中小學(xué)科學(xué)教育成功與否，關(guān)系到人才塑造與培養(yǎng)質(zhì)量的高低，甚至將左右一個國家的創(chuàng)新能力和競爭力。然而，當前我國科學(xué)教育實踐面臨諸多困境和問題。因此，探索高效的中小學(xué)科學(xué)教學(xué)模式一直是教育工作者關(guān)注的焦點。

　　摘要：基于建模的教學(xué)模式是中小學(xué)科學(xué)教育的一種有效方法，有利于促進學(xué)生對科學(xué)知識的理解，提高學(xué)生科學(xué)探究能力、反思能力以及合作學(xué)習(xí)能力。該模式在科學(xué)教育實踐探索中有三個方面值得關(guān)注：建模的循環(huán)性過程，師生互動的重要性，信息技術(shù)的應(yīng)用。未來，基于建模的中小學(xué)科學(xué)教育應(yīng)拓展模型的使用范圍，注重元建模知識和建模實踐的結(jié)合，遵循建模的逐步深入性，努力提高學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力和教師的科學(xué)素養(yǎng)。

　　關(guān)鍵詞：中小學(xué)教師投稿,模型,科學(xué)模型建構(gòu),科學(xué)教育

　　近年來，基于建模的科學(xué)教學(xué)方法受到越來越多的重視，并成為學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)科學(xué)知識、提高科學(xué)思維能力的一種重要途徑。基于建模的科學(xué)教學(xué)模式適應(yīng)了當前社會對人才培養(yǎng)的新要求，與我國新課程改革強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的取向一致。因此，研究模型/ 模型化的科學(xué)教育具有十分重要的意義。

　　一、模型與建模的內(nèi)涵

　　科學(xué)模型是對一個系統(tǒng)的抽象、簡化的表征，它聚焦于系統(tǒng)的具體方面。這種表征使該系統(tǒng)的核心功能和實質(zhì)更加明確化、可視化，是對客觀自然世界進行解釋的一種科學(xué)工具，反映了人的心智活動與自然世界的聯(lián)系。[1]科學(xué)模型依據(jù)不同的標準可以分為不同的類別。如根據(jù)本體地位可將模型分為八類：(1)心理模型;(2)表達模型;(3)共識模型;(4)歷史模型;(5)課程模型;(6)教學(xué)模型;(7)混合模型;(8)教學(xué)法模型。無論是何種類型或形態(tài)的科學(xué)模型，其基本特征都是相似的，具有形象直觀性、簡約相似性和主體詮釋性的特征。[2]

　　建模即建構(gòu)模型，主要是利用模型進行研究、學(xué)習(xí)。建模是人類在研究復(fù)雜現(xiàn)象時，為揭示其內(nèi)在本質(zhì)規(guī)律，借助抽象思維的能力，用理想化的手段建立的一種與原型相關(guān)聯(lián)、能夠表征原型基本特性的模式，并對這一模式進行研究，以探索它所表征的原型的本質(zhì)、規(guī)律的方法。

　　二、基于建模的科學(xué)教學(xué)模式的價值

　　科學(xué)模型和建模是個體獲得知識的重要途徑，它超越了對科學(xué)事實的簡單識記，是人類科學(xué)探究的核心成分。人們通過構(gòu)建模型，將自身的心智變化與自然世界聯(lián)系起來，對客觀世界進行深入理解和探索。

　　1.有助于促進學(xué)生對科學(xué)知識的理解

　　建構(gòu)主義知識觀認為，知識是主體對客觀世界的一種解釋，它是由個人主動建構(gòu)而獲得的。在這個過程中，個體從被動的知識接受者轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥闹�識建構(gòu)者，在已有知識經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，分析、組織與詮釋當前的新信息。通過建構(gòu)模型，學(xué)生利用可觀察的物體盡可能準確地表征那些不能被觀察的物體和現(xiàn)象，從而深刻感知所學(xué)知識。建模活動使學(xué)生抽象的心智結(jié)構(gòu)表征化、形象化，有利于促進概念的轉(zhuǎn)變和理解。比如中學(xué)化學(xué)學(xué)科中的“平衡”這一概念在宏觀層面上看是靜態(tài)的，但是，通過構(gòu)建科學(xué)模型，從不同層級對其進行理解，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)從亞微觀水平上看，因為存在分子水平上的運動以及化學(xué)鍵的斷開和形成，這個系統(tǒng)又是動態(tài)的。

