陳娟娟陳凱亮

（浙江大學(xué) 教育學(xué)院，浙江杭州 310028）

一、引言

“計(jì)算機(jī)+”學(xué)科交叉人才培養(yǎng)是人工智能時(shí)代創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要議題（劉繼安，等，2022）。 如，計(jì)算生物學(xué)以數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)作為主要工具和手段，以解決生命科學(xué)相關(guān)的問(wèn)題為目標(biāo)。 因此，學(xué)科交叉科學(xué)創(chuàng)新型人才需要既懂得科學(xué)知識(shí)和科學(xué)思維，又懂得計(jì)算知識(shí)和計(jì)算思維。為培養(yǎng)科學(xué)創(chuàng)新型人才，近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者認(rèn)為，應(yīng)該在數(shù)學(xué)、科學(xué)等核心學(xué)科中融入計(jì)算思維的培養(yǎng)，以擴(kuò)大學(xué)生計(jì)算思維學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)（Basu，et al.，2016；Sengupta，et al.，2013； 孫依諾，2021）。然而，如何在核心學(xué)科教學(xué)中融入計(jì)算思維元素，仍是教育工作者面臨的較大挑戰(zhàn)，特別是在科學(xué)教育中，掌握分析與綜合、抽象與概括、歸納與演繹等科學(xué)思維，對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)已有較大難度，同時(shí)發(fā)展科學(xué)思維和計(jì)算思維將更具挑戰(zhàn)性（Basu，et al.，2016；Román-González，et al.，2017）。

已有研究表明，計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)，可以成為科學(xué)教育中科學(xué)思維和計(jì)算思維協(xié)同培養(yǎng)的有效途徑（Sherin，2001；Hambrusch，et al.， 2009）。計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)是指學(xué)生針對(duì)科學(xué)問(wèn)題，基于計(jì)算機(jī)建模軟件或系統(tǒng)通過(guò)建構(gòu)模型、 分析模型、修正及運(yùn)用模型等建模實(shí)踐活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)自然世界和自然現(xiàn)象的描述、 解釋或預(yù)測(cè)現(xiàn)象結(jié)果的一種學(xué)習(xí)方法（Weintrop，et al.，2016）。 這種學(xué)習(xí)方法蘊(yùn)含著問(wèn)題表征、抽象、分解、仿真、驗(yàn)證和預(yù)測(cè)等計(jì)算思維技能和實(shí)踐。 特別是針對(duì)復(fù)雜現(xiàn)象和抽象概念的建模實(shí)踐，不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，還可以發(fā)展他們的計(jì)算思維技能，呼應(yīng)了“科學(xué)新課標(biāo)”實(shí)踐創(chuàng)新的需要。 但已有研究并未深入探討科學(xué)教育中建模學(xué)習(xí)與計(jì)算思維的內(nèi)在聯(lián)系機(jī)制。 在實(shí)踐應(yīng)用方面，雖然已有多項(xiàng)將計(jì)算思維融入數(shù)學(xué)、科學(xué)等核心課程的嘗試和實(shí)踐， 如，Bootstrap（Schanzer，et al.，2018）、GUTS （Lee，et al.，2011） 以及CT-STEM（Swanson，et al.，2019），但系統(tǒng)模塊化的課程還比較少。 且尚未有研究者從教學(xué)實(shí)踐中歸納出建模學(xué)習(xí)模式，不同學(xué)段相關(guān)教學(xué)具體該如何實(shí)施，仍缺乏相應(yīng)的研究。因此，本研究在梳理科學(xué)建模學(xué)習(xí)理論并論證計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和計(jì)算思維可行性的基礎(chǔ)上， 構(gòu)建了相應(yīng)的學(xué)習(xí)模式，通過(guò)大學(xué)生、中學(xué)生及小學(xué)生科學(xué)建模學(xué)習(xí)的三個(gè)案例分析，展示了相關(guān)教學(xué)的實(shí)施方法，表明了這種學(xué)習(xí)方式可以在不同學(xué)段的科學(xué)課程中開(kāi)展，以促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)思維和計(jì)算思維的協(xié)同發(fā)展， 并提出了未來(lái)的實(shí)施建議， 以期為教育工作者實(shí)施計(jì)算機(jī)建模課程提供參考。

二、計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)的源起、內(nèi)涵與理論基礎(chǔ)

（一）建模學(xué)習(xí)與科學(xué)建模學(xué)習(xí)的源起

20 世紀(jì)80 年代， 美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)海斯特斯（Hestenes）教授最早提出基于科學(xué)建模的教學(xué)理論，通過(guò)建構(gòu)科學(xué)模型以解釋和預(yù)測(cè)自然現(xiàn)象，以加深學(xué)習(xí)對(duì)科學(xué)知識(shí)的理解（1987）。 1992 年，海斯特斯基于先前的建模教學(xué)理論，以牛頓力學(xué)為例，進(jìn)一步系統(tǒng)性地闡釋了科學(xué)建模教學(xué)過(guò)程和策略，并對(duì)以模型為中心的教學(xué)方法進(jìn)行詳細(xì)敘述（Hestenes，1992）。 他認(rèn)為，模型是對(duì)事物、事件、系統(tǒng)或過(guò)程的抽象表征，具有描述、解釋或預(yù)測(cè)的作用；而建模則是通過(guò)分析事物、事件、系統(tǒng)或過(guò)程的關(guān)鍵特征，用符號(hào)、文字以及圖表等方式構(gòu)建出模型，并對(duì)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)修正與應(yīng)用的過(guò)程。

20 世紀(jì)90 年代， 基于模擬仿真和數(shù)據(jù)可視化的計(jì)算機(jī)建模軟件或系統(tǒng)， 可以為建模學(xué)習(xí)提供豐富的建模情境和腳手架，使建模學(xué)習(xí)更具操作性。計(jì)算機(jī)建模軟件或系統(tǒng)，一方面可以動(dòng)態(tài)、可視化地呈現(xiàn)抽象概念、復(fù)雜系統(tǒng)或演繹過(guò)程；另一方面，其仿真功能允許學(xué)生控制和改變有關(guān)變量參數(shù)， 并持續(xù)觀察、反思、檢驗(yàn)和修改模型。 研究者們借助計(jì)算機(jī)工具如Co-Lab 工具 （van Joolingen， et al.， 2005），在K-12 科學(xué)教育中廣泛開(kāi)展科學(xué)建模教學(xué)， 探索了學(xué)生的建模認(rèn)知策略、建模實(shí)踐等，促進(jìn)了計(jì)算機(jī)建模與科學(xué)教育的融合（Hogan， et al.， 2001； Sins，et al.， 2005； Zhang， et al.， 2006）。 目前，在科學(xué)教育中，計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)，是促進(jìn)學(xué)生學(xué)科知識(shí)、 科學(xué)本質(zhì)觀以及科學(xué)思維能力發(fā)展的重要手段（Hutchins， et al.， 2020）。

（二）計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)內(nèi)涵、特征與理論基礎(chǔ)

