建模能力教学的学习成效外文翻译资料

 2023-01-10 16:11:57

建模能力教学的学习成效

原文作者 Shu-Nu Chang

摘要：为了实现科学素养的目标，除了传递科技理念外，培养学生的建模型能力变得非常重要。在职教师所面临的困难是，他们的教学负担增加了，而他们仍被有限的教学时间所束缚。教师也许知道建模能力、与生活相关的内容以及实践活动对科学学习很重要、有帮助，但是，他们往往发现很难将这些方法在有限的教学时间内全部用到。因此，本研究的目的就是为了开发一种基于认知学徒制和建模能力框架的有效教学方法，以促进学生的建模能力和对电池相关概念的理解力。在本研究中，一个以主题为导向的教学设计被采纳，并发展出了一个四课教学（总共200分钟）。共有来自三个班级的149位非科学专业生应邀参加了这项研究。他们被随机分配到不同的班级。学生的表现由一般建模能力测试，概念测试和基于情境的建模测试这三种测试工具来进行评估。结果表明，认知学徒制和建模能力教学显著提高了学生的建模能力，又提高了学生关于电池概念的学习。然而，值得注意的是，这项研究所提供的“建模能力教学”和“视频实验室”发挥了至关重要的作用。这项研究的影响同样值得讨论。

关键词：建模；模型；认知学徒制；电池概念

引言

在过去的几十年里，模型和建模已被视为一种重要的媒介，用于科学家的科学研究，教师的科学教学以及学生的科学学习。在学习和教授科学的过程中，模型是重要的表征和工具(e.g., Gilbert amp; Boulter, 1998a, 1998b; Grosslight, Unger, amp; Smith, 1991; Harrison amp; Treagust, 2000; Justi amp; Gilbert, 2002; Justi amp; van Driel, 2006)。科学模型和建模历程也可以让学生养成高阶的科学思维和科学操作。例如开发元认知以了解科学界的探究过程；渐渐熟悉知识的发展和建构过程；对有关科学知识的理解进行个人反思 (Clement, 1989; Coll, France, amp; Taylor, 2005)。学生通过建模教学，能够将建模能力转移至科学学习和科学探究中(Schwarz amp; White, 2005)。他们能够区分宏观现象层面和微观现象层面之间的关系 (Ergazaki, Komis, amp; Zogza, 2005)。另外，模型和建模能力被认为是科学素养的重要组成部分 (Gilbert, Boulter, amp; Elmer, 2000)。

科学素养的目标是为了帮助个体在当下这个科技导向型的社会中更好地生活。为了实现科学素养的目标，促进学生和市民对科学的学习兴趣、理解和尊重，我们需要更加重视科学学习过程中的教学设计和评价(Aikenhead amp; Ryan, 1992; Champagne amp; Newell, 1992; Jenkins, 1992; Laugksch, 2000; Laugksch amp; Spargo, 1996)。如何让学生理解科学概念，同时获得建模能力呢？将科学概念与日常生活现象以及实践活动相渗透已取得良好的学习效果(Chang amp; Chiu, 2005)。然而，在职教师常常提到，在有限的时间内，每堂课都如此教学的不易。这也是他们无法将过多与生活相关的内容添加到科学概念的学习中或者花过多时间以实践活动来诱导学生的学习兴趣或建模能力的原因。因此，如何帮助教师以更高效和更富成果的方式进行教学就变得越来越重要。本研究的基本思想是开发一种建模能力教学，以促进学生的科学学习和建模能力。

基于以上论述，本研究的目的是为了探讨嵌入“建模”和“认知学徒制”两大理论的教学设计的学习成效，以期促进学生的建模能力以及对电池相关科学概念的理解。在科学教育中，模型和建模的重要性日益凸显，而且关于建模能力的框架已经确定。此外，以往的研究对嵌入认知学徒制理论的教学成效有所描述。

科学学习中的模型和建模

据相关研究数据透露，当学生掌握更多有关模型的知识时，他们会表现得更加出色(Harrison amp; Treagust,2000;Hodson,1993）。可视化的模型除了帮助学生的科学学习之外，还能促进学生创建动态心智模式的能力 (Velaacute;zquez-Marcano,Williamson,Ashkenazi,Tasker,amp; Williamson,2004)。另外，建模教学可以纠正学生的迷思概念(Metcalf amp; Tinker,2004)。根据文献优势，在这个科技迅猛发展的世纪，培养学生的建模能力离不开教育。因此，在此研究中，发展出促进学生建模能力的建模教学是目标，以期这种教学能提高学生对科学概念的理解。在教授电学、光学等具有挑战性的主题时，Slotta和Chi在教授科学概念之前对学生进行了本体培训。结果表明，接受了本体培训后的学生可以更深刻地理解电流(Slotta amp; Chi,2006)。在这项研究中，笔者做出了一个类似的假设：在建模教学之后，学生能更好地学习科学概念。建模能力教学的开发渗透了建模能力框架和认知师徒制理论。

