翟小銘 何春生

(1. 北京師范大學(xué)物理學(xué)系,北京 100875; 2. 北京市第八十中學(xué) 100102)

·教育理論研究·

中學(xué)生物理科學(xué)建模素養(yǎng)的三個面向*
——從物理學(xué)家建模和學(xué)生建模學(xué)習(xí)的角度闡釋

翟小銘1何春生2

(1. 北京師范大學(xué)物理學(xué)系,北京 100875; 2. 北京市第八十中學(xué) 100102)

物理科學(xué)建模素養(yǎng)是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要構(gòu)成,發(fā)展學(xué)生物理科學(xué)建模素養(yǎng)是物理課程的重要育人價值之一．基于科學(xué)史實和建模教育的相關(guān)文獻分析,從物理學(xué)家建模和學(xué)生建模學(xué)習(xí)兩個角度,分析論證了中學(xué)生物理科學(xué)建模素養(yǎng)有3個面向:科學(xué)概念、認知過程和實踐活動,并界定了3個面向的內(nèi)涵．

科學(xué)模型; 建模; 物理科學(xué)建模素養(yǎng); 物理學(xué)科核心素養(yǎng)

從上世紀80年代初至今,物理科學(xué)建模教育研究先后經(jīng)歷了“從‘科學(xué)理論’到‘教學(xué)理論’”、“圍繞‘科學(xué)素養(yǎng)’教育目標的多元發(fā)展”及“‘多元整合’與‘核心素養(yǎng)’”等幾個研究階段,[2]并在近10年來成為國際物理教育研究的熱點．[3]經(jīng)過30多年的研究,國際物理教育領(lǐng)域基本達成共識——即培養(yǎng)學(xué)生的物理科學(xué)建模素養(yǎng)是物理學(xué)科的核心育人價值之一．而我國在近百年頒布的物理課程標準和教學(xué)大綱中缺乏對建模素養(yǎng)培養(yǎng)的相關(guān)課程目標和要求,[4]也缺乏相關(guān)的實證研究．2017年,新一輪高中物理課程標準修訂將模型建構(gòu)納入物理學(xué)科核心素養(yǎng),引起了我國物理教育實踐者的廣泛關(guān)注．[5]然而關(guān)于物理科學(xué)建模素養(yǎng)的內(nèi)涵、構(gòu)成等,相關(guān)研究并沒有達成一致．[6]明確物理科學(xué)建模素養(yǎng)的構(gòu)成面向,成為推進物理科學(xué)建模素養(yǎng)相關(guān)教學(xué)實踐的重要前提．

美國教育研究會(AERA)前主席謝瓦爾遜[7]指出,關(guān)于“素養(yǎng)”問題研究的核心是“在一種典型的情境問題之下,一個人究竟知道什么且能做什么?”．考納茲、諾依曼等[8]從科學(xué)教育的角度從三個方面回答了關(guān)于素養(yǎng)構(gòu)成的問題．他們認為,素養(yǎng)應(yīng)該包括內(nèi)容(Content)、認知(Cognitive)和素質(zhì)(Literacy)三個向度．然而,現(xiàn)實的研究中大多數(shù)學(xué)者只關(guān)注了科學(xué)建模素養(yǎng)的某一個或某些方面．例如,關(guān)注科學(xué)建模的元認知、[9]心智建模過程、[10]實踐活動[11]等方面．帕帕沃瑞陪都等[12]做的一個關(guān)于科學(xué)建模素養(yǎng)的綜述中同樣發(fā)現(xiàn),很少有研究者關(guān)注科學(xué)建?；顒舆^程中需要的完整的素養(yǎng)結(jié)構(gòu)．本研究首先以科學(xué)史實為基礎(chǔ),剖析了物理學(xué)家在建構(gòu)物理模型的過程中體現(xiàn)的物理科學(xué)建模素養(yǎng)．然后,結(jié)合科學(xué)建模教育的相關(guān)研究成果,從學(xué)生物理建模學(xué)習(xí)的角度進一步做了相關(guān)闡釋,初步確定了中學(xué)生物理科學(xué)建模素養(yǎng)的3個面向．