1.科學(xué)建模學(xué)習(xí)的內(nèi)涵

我國(guó)《科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》將建模作為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的重要手段之一， 學(xué)生通過(guò)對(duì)客觀事物進(jìn)行抽象和概括，進(jìn)而建構(gòu)模型，并運(yùn)用模型分析、解釋現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、關(guān)系及變化過(guò)程（中華人民共和國(guó)教育部，2022）。 當(dāng)前，許多國(guó)家的科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)都明確了基于模型和建模學(xué)習(xí)的重要性。美國(guó)《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》和澳大利亞《科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》均指出，在課堂教學(xué)中應(yīng)當(dāng)支持學(xué)生使用模型、建模和仿真等方法進(jìn)行科學(xué)探究，以提高學(xué)生 對(duì) 復(fù) 雜 科 學(xué) 現(xiàn) 象 的 認(rèn) 識(shí)（NGSS，2013；ACARA，2018）。 在學(xué)習(xí)科學(xué)視角下，計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)， 是學(xué)生針對(duì)科學(xué)問(wèn)題情境并基于計(jì)算機(jī)建模軟件或系統(tǒng)通過(guò)建模實(shí)踐活動(dòng)， 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)自然世界和自然現(xiàn)象的描述、 解釋或預(yù)測(cè)現(xiàn)象結(jié)果的一種學(xué)習(xí)方法。 其中，建模實(shí)踐活動(dòng)包括模型構(gòu)建、模型分析、模型修正和模型運(yùn)用。通常，研究者認(rèn)為，科學(xué)建模學(xué)習(xí)既包括建模知識(shí)學(xué)習(xí)（即對(duì)模型本質(zhì)的理解及建模過(guò)程本身的認(rèn)知），又包括構(gòu)建模型、評(píng)價(jià)修正模型和應(yīng)用模型等建模實(shí)踐活動(dòng)（Buckley，et al.，2000； Schwarz，et al.， 2009）。 通過(guò)這樣的學(xué)習(xí)方式，學(xué)生不僅會(huì)對(duì)科學(xué)本質(zhì)和科學(xué)知識(shí)具有深刻的理解，還可以發(fā)展分析與綜合、抽象與概括、歸納與演繹等科學(xué)思維。

學(xué)習(xí)者可以利用計(jì)算機(jī)工具進(jìn)行科學(xué)建模，將復(fù)雜問(wèn)題抽象為可模擬仿真的計(jì)算模型， 并通過(guò)仿真對(duì)模型進(jìn)行分析、調(diào)試、迭代和驗(yàn)證。 在基于計(jì)算機(jī)建模工具構(gòu)建科學(xué)模型時(shí)， 學(xué)生需要理解系統(tǒng)中不同變量的含義， 并明確這些變量之間的因果機(jī)制（de Jong，et al.，1998）。例如，在物理學(xué)科中關(guān)于牛頓第二定律的建模學(xué)習(xí)過(guò)程中，首先，學(xué)生需要分析、歸納、抽象出影響作用力的關(guān)鍵元素，如，物體的加速度大小、方向以及物體的質(zhì)量等，猜想這些元素間的關(guān)系，從而對(duì)該復(fù)雜的科學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行表征；然后，學(xué)生使用計(jì)算機(jī)建模工具表征初始模型， 并不斷地調(diào)試模型，如，調(diào)整加速度大小、質(zhì)量大小等來(lái)觀察力的變化情況；最后，學(xué)生基于模擬仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、解釋、推理論證，從而構(gòu)建牛頓第二定律知識(shí)。此外， 針對(duì)學(xué)生對(duì)微觀或不可見(jiàn)現(xiàn)象及其要素之間聯(lián)系表征困難的問(wèn)題， 計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)工具可以動(dòng)態(tài)、可視化地呈現(xiàn)抽象概念、復(fù)雜系統(tǒng)及過(guò)程，有利于學(xué)生梳理層次關(guān)系、發(fā)現(xiàn)元素之間的內(nèi)在聯(lián)系（Sengupta，et al.，2013）。例如，在狼、羊和草組成的生態(tài)系統(tǒng)中， 學(xué)生通過(guò)構(gòu)建計(jì)算模型表征這些物種變量之間的關(guān)系進(jìn)行解釋或預(yù)測(cè)，并使用計(jì)算機(jī)建模軟件進(jìn)行模擬仿真，可視化呈現(xiàn)狼、羊和草的數(shù)量在不同條件下的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，并根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行分析、判斷、歸納，進(jìn)而評(píng)估、修改模型（Dickes，et al.，2019）。

已有的計(jì)算機(jī)科學(xué)建模學(xué)習(xí)工具根據(jù)模型的功能及建模實(shí)踐活動(dòng)， 可分為預(yù)測(cè)檢驗(yàn)型和仿真修改型。 預(yù)測(cè)檢驗(yàn)型的建模工具能夠幫助學(xué)生將科學(xué)觀點(diǎn)外顯化， 并親自建構(gòu)模型以檢驗(yàn)自己的想法和假設(shè)，如圖1 的Co-Lab 工具（vanJoolingen，etal.，2005）。 仿真修改型工具允許學(xué)生改變預(yù)設(shè)模型的參數(shù)值進(jìn)行模型仿真、調(diào)試與修改，如圖2 的CTSiM 工具（Sengupta，et al.，2013）。

圖1 Co-Lab 預(yù)測(cè)檢驗(yàn)型建模學(xué)習(xí)工具

圖2 CTSiM 仿真修改型建模學(xué)習(xí)工具

2.科學(xué)建模學(xué)習(xí)的特征

計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)， 具有如下三個(gè)典型特征：第一，動(dòng)手實(shí)踐性。 學(xué)生可以親自參與模型建構(gòu)、 模型分析和修改、 模型驗(yàn)證等建模實(shí)踐活動(dòng)（Basawapatna，2016； Bielik，et al.，2021）。 第二，模擬仿真性。模型是問(wèn)題原型的一種表征形式，保留問(wèn)題關(guān)鍵特征。計(jì)算機(jī)仿真可以實(shí)時(shí)顯示模擬運(yùn)行結(jié)果。此外， 計(jì)算機(jī)建模工具可以把抽象復(fù)雜的概念通過(guò)圖像或動(dòng)畫等可視化的方式進(jìn)行直觀、形象的演示，學(xué)生可以觀察到實(shí)物實(shí)驗(yàn)難以觀察到的現(xiàn)象， 從而加深對(duì)問(wèn)題的理解（Komis，et al.，2007；Kouw，et al.，2017）。第三，動(dòng)態(tài)交互性。計(jì)算機(jī)工具可提供豐富的交互性。 例如，學(xué)生可以不斷調(diào)整變量的參數(shù)值，觀察不同的仿真結(jié)果，并能實(shí)時(shí)對(duì)比相關(guān)的建模結(jié)果，這種交互性能夠支持學(xué)生仿真調(diào)試技能和分析推理能力的發(fā)展（Luo，et al.，2016）。計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)的內(nèi)涵和特征，如圖3 所示。

圖3 計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)的內(nèi)涵和特征

3.科學(xué)建模學(xué)習(xí)的理論基礎(chǔ)

表征建構(gòu)可供性 （The Representational Construction Affordances， RCA）框架為計(jì)算機(jī)認(rèn)知工具應(yīng)用于學(xué)習(xí)過(guò)程，提供了強(qiáng)有力的支撐。它是指學(xué)生通過(guò)構(gòu)建表征， 聚焦于復(fù)雜的科學(xué)現(xiàn)象或系統(tǒng)的關(guān)鍵特征，來(lái)選擇合適的表征工具（如，計(jì)算機(jī)建模工具），即將相關(guān)的先驗(yàn)知識(shí)應(yīng)用于問(wèn)題解決中，從而更有目的地開(kāi)展推理、分析、解決問(wèn)題（Prain，et al.，2012）。 表征建構(gòu)可供性框架包含符號(hào)語(yǔ)言、認(rèn)知和認(rèn)識(shí)論三個(gè)維度。 各個(gè)維度之間都是通過(guò)關(guān)注表征如何有效地促進(jìn)意義建構(gòu)而聯(lián)系在一起。其中，符號(hào)語(yǔ)言是指學(xué)生使用符號(hào)、 語(yǔ)言等表征工具構(gòu)建對(duì)復(fù)雜現(xiàn)象的解釋；認(rèn)知維度強(qiáng)調(diào)知識(shí)建構(gòu)的實(shí)踐過(guò)程，例如，構(gòu)建模型、分析模型以及驗(yàn)證模型等；認(rèn)識(shí)論維度是指學(xué)生可以通過(guò)構(gòu)建表征和分析解釋來(lái)提高科學(xué)推理能力。

