鄧嘉欣 錢揚義

摘要： 模型和建模是科學(xué)教育的重要內(nèi)容，也是理科課程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容。使用布盧姆教育目標(biāo)分類法，對我國初高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)、美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（NGSS）進行內(nèi)容分析，比較兩國課標(biāo)對學(xué)生在化學(xué)學(xué)科“開發(fā)和使用模型”的具體要求與能力水平分布。研究發(fā)現(xiàn)： 美國課標(biāo)的學(xué)段連貫性強，學(xué)科間融合度高，在化學(xué)學(xué)科對“開發(fā)與使用模型”的要求較少，要求難度主要集中在中等水平;我國課標(biāo)對高中生“開發(fā)與使用模型”的要求較為具體，化學(xué)學(xué)科性強，要求難度分布均勻，但對于初中生未明確給出具體要求。基于此，對我國化學(xué)課標(biāo)完善、落實“模型認知”學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)提供建議。

關(guān)鍵詞： 模型認知; 開發(fā)和使用模型; 課程標(biāo)準(zhǔn); NGSS

文章編號： 1005-6629（2021）12-0016-06

中圖分類號： G633.8

文獻標(biāo)識碼： B

1 問題提出

1.1 模型與建模的時代背景

“模型”是事物的表征，其中事物包含具體的實物、觀點、概念、事件、過程和系統(tǒng)等[1];而“建?！本褪钱a(chǎn)生科學(xué)模型的動態(tài)過程，通常包括構(gòu)建、應(yīng)用、評估以及修正模型等方面[2]。模型的目的是為了提供解釋和預(yù)測現(xiàn)象的因果關(guān)系，可以使用模型來表示各個組分之間的關(guān)系[3]。

模型和建模是科學(xué)思維的重要組成[4]，是學(xué)習(xí)科學(xué)的關(guān)鍵能力[5]。開發(fā)模型的過程可幫助學(xué)生形成綜合的系統(tǒng)性理解，因此在化學(xué)學(xué)習(xí)中開展模型認知活動是十分必要的[6，7]。模型與建模目前已成為科學(xué)教育領(lǐng)域的重要研究熱點之一[8]。

由于模型和建模在科學(xué)教育的重要性，各國科學(xué)教育領(lǐng)域極其重視該內(nèi)容的教學(xué)規(guī)劃，特別在中小學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中對該內(nèi)容做出規(guī)定。例如，2013年美國頒布的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱NGSS）中，已經(jīng)把培養(yǎng)學(xué)生“開發(fā)和使用模型”能力放在重要地位。2017年我國在《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱2017版“課標(biāo)”）中首次提出了“五大核心素養(yǎng)”，其中把對學(xué)生建立認知模型、運用模型解釋化學(xué)問題的要求列進了素養(yǎng)3“證據(jù)推理與模型認知”里，我國2017版“課標(biāo)”也開始重視“構(gòu)建模型”，可見在新一輪教育改革當(dāng)中，培養(yǎng)學(xué)生“開發(fā)和使用模型”的能力成為教師教學(xué)的重點。

1.2 研究問題

NGSS和2017版“課標(biāo)”是國家層面的基礎(chǔ)教育課程綱領(lǐng)性文件，具有各自設(shè)計優(yōu)點。盡管兩國國情與學(xué)情的差異，美國NGSS也能給我國編寫課程標(biāo)準(zhǔn)提供建議或啟示。基于此，提出三個研究問題。第一，NGSS中對于K-12年級學(xué)生“開發(fā)和使用模型”的具體要求是什么？第二，若僅針對化學(xué)學(xué)科而言，NGSS在“開發(fā)和使用模型”這一方面又提出什么要求？第三，NGSS中“開發(fā)和使用模型”的要求與我國化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中“模型認知”的要求又有什么對應(yīng)關(guān)系？

