我国中学化学课程标准与美国NGSS中模型学习要求的比较

邓嘉欣 钱扬义

摘要： 模型和建模是科学教育的重要内容，也是理科课程标准規定的重要学习内容。使用布卢姆教育目标分类法，对我国初高中化学课程标准、美国《新一代科学教育标准》（NGSS）进行内容分析，比较两国课标对学生在化学学科“开发和使用模型”的具体要求与能力水平分布。研究发现： 美国课标的学段连贯性强，学科间融合度高，在化学学科对“开发与使用模型”的要求较少，要求难度主要集中在中等水平;我国课标对高中生“开发与使用模型”的要求较为具体，化学学科性强，要求难度分布均匀，但对于初中生未明确给出具体要求。基于此，对我国化学课标完善、落实“模型认知”学科核心素养培养提供建议。

关键词： 模型认知; 开发和使用模型; 课程标准; NGSS

文章编号： 1005-6629（2021）12-0016-06

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题提出

1.1 模型与建模的时代背景

“模型”是事物的表征，其中事物包含具体的实物、观点、概念、事件、过程和系统等[1];而“建模”就是产生科学模型的动态过程，通常包括构建、应用、评估以及修正模型等方面[2]。模型的目的是为了提供解释和预测现象的因果关系，可以使用模型来表示各个组分之间的关系[3]。

模型和建模是科学思维的重要组成[4]，是学习科学的关键能力[5]。开发模型的过程可帮助学生形成综合的系统性理解，因此在化学学习中开展模型认知活动是十分必要的[6，7]。模型与建模目前已成为科学教育领域的重要研究热点之一[8]。

由于模型和建模在科学教育的重要性，各国科学教育领域极其重视该内容的教学规划，特别在中小学课程标准中对该内容做出规定。例如，2013年美国颁布的《新一代科学教育标准》（以下简称NGSS）中，已经把培养学生“开发和使用模型”能力放在重要地位。2017年我国在《普通高中化学课程标准》（以下简称2017版“课标”）中首次提出了“五大核心素养”，其中把对学生建立认知模型、运用模型解释化学问题的要求列进了素养3“证据推理与模型认知”里，我国2017版“课标”也开始重视“构建模型”，可见在新一轮教育改革当中，培养学生“开发和使用模型”的能力成为教师教学的重点。

1.2 研究问题

NGSS和2017版“课标”是国家层面的基础教育课程纲领性文件，具有各自设计优点。尽管两国国情与学情的差异，美国NGSS也能给我国编写课程标准提供建议或启示。基于此，提出三个研究问题。第一，NGSS中对于K-12年级学生“开发和使用模型”的具体要求是什么？第二，若仅针对化学学科而言，NGSS在“开发和使用模型”这一方面又提出什么要求？第三，NGSS中“开发和使用模型”的要求与我国化学课程标准中“模型认知”的要求又有什么对应关系？

2 中美课标对学生“开发和使用模型”要求的分析

2.1 NGSS中对学生“开发和使用模型”的要求

NGSS是美国根据多年研究和实践历程，实现整体改革，系统解决问题的顶层设计，是面向K-12年级共同制定的全国性教育标准[9]。每一条预期表现都是“科学与工程实践”“学科核心概念”和“跨学科概念”的三维整合[10]。其中“科学与工程实践”包括8个重要活动，“开发和使用模型”作为其中之一，它要求学生在不同的年级，根据自身的能力水平尝试开发和使用模型去表示或解释某一现象或机制。NGSS中的“开发和使用模型”具有代表性，值得我们对其进行深入研讨与分析。

NGSS中关于“开发和使用模型”的实践活动贯穿12个年级，从幼儿园至高中阶段，致力发展学生开发和使用模型的能力，共包括了17种要求[11]，如表1所示。

从K-12年级连贯来看，可以从三个方面作综合分析。

首先，从有关于开发与使用模型的“具体要求”出现的种数和总次数来分析，K-2年级的具体要求有3条，总次数为4次;3～5年级的具体要求有4条，总次数为7次;6～8年级的具体要求有5条，总次数为16次;9～12年级的具体要求有5条，总次数为15次。可见，随着学生年龄的增长，数目逐渐增多，复杂程度增大，对学生的要求也越来越高。

其次，从每个学段具体要求中的动词来分析，虽然都出现了“开发”和“使用”，但由于K-5年级的学生已有经验和基础较少，因此更侧重于“使用”模型。6～8年级的学生已有经验和基础较充足，因此更侧重于“开发”模型。对于9～12年级的学生而言，已具备收集证据的能力，因此侧重于基于证据“开发”和“使用”模型。除此以外，K-12年级还依次出现了“表示”“描述”“预测”“说明”等动词，可见随着学生年龄的增长，对学生学习行为的要求也越来越高。