基于此， 本研究以表征建構(gòu)可供性作為理論框架。建模的目的在于簡(jiǎn)化復(fù)雜系統(tǒng)的外部表征，以解釋科學(xué)概念， 且可以幫助學(xué)生將觀察到的科學(xué)現(xiàn)象與潛在的抽象概念聯(lián)系起來(lái) （Harrison，et al.，1998；Leenaars，et al.，2013）。 不同的表征工具有不同的可供性。例如，通過(guò)圖表、圖片和繪圖工具構(gòu)建模型，雖然學(xué)生能夠很輕易地描述系統(tǒng)中不同元素之間的關(guān)系，但基于此類工具所構(gòu)建的模型本質(zhì)是靜態(tài)表征，無(wú)法表示系統(tǒng)隨時(shí)間推移的動(dòng)態(tài)變化情況。 而基于仿真的計(jì)算機(jī)模型是以動(dòng)態(tài)形式表征， 可以實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)系統(tǒng)或物理現(xiàn)象在不同條件下的行為或變化（Boulter，et al.，2000）。

三、計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)研究現(xiàn)狀

已有研究表明，計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維（如，科學(xué)概念理解、論證及推理等能力） 具有重要影響 （Develaki，et al.，2017；Hansen，et al.，2004；Yoon，et al.，2016）。 帕蘭特等人（Pallant，et al.，2014）調(diào)查了初高中學(xué)生的科學(xué)建模學(xué)習(xí)情況。 研究發(fā)現(xiàn)，在科學(xué)建模學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)仿真模型觀察氣候動(dòng)態(tài)變化情況， 收集仿真數(shù)據(jù)來(lái)解釋他們的論點(diǎn)，從而提升了論證水平。富爾曼等人（Fuhrmann，et al.，2021） 調(diào)查了小學(xué)生在創(chuàng)建“分子擴(kuò)散”模型時(shí)的想法。研究發(fā)現(xiàn)，科學(xué)建模學(xué)習(xí)不僅能夠促進(jìn)學(xué)生對(duì)“分子擴(kuò)散”的理解，而且還有助于學(xué)生的推理能力。近年來(lái)，有研究者提出將計(jì)算思維整合到科學(xué)課程中， 通過(guò)計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)， 能夠促進(jìn)科學(xué)思維和計(jì)算思維的協(xié)同發(fā)展（Basu，et al.，2016；Sengupta，et al.，2013）。例如，伊爾根斯等人（Irgens，et al.，2020）探究基于建模活動(dòng)的生態(tài)系統(tǒng)學(xué)習(xí)對(duì)高中生科學(xué)知識(shí)和計(jì)算思維的影響。 梅特卡夫等人（Metcalf，et al.，2021）以“海貍建壩”為主題，調(diào)查了構(gòu)建、測(cè)試和運(yùn)用模型過(guò)程對(duì)學(xué)生思維能力的影響。研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生參與科學(xué)建?；顒?dòng)（包括一系列的觀察、分析、推理和論證），能夠有效地促進(jìn)科學(xué)思維和計(jì)算思維的發(fā)展。然而，國(guó)內(nèi)對(duì)于計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)的關(guān)注和研究還非常少， 且研究者只對(duì)科學(xué)思維這一單一維度進(jìn)行了探究，還未探究計(jì)算思維和科學(xué)思維的協(xié)同發(fā)展?，F(xiàn)有大多數(shù)研究?jī)H聚焦于非計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)。例如，鐘旺芳（2021）以生物學(xué)中的種群的數(shù)量特征主題為例開(kāi)展建模學(xué)習(xí)教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐。 研究發(fā)現(xiàn)， 科學(xué)建模學(xué)習(xí)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的有效手段之一。 張靜等人（2020）以靜電學(xué)為例開(kāi)展建模教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)，科學(xué)建模學(xué)習(xí)有效促進(jìn)了學(xué)生的模型進(jìn)階學(xué)習(xí)。近兩年，國(guó)內(nèi)有學(xué)者開(kāi)始關(guān)注計(jì)算機(jī)平臺(tái)在建模學(xué)習(xí)中的融入。 例如， 周佳偉（2021）發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)，能促進(jìn)中學(xué)生對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題（如流行病的傳播）的知識(shí)建構(gòu)。

隨著“智能+”時(shí)代的到來(lái)，計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)， 能為科學(xué)思維和計(jì)算思維的協(xié)同培養(yǎng)提供新思路。雖然，越來(lái)越多的研究者開(kāi)始關(guān)注計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)對(duì)科學(xué)思維和計(jì)算思維發(fā)展的影響，但目前并未深入探討其與科學(xué)思維和計(jì)算思維的內(nèi)在聯(lián)系機(jī)制。 此外，尚未有研究者歸納出具有普適性的計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)模式，以供教學(xué)實(shí)踐參考。 可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)目前缺乏對(duì)這兩方面的研究。 那么，計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)與科學(xué)思維和計(jì)算思維的內(nèi)在聯(lián)系機(jī)制是怎樣的？ 普適性的學(xué)習(xí)模式又是如何的？ 在不同學(xué)段中具體的教學(xué)是如何實(shí)施的？ 鑒于此，本文將在下文中對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行闡述。

四、計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)與科學(xué)思維、計(jì)算思維的內(nèi)在關(guān)聯(lián)機(jī)制

科學(xué)思維是在認(rèn)識(shí)事物、 解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中，基于證據(jù)和邏輯，運(yùn)用分析與綜合、抽象與概括、歸納與演繹等思維方法， 建立證據(jù)與解釋之間的關(guān)系，能夠從多角度、辯證地分析問(wèn)題，并提出合理見(jiàn)解，進(jìn)而解決問(wèn)題。建構(gòu)模型是科學(xué)思維的核心實(shí)踐要素，學(xué)生需要學(xué)會(huì)建構(gòu)模型并運(yùn)用模型解釋現(xiàn)象，描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、關(guān)系及變化過(guò)程（中華人民共和國(guó)教育部，2022）。

計(jì)算思維使用計(jì)算機(jī)和信息科學(xué)的基礎(chǔ)概念解決問(wèn)題、設(shè)計(jì)和評(píng)估復(fù)雜系統(tǒng)以及理解人類行為，是通過(guò)抽象、簡(jiǎn)化、轉(zhuǎn)換將一個(gè)看似復(fù)雜的問(wèn)題重新表征成可以用計(jì)算工具進(jìn)行信息處理的思維過(guò)程（Wing，2006）。計(jì)算思維強(qiáng)調(diào)的是利用計(jì)算工具思考和解決實(shí)際問(wèn)題的方法，因此，注重真實(shí)生活情境，重視與其他學(xué)科內(nèi)容的融合， 是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的內(nèi)核價(jià)值（Shute，et al.，2017）。 計(jì)算思維實(shí)踐需要結(jié)合抽象、分解、算法、調(diào)試、迭代和泛化等來(lái)解決一個(gè)實(shí)際問(wèn)題，包括計(jì)算機(jī)建模實(shí)踐、數(shù)據(jù)實(shí)踐及自動(dòng)化（Shute，et al.，2017）。

