国外科学教育建模教学研究的动态、趋势与启示

刘 风，孙枝莲

山西师范大学教师教育学院，太原 030000

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。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。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。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》，黄国清的《物理模型教学的实践研究概述》；个别学者研究了建模教学理论在课堂中的实际应用，如何春生和翟小铭等人分别在“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。

表1 建模教学目的涉及的百分比及样本数

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。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。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。

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。只有2篇文章（3.3%，n=2)包含全部三个目的，分别是Todd和Suna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。

图1 建模教学对象所处的教育阶段分布饼状图

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。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，此外还 有 Louca、Samarapungavan、Tobin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。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。

表2 建模方法所占百分比及样本数

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。使用建模方法最多的是Bennett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。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，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；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。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。

表3 建模教学中重要的话语和行为所占比例及样本数

各个话语及行为的定义如下：

1.解释：学生阐释自己对于模型的理解，说明构建模型的组成部分、性质以及模型如何表征客观现象等。

2.论证：指学生在建模过程中基于证据和理由，通过争论、反驳等方式辩护自己所构建的模型，并且说服别人认同自己的模型。

3.写或画：学生在纸板上用文字或图像构建模型以表达看法和认识。

4.科学推理：是学生在模型建构过程中根据一个判断得出另一个判断的思维形式。

5.同行评价：指在建模过程中，学生或小组之间互相评价构建模型的优点和局限性。

6.合作学习：指为了完成建模目标，学生在教师指导下以小组为基本组织形式，协作配合，共同完成建模任务。

7.“脚手架”：指教师针对学生学习需要，有意识地提供对解决问题和建构意义起辅助作用的概念框架、问题情境、学习方法、学习方向、学习工具等。

8.协商：是在教师指导下，学生之间共同商量形成一致意见，逐步接近知识本质的过程。

9.交流：交流指在建模过程中，师生或生生之间互相沟通、传递信息的过程。

从上表可以看出，科学推理（n=20）和“脚手架”(n=18）是出现频率最高的话语和行为，其次为解释（n=16）、写或画（n=16）、合作学习（n=16）和交流（n=16），而同行评价（n=7）和协商（n=3）出现的频率最低。

任何教学都必然植根于师生、生生之间的对话和行为，话语及行为是影响建模教学效果的关键因素。建模教学中出现频率最高的话语和行为是科学推理，科学推理、模型建构与科学论证同为物理学科核心素养“科学思维”的重要组成部分，相互之间有着紧密的联系。从统计数据中可以明显看出，科学推理出现次数要远远多于论证，今后需要深入加强建模和论证相融合的教学研究。其次为“脚手架”，建模教学是一种新兴的教学模式，对学生提出了较高的要求，学生在构建模型过程中，经常会遇到一些问题和疑难，因此需要教师给予一定支持。Bennett就给出了这样的一个例子，他在学生构建模型的过程中，会针对性地给学生一些提示词，帮助学生顺利完成模型建构。

3.5 建模教学过程中教师的作用

约有33.9%（n=18）的文献中强调了教师在建模教学过程中的支持作用，这与第四个问题——建模教学中的话语和行为的统计结果是大体一致的。如Tay等人对一位物理教师在模型评估阶段和模型修正阶段的微观动作的原因、目的和顺序进行了细致分析，提出教师的微观动作在很大程度上会影响学生模型评估和模型修正的成败；Ke等人的研究解释了在以建模为基础的单元课程中，教师传达信息的内容和方式对学生建模实践的影响。

值得深思的是，强调教师在建模教学过程中应发挥作用的文献只有33.9%，这个结果与教师在实际教学过程中的重要地位是不一致的。作为教学过程中的主导者或引导者，教师的话语、行为和微观动作、教师对模型和建模本质和功能的理解、教师有关建模知识的构成等方方面面都影响着实际教学的效果，教师在建模教学中的作用与地位理应受到研究者的更多关注。然而，大多数的研究视角都聚焦在学习者的建模认知、建模实践活动以及建模表现评价上，对教师的关注尚远远不够，这有待以后进一步开展研究。

