姚 楠

(華東師范大學教師教育學院 上海 200062)

1 引言

2004年，史密斯等人向美國國家研究理事會(National Research Council，簡稱NRC)提交了有關物質和原子分子理論的學習進階研究報告[1]，自此，學習進階(Learning Progression)進入了科學教育領域.NRC將學習進階定義為“對學生在一個時間跨度內學習和探究某一主題時，依次進階、逐級深化的思維方式的描述”[2].學習進階以學生對核心概念的理解和關鍵能力的培養(yǎng)為研究對象，描述學生的認知發(fā)展歷程并提供針對性教學方案[3].學習進階已成為學習、評價、課程等領域的研究熱點，將學習進階應用于物理教學中，有助于教學目標的設計和教學策略的選擇[4].

近年來，國內外有關學生科學建模能力的學習進階研究逐漸涌現(xiàn)和發(fā)展，并在進階變量的選取、進階層級的構建、進階模型的應用上逐步深入.本文將從以上3方面對國內外科學建模學習進階研究進行分析與討論，以期為物理課程中的建模教學實踐以及更深入的進階研究提供參考.

2 進階變量：從“關鍵能力”到“能力+概念”

科學建模學習進階研究之初，文獻[5]通過中小學生建模能力的紙筆測驗、反思性訪談及課堂建?；顒?，以“科學建模能力”為進階變量，從“科學模型作為預測和解釋的工具”和“隨著理解的提高而改進模型”兩個維度構建了科學建模的學習進階.

在應用模型進行預測和解釋時，學生的建模能力進階依次表現(xiàn)為：

(1)能構建和應用描述單一現(xiàn)象的模型，將模型視為一種表征現(xiàn)象的方式；

(2) 能構建并應用與實際情況一致的模型來說明和解釋現(xiàn)象，將模型視為表達他們對現(xiàn)象理解的手段；

(3)能構建多重模型從多方面對現(xiàn)象作出解釋，將模型視為可以支持他們思考和認識各類現(xiàn)象的工具；

(4)能夠自發(fā)構建和應用模型，并通過不同的模型來理解現(xiàn)象，生成新問題.

在模型改進方面，學生從用正確或錯誤來絕對性評價模型，到能夠根據(jù)權威信息進行模型改進，進而發(fā)展為考慮模型與經(jīng)驗證據(jù)的擬合度來比較和改進模型，最終形成科學建模的發(fā)展性視角，能夠自發(fā)地考慮模型的改進，增強模型解釋力.

此后，文獻[6]提出，雖然建模能力是科學實踐的核心，但應與被建模的對象(科學概念/規(guī)律)相互滲透，進而構建了生物進化論主題概念理解和建模能力的整合進階.以“生態(tài)系統(tǒng)”核心概念的學習進階為例，學生從只能敘述性地用人類類比思考其他生物與物理環(huán)境的關系，發(fā)展為通過繪圖或使用圖鑒將生物體和環(huán)境相關聯(lián)，進而利用地圖等模型劃分區(qū)域，考慮各區(qū)域生物的存活和繁殖情況，最終能運用電子工具建模，思考生物體和物理環(huán)境間的相互作用，預測生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性.

在我國科學教育領域，物理學科率先開展了建模能力與核心概念整合的學習進階研究.文獻[7]以“浮力”概念的教學為例，探討了如何基于科學方法教育突破思維障礙實現(xiàn)某一具體概念的“學習進階”.該研究結合科學建模過程進行概念學習的進階設計，將“浮力”概念進階與科學建模進階整合(表1)，通過“實驗—理論—模型—生活”的認知過程，內化學生模型構建、科學推理的思維方式，實現(xiàn)學生對“浮力”從經(jīng)驗概念到科學概念的轉變，從心智模型外顯到科學模型構建的能力進階.

表1 “浮力”概念及建模能力整合進階

3 進階層級：從“逐級遞進”到“循環(huán)完善”

物理建模教學有助于學生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，能幫助學生強化物理知識應用意識及創(chuàng)新意識，提升分析和解決問題的能力，培養(yǎng)獨立思考和團隊合作精神[8].在探索如何將學習進階理論應用于物理學科建模教學的過程中，科學建模的進階層級也發(fā)生了演變.

文獻[7]在“浮力”概念和建模能力整合進階(表1)中，構建了逐級遞進的感知-映射-定性-科學-整合的5層級科學建模學習進階模型，在與科學概念教學相融合的過程中，展現(xiàn)出此進階模型應用于科學教學實踐的可能，但是并未對各層級作出更加具體的描述和解釋.