計(jì)算機(jī)建模作為計(jì)算思維的實(shí)踐方式之一，是培養(yǎng)計(jì)算思維的重要途徑。近年來(lái)，科學(xué)教育研究者逐漸認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)是促進(jìn)科學(xué)思維和計(jì)算思維協(xié)同發(fā)展的重要途徑（Irgens，et al.，2020；Metcalf，et al.，2021；NGSS，2013）。 科學(xué)思維、計(jì)算思維以及計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模之間的關(guān)系，如圖4 所示。 計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)促進(jìn)科學(xué)思維和計(jì)算思維發(fā)展的內(nèi)在機(jī)制表現(xiàn)為： 在計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模過(guò)程中，當(dāng)學(xué)生進(jìn)行問(wèn)題抽象時(shí)，按照問(wèn)題的邏輯結(jié)構(gòu)，將復(fù)雜問(wèn)題抽象、分解成容易解決或計(jì)算表征的子問(wèn)題， 這蘊(yùn)含著科學(xué)思維的抽象與概括以及計(jì)算思維的抽象與分解技能； 模型構(gòu)建是學(xué)生將問(wèn)題解決方案轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行的結(jié)構(gòu)， 并構(gòu)建成模型， 這體現(xiàn)了科學(xué)思維和計(jì)算思維的問(wèn)題解決能力；模型分析是學(xué)生通過(guò)調(diào)試變量值，模擬不同參數(shù)下模型的仿真輸出結(jié)果，驗(yàn)證模型的可行性、判斷是否需要進(jìn)行修正，主要體現(xiàn)在于科學(xué)思維的歸納、 推理論證以及計(jì)算思維中的仿真調(diào)試技能；模型修正是學(xué)生針對(duì)模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，進(jìn)行針對(duì)性地修正，主要涉及科學(xué)思維的分析與綜合和計(jì)算思維中的迭代技能；模型運(yùn)用是將所構(gòu)建的模型遷移到其他問(wèn)題中， 使其成為解決類似問(wèn)題的范式，是科學(xué)思維的歸納與演繹以及計(jì)算思維的泛化技能的體現(xiàn)。

圖4 計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)與科學(xué)思維和計(jì)算思維的內(nèi)在聯(lián)系

綜上，在科學(xué)教育中，計(jì)算思維的培養(yǎng)并非意味著將計(jì)算機(jī)科學(xué)中的計(jì)算思維“加”到科學(xué)教育中，或者簡(jiǎn)單地將兩門學(xué)科進(jìn)行組合， 而需要重視其與數(shù)學(xué)、 科學(xué)、 以及工程等核心學(xué)科之間的深度融合（Magana，et al.，2016；Weintrop，et al.，2016）。 學(xué)生科學(xué)思維和計(jì)算思維的發(fā)展， 可以通過(guò)計(jì)算機(jī)支持的建 模 學(xué) 習(xí) 來(lái) 支 持 （Basu，et al.，2016；Sengupta，et al.，2013）。 因此，計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)的價(jià)值，體現(xiàn)在綜合使用科學(xué)思維和計(jì)算思維解決實(shí)際問(wèn)題的能力培養(yǎng)方面， 科學(xué)建模學(xué)習(xí)是促進(jìn)兩者協(xié)同發(fā)展的內(nèi)核要素和重要學(xué)科實(shí)踐。

五、科學(xué)建模學(xué)習(xí)模式的構(gòu)建

在教學(xué)實(shí)踐中，如何開(kāi)展科學(xué)建模學(xué)習(xí)是首要解決的問(wèn)題。 在科學(xué)建模學(xué)習(xí)中，學(xué)生是作為教學(xué)的主體， 通過(guò)協(xié)作、 探究等方式完成建模學(xué)習(xí)任務(wù)（Metcalf，et al.，2021），這體現(xiàn)了以學(xué)生為中心，循環(huán)迭代、合作交流的教學(xué)過(guò)程。 在這一課堂教學(xué)過(guò)程中，大多數(shù)研究者首先是為學(xué)生提供真實(shí)情境，幫助學(xué)生明確建模目的。 其次，學(xué)生需要根據(jù)科學(xué)主題完成建模實(shí)踐（模型構(gòu)建、分析、修正和應(yīng)用等）活動(dòng)。最后是學(xué)生對(duì)分析與綜合、抽象與概括、歸納與演繹的建模過(guò)程進(jìn)行反思總結(jié)，以加深對(duì)計(jì)算和科學(xué)概念的理解（Irgens，et al.，2020）。 結(jié)合已有的建模學(xué)習(xí)理論與真實(shí)的課堂實(shí)踐，我們可以把計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)的模式概括為“創(chuàng)設(shè)情境—結(jié)構(gòu)化任務(wù)—建模實(shí)踐—反思總結(jié)”四個(gè)環(huán)節(jié)，如圖5 所示。

圖5 計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)模式

第一，創(chuàng)設(shè)情境。 創(chuàng)設(shè)情境是指教師結(jié)合課程，引入真實(shí)生活中的問(wèn)題情境， 激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)建模學(xué)習(xí)活動(dòng)的興趣。例如，在學(xué)習(xí)“狼—羊—草”的自然選擇相關(guān)知識(shí)時(shí)，教師通過(guò)引入真實(shí)情境，讓學(xué)生了解他們的生存法則， 真實(shí)的情境學(xué)習(xí)能夠加深學(xué)生對(duì)于科學(xué)問(wèn)題的理解，有助于學(xué)生進(jìn)行深入探究。

第二，結(jié)構(gòu)化任務(wù)。結(jié)構(gòu)化任務(wù)是指在建模實(shí)踐活動(dòng)開(kāi)始前，教師需要向?qū)W生講明學(xué)習(xí)任務(wù)和活動(dòng)，如，學(xué)生需要了解建模的本質(zhì)、目的及功能，清楚地知道建模的各個(gè)環(huán)節(jié)以及建模的相關(guān)策略。 學(xué)生一旦明確了如何動(dòng)手及學(xué)習(xí)任務(wù)的各個(gè)步驟， 便可以實(shí)時(shí)監(jiān)控學(xué)習(xí)的進(jìn)度。

第三，建模實(shí)踐。建模實(shí)踐是計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)的核心步驟之一， 建模實(shí)踐活動(dòng)涉及問(wèn)題抽象、模型構(gòu)建、模型分析、模型修正與模型應(yīng)用。在明確任務(wù)之后，教師要組織學(xué)生進(jìn)行自主建模學(xué)習(xí)。在此過(guò)程中，學(xué)生需要對(duì)復(fù)雜的科學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行抽象、提取相關(guān)的變量， 構(gòu)建出科學(xué)模型， 并通過(guò)模擬模型，不斷地完善模型，以解釋和預(yù)測(cè)復(fù)雜的科學(xué)現(xiàn)象。

第四，反思總結(jié)。反思總結(jié)是指學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)做出總結(jié)， 目的在于引導(dǎo)學(xué)生調(diào)整策略和優(yōu)化認(rèn)知、 幫助學(xué)生歸納總結(jié)以及遷移應(yīng)用。 例如，基于模型仿真結(jié)果構(gòu)建合理的科學(xué)解釋，或者是對(duì)參與科學(xué)建模學(xué)習(xí)活動(dòng)的感受和收獲做出總結(jié)。 在此過(guò)程中，學(xué)生能夠進(jìn)一步認(rèn)識(shí)模型的本質(zhì)，基于建模探究結(jié)果進(jìn)行反思，并對(duì)模型的有效性做出判斷。

