以微觀模型構(gòu)建科學(xué)概念的教學(xué)嘗試與思考

郭吉軍

摘 要： 模型在科學(xué)研究中有著不可替代的優(yōu)勢，可以簡化、強(qiáng)化人們的認(rèn)識，讓人們換一個角度思考問題。本文從利用微觀模型開展質(zhì)量守恒定律教學(xué)的有效策略入手，分析了模型在科學(xué)教學(xué)中的作用和思考，旨在喚起人們在科學(xué)概念教學(xué)中對建模教學(xué)的重視和研究。

關(guān)鍵詞： 微觀模型 科學(xué)概念 嘗試 思考

從某種意義上講，科學(xué)學(xué)習(xí)過程就是改變學(xué)生的初始想法，不斷修正和完善概念的過程。傳統(tǒng)的概念教學(xué)，常從學(xué)生的生活世界或?qū)嶒?yàn)入手，即對宏觀的感知、歸納并推理形成。因?yàn)檫@種教學(xué)從呈現(xiàn)方式上看，能使學(xué)生形象直觀地感知事物的性質(zhì)和發(fā)展特征；從課堂組織上看，能充分發(fā)揮學(xué)生的原有認(rèn)知，更有利于活躍課堂氣氛。

其實(shí)，有時候就算是相同的概念、相同的時期、相同的學(xué)生，采用不同的教學(xué)策略，都有可能取得意想不到的效果。一次“質(zhì)量守恒定律”的教學(xué)使我對微觀模型在概念教學(xué)中的作用有了新的認(rèn)識。

一、微觀模型讓概念變得更易想象

在一次科學(xué)教學(xué)中，我突發(fā)奇想，利用學(xué)生掌握得較好的模型知識來開展“質(zhì)量守恒定律”教學(xué)。先從水分子、氫分子和氧分子的結(jié)構(gòu)入手，讓學(xué)生用不同顏色、不同大小的紙片在黑板上擺放相應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)模型。繼而提出八年級上《科學(xué)》中學(xué)過的水的電解實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生嘗試著擺出相應(yīng)的微觀模型，教師有意識地引導(dǎo)學(xué)生形成反應(yīng)中各種物質(zhì)分子個數(shù)的觀念。在幾分鐘的探討磨合之后，學(xué)生不僅能用微觀模型解釋水的電解和氫氣在氧氣中燃燒的反應(yīng)本質(zhì)，還能用微觀模型解釋其他常見的化學(xué)反應(yīng)。我看時機(jī)已經(jīng)成熟，就發(fā)問：“在每個變化過程中分子種類變嗎？原子的個數(shù)和種類變嗎？”問題加深了學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)的理解，使學(xué)生明白了：化學(xué)反應(yīng)中分子分解成原子，原子重新組合成新分子的道理。這樣質(zhì)量守恒的道理就很明晰了。

事后，學(xué)生在解決質(zhì)量守恒或分子、原子模型有關(guān)問題的時候，竟然覺得應(yīng)付自如。他們普遍認(rèn)為，有了這種模型的概念之后，對這一類問題的想象變得是那么的具體和容易理解，也就是說：微觀模型讓概念變得更易想象。

二、利用微觀模型教學(xué)質(zhì)量守恒定律概念成功的原因分析

1.從質(zhì)量守恒的科學(xué)發(fā)現(xiàn)史認(rèn)識人們認(rèn)知的缺陷。

質(zhì)量守恒是科學(xué)中的重要概念之一，它的建立并非一帆風(fēng)順。因?yàn)楫?dāng)初很多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象使人們建立了“質(zhì)量不守恒”的觀點(diǎn)。之后羅蒙諾索夫（1756年）和拉瓦錫（1777年）在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出質(zhì)量守恒定律；后來德國朗道耳特（1908），英國的曼萊（1912年）用極其準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)證明了在化學(xué)反應(yīng)中質(zhì)量守恒。但人們往往對測量持懷疑態(tài)度，很難接受質(zhì)量守恒的事實(shí)。直到微觀模型的建立，我們明白了“化學(xué)反應(yīng)中微粒種類不變、微粒的數(shù)目不變”的道理，質(zhì)量守恒的概念才得到了大眾的認(rèn)可。這說明人們的認(rèn)知有容易受到原型復(fù)雜因素干擾的缺陷。

