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本刊2024年第7期刊发的《基于心智模型进阶的导引式建模教学研究》一文，基于心智模型进行进阶的导引式建模教学，注重教学的起点与学生前科学模型的接轨，关注学生的心智模型与建模过程的双线交叉，从学生身上寻找着力点，以此为突破形成简易可循的模板，本期荐读。
基于心智模型进阶的导引式建模教学研究
詹琪芳
（上海市卢湾高级中学）
建模教学有助于学生对科学概念的理解，本文基于心智模型列举沪科版高中《生物学》中的内容进行进阶的导引式建模教学，注重教学的起点与学生前科学模型的接轨，关注学生的心智模型与建模过程的双线交叉，从学生身上寻找着力点，以此为突破形成简易可循的模板，既使学生经历科学建模的过程，发展科学思维，又为落实学科的核心素养奠定基础。
心智模型 建模教学 模型与建模 学习进阶
近年来，模型与建模的教育价值逐渐得到科学教育研究领域的认可，认为其是科学发展的重要元素，也是科学学习中不可或缺的认知与能力。2013 年，美国在《新一代科学教育标准》 中，将培养学生“开发和使用模型”的能力放在重要地位。在《普通高中生物学课程标准 （2017 年 版 2020 年修订）》（以下简称《课程标准》）中，建模被列为物理学、化学、生物学等多个学科核心素养中科学思维的关键要素，具有跨学科属性。科学建模能够帮助学生简化对复杂抽象事物的认识，促进对科学概念的理解。长期以来，教师在教学过程中多采用单向输出的方式呈现科学概念与学科知识，未能全面兼顾学生对概念的自我内化及学生需要的思维引导和衔接，致使师生间缺乏“共情”，教师对学生的建模动态认知不甚清楚，学生也无法领悟教师的深刻用意，难以建立起清晰完整的科学模型。这种师生间的“异频失调”已成为学生科学建模的阻碍。我国科学教育研究者已经关注到这一亟待解决的关键课题，提出了各式理论框架和教学模式供教师们参考借鉴。本研究围绕心智模型（mental model）逐级进阶，开展导引式建模教学，以《课程标准》为导向，以沪科版高中《生物学》教材为实施载体，立足课堂，从学生身上寻找着力点，以此为突破形成简易可循环的模板。经过实践，取得了一定的成效，可以使学生经历科学建模的过程，发展科学思维，为落实学科的核心素养奠定基础。
NO.1
1. 心智模型的进阶式理论框架
心智模型源自认知心理学，指长时记忆中的要素与外在情境或刺激物相互作用所形成的动态的内部表征和认知结构，是学生理解、推论和预测的基础。最早关于学生心智模型发展的理论模型是由 Vosniadou 等构建的，他们发现儿童具有初始心智模型（initial models）、综合模型（synthetic models）和科学模型（scientific models）3 类心智模型。后续研究认为，心智模型是由知识要素和要素间关系构成的系统，该系统中的知识要素及关系围绕某些核心要素进行组织，且学生的心智模型会随着要素和要素间关系的不断丰富、完善和修正进阶发展。
综合科学性和完整性的视角，张静等提出将学生的心智模型划分为无模型、非科学模型、科瑕模型和科学模型 4 个层级。其中，无模型和非科学模型是学生在接受正式的科学教育之前，在现实生活中通过长期的经验积累与辨别式学习而获得的一些感性印象，或知识零碎，或核心概念缺失，或误将迷思概念当作核心概念，多是一些与科学知识相悖或不尽一致的观念和规则。本文统归为前科学模型。科瑕模型则是学生的知识结构围绕核心概念组织并构成系统，核心概念和相关要素的关系基本科学，或将无关要素纳入其中，或要素间关系存在少量错误或缺失，此时学生已基本能把握事物的本质特征，具有科学思维的基本形态，但还不够完整准确。科学模型则是学生的知识结构围绕科学的核心概念组织，且相关要素与核心概念的关系均与科学认识一致，此时学生达到科学思维水平。本文基 于此理论框架展开组织教学，如图 1 所示。
NO.2
2. 建模教学的模式框架
建模教学理论由美国物理学家 Hestenes 等首次提出并实践，逐步发展为影响美国教学改革的重要教学模式。1996 年，Halloun认为可以通过互动与辩证的方式，帮助学生在建模历程中发展其模型的有效性和迁移性，从而将基于模型的问题解决的教学依次划分为模型选择、模型建立、模型验证、模型分析和模型拓展 5 个阶段 ，他还认为中间的 3 个阶段可以交错重叠。2009 年，Schwarz 等认为建模实践为构建模型、使用模型、评价模型和修正模型的四要素循 环过程，其中，构建模型指基于先前的证据和理论构建模型；使用模型指使用模型解释和预测现象；评价模型指依据模型使用效果来评价模型；修正模型指考虑多种证据或新现象来修正模型。