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

　　摘要：基于建模的教學模式是中小學科學教育的一種有效方法，有利于促進學生對科學知識的理解，提高學生科學探究能力、反思能力以及合作學習能力。該模式在科學教育實踐探索中有三個方面值得關注：建模的循環性過程，師生互動的重要性，信息技術的應用。未來，基于建模的中小學科學教育應拓展模型的使用范圍，注重元建模知識和建模實踐的結合，遵循建模的逐步深入性，努力提高學生的內驅力和教師的科學素養。

　　關鍵詞：中小學教師投稿,模型,科學模型建構,科學教育

　　近年來，基于建模的科學教學方法受到越來越多的重視，并成為學習者學習科學知識、提高科學思維能力的一種重要途徑�；�于建模的科學教學模式適應了當前社會對人才培養的新要求，與我國新課程改革強調培養學生科學素養的取向一致。因此，研究模型/ 模型化的科學教育具有十分重要的意義。

　　一、模型與建模的內涵

　　科學模型是對一個系統的抽象、簡化的表征，它聚焦于系統的具體方面。這種表征使該系統的核心功能和實質更加明確化、可視化，是對客觀自然世界進行解釋的一種科學工具，反映了人的心智活動與自然世界的聯系。[1]科學模型依據不同的標準可以分為不同的類別。如根據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)教學模型;(7)混合模型;(8)教學法模型。無論是何種類型或形態的科學模型，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]

　　建模即建構模型，主要是利用模型進行研究、學習。建模是人類在研究復雜現象時，為揭示其內在本質規律，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聯、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、規律的方法。

　　二、基于建模的科學教學模式的價值

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

　　1.有助于促進學生對科學知識的理解

　　建構主義知識觀認為，知識是主體對客觀世界的一種解釋，它是由個人主動建構而獲得的。在這個過程中，個體從被動的知識接受者轉變為主動的知識建構者，在已有知識經驗的基礎上，分析、組織與詮釋當前的新信息。通過建構模型，學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象，從而深刻感知所學知識。建�；顒邮箤W生抽象的心智結構表征化、形象化，有利于促進概念的轉變和理解。比如中學化學學科中的“平衡”這一概念在宏觀層面上看是靜態的，但是，通過構建科學模型，從不同層級對其進行理解，學生會發現從亞微觀水平上看，因為存在分子水平上的運動以及化學鍵的斷開和形成，這個系統又是動態的。

　　2.有助于促進學生科學探究能力的提高

　　強調培養學生的科學探究能力和思維能力是科學教育發展的主要方向�？茖W模型是中小學科學教育中最為高效的學習工具之一，具有較強的主觀詮釋性，在構建模型的過程中，學生可以自主開發更多相關探究性課題，提高其科學探究能力。例如，以傳感器為主要儀器的信息技術通過多種不同功能的探頭，實現溶解氧、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以量化的形式進行呈現。這樣不僅改進了教材實驗，而且提高了學生動手能力以及發現問題、解決問題的科學探究能力。

　　3.有助于促進學生的反思與合作學習

　　構建模型是一種反思性的學習活動，反思是建模學習中的一個決定性因素。學生在建�；顒又羞M行反思，不但可以使認知過程顯化，還可以凸顯學生潛意識里的錯誤概念，為概念轉變提供條件。模型的構建不是一次就可以完成的，需要學生在教師的指導下通過反復的建模過程評估自己的模型，在這些過程中，學生往往需要轉變現有的表征方式，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變均以學生的主動反思為基礎。模型/模型化的科學教育，強調學習共同體的培育。在學習共同體中，學生與他人分工學習、共享資源、互相幫助，同時接受他人的挑戰和審視。在與他人進行思想碰撞的過程中，學生激發了學習興趣，共享了他人的智慧和專長，提高了合作學習的能力。