1 從物理學(xué)家建模的角度分析

物理學(xué)是探索自然規(guī)律的科學(xué),建模在科學(xué)家探索自然規(guī)律的過程中起著關(guān)鍵作用．首先,科學(xué)家通過建構(gòu)模型來認識自然現(xiàn)象和事物．模型具有自然現(xiàn)象和事物的主要特征或部分特征,科學(xué)家在認識現(xiàn)象或事物時首先根據(jù)所獲取的信息提取出這些特征,并在頭腦中建構(gòu)心智模型,從而實現(xiàn)對現(xiàn)象和事物的初步認識．其次,科學(xué)家通過比較、推理、實驗等從大量的不同現(xiàn)象或事物中抽象出其一般特征,從而形成科學(xué)理論,以解釋自然現(xiàn)象或事物的規(guī)律．這個過程中,科學(xué)家會通過不斷評價、檢驗和修正模型,以優(yōu)化科學(xué)理論．正因為建模在物理理論形成中的重要作用,具備科學(xué)建模素養(yǎng)成為科學(xué)家必備的基本素養(yǎng)．科學(xué)建模素養(yǎng)最好的展示體現(xiàn)在科學(xué)原理的發(fā)現(xiàn)過程中．下面以萬有引力定律發(fā)現(xiàn)這一科學(xué)史實為基礎(chǔ),[13]討論分析在建構(gòu)“行星為什么繞著太陽轉(zhuǎn)?”這一科學(xué)模型過程中科學(xué)家體現(xiàn)的科學(xué)建模素養(yǎng)．

情境問題提出:引力定律建立的過程起始于對現(xiàn)象的觀察．在古代,人們就觀察到行星在天空中是運動的,古希臘的阿里斯塔克(Aristarchus)甚至曾經(jīng)預(yù)言過各種行星都是繞著太陽運行的,即日心說．但是,阿里斯塔克的“日心說”很快就被人遺忘了,日心說真正被提上科學(xué)議程是從哥白尼開始的．哥白尼給生性好奇的科學(xué)家提出了一個問題:如果行星是繞著太陽運行的,為什么呢?

1.1 物理學(xué)家的科學(xué)建模是一個復(fù)雜的認知過程

首先,科學(xué)家要對情境進行科學(xué)的分析．情境分析的前提是能觀察、分析現(xiàn)象中蘊含的有用信息．對此,第谷·布拉赫做出了重要貢獻．他在哥本哈根附近的一個小島上裝配了專門用于指向定位的裝置,用以記錄各個星體的位置,從而為揭開問題的謎底提供了第一手資料．開普勒是第一個試圖根據(jù)這批數(shù)據(jù)揭開謎團的人．他仔細地研究了第谷留下的數(shù)據(jù),用“嘗試和糾錯”的方式來分析數(shù)據(jù),試圖描繪行星的運行規(guī)律．第谷留給開普勒的記錄中,蘊含著大量的行星運行規(guī)律的原始數(shù)據(jù),如時間、位置(相對位置)等．開普勒對這些數(shù)據(jù)的分析遵循著從表象到本質(zhì),從個別行星運行規(guī)律到行星一般運行規(guī)律的分析過程．開普勒通過分析這些數(shù)據(jù),提出了著名的開普勒一、二、三定律,被譽為“天空的立法者”．然而,開普勒的結(jié)論更像是描述性的規(guī)律,并沒有回答“為什么”．但是,他的結(jié)果為后來的研究者像胡克、牛頓等人提供了一手的信息,成為后人分析研究的基礎(chǔ)．

從人們意識到行星是在運動的,到認識到行星的運動軌跡是一個橢圓,并以特定的速率運行經(jīng)歷了漫長的過程．開普勒將人們生活中習(xí)以為常的星移斗轉(zhuǎn)描繪成了物理圖景——事件概念化．所謂事件概念化,即頭腦中形成對物理事件的圖景及其將發(fā)生的事件概念化為物理過程．他起初假想行星是在圓形的軌道上運行,太陽則處在圓心上．后來,他經(jīng)過仔細比對火星的運行數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)有約8″的偏差,而他認為這種偏差不太可能是由于第谷的觀測誤差造成的．這引導(dǎo)著他進一步探索,最終將行星的運行軌道鎖定為橢圓,太陽位于一個焦點上．同時他還分析了行星運行速率變化的情況,并比較了不同行星運行周期與其到太陽距離之間的關(guān)系,從而令行星是如何運動的這一事件成為物理上精確的描述．

