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解析在科学建模学习进阶如何理论走向实践

2019-12-26 424 上传者：管理员

摘要：学习进阶研究近年来成为科学教育领域的热点议题，有关科学建模能力的学习进阶不断涌现和发展。本文将基于文献分析，研究国内外科学建模学习进阶研究现状，从进阶变量的选取、进阶层级的构建、进阶模型的应用3个方面展开，希望可以为学习进阶研究以及我国科学建模教学实践提供一定的启示和参考。

关键词：
学习进阶
核心素养
物理教学
科学建模
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1、引言

2004年，史密斯等人向美国国家研究理事会(National Research Council，简称NRC)提交了有关物质和原子分子理论的学习进阶研究报告^[1]，自此，学习进阶(Learning Progression)进入了科学教育领域。NRC将学习进阶定义为“对学生在一个时间跨度内学习和探究某一主题时，依次进阶、逐级深化的思维方式的描述”^[2]。学习进阶以学生对核心概念的理解和关键能力的培养为研究对象，描述学生的认知发展历程并提供针对性教学方案^[3]。学习进阶已成为学习、评价、课程等领域的研究热点，将学习进阶应用于物理教学中，有助于教学目标的设计和教学策略的选择^[4]。

近年来，国内外有关学生科学建模能力的学习进阶研究逐渐涌现和发展，并在进阶变量的选取、进阶层级的构建、进阶模型的应用上逐步深人。本文将从以上3方面对国内外科学建模学习进阶研究进行分析与讨论，以期为物理课程中的建模教学实践以及更深入的进阶研究提供参考。

2、进阶变量：从“关键能力”到“能力+概念”

科学建模学习进阶研究之初，文献^[5]通过中小学生建模能力的纸笔测验、反思性访谈及课堂建模活动，以“科学建模能力”为进阶变量，从“科学模型作为预测和解释的工具”和“随着理解的提高而改进模型”两个维度构建了科学建模的学习进阶。

在应用模型进行预测和解释时，学生的建模能力进阶依次表现为：

(1) 能构建和应用描述单一现象的模型，将模型视为一种表征现象的方式；

(2) 能构建并应用与实际情况一致的模型来说明和解释现象，将模型视为表达他们对现象理解的手段；

(3) 能构建多重模型从多方面对现象作出解释，将模型视为可以支持他们思考和认识各类现象的工具；

(4) 能够自发构建和应用模型，并通过不同的模型来理解现象，生成新问题。

在模型改进方面，学生从用正确或错误来绝对性评价模型，到能够根据权威信息进行模型改进，进而发展为考虑模型与经验证据的拟合度来比较和改进模型。最终形成科学建模的发展性视角，能够自发地考虑模型的改进，增强模型解释力。

此后，文献^[6]提出，虽然建模能力是科学实践的核心，但应与被建模的对象(科学概念/规律)相互渗透，进而构建了生物进化论主题概念理解和建模能力的整合进阶。以“生态系统”核心概念的学习进阶为例，学生从只能叙述性地用人类类比思考其他生物与物理环境的关系，发展为通过绘图或使用图鉴将生物体和环境相关联，进而利用地图等模型划分区域，考虑各区域生物的存活和繁殖情况，最终能运用电子工具建模，思考生物体和物理环境间的相互作用，预测生态系统稳定性。

在我国科学教育领域，物理学科率先开展了建模能力与核心概念整合的学习进阶研究。文献[7]以“浮力”概念的教学为例，探讨了如何基于科学方法教育突破思维障碍实现某一具体概念的“学习进阶”。该研究结合科学建模过程进行概念学习的进阶设计，将“浮力”概念进阶与科学建模进阶整合(表1)，通过“实验理论模型生活”的认知过程，内化学生模型构建、科学推理的思维方式，实现学生对“浮力”从经验概念到科学概念的转变，从心智模型外显到科学模型构建的能力进阶。表1“浮力”概念及建模能力整合进阶

3、进阶层级：从“逐级递进”到“循环完善”

物理建模教学有助于学生发现问题、提出问题，能帮助学生强化物理知识应用意识及创新意识，提升分析和解决问题的能力，培养独立思考和团队合作精神^[8]。在探索如何将学习进阶理论应用于物理学科建模教学的过程中，科学建模的进阶层级也发生了演变。

文献[7]在“浮力”概念和建模能力整合进阶(表1)中，构建了逐级递进的感知一映射一定性一科学一整合的5层级科学建模学习进阶模型，在与科学概念教学相融合的过程中，展现出此进阶模型应用于科学教学实践的可能，但是并未对各层级作出更加具体的描述和解释。