六、多學(xué)段中融入計(jì)算思維培養(yǎng)的科學(xué)建模學(xué)習(xí)案例

（一）面向大學(xué)生的案例應(yīng)用——材料科學(xué)與工程課程

1.學(xué)習(xí)目標(biāo)

該研究是在美國(guó)東海岸的一所綜合型大學(xué)開(kāi)展，依托該校開(kāi)設(shè)的一門“材料科學(xué)家和工程師的計(jì)算和編程”選修課程，研究對(duì)象是20 名材料科學(xué)與工程系本科一年級(jí)學(xué)生， 該課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)旨在讓學(xué)生通過(guò)計(jì)算機(jī)建模學(xué)習(xí)來(lái)發(fā)展科學(xué)推理能力和計(jì)算思維。 課程圍繞五個(gè)項(xiàng)目開(kāi)展建模教學(xué)，這五個(gè)項(xiàng)目都是基于真實(shí)的材料科學(xué)和工程原理，從心臟組織心室顫動(dòng)建模到艾滋（HIV）病毒行為建模等（Lyon，et al.，2020）。 在課程學(xué)習(xí)中，每個(gè)主題都要求學(xué)生通過(guò)MATLAB 軟件編程以及創(chuàng)建與材料科學(xué)相關(guān)的數(shù)學(xué)計(jì)算模型。在編程文件中，要求學(xué)生在代碼中添加代碼注釋， 以引導(dǎo)他們解釋其計(jì)算模型的設(shè)計(jì)思路， 圖6 顯示了學(xué)生編程文件中包含的代碼和注釋示例。

圖6 學(xué)生解決方案的示例代碼（%后為代碼注釋）

2.活動(dòng)設(shè)計(jì)

研究者聚焦于其中一個(gè)建模項(xiàng)目， 要求學(xué)生使用MATLAB 軟件構(gòu)建心臟組織內(nèi)生物電活動(dòng)的模擬， 即學(xué)生通過(guò)創(chuàng)建計(jì)算模型來(lái)模擬一小塊心臟組織的活動(dòng)。學(xué)生的建模任務(wù)主要包括以下幾方面：第一， 學(xué)生需要對(duì)生物系統(tǒng)和心肌生物電系統(tǒng)有一定的理解，理解心臟組織工作的基本原理，為計(jì)算機(jī)建模過(guò)程中對(duì)此復(fù)雜現(xiàn)象的核心要素進(jìn)行抽象化處理提供幫助。第二，學(xué)生需要構(gòu)建能夠模擬心臟組織的計(jì)算模型， 并在MATLAB 軟件中編程實(shí)現(xiàn)計(jì)算模型。第三，學(xué)生在模型中輸入?yún)?shù)，如，初始刺激發(fā)生的位置、后續(xù)刺激發(fā)生的位置，以及啟動(dòng)的各種心臟刺激之間的時(shí)間等來(lái)進(jìn)行模擬和修正模型， 以達(dá)到解釋和預(yù)測(cè)的效果。第四，學(xué)生需要通過(guò)回答教師給定的問(wèn)題來(lái)完成一份自我報(bào)告， 包括對(duì)計(jì)算機(jī)建模過(guò)程中的問(wèn)題進(jìn)行解釋以及在模擬過(guò)程中所觀察到的現(xiàn)象特征進(jìn)行歸納總結(jié)。例如，問(wèn)題一是如只在開(kāi)始時(shí)間里刺激心臟組織，心臟組織會(huì)發(fā)生何種變化，并描述這代表心臟功能是正常還是異常？ 問(wèn)題二是通過(guò)修改模型的哪些條件， 心臟組織會(huì)發(fā)生自我維持的興奮，并進(jìn)行解釋和歸納？

計(jì)算機(jī)建模的模擬結(jié)果顯示了電脈沖在刺激后如何在整個(gè)心臟組織中移動(dòng)。 圖7 顯示了兩個(gè)模型的模擬演示結(jié)果： 圖7 左圖是心臟組織經(jīng)過(guò)刺激后表現(xiàn)出的正常功能； 圖7 右圖是刺激心臟組織后導(dǎo)致的自我維持興奮（心室顫動(dòng)）狀態(tài)，每一條線都會(huì)自我卷曲，當(dāng)在心臟組織內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)新的刺激點(diǎn)，就會(huì)產(chǎn)生無(wú)限的電刺激心臟組織波。

圖7 模型的演示結(jié)果

傳統(tǒng)針對(duì)大學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)課程的設(shè)計(jì)，主要以計(jì)算機(jī)科學(xué)相關(guān)課程（如，程序設(shè)計(jì)、軟件工程、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)） 為主， 涉及編程語(yǔ)言語(yǔ)法的學(xué)習(xí)如Python，且編程實(shí)踐較少與具體學(xué)科內(nèi)容結(jié)合。 而該課程設(shè)計(jì)雖也有少量代碼的編寫（見(jiàn)圖6 中的數(shù)學(xué)公式），但重在對(duì)科學(xué)問(wèn)題的建模和仿真，真正體現(xiàn)了計(jì)算思維的核心價(jià)值， 即如何用計(jì)算科學(xué)的概念解決具體問(wèn)題。

3.效果分析

該研究旨在分析學(xué)生從澄清、 證據(jù)和推理等角度對(duì)計(jì)算模型的理解。研究結(jié)果表明，學(xué)生基本上都能夠針對(duì)上述學(xué)習(xí)目標(biāo)中的兩個(gè)問(wèn)題解釋他們對(duì)材料科學(xué)和工程問(wèn)題的計(jì)算解決方案?？偟膩?lái)說(shuō)，大多數(shù)學(xué)生對(duì)兩個(gè)問(wèn)題（n=6）或一個(gè)問(wèn)題（n=9）都有合理的論點(diǎn)，而只有5 名學(xué)生沒(méi)有合適的論點(diǎn)。 此外，該研究還發(fā)現(xiàn)， 通過(guò)以學(xué)生反思報(bào)告解釋的方式評(píng)估學(xué)生模型構(gòu)建，可能有助于發(fā)現(xiàn)、匯總和歸納學(xué)生解決方案中的錯(cuò)誤（例如，迷思概念）。研究結(jié)果揭示了計(jì)算機(jī)建模學(xué)習(xí)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證推理和計(jì)算思維有促進(jìn)作用。學(xué)生通過(guò)編寫數(shù)學(xué)計(jì)算模型，調(diào)試參數(shù)觀察計(jì)算模型的模擬結(jié)果， 并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行解釋分析，以便進(jìn)一步修正模型，加深對(duì)心臟系統(tǒng)復(fù)雜現(xiàn)象的理解，同時(shí)發(fā)展計(jì)算思維。

（二）面向中學(xué)生的案例應(yīng)用——物理課程

1.學(xué)習(xí)目標(biāo)

該研究以美國(guó)東南部的一所公立中學(xué)的科學(xué)課程為基礎(chǔ)， 開(kāi)展了為期1 周的干預(yù)教學(xué)，82 名七年級(jí)學(xué)生參與了此次活動(dòng)。 研究者將計(jì)算思維整合到科學(xué)課程中，學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)科學(xué)模型，來(lái)學(xué)習(xí)牛頓第二定律中力和運(yùn)動(dòng)方面的問(wèn)題。 在這一過(guò)程中，學(xué)生需要通過(guò)基于塊的編程環(huán)境，構(gòu)建物理現(xiàn)象模型，以學(xué)習(xí)計(jì)算思維概念和實(shí)踐。 研究旨在調(diào)查該干預(yù)課程如何影響七年級(jí)學(xué)生的計(jì)算思維能力以及他們對(duì)力和運(yùn)動(dòng)概念的科學(xué)性知識(shí)的理解（Aksit，et al.，2020）。在整個(gè)過(guò)程中，教師扮演著輔導(dǎo)者的角色，實(shí)時(shí)監(jiān)督學(xué)生任務(wù)完成的進(jìn)度，對(duì)于碰到問(wèn)題的學(xué)生，教師會(huì)進(jìn)一步與學(xué)生開(kāi)展探討，為學(xué)生探索模型提供幫助， 以此促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維和計(jì)算思維的協(xié)同發(fā)展。

