美国科学建模教育研究三十年概述及启示_翟小铭_郭玉英

2015年第12期（总第341

）GLOBAL EDUCATION Vol．44No12，2015

*本文系教育部人文社会科学研究规划基金项目

“基于科学概念学习进阶的教学设计模型研究”（项目批准号：13YJA880022）阶段成果；本研究第一作者受国家留学基金委建设高水平大学公派研究生项目（项目编号：201506040139）资助。

美国科学建模教育研究三十年

概述及启示

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翟小铭郭玉英摘要科学建模教育是美国科学教育实验的典范，在理论和实践多方面取得了显著成果，已有三十年研究历史。通过介绍其理论产生背景，结合273篇文献以教育学的理论视角、学科学、教科学、公民身份为内容分析框架，分三个阶段沿国际科学教育变革线索分析其研究发展历程，得出对科学教育研究发展范式、科学教育核心素养体系构建、学科专家引领的教学改革等方面启示。

关键词

模型；建模；科学建模；建模教学；建模教育；建模素养；建模理论；核

心素养作者简介翟小铭/北京师范大学物理学系博士研究生

（北京100875）郭玉英/北京师范大学物理学系教授（北京100875）科学建模教育的研究是美国近三十年科学教育研究的缩影，

导致了美国历史上最成功的教学实验改革。［1］它先后受到科学教育中几次大的思潮影响，如

建构主义（概念转变）、综合课程改革、“科学素养”运动及“整合与发展”等，研

究的内容和方式都在发生相应变化，越来越受到科学教育界学者的重视。研究显示，建模是近十年国际物理教育最热门的研究主题，相比较，我国的物理建模

教育研究只占到0．56%，且缺乏实证研究。［2］系统梳理美国科学建模教育（主要

关注物理教育中的科学建模）研究三十年来的发展历程，将对我国本土的科学教育改革研究以启发和借鉴。

一、背景

1984年，科学建模教育理论主要的创立者，美国亚利桑那州立大学教授海

斯特斯（Hestenes ）指导他的学生哈伦（Halloun ）完成了博士论文［3］《牛顿运动定

律教学中模型的应用》，结合理论和实践提出了科学建模教学的概念，标志着建

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模教育理论的萌芽。1987年，他将这一理论及其首次实践结果发表在《美国物理杂志》上，［4-5］并主持了美国著名的“建模教学项目（简称MIP，1989，NSF资助）”。2000年，美国教育部从134个教育技术项目中挑选了七个推荐为样板项目；第二年，教育部专家委员会从27个科学项目中推荐了其中的两个作为样板项目———MIP都名列其中。［6］时至今日，NSF已经连续资助MIP近二十年，建立了许多建模教学工作坊，［7］开发了建模教学的教材，并成立了“美国建模教师协会”，［8］超过10%的美国物理教师（截止2008年）接受了建模教学的培训，［9］使数以万计的学生因此受益。反思科学建模教育从理论到实践的研究发展历程可以发现，其理论是当时特定教育文化背景下，科学理论受其它理论发展影响及科学教学需求的产物；同时也是创立者团队特殊的人员构成、经历及智慧的体现。

（一）“科学理论”的丰满与“教学理论”的呼唤

海斯特斯学习和工作的时期，正是第三次工业革命以后各种新理论形成和发展的重要时期，这些新理论影响着人们对科学研究本身的认识，促使人们反思科学建模的本质，进一步丰富了对它的认识。海斯特斯是这一时期的典型代表：他大学期间专门修过哲学、数学、物理学，受其父亲（美国著名数学家）的影响，他最早接触了计算机及其系统理论、人工智能理论等，并最终成为一名物理学家，［10］因此海斯特斯对建模理论的认识融合了当时各种学术成果、多维度的视角。1956年，海斯特斯在哲学系学习时便试图寻找认知和学习相关问题的答案，一直到他从事物理教学，这期间受到Giere和Barwise等关于模型、基于图表推理演绎等研究的影响。广博的学识使他能够从历史社会学、认知心理学、认知神经学等借鉴相关的研究方法，其中以认知语言学对其影响最大。［11］模型作为表征科学的语言，是通向科学的窗户，海斯特斯从认知语言学中找到了解释“建模意义”的答案：科学即通过模型语言（特别是数学）表征物理规律的过程，科学的追求即不断提高模型的解释能力。对“科学理论”认识的深入，为科学建模教育理论的产生奠定了基础。