文献^[9]探讨了基于物理建模的学习进阶的可行性，构建了物理建模学习进阶框架，并结合匀速圆周运动的圆锥摆模型加以解释(表2)。与文献厂5]的科学建模学习进阶不同，该进阶模型更加关注学生逐步构建科学模型的过程，并与学科特征相结合，更加适用于学科教学和课堂实践。表2物理建模学习进阶

此后，随着科学建模学习进阶在科学课程中的进一步应用和发展，文献^[10]基于学习进阶理论，建立了一个动态循环的科学建模教学进阶模型(图1)。学生面对一个物理现象或问题，首先通过猜想、类比、概括等初步构建心智模型，这与表2中“心智模型外显”层级一致；而后，对模型进行表征、描述和分析，并尝试应用模型解决问题，在此过程中，对模型进行评估和修正，即表2中“科学模型初建和优化”；最后，判断修正后的模型是否能够与问题情境相吻合，以确定是否进一步优化模型抑或再次循环建模。由此可见，该研究拓展了模型建构的循环修订过程，实现了科学建模能力进阶层级从“逐级递进”到“循环完善”的演变。图1动态循环的科学建模教学进阶模型

4、进阶应用：从“教学设计”到“课堂实践”

随着进阶研究的不断深入，科学建模学习进阶逐渐从理论走向了实践。

文献^[11]通过对物理新课程标准的分析，发现在课程结构、学业质量及教学评价中均体现着进阶思想。进阶思想有助于帮助教师了解学生、开发教学模式、设计教学评价标准，教师在教学工作中应重视进阶理论的影响，将进阶运用于教学。

文献^[9]在构建物理建模学习进阶框架的基础上，针对每一个进阶层级提出了基于学习进阶开展建模教学的指导策略(表3)，为将学习进阶理论成功应用于课堂教学实践中提供了可能。表3物理建模学习进阶指导策略

此外，文献^[12]基于科学建模学习进阶对“带电粒子在电场中的运动”一节进行了教学设计，从进阶目标确立、进阶起点预设和诊断、进阶层级划分和核心活动3方面详细阐述了教学内容和设计思路，对科学建模学习进阶指导下的课堂实践提供了更加详细的参考。

此后，文献^[13]将物理建模学习进阶的指导策略(表3)应用于课堂实践，围绕“牛顿运动定律”主题进行教学设计，展开课堂教学，并进行了教学效果的测量。通过与传统教学方法的对比，发现基于物理建模的学习进阶教学比传统教学具有更好的教学效果，能更加科学、高效地促进学生对物理概念的掌握，落实核心素养。

文献^[14]围绕静电平衡核心概念开展探究性教学，在教学过程设计中，让学生多次经历物理模型的建立、完善、检验、应用过程，借助实验探究引入和完善物理模型。通过教学实践发现，将实验探究过程与模型构建的进阶过程相融合，能够有效实现对学生核心素养的培养。

文献^[10]也将科学建模循环进阶模型(图1)引入“超重和失重”概念的课堂教学，针对进阶模型的每一个层级逐级展开科学建模的教学实践。研究发现，在科学建模学习进阶框架下组织物理课堂教学，能够有效优化学生的学习路径，对学生建立物理概念、应用物理规律以及解决实际问题有重要的意义，并且，能够以学生的思维发展为中心，帮助学生发展模型构建、问题解决和实验探究等关键能力。

5、启示

目前，学习进阶研究仍需进一步探索，科学建模的进阶也需要进一步丰富和发展。首先，建模能力和核心概念的整合进阶对学科教学具有重要意义，但我国在这方面的研究尚处于起步阶段；其次，适用于课堂教学的科学建模进阶模型仍需在实践中不断的发展和完善；最后，学习进阶作为一个新兴研究方向，虽然能够搭建起学习研究和课堂教学之间的桥梁，但目前仍需要大量的、长期的教学实践的检验，以满足实际应用的诉求。

参考文献：

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[4]郑曼瑶,张军朋.“学习进阶”的研究及其在物理教学中的应用.物理通报,2014(12):2~65.

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[12]姜连国,郭玉英.基于建模的学习进阶指导教学设计 ——以“带电粒子在电场中的运动”为例.中学物理教学参考,2015,44(10):2~5.

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[14]孙策.基于学生物理核心素养提升的教学实践——以“静电现象的应用”为例.物理通报,2018(1):69~73.

姚楠.科学建模学习进阶:从理论走向实践[J].物理通报,2019,(11):109-112.