科学老师，你的建模课是否只教了“皮毛”，却丢了“灵魂”？

 

来源公众号：娜娜AI学习　作者：詹娜

科学的进步不是一步到位的。

在很多科学课堂上，我们常常看到这样的场景：老师拿出一个精美的心脏模型，讲解各个结构；或让学生用橡皮泥制作细胞模型，比比谁做得最像。

这些活动看似热闹，但你是否想过，学生可能只是学会了“复制”一个成品，却远未触及科学建模的核心——像科学家一样，通过构建、使用、评估和迭代修订模型，来解释和预测真实世界的现象。

这恰恰是当前科学建模教学中最常见的误区：我们把模型当成了知识的静态展示品，而非动态的思维工具。

误区：建模 = 制作一个“正确答案”的复制品

许多老师认为，建模的目标是让学生做出一个符合科学事实的、漂亮的最终模型。于是，教学流程变成了“展示标准模型 → 讲解知识 → 学生模仿制作”。

研究发现，绝大多数教师的教学实践仅停留在让学生“解释模型”，而很少引导他们亲身经历“设计、评估、修订”这一完整的建模循环。甚至有17%的教师表示从未引导学生修订过模型。

来源：Sanne Schnell, N., & Jan Alexis, N. (2021). Models and Modelling: Science Teachers’ Perceived Practice and Rationales in Lower Secondary School in the Context of a Revised Competence-Oriented Curriculum. 

带来的后果是：学生形成了一种误解：科学模型是权威的、一成不变的“正确答案”。他们学到了知识，却错过了科学最宝贵的本质——科学是一个基于证据不断修正和完善的探索过程。

破局关键：从“一次做对”走向“迭代修订”

真正的科学建模，其灵魂不在于第一次就做对，而在于根据新证据不断修正自己想法的迭代过程。

就像一个科学家提出了一个理论假设，然后通过实验去验证它。如果数据不支持，他不会死守错误，而是会修改甚至推翻原有理论，提出更优的解释。学生的建模学习也应如此。

一个成熟的学习者能“修订模型以更好地拟合已获得的证据，并改进对模型中机制的阐述，从而提高模型的解释能力。”

来源：https://www.nsta.org/science-teacher/science-teacher-novemberdecember-2019/using-models-teach-science

四步法：引导学生像科学家一样迭代改进模型

很多老师觉得“科学建模”难教，往往是因为不知如何下手。其实，关键在于将一个复杂的科学概念（如物质的粒子性）转化为一个学生可探究的驱动性问题，并让他们在解决这个问题的过程中，亲身经历模型的迭代升级。

我们来看看，一位优秀的美国六年级科学教师是如何利用“香味是如何从花传到你的鼻子的？”这个主题，带领学生完成一场思维探险的。

案例来源：Joseph, K., & Joi, M. (2012). Engaging Students in Scientific Practices: What Does Constructing and Revising Models Look Like in the Science Classroom?

第一步：构建初始模型——捕捉学生的“前概念”

课堂场景：上课伊始，老师拿出一朵散发着浓郁气味的鲜花（或一瓶香水），放在教室前方。问道：“我们所有人都能闻到这香味。那么，请你想象自己有一台超级显微镜，能看清香味本身的构成。画图告诉我，在你和花朵之间的空气中，你看到了什么？”

学生画出的模型（初始版）：此时，没有学过粒子理论的学生，通常会画出连续的、云朵状的波浪或线条，从花指向鼻子。这是他们基于生活经验（如看到烟雾扩散）最直观的猜想。

教师核心任务：鼓励而非评判。

• 强调：“画出你脑海中想象的画面，只要它能解释为什么香味能传过来就行。”
• 这一步的目标是让每个学生的初始想法“可视化”，为后续的对比和反思奠定基础。

初始模型的价值不在于对错，而在于它是学生思维的“起点快照”。

第二步：实证检验——用实验证据“挑战”模型

课堂场景：老师不会直接说“你们的模型不对”，而是设计了一系列探究活动，让学生自己收集证据：

1. 注射器实验：学生用注射器抽取空气，尝试压缩和推拉活塞。他们发现空气可以被压缩，也可以膨胀。
2. 讨论：老师引导提问：“如果你的‘连续云朵’模型是对的，空气应该像水一样很难被压缩。但我们的实验说明了什么？空气结构中可能存在着什么？”

学生发现证据与模型的冲突：初始的“连续云朵”模型无法解释“气体可被压缩”这一关键证据。

教师核心任务：搭建“脚手架”，帮助学生将具体的实验现象（活塞能压下去）与模型的抽象特征（物质结构）联系起来。

• 提问是关键：“这个新证据，要求我们的模型做出怎样的改变？”

