科学建模能力评述：内涵、模型及测评，本文主要内容关键词为：建模论文,内涵论文,模型论文,能力论文,科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
美国科学建模教学理论的创立者海斯特斯（Hestenes）认为，物理研究（或学习）的过程即对自然世界建模的过程。从这个意义上讲，物理学科教学的重要育人价值之一即培养学生的科学建模能力。所谓科学建模能力即针对自然现象抽象出其主要特征，依据科学直觉建构其关系、结构等概念模型，并用科学语言进行表征的能力。科学建模能力体现了科学本质的要求，是物理学科教学的核心价值。自20世纪80年代科学建模教学理论产生以来，科学建模能力受到了广泛关注，特别是近些年体现在了各国的课程文件中，如美国NRC提出[1]，应在所有学段培养学生的建模能力，并指出它是一种核心素养；澳大利亚2013年颁布的高中物理课程标准的目标中提出要让学生“理解物理中的模型和原理是如何建构和修正的”[2]等。 我国新一轮高中课程标准修订注重学生核心素养的发展，科学建模能力作为科学素养中的重要成分得到广泛认同。系统分析国内外科学建模能力内涵、模型及测评，可为我国建构和评价科学建模能力及制定其指标体系提供参考。 一、科学建模能力内涵 目前，国际科学教育领域对科学建模能力的界定可分为广义和狭义两种。广义的科学建模能力包括科学模型建构的能力、基于科学模型的能力和科学建模元认知能力。本文中的科学建模能力特指上述第一种，即科学模型建构过程中需要的稳定的个性心理品质，其具有内隐和外显两方面特质。内隐的特质即个体依据物理感知而内化的复杂认知行为；外显的特质即在分析处理各种有关自然现象的信息，并建构模型过程中的行为表现。由于内隐的认知和心理过程无法直接探测，只能借助于其外显的表现进行测评。因此，科学教育领域不仅关注学生的内在“建模过程”，而且关注学生的外显行为表现，不同的研究者从不同视角对科学建模能力的内涵进行界定。通过文献综述大体可以分为四种典型的视角：要素视角、行为视角、认知视角和建构视角。 （一）要素视角 早期的建模教学研究学者主要从科学家的经验思维特点去剖解建模过程，主张“把意识、经验分析为许多最小的基本要素研究”[3]，认为科学建模的过程遵循科学认识的一般规律和原则，是一步一步建构科学模型的过程，这个过程分解为若干要素，科学建模能力被分散到一个一个的建模要素中。其中最典型的代表是海斯特斯等早期提出的观点。[4，5]海斯特斯本人就是一个科学家，他通过内省和实践结合的方式，认为科学建模是应用一定的设计原则（科学理论）产生对象模型或自然过程模型的过程，建模本身是一种“过程性知识”，而建模能力主要表现为对描述、构想、衍生和验证四种建模要素的运用能力。哈伦（Halloun）继承了这种观点，并提出了图示建模的概念，他进一步将科学模型横向展开为包含要素、结构、域和组织的有机体，认为模型是科学知识的核心，而科学建模即建构和应用这些知识的过程。[6]哈伦认为，在问题解决过程中模型的选择、建构、验证、分析和利用是五个重要元素。而科学建模能力则是驾驭这些建模元素的能力。 上述对科学建模能力内涵的界定试图从科学研究过程中抽象出最本质的元素作为学习的“过程性知识”，并将其分解为具体的过程性要素，强调建模过程与专家科学研究过程的一致性，表现出的是一种经验的析解。但由于学生真实的建模过程是动态的，静态的分析忽视了学生的思维认知灵活性特点；基于专家经验的析解难以替代对学生认知过程的分析；要素分解方法本身破坏了建模的整体性，难以真实刻画完整的科学建模能力等诸多原因，使得该种视角的内涵界定积弊颇多。尽管如此，这种产生于科学建模理论早期的观点，至今仍有许多追随者。 （二）行为视角 部分教育学者认为建模本身是刺激与反应（SR）的强化过程，他们认同“唯一可以观察到并且可以用科学方法研究的是个体的外显的行为”[3]的观点。他们不重视科学建模的内在过程，将复杂的科学建模心理认知过程剖析为简单的对刺激的反应过程，而建模教学的目的就是通过强化刺激与反应之间的联系以提高学习者建模的能力。这些学者在分析科学建模过程时凸显其外显的部分，即将现象、结构或过程表征为可用以交流及推理的各种显化模型的过程，而建模能力则是各种显化的模型表征及交流的能力。这种观点最早体现在史密斯（Smith）等的研究中。他们通过计算机建模以帮助学生理解密度的概念。由于当时的计算机技术还不成熟，他们用一组点、方格等代表了物体的尺寸、重量和密度。试图通过一系列的表征、操作等互动过程强化外界感官刺激和操作熟练程度，实现对密度模型的建构。[7]凯里森（Callison）曾举例，工程师为了测试建筑对力的承受能力，会首先建构模型以进行测试。[8]其建构的模型仿真程度要求非常高，此处建模能力即对外部事物进行精准仿真的技能或行为。范莱恩（VanLehn）在凯里森等提出的模型分类的基础上，提出了三种建模语言，即结构分析、功能分析和行为分析。包括模型结构剖析、模型各部分及其之间联系和模型如何随时间发生变化等。他认为建模能力是一种“操作性知识”，包括建模语言、系统表征和从表征到模型的方式等。[9] 随着综合科学课程发展，美国2013年颁布的NGSS中将建模作为八种外显的实践活动之一，侧重于培养学生在实践活动中设计、表征、交流科学模型的能力等。 行为视角的观点在科学建模教学实践发展过程中发挥了重要作用，在实践中有更强的可操作性，因此受到了实践者的欢迎。特别是伴随着计算机仿真模拟技术的发展，开发基于计算机仿真模拟技术的建模教学课程、教学模式以及培养数据素养[10]成为科学建模研究的重要分支，强化了对科学建模行为的训练。但是，行为视角未侧重对学习者在学习过程中内在心理意识发展的研究，所以它无法解释学生在建模过程中真实发生的内在认知变化。 （三）认知视角 持认知视角的学者重拾行为视角学者所抛弃的关于科学建模“心理、意识”发展的考察，试图揭示科学建模认知发展的内在机理。特别是在计算机科学和人工智能理论的启发下，一些学者将科学建模的过程与计算机信息处理做类比，认为科学建模并非简单的模型表征过程，而是一整套的信息接收、加工、提取和输出的过程，科学建模能力则是其内在心智行为活动水平的体现。格雷戈尔（Gregoiré）认为科学建模能力是有效地调动、选择、运用及表达信息和知识，并付诸行动的能力，[11]他强调信息在模型建构过程中的意义；萨瑞（Saari）和维瑞（Viiri）指出建模是一个抽象的过程，许多建模的对象本身就是抽象的关系、结构等，需要学生具备较强的抽象思维能力[12]，他们强调思维能力在建模过程中的作用。克莱门特（Clement）等都强调心智模型是建模的核心，外部情境在头脑中形成“心智模型”，以作为推理、解释和预测的工具。海斯特斯进一步将这个过程完善，认为学生首先通过物理直觉针对自然情境形成心智模型，再通过数学直觉用数学语言将心智模型表征出来。[13]在他看来，物理直觉和数学直觉是建模的核心能力。斯特拉特福德（Stratford）等则具体到建模的表征过程，认为在用计算机表征模型的过程中本身也需要内在的认知能力，并提出了一个包含分析、推理、综合、测试和解释五个维度的认知策略框架。[14]这些研究都深化了对建模能力内在认知过程的认识。 认知视角侧重于内在模型心理图示的建构过程，承认“同化”“顺应”在模型建构过程中的作用，强调建模能力表现为对复杂心理过程的操控水平。