同一时期，受第二次科学课程改革浪潮的影响，人们普遍认识到“缩短计划课程与实施课程之间的差异”成为科学教育面临的迫切问题，［12］产生了一种解决“课程”与“实施”之间矛盾的需求、迫切要求一种有效“教学理论”的诞生。于是，在建构主义、人脑机能、人工智能等相关研究发展的背景下，作为“科学理论”的“科学建模”找到了形成系统教学理论的有力支撑，其作为“教学理论”的指向进一步明确为：科学教育的过程即帮助学生构建和优化心智模型的过程。信息技术、概念转变、探究教学等的发展，又为其实践内容的丰富与发展提供了可能，使科学建模理论迅速与实践结合，受到科学教育界广泛关注。（上述相关的理论、思想等见表1）

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表1影响建模理论建立的各领域及其代表人物、思想或理论［13］（修改）领域人物思想或理论

哲学Ｒonald Giere基于模型的哲学Jon Barwise基于图表的推理演绎

历史社会学Thomas Kuhn典型案例驱动的研究Nancy Nercessian麦克斯韦类比建模

认知心理学Dedre Gentner类比推理

Philip Johnson-Laird应用心智模型推理Barbara Tversky空间心智模型与可视图景

认知语言学George Lakoff象征与辐射分类

Ｒonald Langacker认知语法与想象图示

认知神经学Michael O'Keeffe海马区作为认知图Stephen Grossberg神经网理论

教育学Jean Piaget建构主义理论

科学教育Posner概念转变JosephJ．schwab科学探究

物理教育研究Andy diSessa早期现象学John Clement架桥类比

信息与设计学泛化建模语言指向对象的编程

（二）杰出研究团队的集体智慧

在海斯特斯的团队中，既有科学家，也有教育研究的学者，还有丰富教学经验的实践者。海斯特斯本人是一个科学家兼教育研究的理论学者，他的学生哈伦后来成为一个著名的教育研究学者。哈伦在做博士论文之前，即参与了海斯特斯在大学课程中进行的建模教学实践，并产生了浓厚兴趣。为检测建模教学效果，他主持开发了测试工具MBT和MD等，其中MD后来演化发展为FCI，是目前国际上广泛应用的概念测试工具。他的另一个学生韦尔斯（Wells）是一个有丰富教学经验的杰出中学物理教师，他的加盟让建模理论有了实践的土壤，并最终催生了美国有燎原之势的建模教学尝试和改革。

除了海斯特斯的团队，同一时期关注建模的学者中较有影响的当属马塞诸塞州立大学的克莱门特（Clement）。他虽未参与海斯特斯的团队，但他的研究视角进一步丰富了科学建模教学理论的研究，推动了理论的形成和发展。与海斯特斯从个人经验介入建模的研究不同，他的研究基于对一个个教育科学问题研究的逐步深入。1981年，克莱门特开始研究“类比”在科学问题解决中的意

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义，［14］后续对类比的研究逐渐深入，特别是他对专家在问题解决中的类比推理模式［15］的研究，使其认识到心智模型构建在解决科学问题以及形成科学理论中的重要作用，最终投身建模教学研究中去。克莱门特对科学建模的相关研究也在美国产生了深远的影响。

如今，建模理论的研究已经不是某几个人的事情，美国有许多团队都致力于建模的理论和实践研究。

二、科学建模教育研究的发展历程

1992年，在各种实践研究的佐证下海斯特斯发表《牛顿世界中的建模游戏》，［16］从理论上对科学建模教学进行了系统的阐述，并经过了多轮的教学实践证明了其有效性，标志着该科学建模理论作为教育理论正式形成。2006年Hallou的专著《科学教育中的建模理论》中写道“科学各个学科的共同特征致使各学科从科学理论和科学教育的角度共同关注建模理论”，［17］标志着伴随着科学综合课程的发展，最初在物理学科发展起来的建模理论开始成为科学各学科的共同教学理论。本文以这两篇重要文献为主，按时间节点分了三个阶段。同时，以Bruguière等在《科学教育的主题与趋势》一书中提出的分类：教育学的理论视角、学科学、教科学、公民身份为内容框架，［18］以243篇重要文献为基础，系统梳理评述科学建模研究的发展历程。