2.活動(dòng)設(shè)計(jì)

研究者主要圍繞學(xué)生參與一周5 天的課程開(kāi)展研究。 第一天，教師引入課程相關(guān)的知識(shí)，并向?qū)W生介紹基于塊的編程、Scratch 軟件的簡(jiǎn)單操作， 學(xué)生學(xué)習(xí)基本的計(jì)算思維概念，如，抽象、算法等。 第二天，學(xué)生學(xué)習(xí)基本的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)概念，例如，循環(huán)、嵌套循環(huán)、條件語(yǔ)句以及使用邏輯運(yùn)算符等。 第三天，學(xué)生學(xué)習(xí)高級(jí)的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)句，例如，創(chuàng)建、使用和操作不同的變量等。 第四天，學(xué)生需要明確建模學(xué)習(xí)任務(wù)（構(gòu)建模型、修改模型、模擬模型等）， 并能借助Scratch 構(gòu)建汽車在無(wú)摩擦道路上行駛的模型，通過(guò)分析、模擬汽車行駛的過(guò)程，以學(xué)習(xí)力和運(yùn)動(dòng)的概念。第五天，學(xué)生通過(guò)構(gòu)建籃球在無(wú)摩擦介質(zhì)中下落（即自由落體）的模型，分析力和運(yùn)動(dòng)變量間的關(guān)系，并進(jìn)行模擬演示模型，以加深他們對(duì)牛頓第二定律的理解，如圖8 所示。 在課程結(jié)束后，學(xué)生需要陳述他們的反思總結(jié)，例如，學(xué)習(xí)了今天的課程之后，你對(duì)力和運(yùn)動(dòng)的理解是怎樣的？

圖8 Scratch 中基于模型的學(xué)習(xí)

傳統(tǒng)針對(duì)初中生的計(jì)算思維培養(yǎng)課程的設(shè)計(jì)，主要以信息技術(shù)課程為依托， 并未以具體的學(xué)科內(nèi)容作為問(wèn)題的起點(diǎn)，多是以計(jì)算思維概念學(xué)習(xí)為主。而該課程設(shè)計(jì)雖然是基于塊的編程， 但重在結(jié)合物理學(xué)科中的力和運(yùn)動(dòng)學(xué)， 通過(guò)科學(xué)建模學(xué)習(xí)的模擬仿真過(guò)程， 加深學(xué)生對(duì)牛頓第二定律科學(xué)知識(shí)以及計(jì)算思維概念的理解， 從而落實(shí)了科學(xué)思維和計(jì)算思維協(xié)同培養(yǎng)的目標(biāo)。

3.效果分析

該研究旨在探索科學(xué)建模學(xué)習(xí)課程干預(yù)對(duì)學(xué)生力和運(yùn)動(dòng)學(xué)概念理解，以及對(duì)計(jì)算思維能力的影響。首先，研究通過(guò)學(xué)生的學(xué)習(xí)前后測(cè)分?jǐn)?shù)，探究學(xué)生在干預(yù)前后對(duì)力和運(yùn)動(dòng)概念的理解， 學(xué)生的后測(cè)得分（M=6.82，SD=2.96）比前測(cè)得分（M=4.01，SD=2.17）提高了2.81 分，配對(duì)樣本t 檢驗(yàn)結(jié)果顯示：此項(xiàng)課堂干預(yù)， 使七年級(jí)學(xué)生對(duì)力和運(yùn)動(dòng)概念的理解有顯著的提高（t=9.26，p＜0.001，效應(yīng)量d=1.02）。 其次，研究通過(guò)學(xué)生的計(jì)算思維前后測(cè)來(lái)調(diào)查學(xué)生的計(jì)算思維能力，學(xué)生的后測(cè)分?jǐn)?shù)（M=20.76，SD=4.29）比前測(cè)分?jǐn)?shù)（M=17.83，SD=5.63）提高了2.93 分，配對(duì)樣本t 檢驗(yàn)結(jié)果顯示： 參加干預(yù)課程的七年級(jí)學(xué)生的計(jì)算思維能力有顯著提高（t=8.06，p＜0.001，d=0.91）。研究結(jié)果揭示了在科學(xué)建模的學(xué)習(xí)中，通過(guò)構(gòu)建、分析和模擬計(jì)算模型的方式，能夠促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)、計(jì)算知識(shí)的理解。 例如，在模擬模型的過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)觀察、分析和推理，總結(jié)歸納出影響力和運(yùn)動(dòng)變化的因素和關(guān)系， 這進(jìn)一步加深了學(xué)生對(duì)復(fù)雜現(xiàn)象的解釋能力以及對(duì)變量、調(diào)試等計(jì)算思維概念的理解。

（三）面向小學(xué)生的案例應(yīng)用——生態(tài)系統(tǒng)課

1.學(xué)習(xí)目標(biāo)

該研究是在美國(guó)東南部的一所小學(xué)開(kāi)展， 基于生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)探究課程，以自然選擇為主題，開(kāi)展了一次科學(xué)建模學(xué)習(xí)。 課程主要關(guān)注四年級(jí)學(xué)生通過(guò)建模對(duì)復(fù)雜的科學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行解釋和推理的能力，以及生態(tài)系統(tǒng)知識(shí)的建構(gòu)， 課程的學(xué)習(xí)任務(wù)旨在讓學(xué)生使用計(jì)算機(jī)建模軟件NetLogo 來(lái)構(gòu)建關(guān)于 “鳥(niǎo)類—蝴蝶—花”的自然選擇這一科學(xué)現(xiàn)象的模型，通過(guò)軟件的模擬仿真功能觀察物種的動(dòng)態(tài)變化情況，從而完成建模學(xué)習(xí)，如圖9 所示（Dickes，et al.，2013）。

圖9 NetLogo 建模軟件

2.活動(dòng)設(shè)計(jì)

