國(guó)際科學(xué)建模教學(xué)的發(fā)展及其促進(jìn)策略

1、    國(guó)際科學(xué)建模教學(xué)的發(fā)展及其促進(jìn)策略    摘   要在國(guó)際科學(xué)教育改革背景下，過去十年間科學(xué)建模教學(xué)在目標(biāo)取向、教學(xué)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(guó)科學(xué)建模教學(xué)提供了經(jīng)驗(yàn)和借鑒，如應(yīng)加快形成以“素養(yǎng)”培育為導(dǎo)向的科學(xué)建模教學(xué)理念、采用有利于發(fā)展學(xué)生深度思維的“引導(dǎo)性問題支架”教學(xué)模式、建設(shè)對(duì)教師具有實(shí)踐指導(dǎo)價(jià)值的真實(shí)建模教學(xué)案例庫、加大力度研究并揭示科學(xué)建模學(xué)習(xí)的內(nèi)在機(jī)制等。關(guān)鍵詞科學(xué)建模教學(xué)  產(chǎn)品導(dǎo)向  過程導(dǎo)向  素養(yǎng)導(dǎo)向  話語行為進(jìn)入21世紀(jì)，世界各國(guó)紛紛啟動(dòng)

2、新一輪科學(xué)教育改革，并一致將發(fā)展學(xué)生模型意識(shí)和建模能力作為改革的核心目標(biāo)。2017年，我國(guó)頒布實(shí)施的新版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)均將“模型與建?！奔{入學(xué)科核心素養(yǎng)體系，實(shí)現(xiàn)了與國(guó)際科學(xué)課程理念的接軌。在這一背景下，科學(xué)建模教學(xué)成為培養(yǎng)學(xué)生模型思維能力的重要途徑。本文借助國(guó)際頂級(jí)科學(xué)教育期刊近十年間發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)，分析了科學(xué)建模教學(xué)的發(fā)展特征，進(jìn)而提出了改善我國(guó)科學(xué)建模教學(xué)的對(duì)策和建議。一、國(guó)際科學(xué)建模教學(xué)的發(fā)展特征科學(xué)建模教學(xué)是指在物理、化學(xué)、生物等理科課堂中，教師通過設(shè)計(jì)建?；顒?dòng)，讓學(xué)生經(jīng)歷模型選擇與描述、建立與檢驗(yàn)、修正與重構(gòu)等階段，從而發(fā)展和形成一定的

3、模型意識(shí)和建模能力的教學(xué)活動(dòng)。本文以科學(xué)教育科學(xué)教育研究期刊國(guó)際科學(xué)教育期刊科學(xué)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(xiàn)209篇，最終依據(jù)研究目的篩選出符合要求的文獻(xiàn)題錄61篇。對(duì)這61篇文獻(xiàn)進(jìn)行精讀分析后，發(fā)現(xiàn)科學(xué)建模教學(xué)在目標(biāo)取向、教學(xué)模式和課堂話語行為三個(gè)方面具有以下發(fā)展特征。1.科學(xué)建模教學(xué)目標(biāo)取向的變化從教學(xué)目標(biāo)取向來看，科學(xué)建模教學(xué)經(jīng)歷了從“產(chǎn)品”到“過程”再到“素養(yǎng)”的轉(zhuǎn)變。第一個(gè)階段是基于產(chǎn)品的建模教學(xué)時(shí)期。1987年，赫斯滕

4、斯等人發(fā)表的建模教學(xué)循環(huán)理論成為科學(xué)建模教學(xué)的里程碑。此時(shí)，概念轉(zhuǎn)變是科學(xué)教育領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，建模教學(xué)與科學(xué)概念的轉(zhuǎn)變結(jié)合就誕生了這個(gè)時(shí)期建模教學(xué)的目標(biāo)，即通過建?；顒?dòng)發(fā)展學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的理解。這種產(chǎn)品取向的建模教學(xué)將模型視作學(xué)生理解科學(xué)知識(shí)的工具，把建模作為科學(xué)過程的產(chǎn)品，而非科學(xué)過程本身。因此，這一時(shí)期的建模教學(xué)只能為學(xué)生提供回憶和理解科學(xué)概念的低階認(rèn)知挑戰(zhàn)，不利于學(xué)生形成完善的元建模知識(shí)體系1。第二個(gè)階段是基于過程的建模教學(xué)時(shí)期。1996年，美國(guó)頒布的科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)描繪出以科學(xué)探究為關(guān)鍵詞的科學(xué)教育圖景。自此，科學(xué)建模教學(xué)目標(biāo)轉(zhuǎn)向培養(yǎng)學(xué)生探究意識(shí)和探究能力。該階段，建模被作為科學(xué)探究必須經(jīng)