它试图揭示建模过程认知发展的内在调控机理，这一方面有利于发展学生的科学建模能力；另一方面也是认知科学理论本身的发展和完善。然而，认知主义有一个明显的弊端，这也是一直为诸多行为主义研究者所诟病的：即其所谓的科学建模能力无法直接探测。特别是心智模型的建构，人们只能通过学习者的外在表现间接推知其心智模型发展情况。而心智模型本身也一直受到“框架理论”和“碎片理论”两种不同观点左右，即学生心智模型完善的过程是基于“框架”的选择过程，还是不完整的心智模型内部结构重组的过程？尽管如此，心智模型开启了揭开科学建模认知过程的一扇窗户，随着研究的日益增多，许多观点都得到了实证的支持。 （四）建构视角 建构视角与认知视角最大的不同在于，它强调学习者在建模过程中是主动与外界发生关联，并进行认知建构的过程，而非被动的信息加工过程。罗普斯（Lopes）认为，科学建模的过程即在一定的问题情境（任务）下，学习者应用或建构概念的过程。[15]因此建模能力是学习者在面对问题情境时，成功调用已有概念域中的相关概念，选择头脑中相似情境问题，以此为基础建构心智模型并最终通过操作性活动解决问题的能力。罗普斯的观点具有代表性，它强调外部环境刺激、内部心智过程和模型建构行为是一个统一连贯的整体，而学习者模型建构过程是一个主客观相互作用的过程。 可以看出，建构视角的科学建模过程建立在其他几种视角的基础上，是注重个体主动与环境间发生联系，并主动建构模型的认知发展过程，它既强调内在的思维活动，也强调外在的行为表现。这种观点指引教师积极探索如何促进学生自主的科学建模能力发展，催生了如基于模型的探究（MBI）等诸多教学实践活动的发展。 综合上述几种视角，可以认为科学建模能力是主体意识对客体现象复杂加工过程中表现出来的个性化心理品质：基于原有认识，观察、分析物理现象形成初步的心智模型，通过推理、论证等复杂的认知行为对心智模型进行修正，并最终形成概念模型，是一种主动的内在心智行为能力。同时表现在主体行为对客体现象的操作表征过程中：以交流、解释、预测等为目的，将心智模型用图、表、实物、计算机仿真、数学语言等进行表征，再通过观察、实验等手段对其进行验证、修正，是一种外显的科学探究能力，与科学家的科学研究能力具有本质的一致性。 二、科学建模能力的典型模型及测评 为了对科学建模能力进行描述，许多学者试图建构科学建模能力模型以系统、细致刻画学生在建模过程中的能力表现。笔者拟介绍三类典型的模型及其测评，并对测评中的相关问题做详细介绍。 （一）要素模型 在建模能力模型建构的早期，许多学者关注的是建模过程中一些外显的表现。他们进一步把这些表现进行细分，包括横向的分类和纵向的分割，以试图将建模能力具体化为各种可供操纵的要素，并建构系统的模型。台湾学者邱美虹等是最早尝试建构科学建模能力模型的团队之一。他们从本体论、认识论和方法论三个维度建构了一个完整的科学建模能力模型（见图1）。其中，从方法论角度的部分与本研究所指建模能力概念一致。在此基础上，他们又将方法论维度科学建模能力横向分成了三类：问题解决的能力、了解观察现象的能力、连接与发展想法的能力。他们认为建模过程中主要的认知活动包括：确认情境中每个现象的系统组成；确认建模的目的和预期结果的有效性；选择理论评论模型；处理与分析模型等。[16，17]邱美虹等建构的能力模型在分类标准上有别于传统对科学能力的认识，其不依托具体内容、任务和情境的问卷式测评方式被指仅能测评学生的“建模元认知能力”或“模型的本质观”，而不能真实测评出学生的科学建模能力，因此备受争议。
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