（一）第一阶段———从“科学理论”到“教学理论”（1984—1992年）

科学建模理论最初是一种“科学理论”，它起源于科学哲学。［19］这种理论认为，模型是科学理论的核心，科学探究活动最根本的活动即建构科学模型以解释和预测自然现象。上世纪八十年代，这一理论受物理教育研究者重视并逐渐发展为一种“教学理论”，随后在“科学教育和认知科学两个领域”［20］得到了进一步发展。这一时期，受建构主义影响，研究者主要从“教学的理论视角”这个角度，藉由学科教学理论发展、专家建模过程分析、学生对模型本质理解、教学实践四个维度进行了系统研究，促成了其由“科学理论”向“教学理论”发展。

1．从物理学科本身发展促进教学理论构建

1985年，海斯特斯写出了第一篇关于建模理论的文章《指向物理教学的建模理论》，这篇文章主要基于物理学科本身从理论上分析了建模教学理论的基础、内容、依据等，并对建模的一般过程进行了阐释。［21］由于这篇文章理论性强，缺乏实证证据，直至两年后才与另一篇实证性文章《力学中的建模教学》一起被《美国物理杂志》接收。后者以力学为例，主要阐释了如何围绕建模进行问题解决，并提出了实践中的“七步”。［22］由于该文章提供了详实的实证数据，才使得建模理论的相关文章得到认可。1992年，海斯特斯又基于前期的理论基础，以牛顿力学为例系统阐述了建模理论及其建模过程，并试图从物理学、教育学、历史及认知等方面为其寻找新的理论支撑。［23］在这一过程中，实证测评工具MD （FCI）及MBT等为教学理论的确立和推广做出了重要贡献。

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2．从分析科学家思维与认知视角促进教学理论构建

与此同时（1989年），以美国马塞诸塞大学的克莱门特等为代表的另一个团队通过“speak out”的方式，实证分析科学家产生科学假设的过程。发现，［24］一个基于创造性思维的建模（心智模型）循环包括五个循环步骤：观察、类比和联系模型的元素、构建初始模型、理论评估模型（拒绝或修正模型、或进入下一步）、构建并进行试验检验（拒绝或修正模型，或重复之前步骤）。进一步分析发现，类比是科学家构建模型最主要的方式，他们通常会基于模型的解释能力修正模型以使其更好地解释问题或现象。克莱门特等的研究更关注认知心理过程，他所强调的建模侧重于心智模型，是对海斯特斯所述模型的有力补充，也是建模过程从认知心理角度进行的解释。

3．从发展学生对模型本质理解角度促进教学理论构建

美国哈佛大学的格鲁斯莱特（Grosslight）则从学生对模型本质理解的角度，基于新手与专家的比较关注科学建模。1991年，他通过对7年级和11年级学生进行访谈，了解他们对模型本质的理解，并划分了三个理解水平。研究结果显示，［25］这些学生对模型的理解主要集中在水平一，只有少数达到了水平二，没有人达到水平三。同时对专家的访谈显示，专家都达到了水平三。这项研究将焦点拉近到对模型本质的认识上，关注学生的模型本质观的发展，与这一时期兴起的对科学本质的重视相一致，对后续的研究启发很大。

4．从实践角度促进教学理论的构建

建模教学理论的发展需要实践的支撑，由此催生了一些有效的建模教学策略和手段。如韦尔斯最早在建模教学中引入围绕模型的讨论，以及将便携式白板引入课堂等以促进学生的科学建模。Carol［26-27］和Ellen［28］等探索基于计算机仿真模拟技术的建模教学策略，均取得了一定效果。但是限于当时的计算机技术发展水平，这些仿真模拟软件仅有很少量的互动功能，且其模拟过程主要依赖于学生的主观想象。