2 中美課標(biāo)對學(xué)生“開發(fā)和使用模型”要求的分析

2.1 NGSS中對學(xué)生“開發(fā)和使用模型”的要求

NGSS是美國根據(jù)多年研究和實踐歷程，實現(xiàn)整體改革，系統(tǒng)解決問題的頂層設(shè)計，是面向K-12年級共同制定的全國性教育標(biāo)準(zhǔn)[9]。每一條預(yù)期表現(xiàn)都是“科學(xué)與工程實踐”“學(xué)科核心概念”和“跨學(xué)科概念”的三維整合[10]。其中“科學(xué)與工程實踐”包括8個重要活動，“開發(fā)和使用模型”作為其中之一，它要求學(xué)生在不同的年級，根據(jù)自身的能力水平嘗試開發(fā)和使用模型去表示或解釋某一現(xiàn)象或機制。NGSS中的“開發(fā)和使用模型”具有代表性，值得我們對其進行深入研討與分析。

NGSS中關(guān)于“開發(fā)和使用模型”的實踐活動貫穿12個年級，從幼兒園至高中階段，致力發(fā)展學(xué)生開發(fā)和使用模型的能力，共包括了17種要求[11]，如表1所示。

從K-12年級連貫來看，可以從三個方面作綜合分析。

首先，從有關(guān)于開發(fā)與使用模型的“具體要求”出現(xiàn)的種數(shù)和總次數(shù)來分析，K-2年級的具體要求有3條，總次數(shù)為4次;3～5年級的具體要求有4條，總次數(shù)為7次;6～8年級的具體要求有5條，總次數(shù)為16次;9～12年級的具體要求有5條，總次數(shù)為15次?？梢姡S著學(xué)生年齡的增長，數(shù)目逐漸增多，復(fù)雜程度增大，對學(xué)生的要求也越來越高。

其次，從每個學(xué)段具體要求中的動詞來分析，雖然都出現(xiàn)了“開發(fā)”和“使用”，但由于K-5年級的學(xué)生已有經(jīng)驗和基礎(chǔ)較少，因此更側(cè)重于“使用”模型。6～8年級的學(xué)生已有經(jīng)驗和基礎(chǔ)較充足，因此更側(cè)重于“開發(fā)”模型。對于9～12年級的學(xué)生而言，已具備收集證據(jù)的能力，因此側(cè)重于基于證據(jù)“開發(fā)”和“使用”模型。除此以外，K-12年級還依次出現(xiàn)了“表示”“描述”“預(yù)測”“說明”等動詞，可見隨著學(xué)生年齡的增長，對學(xué)生學(xué)習(xí)行為的要求也越來越高。

最后，從模型解決的對象來分析，從K-2年級的“自然界關(guān)系”到3～5年級的“現(xiàn)象、科學(xué)原理”，再到6～8年級的“機制”，最后到9～12年級的“系統(tǒng)間關(guān)系”，可見學(xué)生應(yīng)用模型解決的對象要求逐步提高，難度隨著學(xué)生年齡的增長從易到難。

總的來說，NGSS對“開發(fā)與使用模型”的具體要求是一個內(nèi)成體系、逐步遞進、多次強化的學(xué)習(xí)進階。

2.2 NGSS對學(xué)生的化學(xué)學(xué)科“開發(fā)和使用模型”的要求

NGSS由于科學(xué)學(xué)科融合度高，內(nèi)容整合性強，因此有關(guān)于“化學(xué)”學(xué)科的預(yù)期表現(xiàn)僅有4條[12]，分別是初中的MS-PS1-1、MS-PS1-5;高中的HS-PS1-1、HS-PS1-4。

根據(jù)布盧姆教育目標(biāo)分類學(xué)理論可知教育目標(biāo)從低到高可分為六個層次： 記憶—理解—應(yīng)用—分析—評價—創(chuàng)造?；诖?，將NGSS中的學(xué)生化學(xué)學(xué)科“開發(fā)和使用模型”的預(yù)期表現(xiàn)進行劃分，詳見表2。

