子被破壞、I分子被破壞、淀粉分子被破壞”以此能對現(xiàn)象進行更為全面的解釋。而他對結(jié)構(gòu)性問題的回答是“因為這個問題以前沒有學(xué)過，所以我覺得多考慮幾種情況，這里我畫了三種解釋，這樣就能把可能出現(xiàn)的結(jié)果都考慮在內(nèi)。”不難發(fā)現(xiàn)，該生為了能對新情境、新問題作出準確的解釋，他通過建構(gòu)多個模型來使得對新現(xiàn)象的解釋更加全面。而該生建模的目的不僅是出于對現(xiàn)象的解釋，更是內(nèi)隱了一種幫助自我思考的反思性功能。故將其歸入第4類，變式遷移層。歸類結(jié)果如下表2，當然表2僅是理論上存在的對應(yīng)關(guān)系，實際會存在建模實踐和元建模分離的情況，具體分析見后續(xù)結(jié)果分析部分。

通過對樣本的編碼、歸類和分析，我們建構(gòu)了“融合元建模的科學(xué)建模能力水平表”（如表3）。繼續(xù)請三位骨干教師對余下的412份調(diào)查文本同表3中的各水平等級進行逐一比對分析，最終沒有發(fā)現(xiàn)有超出表3水平以外的情況出現(xiàn)。當然，表3也僅是理論上存在的對應(yīng)關(guān)系，實際會存在建模實踐和元建模分離的情況。最后，聘請3位骨干教師按照評測框架標準對35份試卷進行評分，然后對結(jié)果進行一致性檢驗，最終所得克隆巴赫系數(shù)=0.974。由此可以很好地證明評測框架是可信的。而在效度控制上，引入（S-CVI）來進行檢驗，最終所得S-CVI=0.9>0.8，由此說明本研究工具中的各水平內(nèi)容設(shè)計是有效的。

2.3.1 整體分析

將612份試題文本按照N=0.6N+0.4N折算總分后發(fā)現(xiàn)（如表4），8年級學(xué)生已開始擺脫模型作為描述的直觀呈現(xiàn)階段，逐步進入模型來闡明機制階段，但直觀描述層的比例仍位居高位，還有近5%的學(xué)生居于“無模型”層級。就認知的視角來看，8年級學(xué)生正處于由具體運算向形式-推論運算的轉(zhuǎn)變階段，當前“輕實驗、重理論”的教學(xué)行為很可能阻滯了這一過程的發(fā)展。而在陌生情境中的變式遷移和自主調(diào)適水平占比也偏低，這同Schwarz團隊、魯小莉團隊的研究結(jié)論高度相似。究其原因，很可能是由于學(xué)校教育中既定課程的邏輯結(jié)構(gòu)和教師引導(dǎo)學(xué)習(xí)的給定框架，極大限制了學(xué)生思維的自由生長。進一步討論性別間“建模能力”的差異，通過獨立樣本t檢驗發(fā)現(xiàn)Sig.=0.891>0.05，由此說明男女生在建模能力上不存在顯著性差異。

2.3.2 元建模、建模實踐和建模能力分析

接下來就元建模、建模實踐和建模能力作進一步分析。首先，對三者作相關(guān)性分析，結(jié)果見表5：

上述結(jié)果說明三者間存在顯著性高相關(guān)，即建模能力能在很大程度上反映學(xué)生元建模和建模實踐水平。這也證明了N=0.6N+0.4N公式的科學(xué)性。

然后，就元建模和建模實踐水平間的差異作進一步分析，元建模和建模實踐水平總體均值分別為：1.52（男生-1.54、女生-1.51）和1.74（男生-1.74、女生-1.74），將兩者進行配對樣本t檢驗發(fā)現(xiàn)其Sig.=.000<0.05，說明8年級學(xué)生的元建模能力顯著落后于建模實踐能力。進一步討論性別間“元建模、建模實踐”的差異，通過獨立樣本t檢驗發(fā)現(xiàn)Sig.值分別為0.676/0.963，均大于0.05，說明男女生在上述兩個能力上無顯著性差異。