　　2.有助于促進學(xué)生科學(xué)探究能力的提高

　　強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和思維能力是科學(xué)教育發(fā)展的主要方向。科學(xué)模型是中小學(xué)科學(xué)教育中最為高效的學(xué)習(xí)工具之一，具有較強的主觀詮釋性，在構(gòu)建模型的過程中，學(xué)生可以自主開發(fā)更多相關(guān)探究性課題，提高其科學(xué)探究能力。例如，以傳感器為主要儀器的信息技術(shù)通過多種不同功能的探頭，實現(xiàn)溶解氧、溫度、濁度、顏色、壓強等的測定，并通過計算機軟件將這些性質(zhì)以量化的形式進行呈現(xiàn)。這樣不僅改進了教材實驗，而且提高了學(xué)生動手能力以及發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的科學(xué)探究能力。

　　3.有助于促進學(xué)生的反思與合作學(xué)習(xí)

　　構(gòu)建模型是一種反思性的學(xué)習(xí)活動，反思是建模學(xué)習(xí)中的一個決定性因素。學(xué)生在建模活動中進行反思，不但可以使認知過程顯化，還可以凸顯學(xué)生潛意識里的錯誤概念，為概念轉(zhuǎn)變提供條件。模型的構(gòu)建不是一次就可以完成的，需要學(xué)生在教師的指導(dǎo)下通過反復(fù)的建模過程評估自己的模型，在這些過程中，學(xué)生往往需要轉(zhuǎn)變現(xiàn)有的表征方式，考慮他們的模型缺乏解釋力的地方，模型的修正和先前概念的轉(zhuǎn)變均以學(xué)生的主動反思為基礎(chǔ)。模型/模型化的科學(xué)教育，強調(diào)學(xué)習(xí)共同體的培育。在學(xué)習(xí)共同體中，學(xué)生與他人分工學(xué)習(xí)、共享資源、互相幫助，同時接受他人的挑戰(zhàn)和審視。在與他人進行思想碰撞的過程中，學(xué)生激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，共享了他人的智慧和專長，提高了合作學(xué)習(xí)的能力。

　　三、基于建模的科學(xué)教學(xué)模式的探索

　　在以模型/模型化為基礎(chǔ)的科學(xué)教學(xué)中，最重要的是如何讓每個學(xué)生能夠通過內(nèi)在心智模型的變化達到學(xué)習(xí)目標。為達到這一目的，研究者對基于建模的科學(xué)教學(xué)模式進行了深入探索，并主要關(guān)注以下三個方面：

　　1.關(guān)注科學(xué)建模活動中的循環(huán)過程

　　在基于模型的科學(xué)教育中，探究學(xué)習(xí)過程被看作是一個模型化的循環(huán)過程，即建構(gòu)模型是學(xué)習(xí)循環(huán)過程中的一個重要的中介學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。

　　模型/模型化科學(xué)學(xué)習(xí)包括五個結(jié)構(gòu)化的過程：探索階段、模型的不確定推論階段、模型形成階段、模型的使用階段以及模型的范式綜合階段。盡管從結(jié)構(gòu)上看，這五個過程是非連續(xù)的，學(xué)習(xí)模型可以劃分為不同階段，但實際上個體的心智模型卻是不斷發(fā)展著的。當一個新概念需要激活模型進行思考時，個體并不會立刻形成完善的模型，而是經(jīng)過一系列不斷修正的過程，即從名義上的模型向似合理模型、調(diào)查模型的形成轉(zhuǎn)變，最后形成適當?shù)姆妒侥Ｐ停�整個構(gòu)建模型過程中存在大量微循環(huán)過程。[3]