尽管这一时期科学建模从“科学理论”发展成为了一种“教学理论”，但是实践的步伐才刚刚迈出。对于建模教学应该如何围绕“公民身份”实施教学，构建明晰的教育发展目标，尚没有答案。

（二）第二阶段———围绕“科学素养”教育目标的多元发展（1992—2006年）二十世纪90年代，国际科学教育界开始热议科学素养，诸多的课程、教学研究都围绕发展学生的科学素养，培养“合格公民”展开，［29］这为科学建模的实践与多元发展创造了条件。如果说海斯特斯等前一阶段的研究是从培养“科学人才”的视角建构教学理论，那么这一阶段则更强调建构对“所有学生”的、一般普适的教育理论。科学建模教育研究围绕科学素养是什么、如何培养科学素养这样的核心议题，结合同期发展起来的诸多相关理论，在认知、课程、实践等方面进行了大量的实证研究，使科学建模研究有了进一步发展。

1．发展学生的科学建模能力

上世纪90年代以来，科学教育界对概念转变理论给予了普遍重视：一种框

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架理论认为，科学概念的建构过程即建模的过程，通过科学教育应该促进学生的科学建模能力发展。建模能力可以分为“模型建构的能力”和“基于模型的能力”两大类。建构模型的能力，是基于自然现象形成心智模型及其付诸表征的能力，如类推、想象、可视化例子、极端例子和直觉等。［30］1997年，Callison等研究认为模型构建需要将信息形象化及信息加工的能力，他分别从行为主义、认知主义、建构主义等视角对人类学习的过程进行了综述。［31］基于模型的能力是学习者运用模型的能力，如基于模型的推理、表征等。1997年，Greca对心智表征物进行了实证研究，他借用了Johnson-Laird对心智表征的分类（心智模型、命题和图景），通过实证确定了六类模型变量：概念、问题、实验、图Ⅰ、图Ⅱ、组、模型等，发现大学生在物理电磁学学习中主要机械地依赖于命题而不是心智模型来解决问题。［32］建模能力研究还拓展到了一些特殊人群，如反映自闭症儿童的三维空间建模能力研究等。［33］尽管这一时期人们开始关注学生建模能力的发展，但缺乏对建模能力模型系统构建的相关研究，相关研究也只是开启了这个研究方向，并不深入。

2．发展学生的科学本质观

对建模元认知的理解有利于学生“理解科学的本质”，形成科学本质观。所谓建模元认知，是指学生对模型及建模过程本身的认知，是建模理论中“本体论”研究的范畴。继Grosslight的研究之后，元认知的研究发展主要体现在两个方面：即元认知主体对象范围的扩大，以及建模元认知的深度和广度。在认知主体对象方面，继1991年Grosslight对7年级和11年级学生进行测查后，Treagust 等又对228名高中生分五个主题对其模型理解情况进行了侦测。［34］为了促进元认知的教学，对教师的测查成为必然。1995年，Smit等对职前教师的关于建模和模型知识进行了测试；［35］Driel等则针对有经验的物理、化学和生物教师对模型及建模相关知识的了解情况进行了研究。［36-37］另一方面，因Grosslight对元认知的测查是一项对元认知的整体测查和水平划分，无法分析学生具体的元认知水平。因此，Treagust等、Justi等、Crawford等、Schwarz和Driel等的测查则均采用了分维度测查的方式。如Treagust等分了五个维度：科学模型是多样的表征物；模型是精确的复制品；模型作为解释工具；如何应用模型；科学模型可以变化的本质进行测查。多维度研究是本阶段对建模元认知研究的特点，反映了对建模元认知研究的细化。不足之处是缺乏对建模元认知与建模认知过程关系的研究。