5、歷的過程，忽略其本體性，而突出強(qiáng)調(diào)其工具價(jià)值，它給學(xué)生提供了更多的實(shí)踐機(jī)會(huì)，從而使學(xué)生能較深入地理解在科學(xué)活動(dòng)中模型和建模的意義。第三個(gè)階段是基于素養(yǎng)的建模教學(xué)時(shí)期。2011年以來，美國(guó)頒布的k-12年級(jí)科學(xué)教育框架新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)及英國(guó)的卓越計(jì)劃等文件，均強(qiáng)調(diào)將培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實(shí)踐能力作為科學(xué)教育的核心目標(biāo)。為此，建模教學(xué)的目標(biāo)也從過程轉(zhuǎn)為素養(yǎng)取向，旨在讓學(xué)生通過經(jīng)歷科學(xué)實(shí)踐過程，不斷發(fā)展對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解以及科學(xué)實(shí)踐的能力。實(shí)質(zhì)上，它是問題導(dǎo)向的教學(xué)，強(qiáng)調(diào)在解決某一特定問題的過程中實(shí)現(xiàn)科學(xué)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(xué)直指對(duì)模型和建模這種科學(xué)實(shí)

6、踐能力的培養(yǎng)，而非借助模型和建模來實(shí)現(xiàn)外在于它的別的什么目的。2.科學(xué)建模教學(xué)模式的變化科學(xué)建模教學(xué)有表達(dá)建模、實(shí)驗(yàn)建模、探究建模、評(píng)價(jià)建模和循環(huán)建模五種模式2。建模教學(xué)模式的選擇與教學(xué)目的價(jià)值取向密切相關(guān)，但無論在何種取向下，表達(dá)建模都是應(yīng)用最普遍、最廣泛的建模教學(xué)模式3。表達(dá)建模通過口頭語言或文本符號(hào)使建模過程概念化，以實(shí)現(xiàn)個(gè)體思想的表達(dá)，及對(duì)科學(xué)現(xiàn)象的描述或解釋的教學(xué)模式4。其優(yōu)勢(shì)在于，能有效提高個(gè)體創(chuàng)建、解釋和重組知識(shí)的自主性和參與度?；诋a(chǎn)品的建模教學(xué)利用模型和建模發(fā)展學(xué)生對(duì)科學(xué)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(dá)建模順理成章地成為了基于產(chǎn)品的建模教學(xué)的主導(dǎo)教

7、學(xué)模式。當(dāng)建模教學(xué)目標(biāo)轉(zhuǎn)向素養(yǎng)時(shí)，需要學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)實(shí)踐過程，從而發(fā)展對(duì)模型本質(zhì)的理解和建模能力，因而，建模教學(xué)需采用表達(dá)建模、探究建模和實(shí)驗(yàn)建模相結(jié)合的教學(xué)模式，以便使學(xué)生更多地參與科學(xué)活動(dòng)，發(fā)展多種科學(xué)實(shí)踐能力。近年來，出現(xiàn)了一種新的建模教學(xué)模式引導(dǎo)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(dǎo)學(xué)生逐步經(jīng)歷選擇、建立、驗(yàn)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(dǎo)性文本支架通過幫助學(xué)生理解創(chuàng)建模型的過程，判斷實(shí)驗(yàn)方案的可行性，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等環(huán)節(jié)，改變了傳統(tǒng)的科學(xué)課堂結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生心智模型中變量間復(fù)雜關(guān)系的構(gòu)建，從而發(fā)展學(xué)生的深度思維6。3.科學(xué)建模教學(xué)話語行為的變