让证据“说话”，让学生亲身感受到原有模型的“不足”，从而产生修订模型的内在动力。

第三步：评估与讨论——在思维碰撞中“反思”

课堂场景：老师组织“模型研讨会”，将学生第二次绘制的模型贴在墙上。学生进行小组巡回，讨论问题包括：

• “哪个模型能更好地解释‘空气可以被压缩’？”
• “这个模型说清楚香味是‘如何’移动的了吗？”
• “如果门开了，有风吹进来，根据这个模型，香味传播会更快还是更慢？为什么？”

学生的进阶模型（修订版）：此时，很多学生开始放弃“连续云朵”，转而画出许多小点（粒子） 来表示空气和香味。但他们可能会画得密密麻麻，或者认为粒子只在碰撞到“放大镜的边界”时才改变方向。

教师核心任务：引导深度评估。

• 帮助学生建立评估标准：一个好的模型不仅要符合证据（可压缩=粒子间有空间），还要有解释力（粒子运动碰撞解释传播），并尽可能精确。

讨论的目的不是选出“最佳模型”，而是深化对科学解释的理解——模型需要经得起多方质询。

第四步：修订模型——实现认知的“飞跃”

课堂场景：在经历了更多证据的收集（如不同温度下气味传播速度的变化）和深入的讨论后，学生被要求最后一次修订他们的香味传播模型。

学生的成熟模型（最终版）： 此时，学生的模型已非常接近科学概念。他们会画出：

• 明确的粒子（用不同形状区分空气粒子和气味粒子）
• 粒子间大量的空隙（表明气体可被压缩）
• 无序的运动轨迹和粒子间的碰撞（解释扩散现象）
• 清晰的图例标注

教师核心任务：强调修订的“目的”。

• 引导学生反思：“你这次修改了哪里？为什么要这样改？这样改之后，模型的解释力是变强了还是变弱了？” 
• 让学生明确，每一次修订都是为了更好地拟合证据和完善解释。

通过这四步，学生亲历的不仅仅是一个知识点的学习（物质的粒子性），更是一场完整的科学实践。他们从一种基于宏观直觉的猜想出发，通过收集证据、批判性讨论和反复修订，最终构建出了一个具有强大解释和预测能力的微观模型。

困惑：这个过程怎么打分？难道看谁画得好看？

这里的评估重点，绝非美术功底，而是思维的严谨性与演进。一个非常有效的工具是使用简易的模型评估量表。教师可以和学生一起明确几个核心维度，例如：

评估维度	水平1（初始）	水平2（发展中）	水平3（成熟）
与证据的匹配度	模型与实验证据（如空气可压缩）明显矛盾	模型能部分体现证据，但存在不一致	模型能清晰、合理地体现所有关键证据
解释的清晰性	无法说明香味传播的动态过程	能描述现象，但机制模糊（如“它就飘过去了”）	能用模型中的要素（如粒子运动、碰撞）清晰地解释机制
修订的合理性	修订是随意的，或仅为装饰	修订基于部分讨论或证据，但理由不充分	能明确说出修订何处及原因，且该原因与证据/评估标准直接相关

教师的提问：

• “根据我们的量表，你觉得这个模型在‘解释清晰性’上能得几分？为什么？”
• “你们组的修订，主要是为了提升哪个维度的得分？”

评估模型的目的，是为下一步的精准修订提供清晰的“导航”。它让学生明确自己的模型“好在哪里，差在哪里”，从而知道“该往哪里改”。评估量表将抽象的“好模型”标准具体化，使评估有据可依，让思维进步变得“看得见，摸得着”。

给教师的三个关键提醒

1. 拥抱“错误”：迭代的核心在于，每一次“失败”的预测或与证据的冲突，都是推动模型进步的宝贵机会。要营造安全的课堂氛围，让学生不怕犯错。
2. 提问重于讲解：教师的角色不是直接给出正确答案，而是通过提问（“你为什么这么想？”“这个结果对你的模型意味着什么？”）引导学生的元认知和批判性思维。
3. 可视化过程：保留学生从第一版到最终版的所有模型草图。这能让学生直观地看到自己思维的成长轨迹，成就感十足。

结语：从“教知识”到“教思维”

当我们把建模教学的重点从“复制一个完美的结果”转向“体验一次完整的探索”时，我们就不再仅仅是知识的传授者，而是学生科学思维发展的奠基人。

下一次建模课，不再将模型只视为应被学生接受的事实，而带领你的学生通过参与模型的评估和修订来理解科学是如何工作的，体验一场真正的、充满思辨与改进的科学冒险吧！

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