文獻[9]探討了基于物理建模的學習進階的可行性，構建了物理建模學習進階框架，并結合勻速圓周運動的圓錐擺模型加以解釋(表2).與文獻[5]的科學建模學習進階不同，該進階模型更加關注學生逐步構建科學模型的過程，并與學科特征相結合，更加適用于學科教學和課堂實踐.

表2 物理建模學習進階

此后，隨著科學建模學習進階在科學課程中的進一步應用和發(fā)展，文獻[10]基于學習進階理論，建立了一個動態(tài)循環(huán)的科學建模教學進階模型(圖1).學生面對一個物理現(xiàn)象或問題，首先通過猜想、類比、概括等初步構建心智模型，這與表2中“心智模型外顯”層級一致；而后，對模型進行表征、描述和分析，并嘗試應用模型解決問題，在此過程中，對模型進行評估和修正，即表2中“科學模型初建和優(yōu)化”；最后，判斷修正后的模型是否能夠與問題情境相吻合，以確定是否進一步優(yōu)化模型抑或再次循環(huán)建模.由此可見，該研究拓展了模型建構的循環(huán)修訂過程，實現(xiàn)了科學建模能力進階層級從“逐級遞進”到“循環(huán)完善”的演變.

圖1 動態(tài)循環(huán)的科學建模教學進階模型

4 進階應用：從“教學設計”到“課堂實踐”

隨著進階研究的不斷深入，科學建模學習進階逐漸從理論走向了實踐.

文獻[11]通過對物理新課程標準的分析，發(fā)現(xiàn)在課程結構、學業(yè)質量及教學評價中均體現(xiàn)著進階思想.進階思想有助于幫助教師了解學生、開發(fā)教學模式、設計教學評價標準，教師在教學工作中應重視進階理論的影響，將進階運用于教學.

文獻[9]在構建物理建模學習進階框架的基礎上，針對每一個進階層級提出了基于學習進階開展建模教學的指導策略(表3)，為將學習進階理論成功應用于課堂教學實踐中提供了可能.

表3 物理建模學習進階指導策略

此外，文獻[12]基于科學建模學習進階對“帶電粒子在電場中的運動”一節(jié)進行了教學設計，從進階目標確立、進階起點預設和診斷、進階層級劃分和核心活動3方面詳細闡述了教學內容和設計思路，對科學建模學習進階指導下的課堂實踐提供了更加詳細的參考.

此后，文獻[13]將物理建模學習進階的指導策略(表3)應用于課堂實踐，圍繞“牛頓運動定律”主題進行教學設計，展開課堂教學，并進行了教學效果的測量.通過與傳統(tǒng)教學方法的對比，發(fā)現(xiàn)基于物理建模的學習進階教學比傳統(tǒng)教學具有更好的教學效果，能更加科學、高效地促進學生對物理概念的掌握，落實核心素養(yǎng).

文獻[14]圍繞靜電平衡核心概念開展探究性教學，在教學過程設計中，讓學生多次經(jīng)歷物理模型的建立、完善、檢驗、應用過程，借助實驗探究引入和完善物理模型.通過教學實踐發(fā)現(xiàn)，將實驗探究過程與模型構建的進階過程相融合，能夠有效實現(xiàn)對學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng).

文獻[10]也將科學建模循環(huán)進階模型(圖1)引入“超重和失重”概念的課堂教學，針對進階模型的每一個層級逐級展開科學建模的教學實踐.研究發(fā)現(xiàn)，在科學建模學習進階框架下組織物理課堂教學，能夠有效優(yōu)化學生的學習路徑，對學生建立物理概念、應用物理規(guī)律以及解決實際問題有重要的意義，并且，能夠以學生的思維發(fā)展為中心，幫助學生發(fā)展模型構建、問題解決和實驗探究等關鍵能力.

5 啟示

目前，學習進階研究仍需進一步探索，科學建模的進階也需要進一步豐富和發(fā)展.首先，建模能力和核心概念的整合進階對學科教學具有重要意義，但我國在這方面的研究尚處于起步階段；其次，適用于課堂教學的科學建模進階模型仍需在實踐中不斷的發(fā)展和完善；最后，學習進階作為一個新興研究方向，雖然能夠搭建起學習研究和課堂教學之間的橋梁，但目前仍需要大量的、長期的教學實踐的檢驗，以滿足實際應用的訴求.