最后，从模型解决的对象来分析，从K-2年级的“自然界关系”到3～5年级的“现象、科学原理”，再到6～8年级的“机制”，最后到9～12年级的“系统间关系”，可见学生应用模型解决的对象要求逐步提高，难度随着学生年龄的增长从易到难。

总的来说，NGSS对“开发与使用模型”的具体要求是一个内成体系、逐步递进、多次强化的学习进阶。

2.2 NGSS对学生的化学学科“开发和使用模型”的要求

NGSS由于科学学科融合度高，内容整合性强，因此有关于“化学”学科的预期表现仅有4条[12]，分别是初中的MS-PS1-1、MS-PS1-5;高中的HS-PS1-1、HS-PS1-4。

根据布卢姆教育目标分类学理论可知教育目标从低到高可分为六个层次： 记忆—理解—应用—分析—评价—创造。基于此，将NGSS中的学生化学学科“开发和使用模型”的预期表现进行划分，详见表2。

由表2可知，无论是初中还是高中，都出现了“开发”“使用”这两个行为动词。结合“预期表现”后的具体“说明”，分析可知初中阶段的两条预期表现都处于认知领域教育目标第2水平的“理解”水平。第一条预期表现，要求学生使用图形、实体的三维球棍模型或是计算机模型以“描述”原子是怎么组成简单分子或简单分子的延伸结构的，属于将信息从一种表示形式（微观看不见）转变为另一种表示形式（实物模型可视化），难度相对较低。第二条预期表现与第一条类似，使用物理模型或数字模型表示原子或分子，但是这一条预期表现比第一条增加了“物质守恒定律”，通过用模型表示反应前后的分子或原子，实现可视化，让学生清晰知道化学反应前后原子总数是保持不变的且质量守恒。第二条预期表现相比起第一条，难度加深，但仍属于“理解”水平。

对于高中阶段，同样结合具体“说明”，分析可知第三条预期表现侧重于使用已有模型去预测元素的相对性质，预测系统之间或一个系统的组成部分之间的关系，处于认知领域教育目标第3水平的“应用”水平。第四条预期表现比第三条要求更高，需要基于证据，开发分子水平反应图示等模型说明一个化学反应系统释放或吸收能量取决于总键能的变化，这要求学生应具备搜集证据、分析推理的能力，难度最大，处于认知领域教育目标第4水平的“分析”水平。

总而言之，NGSS对中学化学“开发和使用模型”的要求逐渐提高。

2.3 我国中学化学课程标准对学生“开发和使用模型”的要求

我国中学化学课程标准包括2011年版的《义务教育化学课程标准》和2017版“课标”。

2011年版的《义务教育化学课程标准》中只有6处提及了“模型”[13]，在“物质构成的奥秘”主题中建议教师通过“模型化的方法”帮助学生理解化学现象的本质，此处为理论模型;其余5处的“模型”均为实物模型，主要是建议教师有针对地使用“原子结构模型”等实物模型进行教學。但都没有向学生提出具体的“构建模型”的要求。

2017版“课标”也提出与“模型与建模”相关的课程目标与核心素养。其中，素养3“模型认知”提到：“知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律”[14]。2017版“课标”中的附录1将素养3“模型认知”划分为4个水平[15]，每个水平的具体“模型认知”要求与布卢姆水平对应关系如表3所示。

而在学业质量水平中，关于素养3“模型认知”的要求只有两条。分别是水平1-1提到：“能运用原子结构模型说明典型金属和非金属元素的性质”，这要求学生能够运用模型说明某物质的性质，对应认知领域教育目标第2水平的“理解”水平，以及水平3-1提到：“能采用模型、符号等多种方式对物质的结构及其变化进行综合表征”，这要求学生能够采用模型对物质的结构及其变化进行综合表征，对应认知领域教育目标第3水平的“应用”水平[16]。

总的来说，我国2017版“课标”对学生“模型认知”的要求随着水平增加不断提高，且覆盖面广，遍布布卢姆教育目标分类的6个水平。

2.4 NGSS与2017版“课标”中有关对学生化学学科“开发和使用模型”要求的比较

结合以上分析，将结果整理至表4中。

分析表4可知，NGSS在高中阶段对学生“开发和模型”的要求属于中等水平，缺少“评价”与“创造”水平的要求。而我国2017版“课标”提出对学生的“模型认知”要求难度分布均匀，布卢姆教育目标六个水平均有涉及。美国初中阶段在化学学科对“开发与使用模型”要求的水平大致与我国2017版“课标”中“模型认知”要求的水平1和水平2匹配;而美国高中阶段的大致与我国的水平3和水平4相匹配。