由表2可知，無論是初中還是高中，都出現(xiàn)了“開發(fā)”“使用”這兩個行為動詞。結(jié)合“預(yù)期表現(xiàn)”后的具體“說明”，分析可知初中階段的兩條預(yù)期表現(xiàn)都處于認知領(lǐng)域教育目標(biāo)第2水平的“理解”水平。第一條預(yù)期表現(xiàn)，要求學(xué)生使用圖形、實體的三維球棍模型或是計算機模型以“描述”原子是怎么組成簡單分子或簡單分子的延伸結(jié)構(gòu)的，屬于將信息從一種表示形式（微觀看不見）轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N表示形式（實物模型可視化），難度相對較低。第二條預(yù)期表現(xiàn)與第一條類似，使用物理模型或數(shù)字模型表示原子或分子，但是這一條預(yù)期表現(xiàn)比第一條增加了“物質(zhì)守恒定律”，通過用模型表示反應(yīng)前后的分子或原子，實現(xiàn)可視化，讓學(xué)生清晰知道化學(xué)反應(yīng)前后原子總數(shù)是保持不變的且質(zhì)量守恒。第二條預(yù)期表現(xiàn)相比起第一條，難度加深，但仍屬于“理解”水平。

對于高中階段，同樣結(jié)合具體“說明”，分析可知第三條預(yù)期表現(xiàn)側(cè)重于使用已有模型去預(yù)測元素的相對性質(zhì)，預(yù)測系統(tǒng)之間或一個系統(tǒng)的組成部分之間的關(guān)系，處于認知領(lǐng)域教育目標(biāo)第3水平的“應(yīng)用”水平。第四條預(yù)期表現(xiàn)比第三條要求更高，需要基于證據(jù)，開發(fā)分子水平反應(yīng)圖示等模型說明一個化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)釋放或吸收能量取決于總鍵能的變化，這要求學(xué)生應(yīng)具備搜集證據(jù)、分析推理的能力，難度最大，處于認知領(lǐng)域教育目標(biāo)第4水平的“分析”水平。

總而言之，NGSS對中學(xué)化學(xué)“開發(fā)和使用模型”的要求逐漸提高。

2.3 我國中學(xué)化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)對學(xué)生“開發(fā)和使用模型”的要求

我國中學(xué)化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)包括2011年版的《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》和2017版“課標(biāo)”。

2011年版的《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中只有6處提及了“模型”[13]，在“物質(zhì)構(gòu)成的奧秘”主題中建議教師通過“模型化的方法”幫助學(xué)生理解化學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)，此處為理論模型;其余5處的“模型”均為實物模型，主要是建議教師有針對地使用“原子結(jié)構(gòu)模型”等實物模型進行教學(xué)。但都沒有向?qū)W生提出具體的“構(gòu)建模型”的要求。

2017版“課標(biāo)”也提出與“模型與建模”相關(guān)的課程目標(biāo)與核心素養(yǎng)。其中，素養(yǎng)3“模型認知”提到：“知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律”[14]。2017版“課標(biāo)”中的附錄1將素養(yǎng)3“模型認知”劃分為4個水平[15]，每個水平的具體“模型認知”要求與布盧姆水平對應(yīng)關(guān)系如表3所示。

而在學(xué)業(yè)質(zhì)量水平中，關(guān)于素養(yǎng)3“模型認知”的要求只有兩條。分別是水平1-1提到：“能運用原子結(jié)構(gòu)模型說明典型金屬和非金屬元素的性質(zhì)”，這要求學(xué)生能夠運用模型說明某物質(zhì)的性質(zhì)，對應(yīng)認知領(lǐng)域教育目標(biāo)第2水平的“理解”水平，以及水平3-1提到：“能采用模型、符號等多種方式對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其變化進行綜合表征”，這要求學(xué)生能夠采用模型對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其變化進行綜合表征，對應(yīng)認知領(lǐng)域教育目標(biāo)第3水平的“應(yīng)用”水平[16]。