牛頓在事件概念化的過程中也做出了巨大的貢獻．他將行星的橢圓形運動與伽利略的慣性定律建立了聯(lián)系,通過反推的方法認識到“力”是主導(dǎo)行星運行規(guī)律的主角．牛頓還將行星的這種運動與地球上自由落體的運動做了類比,從而為最終將引力定律推廣到所有物體之間奠定了基礎(chǔ)．牛頓的貢獻在于,他將行星的運動和力這種相互作用建立了聯(lián)系,從而揭示了更深層次上、視覺所不能觸及的物理事件．

在發(fā)現(xiàn)引力定律的過程中,科學(xué)家還需要對象進行概念化．所謂對象概念化即將研究對象的主要物理特征進行抽象概括,忽略次要特征,形成物理圖景．這里主要的研究對象是太陽、行星,以及行星的衛(wèi)星．盡管它們都屬于巨大的物體,但開普勒在分析的過程中仍然是把它們看做是質(zhì)點而忽略大小和形狀的．而牛頓最初在研究地球與月球之間的引力時并沒有能夠?qū)⒌厍蚝驮虑蚩醋鲑|(zhì)點,這成為制約他研究進展的重要原因,直到后來發(fā)明了微積分才將問題解決.[14]另外,在驗證引力定律的時候,牛頓曾經(jīng)分析過潮汐現(xiàn)象．在這個過程中,必須考慮地球的構(gòu)成、形狀以及不同部分的特質(zhì)而不能把地球看做質(zhì)點．而且,能否恰當概念化地球構(gòu)成部分及其特質(zhì)成為驗證引力定律的關(guān)鍵．由此可以看出,對象的概念化在實際問題解決過程中有重要的意義．

對于科學(xué)家來講,適用性和自洽性的評估過程是一個對模型檢驗的過程,它推動著科學(xué)家反思自己建構(gòu)的模型．例如,開普勒通過對火星運行數(shù)據(jù)的分析,發(fā)現(xiàn)自己最初認為行星繞行軌道是圓形的假設(shè)是不合理的,這推動他對行星運行模型做了進一步的修正,開始認識到行星并不是傳統(tǒng)上認為的勻速率運動,而是變速率的,這也直接導(dǎo)致了開普勒第二定律的修正．對于牛頓來講,他也在通過不斷地將自己的模型應(yīng)用到具體的情境中,從而做出適用性和自洽性的評估．例如,他嘗試進行的“地月檢驗”,將月球的運行和地球上物體的運動聯(lián)系到一起來,就是對自己假設(shè)的評估．

1.2 物理學(xué)家建模的過程中要運用甚至創(chuàng)造科學(xué)概念

在回答“行星是如何繞著太陽運行的”這個問題時,不管是開普勒還是牛頓,都是基于原有的科學(xué)概念．他們將原有的科學(xué)概念運用到現(xiàn)有的模型建構(gòu)過程中．例如,開普勒使用了“圓周運動”的概念,這在當時仍然是非常先進的．因為,當時人們并沒有確立力和運動之間的關(guān)系,因此對于物體(行星)為何能做圓周運動無法給出合理的解釋．再如,牛頓借鑒了伽利略的慣性定律,分析了“當物體不沿直線運動時發(fā)生了什么”．這引導(dǎo)他從力、加速度、速度改變等角度去分析,最終發(fā)現(xiàn)是存在一個指向太陽的力在改變行星的運行方向,并確立了力與運動之間的關(guān)系．如果沒有伽利略的慣性定律的指引,牛頓很難將“運動速度的改變”與“力”之間建立聯(lián)系．另外,物理學(xué)家還可能創(chuàng)造或重新界定科學(xué)概念．例如,牛頓在1684年的《論運動》中闡述了平方反比定律和向心力定律,之后不久又發(fā)表文章重新界定了“質(zhì)量”概念,并討論過質(zhì)量和引力之間的關(guān)系．

