科學(xué)模型及其方法教育的研究

摘 要科學(xué)模型是人們通過科學(xué)思維對(duì)自然界中的原物的抽象描述，科學(xué)模型方法具有趣味性和實(shí)用性，是科學(xué)研究的重要工具。在科學(xué)教育中，認(rèn)識(shí)、學(xué)習(xí)、研究、應(yīng)用這一方法，對(duì)于科學(xué)教師的教育工作具有極大的實(shí)踐價(jià)值，科學(xué)建模能力已成為師生教與學(xué)水平的集中體現(xiàn)。

關(guān)鍵詞科學(xué)模型;方法教育;科學(xué)建摸

中圖分類號(hào) G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)1673-9671-(2009)111-0144-02

縱觀科學(xué)發(fā)展史，許多重大的發(fā)現(xiàn)與結(jié)論，都是由于科學(xué)家們經(jīng)過大膽的猜想構(gòu)思，創(chuàng)建出科學(xué)的理想化的模型，并通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)或?qū)嵺`驗(yàn)證，模型與事實(shí)基礎(chǔ)很好吻合的前提下獲得的，從這種意義上講掌握科學(xué)方法比學(xué)習(xí)科學(xué)文化知識(shí)更為重要。因此向?qū)W生滲透和灌輸模型思想，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)模型能力不僅是學(xué)好科學(xué)知識(shí)的需要，也是素質(zhì)教育的必然結(jié)果。在教育過程中，籍科學(xué)模型方法教育，有機(jī)的滲透其他科學(xué)方法能更好的發(fā)展學(xué)生思維，完善學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)，提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)。

1 科學(xué)模型概述

模型，在西文中源出于拉丁文的Modulus，意思是尺度、樣本、標(biāo)準(zhǔn);中文原意指依據(jù)實(shí)物的形狀和結(jié)構(gòu)按比例制成的物品，引伸意義為規(guī)范?？茖W(xué)研究對(duì)象是極其復(fù)雜的，對(duì)于每一個(gè)研究對(duì)象來說，它涉及的因素是相當(dāng)多的。因此，為研究科學(xué)問題的方便和易于探究科學(xué)問題本質(zhì)而從復(fù)雜的科學(xué)現(xiàn)象和過程中抽象出研究對(duì)象的簡化描述或模擬稱科學(xué)模型。它不僅具有高度的抽象性，還具有廣泛的代表性，其主要特征是:抽象性和形象性的統(tǒng)一、科學(xué)性與假定性的統(tǒng)一。

1.1 科學(xué)模型分類

這里為便于理解和應(yīng)用，現(xiàn)根據(jù)科學(xué)模型的特點(diǎn)及其結(jié)構(gòu)分為如下二類，其中理想模型更為多見。

理想模型:是據(jù)研究對(duì)象和問題的特點(diǎn)，舍棄次要非本質(zhì)的因素，抓住主要的本質(zhì)的因素，建立起來的易于研究且能反映研究對(duì)象主要特征的新形象，是高度科學(xué)抽象與概括的結(jié)果。理想模型作為理想化的圖景，一般說來在現(xiàn)實(shí)中找不到。但是理想模型是建立在可靠事實(shí)基礎(chǔ)上是對(duì)客觀事物的一種近似的反映，在科學(xué)中具有不可替代的作用，據(jù)各自特點(diǎn)可大致分為以下五類:概念模型(對(duì)象模型)、條件模型(狀態(tài)模型)、過程模型、數(shù)學(xué)模型、現(xiàn)象模型。

理論模型:是在觀察和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過科學(xué)思維，對(duì)某一客體和研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)、內(nèi)在聯(lián)系、運(yùn)動(dòng)規(guī)律等所做的一種簡化和具體描述。這種模型通常以假說的形式出現(xiàn)，它能解釋某些物理現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)事實(shí)，指明進(jìn)一步研究的方向，反映研究對(duì)象的特征。當(dāng)然，其正確性要由科學(xué)實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)，并且隨著認(rèn)識(shí)的深入和科學(xué)的發(fā)展而不斷修正和完善。如:安培的分子電流假說、盧瑟福的原子結(jié)構(gòu)模型、光的波粒二象性模型等。