3．发展学生的科学思维能力

科学教育的核心价值是围绕科学概念的建构，发展学生的科学思维能力。模型是人们进行推理、解释和预测的工具，在围绕概念构建的问题解决及科学探究过程中起到了关键作用。因此围绕科学建模促进学生科学思维的发展成为研究的一个重点议题。Weller等基于计算机模拟系统建构模型以探测和转变学生关于力和运动的的三个相异概念的前、后测结果显示，学生的前概念跟他在科学学习方面的思维能力无关，已经学完课程的学生和正在学习的学生在非科学回

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答模式方面有显著的差异，［38］这促使人们思考是什么因素在建模过程中影响了学生的科学思维的发展。1999年，Spitulnik等通过构建多样的建模环境，使学生参与模型构建来促进其概念转变及科学思维能力发展，［39］取得了较好效果。而Jonassen认为基于建模的推理能力是促进概念转变重要因素，提出通过模拟经历、思维（如认知冲突、本体转移等）、过程等促进概念转变的观点。［40］这一时期的一些研究还关注心智模型，但由于心智模型的测量难度较大，针对心智模型的实证研究仍处于起步期，比较有代表的如Borges针对此现象探测的五种心智模型等。［41］

4．发展学生的探究能力

克劳普福认为，科学素养的重要组成部分即“进行科学探究的能力”。［42］上世纪九十年代至本世纪初，计算机及网络技术的发展和普及带来了科学探究形态的转型，［43］也促进了基于数字技术的探究与建模教学的融合。借助于数字媒体技术，围绕模型构建开展探究是促进学生探究能力发展的重要手段。这一时期数字媒体技术层出不穷，在探究的交互性、仿真性和与学科教学的整合上都有了新的发展。White等的ThinkTool软件已经具备了一定的交互性，它提供了一个编辑器，学生在探究时可以用以定义墙、点等，还可设定物体的质量、位置、初始速度、颜色等，并可设定与每一个点相关的可选取的替代装置（如箭头等），以描述物体的运动，［44］不足之处是其仿真效果仍不理想，仿真情景与真实情境仍有较大差距。1998年，Hartley应用的VAＲILAB能定性描述物理系统及现象，创建比较复杂的物理情境，仿真性和交互性都得到了提高。Jonassen介绍了两类建模软件：第一类基于图表界面用以建构测试模型，如Stella，PowerSim，VenSim 等；第二类用以构建微观世界模型，如NetLogo，AgentSheets，Eco-Beaker等。［45］这些软件能较好地体现学科特色，通过改变参数等实现交互，界面更加友好，深入到实现了一些真实实验无法触及的探究活动。不足之处，这些研究多侧重于信息技术的发展，对于如何通过教学发展学生的探究能力的研究较少。

5．围绕“科学素养”发展的科学建模课程开发

伴随着第三次世界范围的科学课程改革，多样化、旨在“缩短计划课程与习得课程之间差异”［46］的基于建模理论的课程应运而生。1993年，White等开发的ThinkTool课程旨在帮助学生构建包含牛顿运动定律原理的概念模型，以进行预测、问题解决和产生解释，并发展学生的探究技能；［47］Schwarz利用修订版的ThinkTool课程研究发现，其还能显著提高学生对科学建模的理解；［48］White进一步测试了该课程对学生的探究技能、物理知识理解和对科学的态度的教学效果。［49］1995年，Ｒaghavan等基于计算机技术开发了MAＲS课程，该课程以构建和应用定性模型为主，能促进建模能力和基于模型的推理等，通过将问题具体化、简单化，以澄清复杂现象并预测趋势和解释机理及过程。［50］这一时期开发的关于建模的物理课程，多数是基于正蓬勃兴起的计算机技术，在促进科学建模的可操作性及系统性实施方面有重要意义，也为计算机技术迅速融入教育过程开辟了道路。

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本阶段的研究围绕“公民身份”维度展开，从“教科学”和“学科学”的角度进行了相关研究和实践，解决的核心问题是教学着力点向更普及、大众化的教育转型，以提高全体学生的科学素养。

（三）第三阶段———“多元整合”与“核心素养”（2006至今）

在“整合与发展”的科学教育国际背景下，科学建模教育的研究范畴得到了拓展，其教育目标聚焦于提高学生适应社会生产和生活的需要———建模素养的发展。其所强调的不仅仅是“合格公民”，更强调通过科学教育使学生获取未来学习、工作的核心素养。