總的來說，我國2017版“課標(biāo)”對學(xué)生“模型認知”的要求隨著水平增加不斷提高，且覆蓋面廣，遍布布盧姆教育目標(biāo)分類的6個水平。

2.4 NGSS與2017版“課標(biāo)”中有關(guān)對學(xué)生化學(xué)學(xué)科“開發(fā)和使用模型”要求的比較

結(jié)合以上分析，將結(jié)果整理至表4中。

分析表4可知，NGSS在高中階段對學(xué)生“開發(fā)和模型”的要求屬于中等水平，缺少“評價”與“創(chuàng)造”水平的要求。而我國2017版“課標(biāo)”提出對學(xué)生的“模型認知”要求難度分布均勻，布盧姆教育目標(biāo)六個水平均有涉及。美國初中階段在化學(xué)學(xué)科對“開發(fā)與使用模型”要求的水平大致與我國2017版“課標(biāo)”中“模型認知”要求的水平1和水平2匹配;而美國高中階段的大致與我國的水平3和水平4相匹配。

由此可以看出，兩個國家制定的課程標(biāo)準(zhǔn)均有特點。美國由于學(xué)科綜合性強，在化學(xué)學(xué)科對于“開發(fā)和使用模型”的要求比較少，難度主要集中在中等水平，但在初中階段就對學(xué)生提出了“開發(fā)和使用模型”的要求，并且學(xué)段連貫性強，學(xué)科間融合度高。而我國對高中學(xué)生“開發(fā)和使用模型”的要求比較具體，化學(xué)學(xué)科性強，且要求難度分布均勻，但對于初中學(xué)生沒有明確給出模型與建模的具體要求。中國化學(xué)課程是分科課程，美國科學(xué)課程是綜合課程，由于課程設(shè)置不同，課程標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計也呈現(xiàn)截然不同的特點和安排，但均符合各自國情需要，且均是化學(xué)課程理論發(fā)展的重要嘗試和寶貴智慧。

3 課程標(biāo)準(zhǔn)研制和教學(xué)實踐建議

NGSS的整體設(shè)計可以為我們優(yōu)化課程標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，精確“模型認知”學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)提供一些啟示。

3.1 加強不同學(xué)段素養(yǎng)培養(yǎng)要求的連貫性

NGSS中科學(xué)概念的構(gòu)建貫穿于整個K-12體系，由于NGSS的連貫性，教師可以靈活地將屬于同一年級的預(yù)期表現(xiàn)以任何順序排列適合各個州或地方的需求[17]。而我國初中有《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》、高中有《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》，雖然這兩本課程標(biāo)準(zhǔn)之間有一定的承上啟下的關(guān)系，但是初中課標(biāo)缺乏對模型的具體要求，致使初高中課標(biāo)在模型的教學(xué)規(guī)定上連貫性不強。建議初中課標(biāo)修訂組在修訂初中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)時，考慮增加制訂適合初中生學(xué)習(xí)要求且能夠連貫至高中課標(biāo)要求的模型教學(xué)規(guī)定，增強培養(yǎng)連貫性。

3.2 明確提出學(xué)生開發(fā)簡單基礎(chǔ)模型要求

2017版“課標(biāo)”的附錄1“化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的水平劃分”將素養(yǎng)3“證據(jù)推理與模型認知”劃分為4個水平[18]，其中水平1提到了“識別模型”，水平2提到了“理解、描述和表示模型”，水平3提到了“評價與改進模型”，水平4提到了“構(gòu)建模型”，但水平4的“構(gòu)建模型”指的是解決復(fù)雜的化學(xué)問題情境的模型，而非簡單基礎(chǔ)模型。