1.2 科學(xué)模型的作用

作為一種現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)識(shí)手段和思維方法，科學(xué)模型具有兩方面的作用:抽象和具體作用。

一方面，可從原型出發(fā)，根據(jù)某一特定目的，抓住其本質(zhì)特征，將原型抽象、簡化、純化構(gòu)建成能反映其本質(zhì)特點(diǎn)的科學(xué)模型，對(duì)科學(xué)模型進(jìn)行研究，為形成和檢驗(yàn)理論建立基礎(chǔ)。另一方面，高度抽象化的科學(xué)理論要來處理實(shí)際問題時(shí)，必須具體化為某個(gè)特定的模型，才能發(fā)揮理論指導(dǎo)實(shí)踐的作用。

2 科學(xué)模型方法教育的作用

科學(xué)模型方法在科學(xué)發(fā)展史上有著極其重要的地位和作用，它是理論知識(shí)的一種初級(jí)表現(xiàn)，理論的研究實(shí)質(zhì)上就是對(duì)科學(xué)模型的研究。因此，在科學(xué)教育中，模型方法也有著獨(dú)特的、甚至是不可替代的作用。

2.1 促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知水平的發(fā)展

人的認(rèn)識(shí)發(fā)展過程是從生動(dòng)的直觀到抽象的思維，并從抽象的思維再到實(shí)踐的過程?？茖W(xué)教育應(yīng)當(dāng)促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知水平的發(fā)展，將學(xué)生的認(rèn)知水平從具體運(yùn)算提高到形式運(yùn)算水平，即讓學(xué)生逐步由具體向抽象過渡，能對(duì)抽象的假設(shè)或命題進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)換。這一過程離不開從具體到抽象的過渡訓(xùn)練，而這種既能聯(lián)系具體、又能聯(lián)系抽象的性質(zhì)，正是模型所特有的。模型一方面提供了這種教學(xué)的情境，另一方面又使學(xué)生在這種從具體到抽象的認(rèn)識(shí)過程中發(fā)生認(rèn)知沖突，從而促進(jìn)認(rèn)知水平的發(fā)展。

2.2 激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)

模型教育可以使學(xué)生體驗(yàn)到理論知識(shí)的作用，而且會(huì)使他們產(chǎn)生躍躍欲試的興趣，并使他們對(duì)探索活動(dòng)成功后的喜悅感、自豪感產(chǎn)生穩(wěn)定的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而產(chǎn)生良好的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。例如，當(dāng)學(xué)生第一次看到“浮沉子”實(shí)驗(yàn)時(shí)，不禁被其能自如地上下浮沉所吸引，產(chǎn)生了一種迫切的求知欲;當(dāng)他們?cè)诮處煹囊龑?dǎo)下學(xué)習(xí)了影響物體浮沉條件的模型，了解了浮沉子浮沉的原理后，進(jìn)而自己動(dòng)手做一個(gè)“浮沉子”;當(dāng)學(xué)生看到通過自己探索學(xué)習(xí)親手做的浮沉子在水中自如地上下浮沉?xí)r，不禁產(chǎn)生喜悅和自豪感，極大程度地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。

2.3 開發(fā)學(xué)生的研究能力

模型的建立是根據(jù)目的和任務(wù)抽象出被研究對(duì)象的本質(zhì)特征、舍去許多次要的細(xì)節(jié)和非本質(zhì)的屬性，把要研究的現(xiàn)象、問題從紛繁復(fù)雜的交錯(cuò)關(guān)系中明確、清晰地顯示出來，使問題得以簡化和明確化，并制訂出解決問題的程序，從而充分地發(fā)揮思維的能動(dòng)作用，達(dá)到認(rèn)識(shí)原型的目的。因此，模型的建立過程就是一個(gè)科學(xué)研究過程。在這一過程中，需要學(xué)生自己確定研究對(duì)象，設(shè)置已知量和未知量，運(yùn)用科學(xué)規(guī)律，選擇研究方法，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠衽c實(shí)際相一致，這對(duì)學(xué)生研究能力的培養(yǎng)有著很好的作用。