8、化隨著建模教學(xué)目標(biāo)的轉(zhuǎn)向，建模教學(xué)的話語行為也由教師主導(dǎo)的闡述模式變?yōu)楣蚕韺?duì)話的探索模式。社會(huì)符號(hào)學(xué)認(rèn)為，課堂話語行為可定義為教師、主題以及學(xué)生在教學(xué)情境中的言語互動(dòng)，不同的語言互動(dòng)模式構(gòu)成了師生用以解釋世界的不同的經(jīng)驗(yàn)框架。人際間的社會(huì)互動(dòng)是個(gè)人學(xué)習(xí)的主要過程，在這個(gè)過程中語言發(fā)揮著重要的作用，它有助于學(xué)習(xí)者內(nèi)化那些出現(xiàn)并用于人們共同工作和交流的知識(shí)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(xué)和促進(jìn)意義生成的作用。根據(jù)服務(wù)于科學(xué)知識(shí)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(dāng)產(chǎn)品導(dǎo)向時(shí)期，詳述、解釋、檢索是主要的話語行為模式，而素養(yǎng)導(dǎo)

9、向時(shí)期，建模教學(xué)更加強(qiáng)調(diào)學(xué)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(gè)類型：一是“探索探索”型。前一個(gè)探索是指教師和學(xué)生通過話語探索自然或?qū)嶒?yàn)室情境下的科學(xué)現(xiàn)象，并建立模型加以描述和解釋;后一個(gè)探索是指教師通過話語來試探學(xué)生關(guān)于某個(gè)科學(xué)主題的觀點(diǎn)，從而準(zhǔn)確了解和定位學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況。“探索探索”話語行為既起到了激發(fā)學(xué)生課堂參與和積極表達(dá)的作用，同時(shí)又幫助教師從學(xué)生的話語中提取出關(guān)鍵概念，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)了學(xué)生的學(xué)情。二是“探索檢索”型。當(dāng)教師和學(xué)生針對(duì)某一科學(xué)現(xiàn)象或議題展開爭(zhēng)論，為了使學(xué)生構(gòu)建出科學(xué)有效的模型，教師通過語言引導(dǎo)學(xué)生檢索大腦

10、中有用的概念框架。在“探索檢索”話語行為中，教師既表達(dá)了對(duì)學(xué)生回答的關(guān)注，肯定了學(xué)生的作用，增強(qiáng)了學(xué)生參與知識(shí)構(gòu)建的積極性，又提供了關(guān)鍵的學(xué)習(xí)支持，增加了課堂信息的輸入，從而營(yíng)造出輕松的學(xué)習(xí)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(xué)生觀點(diǎn)與科學(xué)概念不一致時(shí)，創(chuàng)設(shè)一個(gè)新的情境來挑戰(zhàn)學(xué)生的錯(cuò)誤概念，以引導(dǎo)他們通過同伴協(xié)商得到科學(xué)的答案。探索話語行為下的建模課堂處處體現(xiàn)出學(xué)生的主體性，如學(xué)生決定科學(xué)演示的實(shí)施方案，他們不會(huì)簡(jiǎn)單地服從教師的引導(dǎo)性話語，而是積極地表達(dá)自己的想法，從而在挑戰(zhàn)和回應(yīng)中實(shí)現(xiàn)互動(dòng)與對(duì)話。二、科學(xué)建模教學(xué)的促進(jìn)策略根據(jù)國(guó)際科學(xué)建模教學(xué)發(fā)展的特征和經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)現(xiàn)

11、階段建模教學(xué)的現(xiàn)實(shí)情況，本文提出以下幾方面的促進(jìn)策略。1.樹立“素養(yǎng)”導(dǎo)向的科學(xué)建模教學(xué)觀念今天，國(guó)際科學(xué)建模教學(xué)已轉(zhuǎn)向關(guān)注學(xué)生素養(yǎng)的培育。然而，教師教學(xué)觀念的轉(zhuǎn)變?cè)诤艽蟪潭壬鲜車?guó)家教育政策文本導(dǎo)向的影響，比如課程標(biāo)準(zhǔn)。施內(nèi)爾一針見血地指出：“各個(gè)國(guó)家都在轟轟烈烈地開展科學(xué)建模教學(xué)，但很多國(guó)家并沒有給教師提供明確的教育方向、實(shí)施路徑和相應(yīng)的教學(xué)支持?！苯處煂?duì)產(chǎn)品取向的教學(xué)輕車熟路，但素養(yǎng)取向的教學(xué)對(duì)于教師來說則是一個(gè)新興事物，它是什么樣子、怎樣去實(shí)施、如何來看待，教師無從知曉，他們只能在科學(xué)課堂上根據(jù)個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)和想象實(shí)施建模教學(xué)。由此可見，國(guó)家教育政策性文本提供的有力支持和明確指導(dǎo)，是教師順利