　　2.關(guān)注科學(xué)建模活動中的師生互動

　　在建模的學(xué)習(xí)中，師生的交流互動是影響科學(xué)教育的主要因素。以模型/模型化為基礎(chǔ)的科學(xué)教學(xué)成功與否，不僅取決于學(xué)生自身通過構(gòu)建模型形成關(guān)于事物的心智模型，而且依賴于教師對學(xué)生學(xué)習(xí)活動的引導(dǎo)、幫助以及建模過程中的師生互動。 　　在科學(xué)教學(xué)過程中，教師與學(xué)生的互動應(yīng)遵循一定的學(xué)習(xí)過程，即：明確已知的和想要了解的知識―生成可驗證的假設(shè)―尋找證據(jù)―構(gòu)建論斷。(見圖1)在這個模型中，教師需要首先讓學(xué)生產(chǎn)生和表達他們頭腦中的心智模型，了解學(xué)生已有的概念和心智特征，并且結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及某個科學(xué)概念的重要性明確教學(xué)內(nèi)容。接下來，教師要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己的觀察和經(jīng)驗，抽離出自己想要探究的科學(xué)問題，并形成假設(shè)。然后，教師通過與學(xué)生的交流，借用實驗儀器、圖表、計算機等工具，讓學(xué)生解釋觀察到的現(xiàn)象，并用量化的方式來表現(xiàn)變量之間的關(guān)系，為假設(shè)尋找證據(jù)。當各種關(guān)系隨著理解的加深而豐富起來時，學(xué)生們便會試圖通過推論來解釋和驗證自己提出的模型，形成論斷，他們最初的表達模型便隨之形成了頭腦中的心智模型。課堂建模是一個錯綜復(fù)雜的動力系統(tǒng)，這一活動的成功與否很大程度上取決于教師對學(xué)生表達觀點的鼓勵以及教會學(xué)生如何使用多種方式表征知識、何時使用模型這一認知工具。

　　3.關(guān)注科學(xué)建模活動中的信息技術(shù)應(yīng)用

　　信息技術(shù)的不斷發(fā)展給教育的改革帶來了新的機遇。當前，有關(guān)科學(xué)建模的研究中，人們往往將建模與計算機技術(shù)聯(lián)系在一起。計算機作為一種建模工具可以幫助學(xué)生對知識之間的因果關(guān)系進行形象化表征，通過量化的數(shù)據(jù)關(guān)系或網(wǎng)絡(luò)化的圖形關(guān)系，促進學(xué)習(xí)者對知識的理解。

　　近年來，隨著研究者的不斷關(guān)注，計算機建模工具的開發(fā)和應(yīng)用有了較大的發(fā)展和突破。Model-It是密歇根大學(xué)高級互動計算機小組設(shè)計開發(fā)的一種以定性模型為基礎(chǔ)的動態(tài)建模工具，采用定性描述思路，應(yīng)用學(xué)習(xí)者中心設(shè)計技術(shù)，旨在為學(xué)生的建模活動提供簡單易行的工具，為課堂建模活動的專業(yè)性提供了技術(shù)支持。學(xué)生使用Model-It可以為復(fù)雜系統(tǒng)構(gòu)建并測試動態(tài)模型。不僅如此，Model-It還可以作為檢驗學(xué)生對科學(xué)知識理解程度的一種技術(shù)。 Model-It能較好地體現(xiàn)模型的功能，有助于培養(yǎng)學(xué)生的推理能力，為學(xué)習(xí)者提供不同類型的模型表征方式，通過在軟件中引入“腳手架”來支持學(xué)習(xí)者的認知活動。[4]

　　四、基于建模的科學(xué)教學(xué)模式的幾點思考

　　基于建模的科學(xué)教育受到越來越多的關(guān)注，建模已經(jīng)成為科學(xué)教育的核心方法之一。隨著研究以及教學(xué)實踐的不斷深入，一些基于建模的科學(xué)教學(xué)模式初見成效。然而，仍存在一些問題，未來應(yīng)從以下幾個方面進行改進。

　　1.注重元建模知識和建模實踐相結(jié)合

　　中小學(xué)科學(xué)教師越來越重視模型活動在課堂中的滲透，學(xué)生科學(xué)建模的能力有了較大提升，然而，學(xué)生對于科學(xué)模型本質(zhì)的理解水平卻并不高。大部分學(xué)生認為模型是某種事物的復(fù)制品、是獨特唯一的或是不能被改變的，并且他們無法理解如何利用科學(xué)模型來說明科學(xué)想法和理論。因此，未來科學(xué)模型的教學(xué)活動應(yīng)注重元建模知識和建模實踐的結(jié)合，在兩者相互作用、相互影響的過程中提高學(xué)生的綜合建模能力。既要幫助學(xué)生理解元建模知識：科學(xué)建模的目的、實質(zhì)以及評估模型的標準等，又要通過實踐活動使學(xué)生學(xué)會建立模型以描述、解釋、預(yù)測客觀世界，比較和評估不同的模型。(見圖2)以元建模知識指導(dǎo)實踐活動，在建模的實踐活動中深化理解元建模知識。