　　三、基于建模的科學教學模式的探索

　　在以模型/模型化為基礎的科學教學中，最重要的是如何讓每個學生能夠通過內在心智模型的變化達到學習目標。為達到這一目的，研究者對基于建模的科學教學模式進行了深入探索，并主要關注以下三個方面：

　　1.關注科學建模活動中的循環過程

　　在基于模型的科學教育中，探究學習過程被看作是一個模型化的循環過程，即建構模型是學習循環過程中的一個重要的中介學習環節。

　　模型/模型化科學學習包括五個結構化的過程：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。盡管從結構上看，這五個過程是非連續的，學習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、調查模型的形成轉變，最后形成適當的范式模型，整個構建模型過程中存在大量微循環過程。[3]

　　2.關注科學建�；顒又械膸熒�互��

　　在建模的學習中，師生的交流互動是影響科學教育的主要因素。以模型/模型化為基礎的科學教學成功與否，不僅取決于學生自身通過構建模型形成關于事物的心智模型，而且依賴于教師對學生學習活動的引導、幫助以及建模過程中的師生互動。 　　在科學教學過程中，教師與學生的互動應遵循一定的學習過程，即：明確已知的和想要了解的知識―生成可驗證的假設―尋找證據―構建論斷。(見圖1)在這個模型中，教師需要首先讓學生產生和表達他們頭腦中的心智模型，了解學生已有的概念和心智特征，并且結合學生的學習興趣以及某個科學概念的重要性明確教學內容。接下來，教師要引導學生根據自己的觀察和經驗，抽離出自己想要探究的科學問題，并形成假設。然后，教師通過與學生的交流，借用實驗儀器、圖表、計算機等工具，讓學生解釋觀察到的現象，并用量化的方式來表現變量之間的關系，為假設尋找證據。當各種關系隨著理解的加深而豐富起來時，學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雜的動力系統，這一活動的成功與否很大程度上取決于教師對學生表達觀點的鼓勵以及教會學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.關注科學建�；顒又械男畔⒓夹g應用

　　信息技術的不斷發展給教育的改革帶來了新的機遇。當前，有關科學建模的研究中，人們往往將建模與計算機技術聯系在一起。計算機作為一種建模工具可以幫助學生對知識之間的因果關系進行形象化表征，通過量化的數據關系或網絡化的圖形關系，促進學習者對知識的理解。

　　近年來，隨著研究者的不斷關注，計算機建模工具的開發和應用有了較大的發展和突破。Model-It是密歇根大學高級互動計算機小組設計開發的一種以定性模型為基礎的動態建模工具，采用定性描述思路，應用學習者中心設計技術，旨在為學生的建�；顒犹峁┖唵我仔械墓ぞ撸瑸檎n堂建模活動的專業性提供了技術支持。學生使用Model-It可以為復雜系統構建并測試動態模型。不僅如此，Model-It還可以作為檢驗學生對科學知識理解程度的一種技術。 Model-It能較好地體現模型的功能，有助于培養學生的推理能力，為學習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”來支持學習者的認知活動。[4]

　　四、基于建模的科學教學模式的幾點思考

　　基于建模的科學教育受到越來越多的關注，建模已經成為科學教育的核心方法之一。隨著研究以及教學實踐的不斷深入，一些基于建模的科學教學模式初見成效。然而，仍存在一些問題，未來應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合