界定研究“系統(tǒng)”也是物理學(xué)家必須要做好的基礎(chǔ)工作．開普勒在發(fā)現(xiàn)第一定律和第二定律的過程中,主要是以單顆行星與太陽組成的系統(tǒng)為研究對象．但是在發(fā)現(xiàn)第三定律的過程中,他開始關(guān)注不同行星之間運行周期之間的關(guān)系,這時候研究系統(tǒng)擴大到了整個太陽系的行星和恒星．牛頓起初是以開普勒研究為基礎(chǔ)的,但是他在分析過程中做了許多對比分析,對比過程中也涉及了不同的研究系統(tǒng)．例如,在“月地檢測”中,他分別選擇了“地球和月球”系統(tǒng)、“地球與地面下落物體”系統(tǒng)等．但是無論他們怎么選取,我們發(fā)現(xiàn)他們選取的系統(tǒng)服務(wù)于分析的問題,抓住主要特征而忽略掉一些次要的因素．實際上,行星不僅受到太陽的吸引,還受到其它天體的吸引作用,因此它們實際的運行軌跡與理論推導(dǎo)結(jié)果是有差異的(例如,天王星的發(fā)現(xiàn)正是基于對這種差異的分析發(fā)現(xiàn)的)．但是,系統(tǒng)選取的關(guān)鍵是服務(wù)于研究問題本身,在這一點上無論是開普勒還是牛頓都是做的非常成功的．

1.3 物理學(xué)家的科學(xué)建模需要進行科學(xué)表征

開普勒在第二定律和第三定律中都表述了量化關(guān)系,特別是第三定律中得到“行星的繞行周期平方與軌道半長軸三次方之比為一常數(shù)”是比較典型的量化關(guān)系表述．牛頓則通過微積分最終證明了萬有引力定律——平方反比定律,并通過牛頓第二定律建立了萬有引力與行星運動之間的量化關(guān)系．可以看出,最終的解釋模型是通過對量化關(guān)系的表述來實現(xiàn)的．

在分析情境問題的過程中,開普勒和牛頓都使用了物理量來表達．物理量是用來量化表達物理概念的參量．這些物理量中,包括運動學(xué)中已有的如速度、周期、力等;也包括運動學(xué)中新創(chuàng)造的物理量如萬有引力等．當然,由于萬有引力定律和牛頓一、二、三定律是同時發(fā)表的,許多物理量創(chuàng)造的具體時間已經(jīng)不能詳查．但是可以肯定的是,牛頓在研究這些原理的過程中根據(jù)需要創(chuàng)造或定義了一些新的物理量．總之,物理量作為建模語言的基礎(chǔ)單元,在模型建構(gòu)過程中起到了重要作用．牛頓等科學(xué)家在解決問題的過程中,能靈活使用已有的物理量,并能根據(jù)需要建立新的物理量以解決新的問題,這體現(xiàn)了科學(xué)家重要的科學(xué)素養(yǎng)．

開普勒在分析第谷數(shù)據(jù)之初,主要依賴于圖形語言,通過圖直觀表征行星位置與太陽關(guān)系,借助于圖來思考行星運行的規(guī)律．在得到基本的假設(shè)后,他開始嘗試通過數(shù)學(xué)語言更精確描述運行規(guī)律,例如第三定律．牛頓研究是建立在開普勒研究的基礎(chǔ)之上的．他長于數(shù)學(xué),因此許多推理性的工作都是在理想實驗的基礎(chǔ)上,通過數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)完成的．牛頓根據(jù)開普勒第一和第二定律推導(dǎo)出行星受到向心力的作用,通過開普勒第三定律推導(dǎo)出這個力是滿足平方反比關(guān)系的力．他還反推出在這樣的力作用下,物體做的是圓錐曲線運動．當然,牛頓的數(shù)學(xué)推理不是只限于數(shù)學(xué)公式,他的幾何知識在其中也發(fā)揮了重要作用,這自然也離不開圖形語言．