建模能力框架

本研究是一项为期两年的项目的一个子项目，它是由国际科学委员会(NSC 95-2511-S-156 -001-MY2)共同出资的项目。加盟项目的一个主要目标就是开发出用于评估学生建模能力的问卷。建模能力的三个维度包括本体论（Chou,2007），认识论(Wu,2007)和方法论(Chiu, 2007)。这三个维度的本质是，个体需要知道（1）本体论：什么是模型和建模？（2）认识论：如何知道模型和建模？（3）方法论：如何操纵模型或创建模型来学习概念或解决问题？图1作了详细的描述。关于本体论，学习者需要知道，模型具有一个对应关系，能够呈现科学概念的表现形式与变化关系。就认识论而言，学习者通过个体表征、知识的发展过程以及展现科学现象的特定情境来学习模型和建模。通过方法论，学习者可以建立解决问题、了解现象、连接并发展心智模式的建模能力。我们可以说，建模是一个复杂的过程（Halloun,1996）。共有46个项目的李克特量表的开发就是为了评估学生基于建模能力框架的“一般”建模能力（意味着每个项目中没有涉及任何特定的科学概念），以及探讨学生在这项研究中，建模能力的改善情况。建模能力的三个维度也被嵌入到这项研究的教学设计中。问卷中的项目是由 Chiu(2007),Chou（2007)和Wu (2007)提出的。

正如上文所论述的，除了一般建模能力问卷这一基础外，了解学生是否能将自身的建模能力运用到特定情境中同样重要。因此，在本研究中，还开发了一个基于情境的建模能力测试。Halloun指出，模型是一个复杂的过程，它应包括确定问题、模型选择、模型建构、模型效化、模型分析、模型调度、模型应用与模型重建等一系列过程（1996）。在基于情境的建模能力测试题的设计中，这八个维度均有所涉及，主要集中调查学生是否能建立具有个人特征的模型。关于基于情境的建模能力测试题的具体设计情况，这在之后的研究方法这一节中会有详细的说明。

认知学徒制的学习成效

学徒制作为一种教学方法已经有很长一段时间了。认知学徒制也已被视为是一个良构而综合的理论。它是由Collins, Brown 和Newman在1989年提出的，代表的是一种理想的教学环境。认知学徒制希望学生能经历专家们解决复杂问题的探究过程，从而来引导学生学习，旨在促进学生的自学能力和建模能力。其主要特征有两点：（1）让学生明确了解专家们解决问题的过程；（2）让学生通过观察来学习。这就揭示了，学生通过专家们的示范，可以发展出更多的学习策略。(Graeber,Neumann,amp;Tergan,2005)。认知学徒制还强调，学者应该在真实的环境中学习，以实现学习者对相关概念的深度理解。(Collins,Brown,amp; Newman,1989)。此外，认知学徒制还为新手们提供了机会，让他们去观察专家们在做些什么、思考些什么，也让他们获得了来自专家们的指导。认知学徒制专注于让学生通过观察专家们的建模历程和教学行为来积极建构自己的知识框架。通过真实环境和协作体验，它也促进了学生的内部动机。(Graeber et al.,2005)。总而言之，认知学徒制为传授和学习复杂技能及概念提供了适宜环境。(Chiu,Chou,amp; Liu,2002;Tilley,2001).