1．科学建模教学的多元整合

进入二十一世纪，受前期科学综合课程改革影响，建模逐渐成为科学各领域乃至工程实践、数学中的一种重要的综合实践活动。在这种情况下，科学建模必须体现科学共同的本质，并融合科学教育的各相关理论及实践成果。其在科学教育中的地位也相应地由一种独立的教学理论融通为整个科学教育理论框架的一部分，一种“整合与发展”的需求迫在眉睫。这种需求下的结果一方面集中体现在美国NGSS中，将“建模”作为八个核心实践活动之一表述的同时，“模型”在其它七个实践活动中均担当了重要角色（如表2［51］），成为各类科学实践活动中不可或缺的重要元素。另一方面，即建模在工程、数学、科学教育各领域的研究的深入（因本文重点讨论物理教育领域，此方面不做深入探讨）。

表2NGSS中除“构建和应用建模”之外七种实践活动中对“模型”的相关表述（部分）

实践活动相关表述

提出并界定问题处于任何年级水平的学生都应该能从自己的模型或科学探究结论中提出问题……

科学问题可以来自于对世界的好奇，来自于模型的预测的灵感、理论或发现……

计划和执行研究科学研究是用来描述现象、验证模型或理论以了解自然是如何发展的。9—12年级的学生通过计划和执行研究为概念、数学、实物和实验等各种模型提供证据。

分析和解释数据9—12年级学生能……，用模型来生成和分析数据。

用计算和数学思维9—12年级学生能……，用计算工具统计分析的方式分析、表征和模拟数据。在数学模型假设的基础上，创建和应用简单的计算模拟。

构建解释和设计解决方案6—8年级学生能够用模型或表征物构建解释；

9—12年级学生能基于有效和可靠的证据（包括学生自己的研究、模型、理论、模拟、同伴检查）构建和修正解释……

基于证据的辩论6—8年级学生能尊重地提出或接受关于解释、过程、模型、问题的批评……能通过实证证据和科学推理构建、应用和呈现一份口头或书面的论据以支持或拒绝一个解释、或对现象建立的模型或问题解决的方案等。

获取、评估和交流信息交流信息、证据和观点可以用不同的方式：用表格、图表、曲线、模型、交互呈现、方程以及口头、书面或者讨论……

2．科学建模素养模型的构建及其教学实践

受OECD“素养的遴选和界定：理论和概念基础（DeSeCo）”项目的影响，近

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十年来，各发达国家开始在其框架下构建本国学生的核心素养体系。［52］OECD 界定的核心素养，即满足人互动地使用工具、自主行动和在社会异质团体中互动的需求。具体到科学教育中，它是人们能够从自然现象及实践活动中抽象出概念和规律，发展对科学本质理解的能力；是科学教育价值的核心体现；是生产、生活对科学教育的基本诉求。由于科学建模在科学教育领域得到了广泛认同，在许多国家的课程纲领性文件中都得到了体现，被认为是科学教育核心素养的重要构成要件。在这一时期，诸多科学教育研究集中在建模素养上：一方面致力于构建科学建模教育的系统化目标———科学建模素养模型；另一方面围绕实现科学建模素养的教学实践研究也日益广泛。