與中學(xué)物理學(xué)習(xí)中建構(gòu)科學(xué)模型不同的是,“行星為什么繞著太陽轉(zhuǎn)?”這一模型的建構(gòu)過程中匯聚了幾代物理學(xué)家的心血．他們當中最典型的代表是第谷、開普勒和牛頓等．從第谷開始觀察記錄數(shù)據(jù)到牛頓最終發(fā)表萬有引力定律其研究的時間跨度長達百年之久．然而,細細梳理整個研究過程我們?nèi)匀荒軌虬l(fā)現(xiàn)研究的大體脈絡(luò):確定研究對象(第谷)——觀察記錄現(xiàn)象(第谷)——描述運動情況(開普勒)——分析受力情況(牛頓、胡克等)——建立力和運動關(guān)系模型(牛頓)．一般的科學(xué)建模過程,也要遵循科學(xué)合理的流程才能實現(xiàn)建模的目的．

科學(xué)建模的目的是分析物理現(xiàn)象背后的產(chǎn)生機制,以解釋現(xiàn)象發(fā)生的機理或者預(yù)測可能發(fā)生的物理事件,這也是科學(xué)研究者的主要工作目的．但是,任何的模型都只能是現(xiàn)象主要特征或部分特征(有的是可觀測的,有的是不可觀測的)的體現(xiàn),因此其解釋能力或預(yù)測能力都是有條件的或有限的,是可以通過研究來不斷發(fā)展和完善的．開普勒的工作為后來牛頓的工作提供了基礎(chǔ),讓牛頓不必再從第谷海量的數(shù)據(jù)中分析出行星的普遍運行規(guī)律,然而他的工作并沒有很好解釋行星為什么這樣運行,而是對運動規(guī)律進行了抽象歸納總結(jié)(當然這也是建模)．牛頓的工作則做了根本性的發(fā)展．但是事實上,胡克在牛頓1687年發(fā)表《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》之前,即1680年初,就曾寫信告訴牛頓他自己的觀點即引力符合平方反比定律的想法,但是限于數(shù)學(xué)知識有限(沒有微積分),他只證明了圓軌道的情況．而牛頓則借助于微積分證明了橢圓軌道下的平方反比定律．可以看出,胡克也建立了解釋行星運行機理的模型,但是顯然他的模型機理是不完善的,另外胡克也缺乏力與運動關(guān)系的牛頓一、二、三定律為支撐,其模型就不能很好解釋行星的橢圓軌道運行的現(xiàn)象．牛頓建立的模型則完全可以解釋行星的運行規(guī)律．當然,牛頓的模型有沒有局限呢?我們只能說在當時的背景下這個模型已經(jīng)是非常完善的了．至于后來隨著科技的發(fā)展特別是觀測技術(shù)的精細化,人們已經(jīng)不能再滿足于牛頓運動觀下的模型,從而最終導(dǎo)致相對論等理論的產(chǎn)生,這些就不在本研究的討論范圍了．

總之,開普勒將第谷用畢生精力記錄的觀測數(shù)據(jù)濃縮為三條定律,用這三條定律為“天空立法”．這種從事物中抽象出一般特征和共性的方式正是科學(xué)建模的典型特征．牛頓在開普勒研究的基礎(chǔ)上,借助于伽利略的慣性定律找到了影響行星運行的原因,發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律,從而最終借助于牛頓一、二、三定律建立了完整的科學(xué)解釋模型．這個過程中,科學(xué)家們表現(xiàn)出的科學(xué)建模素養(yǎng)是他們得以分析探索自然規(guī)律的保障．對科學(xué)家在科學(xué)建模過程中的表現(xiàn)的分析能幫助我們進一步了解物理科學(xué)建模素養(yǎng)的內(nèi)涵,具體如下.