水平1到水平4的要求是逐漸提高的，但水平1當(dāng)中并沒有提及“建立簡單基礎(chǔ)模型”，而是提到了“識別模型”，這里可以理解為識別初中已學(xué)習(xí)過的模型來解決高中的問題。但是隨著高中化學(xué)知識難度的增加，單憑初中已建立的模型是不足以解決高中化學(xué)問題的，那么就必須在高中階段針對新的知識建立簡單基礎(chǔ)模型。例如，在學(xué)習(xí)“化學(xué)反應(yīng)的方向、限度和速率”這一主題內(nèi)容時，教師應(yīng)先引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷化學(xué)平衡常數(shù)模型建構(gòu)的過程，讓學(xué)生在頭腦里先構(gòu)建好模型，才能去解決具體的實際問題。

建議高中課標(biāo)修訂組在制訂素養(yǎng)水平劃分時，可以在“模型認知”核心素養(yǎng)低水平增加“構(gòu)建簡單模型”的要求，更符合學(xué)生實際的學(xué)習(xí)情況。

3.3 實現(xiàn)課程內(nèi)容要求和素養(yǎng)水平呼應(yīng)

NGSS實現(xiàn)了實踐與內(nèi)容的結(jié)合。教師為了讓學(xué)生實現(xiàn)某一預(yù)期表現(xiàn)，可通過NGSS查閱這一預(yù)期表現(xiàn)對應(yīng)的科學(xué)與工程實踐的具體要求來設(shè)計具體的實踐活動。每一條預(yù)期表現(xiàn)都對應(yīng)著某一科學(xué)與工程實踐的要求，聯(lián)系緊密。而我國高中課標(biāo)的“學(xué)業(yè)要求”和“教學(xué)提示”是兩個獨立的板塊，雖然都隸屬于同一學(xué)習(xí)主題，但是與NGSS相比，聯(lián)系并不是十分地緊密。建議初高中課標(biāo)修訂組可以參考NGSS的內(nèi)容呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)，進一步優(yōu)化我國化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)展示內(nèi)容要求、教學(xué)提示、學(xué)業(yè)要求的內(nèi)在橫向聯(lián)系，讓教師更加明確達成某一學(xué)業(yè)要求時需要設(shè)計怎樣的教學(xué)實踐活動，體現(xiàn)怎樣的“模型認知”學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)要求。

3.4 建立科學(xué)學(xué)科課程間的培養(yǎng)融合性

跨學(xué)科概念被應(yīng)用在所有科學(xué)領(lǐng)域中。NGSS把學(xué)科概念歸類于四個領(lǐng)域： 物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球和空間科學(xué)以及工程、技術(shù)和科學(xué)的應(yīng)用[19]。編寫過程中，編寫團隊承認領(lǐng)域間有很多聯(lián)系，因此科學(xué)家在跨學(xué)科團隊的工作中越來越多地模糊了傳統(tǒng)的學(xué)科界限，加強了科學(xué)學(xué)科間的融合。而我國的科學(xué)學(xué)科仍采用分科教學(xué)，這需要學(xué)生自己建構(gòu)學(xué)科間的橫向聯(lián)系，對學(xué)生提出較高的學(xué)習(xí)要求。建議科學(xué)學(xué)科中學(xué)化學(xué)、物理和生物課程標(biāo)準(zhǔn)研制者共同圍繞建模或其他科學(xué)重要主題，溝通和建立學(xué)科間各自能夠?qū)崿F(xiàn)的教學(xué)要求。也建議中學(xué)化學(xué)、物理和生物科學(xué)學(xué)科任課教師共同圍繞這些重要主題，探討學(xué)科間各自能夠?qū)崿F(xiàn)的教學(xué)實踐，形成學(xué)科間的合力，多開設(shè)一些學(xué)科交融的實踐活動，讓學(xué)生在實際情境中獲得科學(xué)知識和能力，培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)。

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