每年，越来越多的科学教师将建模纳入他们的教学范围，在这个过程中，他们看到了这种学科实践如何帮助学生推理和修改对自然界复杂事件的思考。《新一代科学教育标准》的“科学与工程实践”中“开发和使用模型”的目的是作为一个感知的过程，帮助学生预测和解释现象，让他们的思维在课堂上可见和可分享，并帮助他们监测自己的进展，以深入理解一系列概念。研究证实，通过建模及其伴随的实践与解释，对学生的学习有许多积极的影响（Passmore、Schwarz和Mankowski，2017）。

尽管科学中使用的模型有很多类型，比如曲线图、方程式、计算机模拟、复制品、图表等，但图像模型是独特的，因为它要求学生创造自己的图像，解释正在发生的事情及其原因（Windschitl、Thompson和Braaten，2018）。图像模型的核心是一个与现实世界中的事物或行动相似的草图。它们可能是人体对抗细菌感染的轮廓图像，抑或是汽车发动机燃烧时的剖面图。在课堂上尝试建模教学的教师会让学生在一个单元的课程中创建初始、修订和最终版本，并要求他们展示可观察和不可观察的东西。

这是一条重要的经验法则：在科学中，不可观察的东西总是能解释可观察的东西。例如，细菌在肠道中最佳条件下的分裂将解释为什么一个人会突然感到不适。同样，化学键的形成和断裂将有助于解释为什么碳氢化合物和氧气在活塞中结合，在火花的帮助下发生爆炸，生成与反应物不同的副产物。

这些建模策略是一个更大的教学框架的一部分，被称为“雄心勃勃的科学教学”（Windschitl、Thompson和Braaten，2018）。在这个框架内，教师修改单元内容，以复杂和引人注目的现象为特色，让学生随着时间的推移开发和修改解释模型。这项工作的核心是定期提供公平谈话的机会，以及持续的形成性评估，让教师能够根据学生的需要调整学习体验。

现在有很多教师在社交媒体、期刊文章和专业会议上公开他们的学生建构的模型，因此我们可以在课堂上看到这种科学实践“脚手架”的显著变化。我们所说的脚手架是指教师为这个过程提供的一些结构，比如给学生一个部分预先画好的模板，或者用书面提示提醒学生在模型和解释中应该注意什么。有些教师只给学生一张白纸，而有些教师则提供包括十几种类型在内的问题或提示。这两种极端中的任何一个都会让学生感到沮丧，但是什么类型的脚手架能让年轻的学习者最大限度地展示他们的知识呢？而且，学生可以自己选择如何向他人表达他们的想法和解释吗？

在这篇文章中，我们概述了设计模型模板的3层方法，以支持学生的绘制和解释工作。我们首先建议如何分阶段描述学生要回答的基本问题，使他们建模的目的更加专一和明确。然后，我们探讨不同类型的基础图画布局，这些基础图画布局将成为模型的基础层。最后，我们提供了一系列的“解释元素”，教师或学生可以在他们的模型中整合，以传达更有力的解释。

重要的是，我们提供了如何根据建模经验创建脚手架的建议，以便学生最终能够更加独立地选择他们自己的建模工具或创建他们自己的基础图画布局，以展示他们独特的思维。应该说明的是，我们在本文中介绍的方法和模型模板示例——明确了对最终成果预期的严谨程度与教师提供的脚手架数量——主要用于学生的最终建模体验，而不是最初的建模。

在与数以百计的教师和数以千计的学生合作使用各种模型模板后，我们的目标是分享我们的一些见解，希望它能支持教师设计模板，并反过来支持学生的推理和建模技能。

设计模型模板的分层方法

教师发现，创建新的模型模板并不是一个线性过程，他们经常会在与现象本身有关的想法之间跳来跳去，困惑于为了让学生能体验更多工作内容而在模型模板上放一些什么东西。虽然这种方法对那些有建模经验的教师来说是可行的，但对大多数教育工作者来说，要确定一个起点和前进的路径是有难度的。我们需要一个设计过程。在图1中，我们展示了设计模型模板时需要考虑的3个层次的顺序，每个都是独立的，每个都需要考虑对如何支持学生的工作而作出独特的选择。

在详细介绍这种方法之前，我们要强调每一层虚线框中的文字，表明学生可以在修改模型设计和选择一些自身资助方面发挥核心作用。稍后，我们会提倡让学生更多地参与到如何展示自己知识的创建过程中来。现在，我们只想指出，好教师不会用模板限制想法或让想法变成“漏斗式”，而应作为一种公平地支持所有学生进行科学推理的方式。

第1层：基本问题

要开始开发模型模板，你必须已经选择或产生了一个现象，以聚焦本单元的课程，并且学生最终将对其进行完整的因果解释——一个需要整合广泛的科学概念和证据来源的解释。根据令人困惑的现象，我们建议确定一个首要的基本问题（或驱动问题）。确定基本问题将有助于指导学生在整个单元中要做的解释工作。这个问题将创建设计模板其余部分所需的内容边界，以及一个连贯的课程顺序。

第一步是很重要的，因为几乎每一种现象的描述都可以用不同的方式改写、调整或扩展，但正是这个基本问题决定了模板的其余层次。在本文接下来的内容中，你会看到3个基本问题的例子，包括“为什么一个女人在温暖的日子里坚持跑马拉松，而在同样的条件下，另一个女人会中暑？”“为什么我们有时能在西雅图看到北极光？”和“重新引进这么少的狼，怎么能使黄石公园的生态系统发生这么大的变化？”

一旦确定下来，基本问题应该用大号的、加粗的、学生喜欢的（非技术性的）术语写清楚，在模板的顶部有适合对应年级的语言要求，以帮助学习者集中思路。说到这里，我们要明确的是，学生的兴趣往往需要在单元中提出更多的问题进行探讨。我们在后面会分享更多关于基本问题的例子，因为它们与不同类型的模型有关。

第2层：基础图画布局

在基本问题对学生的脑力工作提出要求后，必须增加第2层——基础图画布局。这些是与令人困惑的现象有关的物体的视觉轮廓，你不希望学生花时间去画。基础图画布局是有助于表现现象的最简约结构，但它们也结构化（即脚手架）了学生构建的那种解释的描述。物体应该被清楚地标示出来，而不是留下模棱两可的短语让学生解读。教师必须创造性地表现诸如布局中的比例或时间的推移，甚至还要注意为学生留出空白空间，让他们把自己的想法添加进去。

和往常一样，我们建议将模板放在A3大小的纸上，因为我们发现，较小尺寸的纸张会限制学生，会使他们感到沮丧。下面我们会介绍3种类型的基础图画布局，然后是设计模板这一部分时的一般考虑。