首先,物理科學(xué)建模的過程是一個復(fù)雜的認知過程．這個過程中需要科學(xué)家獲取真實的數(shù)據(jù)并從數(shù)據(jù)中分析出有用的信息,能夠?qū)⒀芯繉ο蠛褪录奈锢韺W(xué)的角度概念化,從而將其轉(zhuǎn)化為物理上可以研究的問題．同時,還需要物理學(xué)家評估并在此基礎(chǔ)上改進模型以提高其解釋能力．其次,物理科學(xué)建模不同于其它建模(如經(jīng)濟建模、統(tǒng)計建模)的地方集中體現(xiàn)在它使用了物理學(xué)科的概念．這其中即包括學(xué)科核心概念,也包括科學(xué)共通概念．在真實的建模過程中,科學(xué)家甚至需要根據(jù)需要創(chuàng)造或重新界定物理核心概念,這正是科學(xué)發(fā)展的重要形式之一．最后,物理學(xué)家建模需要表征性的實踐活動,以實現(xiàn)幫助思維和交流的目的．也就是說,建模不能只停留在心智模型或概念模型的階段,而是要能夠通過表征活動進行表達．當然,模型的表征方式是多樣的,但是物理學(xué)家最青睞的仍然是最具簡潔性的數(shù)學(xué)表征．因此,通過使用物理量,借助數(shù)學(xué)語言(以及其它語言形式),并經(jīng)過科學(xué)的表征流程將模型中的量化關(guān)系表達清楚,是物理學(xué)家在建模過程中需要的重要素養(yǎng)．

2 從學(xué)生物理建模學(xué)習(xí)的角度分析

建模教學(xué)理論的創(chuàng)始者們從最初就注意到科學(xué)建模學(xué)習(xí)必須將科學(xué)概念學(xué)習(xí)和實踐活動結(jié)合到一起,只有這樣才能促進學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展．早在上世紀八十年代,海斯特斯教授就指導(dǎo)他的博士生威爾斯開展科學(xué)建模教學(xué)．有豐富教學(xué)經(jīng)驗的威爾斯意識到,科學(xué)建模必須讓學(xué)生參與到各種表征、交流和協(xié)作的活動中去．為此,他在教室里為每個學(xué)生準備了一塊小白板,讓學(xué)生在建模過程中將自己的模型表征出來,收到了非常顯著的教學(xué)效果．他的這種教學(xué)方式一直延續(xù)到現(xiàn)在,在美國超過10個州每年都會舉辦培訓(xùn)活動(Workshop)．海斯特斯同時注重實踐活動和概念轉(zhuǎn)變的結(jié)合,將實踐活動看做是促進概念轉(zhuǎn)變的手段和方式．為此,他跟他的另一個博士生哈倫編制了一套測量學(xué)生概念轉(zhuǎn)變的量表,以檢測學(xué)生在建模學(xué)習(xí)過程中的效果．這套量表就是后來享譽科學(xué)教育界的著名量表FCI.

海斯特斯團隊這種注重概念轉(zhuǎn)變與實踐活動相結(jié)合的教學(xué)與美國《新一代科學(xué)教育標準》及《K-12科學(xué)教育框架》[15]中提出的整合學(xué)科核心概念、共通概念和實踐活動的要求不謀而合．在美國《K-12科學(xué)教育框架》中提到:“表現(xiàn)期望和標準必須與框架相一致,要充分考慮到在不參與探究、實踐和討論的環(huán)境下學(xué)生是很難真正理解科學(xué)和工程的觀念的．同時,在沒有具體的學(xué)科內(nèi)容的實踐活動中學(xué)生也很難真正學(xué)習(xí)和培養(yǎng)素養(yǎng)P.218．” 為此,《新一代科學(xué)教育標準》將科學(xué)建模列為了8個實踐活動之一,貫穿了其他7個實踐活動,其實踐性特征非常明顯．

當代建模理論的支持者們,如華盛頓大學(xué)溫世拓等[16]都認為,建模學(xué)習(xí)不是單純的實驗活動或?qū)嵺`動手技能的訓(xùn)練,它更重要的一個目的是發(fā)展學(xué)生的認知思維能力．科學(xué)建模一個核心的特征是學(xué)生如何從自然現(xiàn)象中抽象出物體和事件的關(guān)鍵特征,將生活中的物和事概念化為物理上可解讀的信息,這個過程即科學(xué)建模中典型的認知過程．這個過程中,學(xué)生需要經(jīng)歷推理、類比、想象等等,以支撐其實踐活動的發(fā)展．而這個過程,也會促進其概念理解水平的進階．我國西南大學(xué)廖伯琴教授團隊也指出,[17]活動與思維是一個連續(xù)體,并提出了在圍繞模型的探究教學(xué)中發(fā)展學(xué)生的活動能力和思維能力的觀點．因此,當談及科學(xué)建模素養(yǎng)的時候必須考慮關(guān)注學(xué)生的認知過程,以及如何將其整合到對實踐活動和科學(xué)概念的理解中去．