2．1科学建模素养模型构建

关于科学建模素养的具体内涵，学界并未达成共识。一般认为，建模素养从广义上可以分成两个部分：实践活动和元知识（包括对模型本质的理解和对建模过程的理解），多数学者的研究都在这一框架下。台湾学者Chiu等率先提出了一个基于本体论［53］（即元认知）、认识论［54］和方法论［55］的建模能力三维模型，该模型的框架是一个整体素养模型，既继承了前期的研究成果，特别是在本体论部分；同时也为后续研究提供了框架。但由于该项测量是一种普适（即不结合具体科学内容）测量，缺乏真实问题情境，局限了其应用范围。根据该模型研制了一套普适（General-base）的三维量表。［56］Chang等在此基础上针对建模能力结合具体内容（Content-base）开发了前后测问卷，并进行了教学实践。［57］Lopes等分别从“对待方式”、“概念化问题”和“操作”三个维度界定了建模过程的素养，并基于纸笔测试开发了力学测试工具。［58］Hung（2009）等则沿用了Halloun的理论构建了五维能力模型，其创新之处是采用了计算机模拟手段和模糊统计理论进行测量。［59］以上三项研究与Chiu研究的区别在于，都是在具体问题任务下的测量，侧重的是Chiu模型中认识论和方法论的维度。Sins等则通过计算机模拟等方式研究了对模型的理解与建模认知过程之间的关系，并在四个维度上给出了三个水平。［60］建构建模能力的水平模型是这一时期研究的重要发展，其中以Schwarz团队对五年级和六年级学生构建的学习进阶影响最大，［61］侧重于对模型的生成性功能和模型可修正性的理解。该团队Bamberger等在原学习进阶框架下又对中学生建模表现在知识间的迁移等进行了研究，［62］使研究对象范围扩大到了中学，同时是对原水平模型描述的补充。Wei等利用Ｒasch模型对学生的建模理解进行了水平测量，在数据处理方式上应用了项目反应理论，较Schwarz等的质性分析有较大变化。［63］

科学建模素养体系的构建不是某个人的工作，而是科学建模教育工作者集体智慧的结晶。其基本意旨是要传递科学教育最核心的育人价值：能进行科学建模实践活动并理解模型及建模在科学研究及社会生活中的意义，满足社会生活、工作的需要。

2．2实现科学建模素养发展的教学实践

为了发展学生的科学建模素养，许多学者致力于研究“基于模型的探究

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（Model-based Inquiry，简称MBI）”教学。所谓MBI，即围绕模型构建的的探究教学。在MBI中，学生面对的是物理现象或情境，自发产生问题并形成心智模型，教学则围绕如何验证、评价、发展学生的心智模型展开。正如Hung等的观点一样，“建模也是一种探究”，［64］其本质上反映的是科学实践活动的两种观察视角：有意义的科学实践活动既是探究活动，也是科学模型的建构、分析、验证、评估和优化的过程。在这个过程中，学生的建模实践能力以及对模型和建模本质的理解将得到发展。

Ting等通过人工智能领域的DDN（动态决策网络）探索互动的MBI过程，该网络提供“决定”和“使用”两个功能，能基于时间线索为探究活动建构变量模型并提供反馈。［65］Windschitl从科学方法的角度入手，分析MBI的教学效果。［66］Pawl在海斯特斯建模的基础上提出了一种建模方法以帮助学生学习专家的问题解决方式，发现能极好地提高差生的问题解决技能。［67］Campbell等通过PASKS量表比较了传统教学与MBI在概念理解、对科学过程及科学本质的理解方面的差异。［68］接着，他们又用量表对物理课堂录像进行了分析，以探测MBI 中无秩序讨论模型的效能。［69］Louca等研究了MBI过程中全班辩论的效果，发现了三种主要辩论类型。［70］Sun等则基于网络环境的建模与可视化技术（WiMVT），通过合作形式的MBI提高中学生对概念和探究过程理解，发展学习技能。［71］上述MBI的教学研究，针对MBI的诸多理论和实践问题开展了较为细致的研究。

从MBI的教学方式上，Wells最早在建模教学中引入的辩论方式受到了广泛关注，如Buty等、［72］Megowan等、［73］Louca等、［74］Campbell等，［75］Passmore 等、［76］Mendonca等［77］的团队对如何通过辩论进行建模教学、建模中辩论的效果及辩论与建模的关系等进行了深入研究。

关于MBI的策略研究，这一时期最受关注的是两类：对话策略和模型进阶策略。代表性的研究如Darabi等对心智模型进阶策略的研究，该研究基于计算机模拟环境，关注了学生的认知灵活度发展。Williams等针对基于讨论的教师建模教学对话策略进行了测查，并分出了两个认知层次。对教学策略等细节的深入研究，是一种教学理论在实践中成熟的表现。