研究者主要圍繞小學(xué)四年級(jí)學(xué)生參與“鳥(niǎo)類—蝴蝶—花”的自然選擇的內(nèi)容展開(kāi)，教學(xué)活動(dòng)是以學(xué)生為中心的探究學(xué)習(xí)。在活動(dòng)過(guò)程中，教師是一個(gè)引導(dǎo)者和干預(yù)者，會(huì)實(shí)時(shí)為學(xué)生提供幫助，以便學(xué)生能夠更好地完成任務(wù)。 在計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)活動(dòng)中，首先，教師向?qū)W生講解關(guān)于“鳥(niǎo)類—蝴蝶—花”的生存法則，例如，鳥(niǎo)類捕食蝴蝶，蝴蝶靠喝花中的花蜜生存，并在這個(gè)過(guò)程中獲得能量；顏色更接近花的蝴蝶更難被鳥(niǎo)類看到，蝴蝶經(jīng)過(guò)多代改變顏色，逐漸變得與花的外觀相似。此外，教師還向?qū)W生介紹了建模學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生需要基于“鳥(niǎo)類—蝴蝶—花”的生存法則，構(gòu)建可解釋性的科學(xué)模型。 其次，在建模活動(dòng)中， 學(xué)生需要基于科學(xué)建模學(xué)習(xí)任務(wù)的目的及步驟，借助NetLogo 軟件構(gòu)建科學(xué)模型，并且通過(guò)模擬模型實(shí)時(shí)查看“鳥(niǎo)類—蝴蝶—花” 的變化效果（例如， 鳥(niǎo)類和蝴蝶的總體行為、 花的顏色的變化等），以完善模型。在此過(guò)程中，學(xué)生需要根據(jù)教師的指引， 分析、 預(yù)測(cè)和解釋他們觀察到的模型變化情況，并且完成反思報(bào)告。 最后，在活動(dòng)開(kāi)始前和活動(dòng)結(jié)束后， 學(xué)生需要回答三個(gè)關(guān)于“大山雀—蛾—地衣”相關(guān)的生物學(xué)知識(shí)，問(wèn)題一是“淺色蛾喜歡在哪種樹(shù)干上休息——長(zhǎng)滿地衣的樹(shù)干， 還是沒(méi)有地衣的樹(shù)干？為什么？”問(wèn)題二是“如果在沒(méi)有地衣的樹(shù)干上既有淺色的蛾又有深色的蛾， 大山雀更可能吃哪種蛾，為什么？ ”問(wèn)題三是“如果所有的地衣都死了，沒(méi)有樹(shù)干被地衣覆蓋，蛾的數(shù)量會(huì)有什么變化？ ”

相對(duì)于基于機(jī)器人、 教育游戲等非正式拓展活動(dòng)以及不插電編程活動(dòng)等形式培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維的傳統(tǒng)課程， 該課程通過(guò)使用NetLogo 這款常用建模軟件，以可視化科學(xué)建模形式模擬“鳥(niǎo)類—蝴蝶—花”的自然選擇過(guò)程，并融入了科學(xué)解釋、科學(xué)推理以及計(jì)算思維的培養(yǎng)目標(biāo)。

3.效果分析

該研究旨在探索小學(xué)生在科學(xué)建模學(xué)習(xí)中的解釋和推理能力。 研究結(jié)果表明，在前測(cè)中，學(xué)生能夠成功地對(duì)前兩個(gè)問(wèn)題進(jìn)行推理，大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為，第三個(gè)問(wèn)題相對(duì)來(lái)說(shuō)更具有挑戰(zhàn)性。 在對(duì)第一個(gè)問(wèn)題的回答中，前測(cè)70%的學(xué)生能夠給出正確答案，后測(cè)80%的學(xué)生給出了正確答案。 在對(duì)第二個(gè)問(wèn)題的回答中，前測(cè)60%的學(xué)生能夠答對(duì)問(wèn)題，后測(cè)有90%的學(xué)生給出了正確答案。而針對(duì)第三個(gè)問(wèn)題，前測(cè)中只有40%的學(xué)生給出了正確的解釋，相比之下，后測(cè)中有90%的學(xué)生能夠給出正確的解釋。 研究結(jié)果表明了學(xué)生通過(guò)一系列的觀察、分析、推理和論證來(lái)構(gòu)建科學(xué)模型， 這一過(guò)程不僅加深了其對(duì)自然選擇知識(shí)的理解，還有效地培養(yǎng)了學(xué)生的解釋、推理能力。研究結(jié)果也表明了計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)活動(dòng)，能夠幫助學(xué)生學(xué)習(xí)復(fù)雜的科學(xué)知識(shí)并促進(jìn)其科學(xué)思維的發(fā)展以及對(duì)仿真、迭代等計(jì)算思維實(shí)踐活動(dòng)的理解。

（四）三個(gè)案例的分析

上述案例一是面向大學(xué)生的以心臟組織心室顫動(dòng)建模任務(wù)為主題、學(xué)生相對(duì)熟悉的一個(gè)學(xué)習(xí)主題，教師先對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化安排， 包括構(gòu)建模型、 模擬和修正模型等建?；顒?dòng)以及撰寫反思報(bào)告；然后在建模實(shí)踐環(huán)節(jié)中，學(xué)生自主學(xué)習(xí)，通過(guò)問(wèn)題抽象、構(gòu)建模型并用MATLAB 軟件編程實(shí)現(xiàn)模型、仿真調(diào)試修正模型等實(shí)踐完成了建模任務(wù)，并運(yùn)用建模完成對(duì)科學(xué)問(wèn)題的解決， 在反思報(bào)告中總結(jié)建模解決方案。 案例二是圍繞中學(xué)牛頓第二定律中力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系開(kāi)展建?；顒?dòng)， 教師在引入真實(shí)情境后， 讓學(xué)生學(xué)習(xí)關(guān)于力和運(yùn)動(dòng)學(xué)以及計(jì)算思維的概念；學(xué)生在明確建模學(xué)習(xí)任務(wù)后，進(jìn)行建模實(shí)踐活動(dòng)， 針對(duì)給定的預(yù)設(shè)模型進(jìn)行模型分析和模型修改等活動(dòng)；在課程完成后，運(yùn)用模型構(gòu)建科學(xué)解釋并完成反思總結(jié)。 案例三是面向小學(xué)生開(kāi)展的關(guān)于自然選擇生態(tài)學(xué)內(nèi)容的建模學(xué)習(xí)， 教師先是引入“鳥(niǎo)類—蝴蝶—花”的自然選擇規(guī)則，介紹計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)任務(wù)， 學(xué)生在NetLogo 預(yù)設(shè)好的模型基礎(chǔ)上修改參數(shù)進(jìn)行仿真，預(yù)測(cè)模型運(yùn)行的效果，分析并修改模型，從而構(gòu)建科學(xué)模型來(lái)解釋“鳥(niǎo)類—蝴蝶—花”變化的科學(xué)現(xiàn)象，并在反思環(huán)節(jié)做出結(jié)論。

從建模過(guò)程而言，在案例一中，學(xué)生經(jīng)歷了建模學(xué)習(xí)的所有階段，大學(xué)生具有較高的抽象思維能力，所以能夠較好完成問(wèn)題抽象和模型建構(gòu)， 其學(xué)習(xí)過(guò)程體現(xiàn)了計(jì)算思維的抽象、分解、自動(dòng)化、調(diào)試、迭代及問(wèn)題解決等能力。在案例二和案例三中，學(xué)生只是對(duì)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的初始模型進(jìn)行仿真、 分析和調(diào)整參數(shù)修改模型，從而完成建模學(xué)習(xí)，對(duì)問(wèn)題的抽象稍顯不足，且學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程側(cè)重自動(dòng)化、調(diào)試、迭代等計(jì)算思維能力的訓(xùn)練。在建模工具的使用上，案例一使用的是基于文本編程的MATLAB 軟件，學(xué)生需要自己編寫若干行代碼實(shí)現(xiàn)計(jì)算模型； 而案例二和案例三均是基于圖形化的建模軟件， 學(xué)生不需要編寫代碼，只需調(diào)整參數(shù)運(yùn)行仿真?？梢?jiàn)不同的課程設(shè)計(jì)充分呈現(xiàn)了學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展特點(diǎn)。