　　2.拓展模型的使用范圍

　　當前，中小學(xué)科學(xué)教育中較少包含建模活動，特別是在低年齡學(xué)段科學(xué)教學(xué)中。提及構(gòu)建模型，人們往往只想到年齡較大的學(xué)習(xí)者或是科學(xué)家，低年齡的學(xué)生似乎不具備抽象概括的能力，無法在學(xué)習(xí)過程中構(gòu)建模型。然而，事實上低學(xué)齡學(xué)生已具備運用模型學(xué)習(xí)科學(xué)知識的能力。建模是人類一種自然的認知現(xiàn)象，當遇到需要理解的現(xiàn)象時，個體會很自然地建構(gòu)關(guān)于那些現(xiàn)象的個人理論，并以模型的方式在心智中對其進行表征。[5]因此，作為科學(xué)啟蒙課程的小學(xué)科學(xué)應(yīng)融入科學(xué)建模活動，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，拓展模型的使用范圍，提早培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)建模的能力。

　　3.遵循建模的逐步深入性

　　建模是中小學(xué)科學(xué)教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，學(xué)生對模型的認知是逐步深入的。學(xué)生對科學(xué)模型的理解經(jīng)歷了四個階段：第一階段學(xué)生認為模型是不可改變的，但是有正確與錯誤之分;第二階段學(xué)生認為模式是可以根據(jù)理解的加深進行修正的;第三階段學(xué)生將注意力放在提高模型的解釋力上;第四階段學(xué)生理解了模型不僅可以解釋客觀世界，還可以對將要發(fā)生的現(xiàn)象進行預(yù)測。因此，中小學(xué)科學(xué)教育中的建模活動教學(xué)應(yīng)根據(jù)學(xué)生認知能力的發(fā)展和差異調(diào)整科學(xué)建模的目標，逐層滲透、步步深入，切莫企圖一步到位地完成教學(xué)目標。

　　4.提高學(xué)生建模的內(nèi)驅(qū)力

　　研究表明，中小學(xué)科學(xué)教育中學(xué)生建模的內(nèi)驅(qū)力不強，大多是出于教師的要求。學(xué)生對于建模活動缺乏參與感，認為課堂中的模型大都是由教師建構(gòu)的，是另一種形式的“科學(xué)答案”，他們并沒有將模型作為促進自己想法科學(xué)化以及與他人交流的工具。以模型/模型化為基礎(chǔ)的科學(xué)教學(xué)的達成依賴于模型解釋的現(xiàn)象、建模參考的科學(xué)知識以及學(xué)生自身產(chǎn)生的解釋之間的平衡，學(xué)生自主的建模活動至關(guān)重要。因此，教師要把握模型的特點，以問題為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合實際生活發(fā)現(xiàn)自己感興趣的問題，對于學(xué)生的學(xué)習(xí)情況教師要及時反饋、正確評價，激發(fā)他們自主建模的內(nèi)驅(qū)力，使學(xué)生利用已有的知識去整合新信息，完善知識體系。

　　5.加強教師的科學(xué)素養(yǎng)

　　教師是模型化科學(xué)學(xué)習(xí)活動的中樞，他們承擔了幫助學(xué)生建構(gòu)模型以及提供學(xué)習(xí)支架和反饋的作用，是影響學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)的主要因素。然而，教師在課堂建模中的重要作用與當前教師缺乏相關(guān)知識和素養(yǎng)之間的矛盾日益突出。大多教師認為模型對于科學(xué)背景的教學(xué)十分有效，但是卻沒有真正理解模型的本質(zhì)。由此可見，教師科學(xué)素養(yǎng)的提高迫在眉睫，勢在必行。我們應(yīng)圍繞科學(xué)素養(yǎng)的提高，從科學(xué)知識、能力以及情感態(tài)度方面著手，注重教師認知結(jié)構(gòu)的形成;以科學(xué)探究能力為中心，培養(yǎng)教師適于科學(xué)教育的全面的科學(xué)能力;強調(diào)教師求實創(chuàng)新的科學(xué)精神，激發(fā)對科學(xué)的興趣，形成良好的科學(xué)態(tài)度與科學(xué)價值觀，培養(yǎng)出科學(xué)素養(yǎng)全面的新型教師。

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