3.6 建模教学过程的技术支持

随着社会不断发展，教育与科技的结合愈来愈紧密，许多研究者和教师将科学技术应用到建模教学中。Malone等人就将Excel作为一种建模工具，通过设计对照实验，证明了经过Excel建模学习的学生对生态系统和自然选择的理解更深刻，并能更好地表达他们的想法。本研究综述的62篇文章中，有45.2%（n=28）的文章在建模过程中采用各种技术作为辅助建模工具，使用的技术呈现多样化，包括Netlogo，Sam animation，ABMS，Powersim等，其中使用最多的技术是Netlogo建模平台，约占21.5%。如Fuhrmann等人应用双焦点建模框架（BMF)进行教学实验，实验中两组学生均使用Netlogo建模平台进行模型建构，实验组在构建模型之前经历了模型设计环节，在纸上绘出了模型草图，而对照组学生没有经历这一环节。结果证明，实验组在知识理解和模型认识两方面都明显优于对照组。

基于计算机的建模工具能使学生更容易地构建模型，这些工具为学生提供了构建复杂现象或系统模型的虚拟环境，他们能在这种虚拟环境中改变模型参数，观察特定变化对模型性质的影响。目前，国外采用技术辅助建模教学的情况较普遍，且运用最多的技术为Netlogo建模平台。

4 对我国建模教学的启示

4.1 建模教学目的应多样化

建模教学目的应该是多方面的，主要包括理解科学概念、培养学生的科学实践能力、促进学生理解模型本质以及更广泛的科学本质。建模教学不仅仅要让学生掌握知识，更重要的是培养学生参与实践、参与社会的能力以及认识和了解我们所处的世界，了解简单的物理现象背后所蕴涵的复杂机制和因果关系，否则建模教学将被异化为披着建模外衣的传统教学。

4.2 适当加强小学阶段建模教学实践与研究

模型思维不是在某个阶段突然形成的，而是循序渐进的产物。国外已经有相当一部分的研究证明，在教师的适当支持下，小学教育阶段通过基于模型的教学有助于学生对知识的理解与思维的形成。当前国外的建模教学研究主要集中在中学阶段，虽然小学阶段所占比例不低，但仍然不够。扩展建模教学的研究视角，关注小学教育阶段的建模教学的实践与研究，应是我国学者今后研究的重点与趋势。

4.3 建模教学方法应多样组合

梳理文献发现，表达性建模虽然是目前国际上最常用、最有效的建模方法，但国外的大多数建模教学并不是仅仅局限于使用这一种建模方法，而是注重不同建模方法的组合应用。文献梳理结果表明，已有的研究还没有涉及到不同建模方法的使用效果以及不同的建模方法组合对培养学生建模能力的影响等微观的层面，这些话题需要在今后的研究中特别关注，学者们需要探索在不同的课程类型中，如何组合建模方法以更好地提高教学效果，促进学生的学习。

4.4 教师在建模教学中的作用需要进一步强化

建模教学要发挥应有的教育价值，教师的作用尤为重要。教师对模型、建模本质和功能的理解、教师的建模教学知识（PCK）、教师建模教学的评价知识等直接影响着教师教学设计的质量与教学实施的效果。此外，教师在建模教学过程中应该扮演的角色是指导者、帮助者以及促进者，要给予学生充分的自主权去探究发现。但是，目前国内外对建模教学中有关教师的研究与其重要性相比略显不足，今后应进一步加强。

4.5 建模教学应和技术相融合

建模教学与计算机技术之间有很好的兼容性，国外已经开发了多种计算机辅助建模软件，并将之应用到建模教学过程中。通过计算机建模，学生可以更加直观地将自己的思维转化为具体的模型，这不仅可以使建模过程更加便捷，也更能够吸引学生参与到建模过程中来，并且直观的模型也更容易进行评判，减小了建模教学评价的难度。信息化时代，教育与计算机技术相结合是必然趋势，我国在《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》文件中明确提出，“到2020年基本建成覆盖城乡各级各类学校的教育信息化体系，促进教育内容、教学手段和方法现代化”。因此，推动计算机技术在建模教学中的应用，深化计算机技术与建模教学的融合研究，为学生营造更真实的建模环境，促进建模能力与计算机思维共同发展是今后建模教学研究的重点所在。