本阶段是对“公民身份”视角的深化，围绕科学建模对于个人的学习、生活、工作的价值展开。在科学建模教育整合发展的大背景下，在“教科学”与“学科学”维度上体现了科学建模的实践特质和科学本质，并致力于如何实现这些特质。

三、启示

建模教学研究在第一阶段主要聚焦于“教育学的理论视角”，后两个阶段则围绕“公民身份”维度展开，这两个维度是科学建模研究发展的内因；其中“学科学”、“教科学”两个维度贯穿于三个研究阶段，是研究发展的外因。内外因的共

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同作用，促进了该教学改革项目的发展，从而促成了美国物理教学改革最成功的范例。［78］

（一）现代科学教育研究范式

科学建模教育走过的三十年，伴随着国际科学教育研究范式的转型和变革。以实证为支撑、凭事实和数据说话、遵循科学研究的范式是当代国际科学教育主流研究范式的典型特征。科学建模从理论产生、发展到成熟遵循了这样的发展模式：“科学理论———教学理论———实践检验———实践发展”如图1所示。建构主义的发展促成了其由“科学理论”向“教学理论”的发展，在实证研究范式检验下该教学理论得到了认可和推广；素养教育目标、综合课程改革及认知教育发展促进了其实践向更深、更细方向的发展，在教学模式、教学方式、教学策略、课程构建等方面都有了深入探索。实践的发展又反过来推动了理论的进一步完善。可以看出，科学建模的研究发展是各种科学背景因素共同作用的结果，也得益于科学教育研究范式本身的发展。

图1科学建模理论与实践发展模式

（二）科学教育核心素养体系构建

科学建模教育研究成果为我国构建科学教育核心素养体系提供参考。目前，美国科学建模教育研究走向了建模与探究、工程及其它实践活动融合的阶段。多样的学习活动围绕模型和建模展开，体现科学的本质并符合学生的认知发展规律，对提高学生的核心素养的连续、进阶发展［79］有重要意义。我国正处于高中新课标修订阶段，将建模能力培养及模型和建模本质的理解纳入核心素养体系，构建内涵明确、层级清晰的教学、评价一体化模型［80］将有利于新课程改革的实施和推进。

（三）学科专家引领的教学改革模式

建模理论在科学教育中产生广泛影响，其所采用的这种学科专家引领实践的模式对我国的教学改革有借鉴意义。从其理论产生过程看，这种以科学家根据自身科研经验并结合教学实践形成的理论扎根科学最本质的土壤，有着顽强的生命力。海斯特斯团队在NSF资助下通过工作坊的形式，利用假期对教师的培训不仅使老师学到了知识和技能，同时也点燃了教师的兴趣和热情。这种以专家团队为火种，教师为播火者的方式使其科学建模在理论和实践上都有了旺盛的生命力，吸引了更多人对其进行研究和改进。

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Overview and Implications of American Scientific

ModelingＲesearch inＲecent30-year

ZHAI Xaoming＆GUO Yuying

（Department of Physics，Beijing Normal University，Beijing，100875，China）

Abstract：Scientific modeling，the most popular international research hot point of physics education in recent ten years，which has made remarkable achievements in terms of aspects in both theory and practice，is the paradigm of science education experiment in America．Based on the introduction of its theoretical background，course of study divided into three stages along the international science education reform thread is analyzed with the education theoretical perspective，learning science，teaching science，citizenship as content analysis framework．Implications are draw on in terms of the research paradigm modeling of science education，the utilization of scientific modeling research achievements，and the reform mode of teaching in China．

Key words：model；modeling；scientific modeling；model-based instruction；model-based education；modeling competence；modeling theory；core competence

（责任校对：王萍萍

）櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘

（上接第58页）

government issued，and analyzes the backgrounds，contents，implementation and effects of these policies．Finally，make some reflection about how to realize the connotation of academic burden，make policies focusing on problems，take policies into action combining the advantages of two paths，and monitor the effects of reducing academic burden based on fact．

Key words：academic burden；historical retrospection；policies of academic burden

（责任校对：邵丽）

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