　　中小學科學教師越來越重視模型活動在課堂中的滲透，學生科學建模的能力有了較大提升，然而，學生對于科學模型本質的理解水平卻并不高。大部分學生認為模型是某種事物的復制品、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模型來說明科學想法和理論。因此，未來科學模型的教學活動應注重元建模知識和建模實踐的結合，在兩者相互作用、相互影響的過程中提高學生的綜合建模能力。既要幫助學生理解元建模知識：科學建模的目的、實質以及評估模型的標準等，又要通過實踐活動使學生學會建立模型以描述、解釋、預測客觀世界，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，中小學科學教育中較少包含建�；顒樱�特別是在低年齡學段科學教學中。提及構建模型，人們往往只想到年齡較大的學習者或是科學家，低年齡的學生似乎不具備抽象概括的能力，無法在學習過程中構建模型。然而，事實上低學齡學生已具備運用模型學習科學知識的能力。建模是人類一種自然的認知現象，當遇到需要理解的現象時，個體會很自然地建構關于那些現象的個人理論，并以模型的方式在心智中對其進行表征。[5]因此，作為科學啟蒙課程的小學科學應融入科學建�；顒樱�培養學生的科學素養，拓展模型的使用范圍，提早培養學生科學建模的能力。

　　3.遵循建模的逐步深入性

　　建模是中小學科學教學的關鍵環節，學生對模型的認知是逐步深入的。學生對科學模型的理解經歷了四個階段：第一階段學生認為模型是不可改變的，但是有正確與錯誤之分;第二階段學生認為模式是可以根據理解的加深進行修正的;第三階段學生將注意力放在提高模型的解釋力上;第四階段學生理解了模型不僅可以解釋客觀世界，還可以對將要發生的現象進行預測。因此，中小學科學教育中的建�；顒咏虒W應根據學生認知能力的發展和差異調整科學建模的目標，逐層滲透、步步深入，切莫企圖一步到位地完成教學目標。

　　4.提高學生建模的內驅力

　　研究表明，中小學科學教育中學生建模的內驅力不強，大多是出于教師的要求。學生對于建�；顒尤狈�參與感，認為課堂中的模型大都是由教師建構的，是另一種形式的“科學答案”，他們并沒有將模型作為促進自己想法科學化以及與他人交流的工具。以模型/模型化為基礎的科學教學的達成依賴于模型解釋的現象、建模參考的科學知識以及學生自身產生的解釋之間的平衡，學生自主的建�；顒又陵P重要。因此，教師要把握模型的特點，以問題為導向，引導學生結合實際生活發現自己感興趣的問題，對于學生的學習情況教師要及時反饋、正確評價，激發他們自主建模的內驅力，使學生利用已有的知識去整合新信息，完善知識體系。

　　5.加強教師的科學素養

　　教師是模型化科學學習活動的中樞，他們承擔了幫助學生建構模型以及提供學習支架和反饋的作用，是影響學生科學學習的主要因素。然而，教師在課堂建模中的重要作用與當前教師缺乏相關知識和素養之間的矛盾日益突出。大多教師認為模型對于科學背景的教學十分有效，但是卻沒有真正理解模型的本質。由此可見，教師科學素養的提高迫在眉睫，勢在必行。我們應圍繞科學素養的提高，從科學知識、能力以及情感態度方面著手，注重教師認知結構的形成;以科學探究能力為中心，培養教師適于科學教育的全面的科學能力;強調教師求實創新的科學精神，激發對科學的興趣，形成良好的科學態度與科學價值觀，培養出科學素養全面的新型教師。

　　參考文獻：

　　[1]Schwarz C V， Reiser B J， Davis E A， et al. Developing a learning progression for scientific modeling： Making scientific modeling accessible and meaningful for learners[J]. Journal of Research in Science Teaching， 2009， 46(6)： 632-654.

　　[2]文祥，曹志平，易顯飛.科學模型的演進及其認識論特征[J].湖南工業大學學報(社會科學版)，2011(4)：29-33.

　　[3]S. Khan. Co-construction and model evolution in chemistry?[C]//J. J. Clement and M. A. Rea-Ramirez?(eds.)， Model?Based Learning and Instruction in Science. Springer， 2008：59-78.

　　[4]張寶輝，張金磊，黃龍翔.計算機建模在教學評價中的應用研究[J].中國電化教育，2013(4)：103-109.

　　[5]李妍.喬納森建構主義學習環境設計研究[D].上海：華東師范大學，2007：56-59.