本文综合上述理论，同时结合教学实践，将建模教学划分为模型建立、模型改进和模型拓展 3 个阶段。其中模型建立包含 2 种情况：1）模型的选择，即从熟悉的模型中挑选出现有的、 合适的模型稍加改动。2）根据建模的目的和模型的使用范围，自主构建适切的模型，这对学生要求较高，需要丰富的个人经验。模型改进是一个迭代循环，在初代模型建立之后，用来解释情境中的现实问题，利用模型制造认知冲突，让学生进行批判性思考并分析模型，在此基础上修正模型，形成二代乃至三代模型再次运用，如此循环，直至与建模的目的相一致。最后的模型拓展阶段是帮助学生发展迁移的技巧，能用建立的模型来解释新情境，甚至在已建立模型的基础上进行延伸，再构建一个新的模型。
NO.3
3. 基于心智模型进阶的导引式建模教学模式
建构主义强调，学习是指学习者以原有经验为基础，对新旧经验进行反复的意义建构，自主将新知识融合到自身认知结构中。学生在自主建构新知的过程中，每个阶段所表现出的心智模型是有差异的，教师应以学生的心智模型发展规律为依据，规划课堂教学活动，关注学生的动态建模过程，强化在科学建模活动中的导引作用。导引是指通过教师的有意设计为建模活动搭建脚手架，顺势给予思维指导，使学生发生概念转变，这里借鉴了美国康奈尔大学教育系的 Posner 等提出的概念转变模型（conceptual change model，CCM），确保每一环节的进阶深化都有助于学生完善自身的科学模型，逐步进入主动构建的学习活动中。将心智模型的进阶式理论框架和建模教学的模式框架进行双线整合设计，如图 2 所示，标注了二者间的对应关系，既围绕概念转变逐级深化科学建模，又贴合学生的主观理解，使课堂教学成为有序的整体。
NO.4
4. 教学应用与实践案例
基于心智模型进阶的导引式建模教学模式主要围绕模型展开，学生的活动和讨论同样围绕模型和建模展开。沪科版高中《生物学》必修 1 第 4 章“细胞的代谢”第 1 节“细胞通过质膜与外界进行物质交换”内容包含 3 个次位概念，分别是“阐明质膜具有选择透过性”“举例说明有些物质顺浓度梯度进出细胞，不需要额外提供能量；有些物质逆浓度梯度进出细胞，需要能量和载体蛋白”“举例说明大分子物质可以通过胞吞、胞吐进出细胞”，隶属于模块 1“分子与细胞”大概念 2 的重要概念“物质通过被动运输、主动运输等方式进出细胞，以维持细胞的正常代谢活动”。为了帮助学生通过构建 3 个次位概念而达成重要概念，以便更好地理解大概念，教师开展基于心智模型进阶的导引式建模教学，经过实践，学生基于建模解决问题的能力得到训练， 取得了很好的效果，如表 1 所示。
NO.5
5. 讨论与展望
建模教学的提出已有近 40 年的历史，产生了大量的研究成果，其优于传统教学的教学效果得到了各方证实。本研究结合我国实际课堂教学条件，形成的基于学生心智模型进阶的导引式建模教学模式在教学实践中取得了较好的效果，对于提高学生学习生物学的兴趣和培养科学思维有着积极作用。为了有效地应用该教学模式，需要考虑多个因素对教学实践的影响，并根据实际情况进行改进和调整。
5.1
注重教学的起点与学生前科学模型的接轨
5.2
心智模型的逐级进阶，建模过程的逐渐深化，二者是一个同向并行的过程，教师在教学设计中，必须同时关注，不可顾此失彼；二者有着密切的联系，教师导引式的建模教学辅助学生思维的衔接和过渡。创设的真实情境、 实验演示、动画视频、实物模拟等多种教学手段均可以在感性认知与理性思维间架设桥梁，而根据 CCM 模型，有意地制造认知冲突可以使学生迅速修正并构建科学模型，并意识到科学模型具有很强的解释力，帮助其理解生活中的科学现象。
建模教学让学生亲身经历了模型发展和模型拓展的过程，学生能够自主构建模型，与同伴交流观点，掌握问题的解决方法，这些是大多数科学职业所需要的重要技能。在美国，建模教学理论已成为物理学教育改革中影响较大的理论之一。自 1980 年创始以来，建模教学作为一种教学方法广泛而成功地应用于物理学教学，美国接近 10% 的高中物理学教师接受过正式的建模教学培训。我国建模教学起步较晚，且呈现明显的学科间发展不对称，尤其在生物学学科的应用报道较少。新一轮课程改革强调核心素养及其发展，促进学生核心素养中各个要素的持续发展将是未来很长一段时间内的研究重点。模型构建是科学思维的重要组成部分，模型不断改进的过程正是科学思维发展的过程，本研究聚焦建模教学在心智模型进阶中的理论 和实践研究，期望教师可以有所借鉴，促进学生的整体发展。
本次推送仅节选了文章部分内容，全文阅读详见本刊2024年第7期。欢迎订购！
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