2.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對思維過渡的銜接欠缺。

傳統(tǒng)的質(zhì)量守恒定律教學(xué)是從生活中的現(xiàn)象入手，拿出木條點(diǎn)燃，燃燒后問學(xué)生質(zhì)量有變化嗎？之后為了定性地研究，教師會通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生觀察碳酸鈉與鹽酸在開口的容器里反應(yīng)過程中的天平指針偏轉(zhuǎn)情況，或鎂條在空氣中燃燒前后的質(zhì)量變化情況。引出問題讓學(xué)生思考：（1）反應(yīng)前后質(zhì)量為什么發(fā)生了變化？（2）用什么方法可以更加準(zhǔn)確地測定反應(yīng)前和反應(yīng)后的各物質(zhì)總質(zhì)量的變化？

思考后，師生一起設(shè)計白磷燃燒或CuSO4與NaOH反應(yīng)，觀察天平指針是否發(fā)生偏轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)。讓學(xué)生在嘗試實(shí)驗(yàn)設(shè)計的同時，得出質(zhì)量守恒的事實(shí)?？此葡喈?dāng)嚴(yán)密，并有事實(shí)作為依據(jù)，但是在運(yùn)用定律內(nèi)容解決實(shí)際問題時，學(xué)生對參加反應(yīng)和生成各物質(zhì)質(zhì)量總和的理解總是那么的勉強(qiáng)。因?yàn)榻虒W(xué)中我們稱量的是反應(yīng)物和未參加反應(yīng)的物質(zhì)或生成物與剩余物，以及儀器的總質(zhì)量，而得出的卻是參加反應(yīng)的各物質(zhì)質(zhì)量總和與生成的各物質(zhì)質(zhì)量的總和，在這個過渡中好像缺少了某一個中間環(huán)節(jié)。所以在運(yùn)用質(zhì)量守恒定律解決實(shí)際問題時，學(xué)生會反復(fù)出現(xiàn)同一類理解上的錯誤。盡管我們也向?qū)W生說明了原子的種類和數(shù)量在化學(xué)變化中都不變的道理，但由于這是在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上補(bǔ)充上去的，還沒有納入到學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中形成知識圖式，所以知識的親和性較差。

3.學(xué)生頭腦中模型與符號概念的建立是順利實(shí)施的關(guān)鍵。

從表面現(xiàn)象上看，宏觀到微觀或由宏觀現(xiàn)象入手形成某一個概念，符合由“知”到“不知”，再由“不知”推出“新知”的一般認(rèn)知規(guī)律。這種教學(xué)還可以保證自始至終能有學(xué)生的主動參與，課堂氣氛肯定比較活躍。而由模型引入的教學(xué)，一開始學(xué)生就會覺得教學(xué)內(nèi)容很難與已有的經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系起來，而無法納入已有的圖式之中。

但是當(dāng)我們在八年級上《科學(xué)》第一章“粒子的模型與符號”的學(xué)習(xí)之后，學(xué)生頭腦中就積累了大量的模型知識，再結(jié)合我們平時對模型的應(yīng)用與理解，加上八年級學(xué)生的抽象思維逐漸形成，并達(dá)到一定的水平，已經(jīng)初步具有運(yùn)用模型解釋常見的一些現(xiàn)象（如：水的三態(tài)變化到密度的改變、原子結(jié)構(gòu)、相對原子量等）的能力。再加上學(xué)生已經(jīng)在八上第一章中已經(jīng)學(xué)過“水的電解”，宏觀的現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)操作都比較了解。這樣的特殊時期，從微觀模型的角度認(rèn)識質(zhì)量守恒定律剛好適時彌補(bǔ)了學(xué)生認(rèn)知的不足，并以微觀模型簡約、明了的特征，使復(fù)雜背后的規(guī)律變得簡單易懂，易于操作和想象分析，符合多維構(gòu)建使認(rèn)知結(jié)構(gòu)更加完整牢固的特征。