通過(guò)分析上述案例可知， 三個(gè)案例所開(kāi)展的計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)活動(dòng)， 均以科學(xué)現(xiàn)象為背景，遵循以學(xué)生為中心、反思總結(jié)、協(xié)作交流等教學(xué)原則，通過(guò)教師組織和引導(dǎo)、學(xué)生討論和探究等師生活動(dòng)，來(lái)保障科學(xué)建模學(xué)習(xí)的順利進(jìn)行。雖然三個(gè)案例在教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)施過(guò)程中略有不同， 但都有其相似之處?；旧隙甲裱恕皠?chuàng)設(shè)情境、結(jié)構(gòu)化任務(wù)、建模實(shí)踐和反思總結(jié)”等環(huán)節(jié)。 三個(gè)案例均表明，這種學(xué)習(xí)模式能夠有效支撐大、中、小不同學(xué)段科學(xué)課程的科學(xué)思維和計(jì)算思維的融合式教學(xué)。 特別是案例二中面向中學(xué)生的計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)，無(wú)論是學(xué)生的科學(xué)知識(shí)測(cè)試還是計(jì)算思維測(cè)量， 研究結(jié)果都具有較大效應(yīng)量（d＞=0.9），即這種學(xué)習(xí)模式能夠產(chǎn)生非常好的教學(xué)效果。

七、計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)未來(lái)應(yīng)用建議

（一）明確科學(xué)建模學(xué)習(xí)目標(biāo)

計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)， 作為科學(xué)思維和計(jì)算思維協(xié)同培養(yǎng)的一種學(xué)科實(shí)踐， 關(guān)注用計(jì)算思維的方法解決科學(xué)問(wèn)題， 使學(xué)生能夠體驗(yàn)科學(xué)知識(shí)發(fā)展的本質(zhì)和計(jì)算思維在解決現(xiàn)實(shí)世界復(fù)雜問(wèn)題中所起的作用。此類課程目標(biāo)定位，應(yīng)涵蓋科學(xué)思維和計(jì)算思維。 而不同學(xué)段的科學(xué)思維和計(jì)算思維育人目標(biāo)應(yīng)有所側(cè)重，如，小學(xué)階段對(duì)科學(xué)思維的培養(yǎng)側(cè)重科學(xué)觀察能力和簡(jiǎn)單的科學(xué)解釋能力， 側(cè)重計(jì)算思維意識(shí)和習(xí)慣培養(yǎng)， 這就要求課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量依據(jù)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的特點(diǎn)循序漸進(jìn)。 特別是新興的“計(jì)算機(jī)+”學(xué)科（如，計(jì)算生物學(xué)）的發(fā)展，更需要具有計(jì)算思維的跨學(xué)科創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。 而傳統(tǒng)科學(xué)教育中缺乏計(jì)算思維的融入。 因此，這種“創(chuàng)設(shè)情境、結(jié)構(gòu)化任務(wù)、建模實(shí)踐和反思總結(jié)”的融合式教學(xué)，將使學(xué)生從小具有跨學(xué)科的素養(yǎng)，理解并實(shí)踐用計(jì)算思維解決科學(xué)問(wèn)題，以培養(yǎng)“智能+”時(shí)代所需的創(chuàng)新型人才。

（二）培養(yǎng)專業(yè)教師的科學(xué)建模教學(xué)能力

計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)， 這種學(xué)習(xí)方式要求教師具有新型的教學(xué)理念。 只有當(dāng)教師將計(jì)算思維的學(xué)習(xí)目標(biāo)，創(chuàng)造性地融入學(xué)習(xí)情境的創(chuàng)設(shè)中，并對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)時(shí)， 才能推動(dòng)學(xué)生個(gè)體科學(xué)思維、 計(jì)算思維以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的發(fā)展。 因此，融入計(jì)算思維的科學(xué)建模學(xué)習(xí)，也應(yīng)成為科學(xué)教師創(chuàng)新性發(fā)展的核心內(nèi)容， 教師應(yīng)該深入理解建模教學(xué)知識(shí)，明晰建模學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)實(shí)施路徑，具備計(jì)算機(jī)建模學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的能力， 并在教學(xué)實(shí)踐中不斷提升相關(guān)的TPACK（即整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識(shí)）。上述所提到的Project GUTS 和CT-STEM 課程，都是由高校研究人員召集中小學(xué)教師共同打磨的。 在此過(guò)程中， 教師能夠?qū)υ擃愓n程的教學(xué)設(shè)計(jì)有更深的理解，能夠更好地幫助到學(xué)生。 因此，我國(guó)高校研究者也可以通過(guò)對(duì)一線教師的培訓(xùn)，開(kāi)發(fā)課程、共同優(yōu)化，以提升他們的科學(xué)建模教學(xué)能力。

（三）構(gòu)建人工智能技術(shù)賦能的科學(xué)建模學(xué)習(xí)工具

在該學(xué)習(xí)模式的“建模實(shí)踐和反思總結(jié)”階段，建模學(xué)習(xí)過(guò)程中的模擬仿真， 需要學(xué)生具備較高的元認(rèn)知能力，比如，如何反思參數(shù)設(shè)置是否恰當(dāng)，而教師難以對(duì)學(xué)生提供及時(shí)的反饋及個(gè)性化的指導(dǎo)。然而， 目前國(guó)內(nèi)外都缺乏融入智能評(píng)測(cè)和反饋的科學(xué)建模學(xué)習(xí)工具。因此，人工智能技術(shù)可以作為構(gòu)建科學(xué)建模學(xué)習(xí)工具的支撐， 對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中多模態(tài)數(shù)據(jù)（如，模型圖、仿真修改頻次等）進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。 例如，在構(gòu)建模型的過(guò)程中，可以借助機(jī)器學(xué)習(xí)分析學(xué)習(xí)者所構(gòu)建的模型圖與專家模型圖的相似性，并為學(xué)生提供及時(shí)的反饋和提示；在分析和修改模型的過(guò)程中，可以基于仿真交互數(shù)據(jù)，根據(jù)決策樹(shù)算法的輸出，為學(xué)習(xí)者提供可視化的仿真交互信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生建模實(shí)踐的認(rèn)知診斷。

八、結(jié)語(yǔ)

計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)， 是促進(jìn)科學(xué)思維和計(jì)算思維協(xié)同發(fā)展的重要途徑。 這在當(dāng)今“計(jì)算機(jī)+”學(xué)科交叉人才培養(yǎng)的背景下顯得尤為重要。 本研究在梳理科學(xué)建模學(xué)習(xí)理論， 并論證計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)與科學(xué)思維、 計(jì)算思維內(nèi)在聯(lián)系機(jī)制的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了科學(xué)建模學(xué)習(xí)模式，通過(guò)對(duì)大學(xué)生、 中學(xué)生及小學(xué)生科學(xué)建模學(xué)習(xí)的三個(gè)案例分析，詳細(xì)地論述了其在各學(xué)段不同學(xué)科教學(xué)實(shí)踐中的可行性，論證了“創(chuàng)設(shè)情境—結(jié)構(gòu)化任務(wù)—建模實(shí)踐—反思總結(jié)”科學(xué)建模學(xué)習(xí)模式的普適性。 這種學(xué)習(xí)模式不僅能使學(xué)生掌握相關(guān)的科學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)其科學(xué)思維， 更能促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展，培養(yǎng)“智能+”時(shí)代所需的創(chuàng)新型人才。 在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步從課程目標(biāo)、 教師培養(yǎng)以及智能化建模學(xué)習(xí)工具構(gòu)建等方面，提出了未來(lái)的實(shí)施建議，為科學(xué)教育中科學(xué)思維和計(jì)算思維的協(xié)同培養(yǎng)提供了新思路，也為教育工作者提供課程實(shí)踐的新參考。然而，本研究?jī)H僅是對(duì)計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)研究的初步探索，未來(lái)仍需以實(shí)證的方式，進(jìn)一步將計(jì)算機(jī)支持的科學(xué)建模學(xué)習(xí)應(yīng)用于真實(shí)課堂， 進(jìn)而更精準(zhǔn)地評(píng)估學(xué)生科學(xué)思維和計(jì)算思維的協(xié)同發(fā)展水平。