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[NSTA专栏]为什么天空中又是一弯新月?——评估学生的月球周期模型

文_Rebecca katsh-singer Chris Rogers 翻译_刘杨琪

2023-03/总第324期

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为了与本州的《新一代科学教育标准》(NGSS)保持一致,我们在转变教学、评估和课程方面所面临的最大挑战之一是开发和使用模型的科学实践。对我们每个人来说,这种做法与我们通常所说的模型,比如模拟的太阳系、可食用的DNA和纸糊的昆虫有很大不同。相反,我们正在致力于让学生参与创造和使用解释自然世界的模型(Krajcik和Merritt,2012)。

我们地区6年级的教师一直在合作以加深他们对这种做法的理解,并为学生创造有意义的机会创建与修改模型。在这篇文章中,我们描述了为现有的关于月球周期单元设计的一个模型任务与相应规则。还分享了我们从学生最初的模型中学到的东西,以及这对该单元后续构建的影响。最后讨论了学生的最终模型,以及教师如何描述学生参与建模的好处。


制订任务和评分标准

我们选择将建模纳入现有的“月球周期”单元,因为这个单元不被认为可以通过建模解释工作原理。此外,《新一代科学教育标准》MS-ESS1-1“预期表现”明确包括建模作为重点科学实践(NGSS Lead States,2013)。我们从让学生观察夜间(和白天)天空中的月亮开始单元学习(见在线补充材料),在本单元之前的几个星期里,学生每天都会画出他们在夜间或白天天空中观察到的月球形状。然后,学生在小组中讨论他们在数据中注意到的图式,并就这些图式提出问题。其中一些学生注意到,月亮在整个月中似乎先大后小,月亮先“长大”到满月,然后“缩小”到不可见;月亮在下半月的形状似乎与上半月的形状正好相反。学生还提出,这些图式每个月都在重复。这些数据和图式成为本单元的一个引人注目的现象,因此学生被激励着找出原因。在这段时间里,教师还向学生介绍了什么是科学模型。他们强调,科学家使用模型这一术语的方式与我们通常在对话中使用的不同。科学模型不仅仅是一种表述,还必须解释一个现象是如何或为什么发生的。学生随后创建了一个模型回答下面的问题:为什么我们每个月都能看到天空中的一弯新月?

学生在1节45分钟的课上独立工作,用纸笔建立模型,解释为什么每个月会出现这种月球形状。学生在本单元开始时创建了这些模型,并在结束时对其进行修改。最初的模型为教师的单元教学提供了参考,也是学生让自己的想法显性化的重要机会。修订后的模型也提供了学生对月球周期不理解的证据,并通过前后两个模型向教师和学生展示了学生的想法是如何随时间变化的。因为这是一个很短的单元(11天),设置最初和最后的模型的教学效果很好,但建议学时更长的单元需要至少有1个额外的机会让学生在单元内修改他们的模型。为了评估学生的模型,我们制订了评分标准。评分标准的类别使用4分制,其中4分是最高的,因为这是我们的学生最熟悉的评分方式。我们通过研究《新一代科学教育标准》的证据说明(NGSS Lead States,2015)设计我们的评分标准,其中包含了熟练模型的关键可观察特征。证据说明提出了模型的3个重要方面:①模型的组成部分,模型中的变量或因素;②关系,各个组成部分之间的关系;③联系,学生对解释该现象的因果机制的推理。表1列出了《新一代科学教育标准》证据说明MS-ESS1-1中与月球周期相关的内容。

利用这些证据说明,我们创建了评分标准的第1个类别,我们称之为“组成部分”(见表2)。与《新一代科学教育标准》的证据说明类似,我们的类别侧重于学生如何很好地将地球、太阳、月球和来自太阳的能量结合在一起,以及这些组成部分本身与它们之间的距离是否相对符合比例(见表2)。为了设计我们的评分标准的其余部分,我们最初按照《新一代科学教育标准》证据说明的建议创建了单独的“关系”与“联系”的类别(见表1)。然而,我们发现要单独评估学生的模型如何很好地显示出地球、太阳和月球之间的关系,以及他们如何更好地利用这些关系解释月球周期,是具有挑战性的。因此,我们将这些类别合并为一个“现象解释的准确性”类别(见表2)。

然后,我们为评分标准创建了第3个类别——交流的清晰度(见表2),这不是《新一代科学教育标准》证据说明的特征。模型是“可以被他人分享与批评的具体艺术品”(Meyer和Krajcik,2015),我们想确保学生的模型可以被同伴与教师轻松理解。


学生的初始模型

我们使用评分标准评估学生的初始模型,并收集数据为教师的单元教学提供参考。我们注意到学生对月球周期的概念有几种模式。关于模型的组成部分,学生通常能够轻松指出地球、太阳和月球,但它们的大小和相互之间的距离都画得差不多。在准确性方面,学生一般没有解释为什么或如何发生月球周期,只是说它发生了。学生还有一些不准确的概念,包括地球挡住了月球,地球在月球上投下了阴影,以及不同数量的太阳光照射到月球上。然而,大多数学生确实在他们的模型中解释了月球并不制造自己的光,而是反射太阳光。

图1是一个学生初始模型样例。这个模型准确解释了月球的光来自于太阳,我们看到的月球与这些来自太阳的光有关。然而,该模型也不准确地解释了月球的不同部分可以被太阳照亮,从而导致不同的月相。该学生还画出了太阳、月球与月球,但太阳、地球、月球之间的距离几乎相等,地球是最大的天体,太阳和月球的大小相似。在对最初的模型进行评估后,教师教授了一个单元,重点是让学生利用模拟、讨论和阅读探索地球、太阳、月球的关系。


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