三、以微觀模型構(gòu)建科學(xué)概念教學(xué)的思考

“好教師用50種方法教一個學(xué)生，差教師用一種方法教50個學(xué)生”是我們經(jīng)常聽到的一句至理名言。多元智能理論告訴我們每個人都不同程度地?fù)碛邢鄬Κ?dú)立的八種智力，而且每種智力有其獨(dú)特的認(rèn)知發(fā)展過程和符號系統(tǒng)。因此，教學(xué)方法和手段就應(yīng)該根據(jù)教學(xué)對象和教學(xué)內(nèi)容而靈活多樣，因材施教。為了提高教學(xué)效率，我們必須認(rèn)真研究教學(xué)方法。這里就針對利用微觀模型構(gòu)建科學(xué)概念教學(xué)談一些思考。

1.以微觀模型構(gòu)建科學(xué)概念是概念教學(xué)的一種模式。

科學(xué)教學(xué)是根據(jù)學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)一步一步地拓展他們的觀念。因而，在教學(xué)過程中我們需要一定的操作策略，以幫助學(xué)生更好地實(shí)現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變。我們普遍認(rèn)為：幼兒和低年級學(xué)生的科學(xué)概念形成要依靠大量的實(shí)踐活動，所以“做科學(xué)”被大量幼兒或小學(xué)的科學(xué)教師采納；小學(xué)高年級和中學(xué)的科學(xué)教學(xué)則要逐漸由“做科學(xué)”走向解決問題的探究式學(xué)習(xí)。這些都是有效的教學(xué)模式。其實(shí)概念的教學(xué)我們還常采用移用、類比、建立數(shù)學(xué)模型、進(jìn)行公式變形、應(yīng)用鞏固等方法使概念在學(xué)生頭腦中建立、強(qiáng)化和內(nèi)化。當(dāng)然，在不同的場合我們就應(yīng)該采用不同的策略。以微觀模型構(gòu)建科學(xué)概念也只是概念教學(xué)的一種模式，這種模式主要有以下一些特點(diǎn)。

提起模型，肯定要有相應(yīng)的原型。真實(shí)的情境就是我們研究對象的原型，作為原型的客觀事物所處的多種因素交錯，聯(lián)系復(fù)雜紛亂，容易造成人們面臨問題難以著手。而科學(xué)模型并不需要與原型在外部特征、質(zhì)料、結(jié)構(gòu)和形態(tài)上一一相似?？梢云查_那些次要因素、關(guān)系和過程，將主要因素、關(guān)系和過程突出地顯示出來，以便于人們觀察、實(shí)驗(yàn)和理論分析。尤其是對那些“時過境遷”、不能再現(xiàn)或微小的不可能直接觀察到的現(xiàn)象，我們更需要借助于模型研究。也就是說利用模型可以有效排除客觀事物及其它復(fù)雜因素的干擾。

2.每一種模式都有它的合適人群、合適內(nèi)容和出現(xiàn)的最佳時機(jī)。

在八年級下的“質(zhì)量守恒定率”教學(xué)中，采用模型教學(xué)建立概念是在比較合適的人群中找準(zhǔn)了合適的時機(jī)開展的有效教學(xué)。假如我們提前在八年級上《科學(xué)》“水的密度”一節(jié)中利用微觀模型開展教學(xué)，就要花費(fèi)很大的勁使學(xué)生建立模型的概念才行，因?yàn)榇藭r的學(xué)生、此時的內(nèi)容還不具備實(shí)施這種教學(xué)方法的最佳時機(jī)。而我們在復(fù)習(xí)課中運(yùn)用模型進(jìn)行三態(tài)變化的解釋之后，再嘗試用運(yùn)用模型重新認(rèn)識水的密度就會取得理想的效果。