12、實(shí)現(xiàn)從理解到認(rèn)同，再到采用基于素養(yǎng)的科學(xué)建模教學(xué)的前提和基礎(chǔ)9。2.采用“引導(dǎo)性問題支架”教學(xué)模式引導(dǎo)性問題支架作為一種科學(xué)文本，它圍繞科學(xué)概念或原理，以系統(tǒng)的科學(xué)建模歷程編寫問題文本，在它的引導(dǎo)下學(xué)生逐漸熟悉建模步驟，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)初始心智模型向科學(xué)概念模型的轉(zhuǎn)變。引導(dǎo)性問題支架教學(xué)模式有利于學(xué)生更快地熟悉建模歷程并參與建模實(shí)踐，從而促進(jìn)他們建模能力發(fā)展。它是以外顯化科學(xué)建模過程的方式，引導(dǎo)學(xué)生依循建模步驟學(xué)習(xí)科學(xué)原理或定律，即按照科學(xué)原理或定律建構(gòu)的歷程學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)。這一模式既有利于學(xué)習(xí)科學(xué)概念，又利于熟悉建模歷程，從而便于學(xué)生思路清晰地建構(gòu)自己的概念模型。引導(dǎo)性問題支架作為一種新型建模教學(xué)模式

13、，其優(yōu)勢(shì)明顯，而這一優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮則依賴于引導(dǎo)性問題文本的合理設(shè)計(jì)。建議引導(dǎo)性問題文本應(yīng)選擇那些與學(xué)科核心概念相關(guān)的，涉及推理、論證等科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)的主題，應(yīng)該突出和明晰建模階段，并強(qiáng)調(diào)建模實(shí)踐的真實(shí)性。3.建設(shè)真實(shí)的科學(xué)建模教學(xué)案例庫科學(xué)建模教學(xué)缺乏真實(shí)的、可參考和效仿的教學(xué)樣例。只有提供真實(shí)的科學(xué)建模教學(xué)案例，才能幫助教師獲得豐富的感性認(rèn)知和廣闊的見識(shí)，如尼爾森的物理課堂就向教師們展現(xiàn)了一個(gè)完整的探索探索話語模式的建模教學(xué)過程，包括課堂問題設(shè)計(jì)、演示實(shí)驗(yàn)的選擇、話語行為順序的安排等10，再如曾茂仁設(shè)計(jì)的化學(xué)建模教學(xué)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(duì)科學(xué)模型的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用11

14、，這樣的案例現(xiàn)在還太少。建設(shè)能啟發(fā)和指導(dǎo)教師開展科學(xué)建模教學(xué)的案例庫，是實(shí)現(xiàn)教師盡快熟悉建模教學(xué)環(huán)節(jié)，完成實(shí)際教學(xué)預(yù)判和思考，從而設(shè)計(jì)出適合具體課堂特征的建模教學(xué)方案的最便捷、最有效的途徑。4.加速推進(jìn)科學(xué)建模學(xué)習(xí)機(jī)制研究學(xué)生進(jìn)入科學(xué)課堂之前已經(jīng)具備相當(dāng)?shù)纳罱?jīng)驗(yàn)和初始的心智模型。然而，他們對(duì)模型的認(rèn)知以及對(duì)科學(xué)家建模的理解，會(huì)影響其詮釋模型的方式，也會(huì)影響教師建模教學(xué)的成效。教育研究者要向教師提供一幅清晰的學(xué)生建模學(xué)習(xí)圖景，揭示學(xué)生建模學(xué)習(xí)的機(jī)制，以幫助教師了解學(xué)生建模學(xué)習(xí)歷程的本質(zhì)，從而設(shè)計(jì)更有效的科學(xué)建模教學(xué)策略和方案。只有更多的學(xué)者加入到學(xué)生建模學(xué)習(xí)機(jī)制的研究中，才能盡快打開學(xué)生模型學(xué)

15、習(xí)過程黑箱的一隅，從而為教師面對(duì)科學(xué)建模教學(xué)這一新的教學(xué)樣態(tài)提供最本質(zhì)的教學(xué)支持，以便重塑其教學(xué)信心，幫助其選擇恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)模式和話語行為，最終實(shí)現(xiàn)學(xué)生建模能力的提升。參考文獻(xiàn)19 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，

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