通過上述分析可以看出,學(xué)生在建模學(xué)習(xí)過程中,需要同時發(fā)展其科學(xué)概念理解、認知思維能力以及實踐能力．因此,為了描述高中學(xué)生的物理科學(xué)建模素養(yǎng),應(yīng)考慮科學(xué)概念、認知過程和實踐能力等三個面向．

3 結(jié)論

通過上述的分析可以看出,不管是從物理學(xué)家建模的角度還是從學(xué)生建模學(xué)習(xí)的角度,為了能全面、客觀地反映中學(xué)生的科學(xué)建模素養(yǎng),應(yīng)從3個面向刻畫:科學(xué)概念、認知過程和實踐活動——在建模過程中運用科學(xué)概念、建構(gòu)和優(yōu)化心智模型并將心智模型清晰、準確地表達出來,以實現(xiàn)為“真實世界建?！盵18]的目的．根據(jù)以上的分析,中學(xué)生物理科學(xué)建模素養(yǎng)3個面向的內(nèi)涵可概括如下.

科學(xué)概念:面對一個情境問題,建模者首先依據(jù)自己對情境的理解從整個系統(tǒng)的角度分析情境條件和信息,并從概念域中選擇與該情境相近或相關(guān)的概念,形成初步的推理分析框架．之后在建構(gòu)和優(yōu)化心智模型的過程中,仍需不斷調(diào)用概念域中的概念以提高和優(yōu)化心智模型的解釋能力和預(yù)測能力．所謂“概念域”,是一組相互關(guān)聯(lián)的科學(xué)概念集合,它有一定的規(guī)模和結(jié)構(gòu)．勒梅干和韋爾-巴拉伊斯[19]等最早將概念域引用到物理教育領(lǐng)域．在物理教育領(lǐng)域,概念域圍繞科學(xué)核心概念形成層級結(jié)構(gòu),個體可以應(yīng)用它對某一類別的問題進行思考、建模、演示等活動．

認知過程:接下來,學(xué)生需要應(yīng)用心智圖示來推演或概念化物體及事件的一些物理特征．同時還需要不斷審視概念化過程與情境信息之間是否自洽,并根據(jù)審視的結(jié)果對形成的心智模型[20]進行修正．在這個過程中他們必須確定推理框架的有效性,進行復(fù)雜的認知活動,從而保證建構(gòu)的模型具備預(yù)測和解釋的能力,這些心智活動屬于認知過程面向．

實踐活動:科學(xué)建模素養(yǎng)涉及的另外一個方面是模型的表達與交流,即建模的實踐活動面向．建模者在建構(gòu)心智模型后,需要通過一定的方式將模型呈現(xiàn)出來進行交流、評價等．在本研究中,我們把將心智模型通過一定的科學(xué)語言表達出來的活動界定為科學(xué)建模的實踐活動．我們注意到在其他研究中,有的學(xué)者還將模型的優(yōu)化和修改、[9]模型的評價、[12]模型的調(diào)度[21]等活動界定為科學(xué)建模的實踐活動．然而由于本研究期望揭示的是某一個物理科學(xué)建模的認知過程,因此我們只關(guān)注于模型的表達活動．

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本文系北京市未來教育高精尖創(chuàng)新中心項目 (項目號:BJAICFE6SR-005) 成果； 第一作者受留學(xué)基金委國家建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生項目資助(項目號:201506040139)．

*本文未使用“維度(Dimensions)”,主要是考慮到“維度”要求彼此之間正交,而學(xué)生的建模表現(xiàn)在內(nèi)部一般會存在相關(guān)性．[1]因此,此處使用了“面向(Aspects)”這個詞,也可稱為“方面”,為表述統(tǒng)一,全文統(tǒng)一使用“面向”．

2017-06-30)