3.利用模型開展教學(xué)的策略也有多種，加強(qiáng)研究對促進(jìn)有效教學(xué)意義深遠(yuǎn)。

相同的教材、不同的學(xué)生，應(yīng)有不同的教學(xué)方法；不同的教學(xué)內(nèi)容更應(yīng)采取不同的教學(xué)方法。教學(xué)實(shí)踐證明，更多的有效教學(xué)應(yīng)該是多種策略的有機(jī)結(jié)合才能達(dá)到目的的。知識、情境和學(xué)生的復(fù)雜性、多樣性，使得教學(xué)策略也變得多樣復(fù)雜。所以利用模型開展概念的有效教學(xué)還需我們加強(qiáng)研究。

4.讓模型經(jīng)歷一個“意義賦予”的過程，才能使模型教學(xué)更具活力。

概念是一類事物現(xiàn)象和發(fā)展過程的共同性質(zhì)和本質(zhì)特征在人們頭腦中的反映，是對現(xiàn)象、過程抽象化和概括化的思維形式。它具有明顯的簡約性、抽象性和概括性。

從建構(gòu)主義角度看，教學(xué)就是一個使學(xué)生進(jìn)行“理解學(xué)習(xí)”即由強(qiáng)調(diào)知識的“客觀性”轉(zhuǎn)化為注重學(xué)習(xí)主體內(nèi)在的思維過程。即學(xué)習(xí)是一個把新知識納入到學(xué)習(xí)者已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的過程，是知識在學(xué)習(xí)者的思維中獲得明確意義的過程，是一個“意義賦予”的過程。也就是說：實(shí)際意義是概念的生命，模型與概念的簡約性、抽象性和概括性只有加上“意義的賦予”才使教學(xué)更具活力。為了讓模型教學(xué)更具生命活力，我們必須注意以下兩個方面：

一是模型不能等同于原型。我們利用“芝麻和黃豆混合后總體積變小”的結(jié)果解釋“酒精與水混合體積減少的現(xiàn)象”，從而推論出分子間存在間隔。結(jié)果很多學(xué)生便錯誤地認(rèn)為：“芝麻和黃豆混合后總體積變小是因?yàn)榉肿娱g有間隔?！边@種模型與原型混淆現(xiàn)象的出現(xiàn)是我們沒有讓學(xué)生弄懂模型與原型的特征關(guān)系造成的。

二是模型代替不了實(shí)驗(yàn)。模型是教學(xué)的一種手段，利用模型開展教學(xué)是達(dá)到某一教學(xué)目的的一種策略。但模型建立起來的概念只有接受原型的檢驗(yàn)，才能使概念變得有意義。而實(shí)驗(yàn)可以是真實(shí)情境的再現(xiàn)，也可以是模型環(huán)境下的一種模擬。所以兩者之間存在著一定的區(qū)別和聯(lián)系，此時的模型教學(xué)又有很大的局限性。

科學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，科學(xué)知識從實(shí)踐中來，更要接受實(shí)踐的檢驗(yàn)。模型研究方法雖能發(fā)揮理論對實(shí)踐的指導(dǎo)作用，特別是在體現(xiàn)了正確科學(xué)理論知識的模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果往往會優(yōu)于實(shí)際情況，但這也絕對代替不了事實(shí)。當(dāng)然，利用微觀模型開展概念教學(xué)的有效性也有很大的優(yōu)勢，我們要加強(qiáng)研究，根據(jù)不同的學(xué)生、不同的內(nèi)容，適度、適時地開展。

參考文獻(xiàn)：

［1］陳志偉，陳秉初.中學(xué)科學(xué)教學(xué)論［M］.浙江教育出版社，2007.12.

［2］劉來福，曾文藝.問題解決的數(shù)學(xué)模型方法［M］.北京師范大學(xué)出版社，1999.11.

［3］中華人民共和國教育部制訂.科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)稿）.北京師范大學(xué)出版社，2001.7.

［4］王庚，王敏生.現(xiàn)代數(shù)學(xué)建模方法［M］.科學(xué)出版社，2008.2.

［5］趙邦杰，趙晟.生物學(xué)中的數(shù)學(xué)建模［M］.工科數(shù)學(xué)，2002年18卷6期.