由此可以看出，两个国家制定的课程标准均有特点。美国由于学科综合性强，在化学学科对于“开发和使用模型”的要求比较少，难度主要集中在中等水平，但在初中阶段就对学生提出了“开发和使用模型”的要求，并且学段连贯性强，学科间融合度高。而我国对高中学生“开发和使用模型”的要求比较具体，化学学科性强，且要求难度分布均匀，但对于初中学生没有明确给出模型与建模的具体要求。中国化学课程是分科课程，美国科学课程是综合课程，由于课程设置不同，课程标准的设计也呈现截然不同的特点和安排，但均符合各自国情需要，且均是化学课程理论发展的重要尝试和宝贵智慧。

3 课程标准研制和教学实践建议

NGSS的整体设计可以为我们优化课程标准设计，精确“模型认知”学科核心素养培养提供一些启示。

3.1 加强不同学段素养培养要求的连贯性

NGSS中科学概念的构建贯穿于整个K-12体系，由于NGSS的连贯性，教师可以灵活地将属于同一年级的预期表现以任何顺序排列适合各个州或地方的需求[17]。而我国初中有《义务教育化学课程标准》、高中有《普通高中化学课程标准》，虽然这两本课程标准之间有一定的承上启下的关系，但是初中课标缺乏对模型的具体要求，致使初高中课标在模型的教学规定上连贯性不强。建议初中课标修订组在修订初中化学课程标准时，考虑增加制订适合初中生学习要求且能够连贯至高中课标要求的模型教学规定，增强培养连贯性。

3.2 明确提出学生开发简单基础模型要求

2017版“课标”的附录1“化学学科核心素养的水平划分”将素养3“证据推理与模型认知”划分为4个水平[18]，其中水平1提到了“识别模型”，水平2提到了“理解、描述和表示模型”，水平3提到了“评价与改进模型”，水平4提到了“构建模型”，但水平4的“构建模型”指的是解决复杂的化学问题情境的模型，而非简单基础模型。

水平1到水平4的要求是逐渐提高的，但水平1当中并没有提及“建立简单基础模型”，而是提到了“识别模型”，这里可以理解为识别初中已学习过的模型来解决高中的问题。但是随着高中化学知识难度的增加，单凭初中已建立的模型是不足以解决高中化学问题的，那么就必须在高中阶段针对新的知识建立简单基础模型。例如，在学习“化学反应的方向、限度和速率”这一主题内容时，教师应先引导学生经历化学平衡常数模型建构的过程，让学生在头脑里先构建好模型，才能去解决具体的实际问题。

建议高中课标修订组在制订素养水平划分时，可以在“模型认知”核心素养低水平增加“构建简单模型”的要求，更符合学生实际的学习情况。

3.3 实现课程内容要求和素养水平呼应

NGSS实现了实践与内容的结合。教师为了让学生实现某一预期表现，可通过NGSS查阅这一预期表现对应的科学与工程实践的具体要求来设计具体的实践活动。每一条预期表现都对应着某一科学与工程实践的要求，联系紧密。而我国高中课标的“学业要求”和“教学提示”是两个独立的板块，虽然都隶属于同一学习主题，但是与NGSS相比，联系并不是十分地紧密。建议初高中课标修订组可以参考NGSS的内容呈现结构，进一步优化我国化学课程标准展示内容要求、教学提示、学业要求的内在横向联系，让教师更加明确达成某一学业要求时需要设计怎样的教学实践活动，体现怎样的“模型认知”学科核心素养培养要求。

3.4 建立科学学科课程间的培养融合性

跨学科概念被应用在所有科学领域中。NGSS把学科概念归类于四个领域： 物质科学、生命科学、地球和空间科学以及工程、技术和科学的应用[19]。编写过程中，编写团队承认领域间有很多联系，因此科学家在跨学科团队的工作中越来越多地模糊了传统的学科界限，加强了科学学科间的融合。而我国的科学学科仍采用分科教学，这需要学生自己建构学科间的横向联系，对学生提出较高的学习要求。建议科学学科中学化学、物理和生物课程标准研制者共同围绕建模或其他科学重要主题，沟通和建立学科间各自能够实现的教学要求。也建议中学化学、物理和生物科学学科任课教师共同围绕这些重要主题，探讨学科间各自能够实现的教学实践，形成学科间的合力，多开设一些学科交融的实践活动，让学生在实际情境中获得科学知识和能力，培养科学素养。

参考文献：

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[13]中华人民共和国教育部制定. 义务教育化学课程标准（2011版）[S]. 北京： 北京师范大学出版社， 2012.

[14][15][16][18][19]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.