就认知学徒制的框架而言，在这种学习环境中，需要考虑以下四个维度：内容、教学方法、学习群体和学习活动顺序。也就是说，一个良好的学习环境需要同时考虑到这四个动态互作的维度。表1详细描述了每个维度的要点。

自从Collins等人在1989年提出认知学徒制的理论，近年来，越来越多的研究者利用这个理论框架进行了研究，并取得了良好的效果。基于对过去研究成果的显著影响，认知学徒制理论被纳入建模能力教学，以促进学生的建模能力和对科学概念的理解。

研究目的和研究问题

根据上文的理论背景叙述，本研究的目的是为了探讨基于建模能力和认知师徒制（CA）两大理论的建模教学，其学习成效如何？三个主要研究问题分别是：通过认知学徒制和建模教学（1）学生的一般建模能力是否有所提升？（2）学生关于科学概念的学习效果是否有所提高？（3）学生基于情境的建模能力是否有所提升？

研究方法

根据科学素养的目标，使非科学专业学生理解和欣赏科学技术是非常重要的。本研究旨在促进非科学专业学生的建模能力和对科学概念的理解。由于电池的相关概念在教学中需要使用，因此，建模教学设计中涉及了电池的相关概念。本研究选择定量的方法来揭示学生在建模能力和科学学习方面的学习成果。在本节中，笔者对参与者的背景、教学设计、用以评估学生学习成效的开发工具以及数据分析均有所阐述。

参与者

共有149位非科学专业的学生应邀参与这项研究。他们是由来自不同部门的三个班级组成的：国际贸易部（62位）、会计部（57位）、日语应用部（30位）。参与者都是新生。他们都报名参加了为期18周，名为自然科学导论的课程。这门课程是以主题为导向的设计课程。其目的是为了让学生学习由自由大学和通识教育学院发起的可持续发展观。电池就是本门课程的主题之一。三个班的学生随机重组，去接受不同的教学设计方法。分配如下：（1）认知学徒制 建模教学（62位学生）；（2）建模教学（57位）；（3）对照组（30位）。教学设计的详细描述如下。

教学设计

本研究的假设是，经过建模教学后，学生能更好地学习科学概念。因此，对于实验组（建模教学组），教师先给学生们介绍建模能力的框架，之后再通过视频实验室，教授电池的相关概念。另外，由于认知学徒制已被公认为是一种用于发展学生能力的良好教学方法。因此对于另一实验组（认知学徒制 建模教学组），认知学徒制的四个维度全部被嵌到建模教学中，以探究认知学徒制是否能提高学习者的学习成效。

本研究中使用的课程是一个以主题为导向的设计课程。每个主题的教学设计时限为200分钟，在两周内完成（共计4堂课）。因此，受邀的三个班级在这项研究中都体验了时达200分钟的教学。随机重组后的三个班级接受了不同的教学设计，分别是认知学徒制 建模教学、建模教学以及对照组。认知学徒制教学的基本思想就是教师利用表1所示四个维度的特征来帮助教授电池的相关概念。至于认知学徒制理论中，教学方法的建模阶段，由于大学中没有科学实验室，因此学生们只能观看实验室视频。视频展示了一位女科学家在真实实验室中构建伏特电池的过程。在认知学徒制 建模教学组中，认知学徒制的四个维度全部嵌入教学设计。而建模教学的设计是基于建模能力的三个维度，即本体论、认识论和方法论。学习者在课堂中要呈现每个维度的含义，并提供相应的例子。

在认知学徒制 建模教学中，学生在接受认知学徒制教学的同时，又接受了建模教学。然而，处于建模教学组的学生，他们只接受建模教学和观看实验室视频。这就导致学生缺乏认知学徒制理论中的建模阶段。在对照组的教学中，教师只利用PPT向学生传授伏特电池构件的概念，不借助任何视频和建模教学。也就是说，在完成整个教学和评价后，对照组有机会去观看实验室视频和了解建模能力。教学设计的详细内容见附录一。正如前面所提到的，本研究是一个加盟项目的子项目。因此，教学设计在真正实施之前，要得到加盟项目中，三个主导研究者的审批。

工具

由于本研究的目的是为了开发出建模能力教学模式，以促进学生的建模能力和对电池科学概念的理解，因此本研究采用了三种工具来评估学生的表现，分别是一般建模能力测试、电池的概念测试以及基于情境的建模能力测试。用于检测学生一般建模能力的李克特量表，它是由其他子项目 (Chiu,2007;Chou,2007;Wu,2007)发展而来的。为了评估参与者在电池概念上的学习成效，本研究开发了两套开放式问卷（见附录二，概念测试），分别用于前测和后测。除了一般建模能力问卷外，为了评估学生在特定情境中的建模能力，本研究还开发了两套开放式问卷（见附录三，基于情境的建模测试），分别用于前测和后测。全球变暖就是基于情境的建模测试题中所设计的情境。总体的研究设计见表2。为了分析不同教学方法的学习成效，笔者对由测试工具收集到的数据作了进一步的分析，同时，对所有的教学都进行了录影。

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