最后，對元建模和建模實踐的吻合度作了分析，具體結(jié)果是“元建模與建模實踐水平完全吻合”的有448人/73.2%，“元建模與建模實踐水平相偏離”的有164人/26.28%，其中“元建模落后于建模實踐水平”的有133人/21.73%。

3.1 重視直觀和真實情境的教學(xué)

針對薄弱生無法建模，優(yōu)等生無法在更高建模水平上有所發(fā)展的問題，要從8年級學(xué)生的認知特點出發(fā)來尋求解決之策，即該時期學(xué)生的認知還主要是基于對周圍世界的現(xiàn)實感知來引導(dǎo)他對于抽象知識的學(xué)習(xí)。故我們認為“直觀性教學(xué)、情境化教學(xué)”應(yīng)該是解決上述問題的兩個重要抓手。首先，模型是一座聯(lián)結(jié)主觀和客觀的橋梁，因此其天生具有抽象性。故在教學(xué)中教師不能只強調(diào)對某些現(xiàn)象的抽象解釋以及相關(guān)的數(shù)學(xué)推理和運算，更要重視利用直觀化的教學(xué)手段，如建構(gòu)具象化的實體模型、抽象過程圖形化等方式來對現(xiàn)象進行解釋，以此來幫助學(xué)生形成由具象到抽象的認知。其次，模型還是一種廣泛存在于自然、社會乃至生活中幫助學(xué)生認識世界的工具。因此，就更需要在教學(xué)中模糊學(xué)科理論和生活實踐的邊界，在學(xué)習(xí)中引入更具實踐活性的情境化教學(xué)，以便讓學(xué)生在學(xué)科理論、真實環(huán)境等多種場境的學(xué)習(xí)中來形成對建模更為深入的認識。

3.2 重視元建模教學(xué)的啟蒙性價值

元建模能力落后于建模實踐的現(xiàn)狀折射了科學(xué)教學(xué)中重視知識方法傳授，輕視自主反思等元認知層面的教學(xué)的現(xiàn)實。元建模在建模學(xué)習(xí)過程中起到了引導(dǎo)、監(jiān)控和調(diào)整的作用。而心理學(xué)的研究也表明，元認知的薄弱會對學(xué)習(xí)產(chǎn)生負向影響。故教師應(yīng)拓寬元建模教學(xué)的知識內(nèi)容；構(gòu)造元建模教學(xué)的知識體系；加深元建模教學(xué)的認知深度。教師通過“為何要建模？模型有何用？模型如何形成？模型如何表征？模型可否改變？”的核心問題鏈設(shè)計來牽引學(xué)生元建模能力的發(fā)展。但若僅是空泛的談元建模，而不將其融入建模實踐的過程之中，那這樣的教學(xué)對于學(xué)生建模能力的發(fā)展的也是非常有限的。因此，除了設(shè)計好元建模起始課之外，教師更需要將其內(nèi)嵌于后續(xù)的建模學(xué)習(xí)之中。這樣才能實現(xiàn)元建模和建模實踐間的相互促進、共融發(fā)展。

現(xiàn)代評價觀告訴我們“評價不只是為了證明，更是為了改進。”因此，在未來的建模教學(xué)中更需要引導(dǎo)學(xué)生對“標準本身進行學(xué)習(xí)”。畢竟，在建模的學(xué)習(xí)中，若學(xué)生失去了“自知”的能力，那么他就很難達到“自主建構(gòu)、自主修正”的境界。故教師在評價中除了要對“結(jié)果評價”給予關(guān)心外，還需對“標準學(xué)習(xí)”投以更多的關(guān)注，唯有此才能更好的推動科學(xué)知識深層理解；更好的促進建模思維進階發(fā)展；更好的實現(xiàn)建模意識深度內(nèi)化。

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1-2 祝錢 高級教師，學(xué)校課程與教學(xué)專業(yè)博士研究生

3 ?黃初 講師，統(tǒng)計學(xué)博士，數(shù)理統(tǒng)計調(diào)查和建模大賽優(yōu)秀教練員

注 “I分子被破壞、淀粉分子被破壞”雖是錯誤解釋，但是對于未進行化學(xué)系統(tǒng)學(xué)習(xí)的8年級學(xué)生而言，此回答卻可以探查出學(xué)生模型建構(gòu)中的發(fā)散遷移能力。