2.4 培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神

科學(xué)精神與科學(xué)知識(shí)、科學(xué)方法，都是科學(xué)教育的基本要素。模型方法教育中蘊(yùn)含著獨(dú)特的科學(xué)精神教育。模型建立的實(shí)質(zhì)是要在原型背后揭示出所包含的科學(xué)規(guī)律。這樣，模型的建立過程就必然是一個(gè)艱苦的探索、發(fā)現(xiàn)過程，這一過程來不得半點(diǎn)虛假，需要有嚴(yán)謹(jǐn)、誠實(shí)的科學(xué)態(tài)度。模型的得來也絕非一蹴而就，往往要使認(rèn)識(shí)主體經(jīng)歷一個(gè)“苦其心志，勞其筋骨”的認(rèn)識(shí)過程，需要有堅(jiān)韌不拔的意志。同時(shí)，科學(xué)中每一個(gè)模型的建立與發(fā)展都蘊(yùn)藏著豐富的哲學(xué)內(nèi)涵，它是教學(xué)過程中對(duì)學(xué)生實(shí)施辯證唯物主義教育的好材料。

3 培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)建模能力

科學(xué)模型不是憑空產(chǎn)生的，它是思維的產(chǎn)物、離不開抽象思維、形象思維和直覺思維，一般而言，抽象思維和直覺思維對(duì)建立模型更為重要。科學(xué)建模過程實(shí)際上是一種創(chuàng)造性的腦力勞動(dòng)過程，觀察和實(shí)驗(yàn)是構(gòu)造科學(xué)模型的基礎(chǔ)，抽象分析和形象想象是構(gòu)造科學(xué)模型的基本手段，其一般思維流程可以概括如下:

從“自然客體”到“模型準(zhǔn)備”是感知——作好準(zhǔn)備階段;從“模型準(zhǔn)備”到“認(rèn)知結(jié)構(gòu)”是醞釀--尋找結(jié)合點(diǎn)階段;從“模型建立”及“問題解決”是靈感--思維高度升華階段;“實(shí)驗(yàn)論證”是求證--體會(huì)其科學(xué)實(shí)質(zhì)階段。由此可知:培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)建模能力的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)是熔學(xué)科知識(shí)、科學(xué)方法和物理思維能于一體的復(fù)雜的教學(xué)過程，要構(gòu)建“學(xué)習(xí)--模仿--創(chuàng)新”的教學(xué)模式，使這種模式貫穿于建模能力培養(yǎng)的教學(xué)過程中每一個(gè)環(huán)節(jié)。

學(xué)習(xí)--是指教師在科學(xué)教學(xué)過程中采用顯性化的教學(xué)方法將教材中出現(xiàn)的科學(xué)模型明示給學(xué)生，并適當(dāng)介紹些有關(guān)模型知識(shí)，運(yùn)用模型方法分析一些簡單的物理問題。

模仿--是指教師在教學(xué)過程中，依據(jù)學(xué)生掌握的一些模型知識(shí)和學(xué)生了解的一些建模思維方法，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)一些簡單實(shí)際問題進(jìn)行建模分析，領(lǐng)會(huì)建模要領(lǐng)，讓學(xué)生親自體驗(yàn)建立科學(xué)模型的過程。

創(chuàng)新--是指學(xué)生在經(jīng)過“學(xué)習(xí)”、“模仿”以后，對(duì)有關(guān)的一些模型知識(shí)和模型方法有了比較清楚的認(rèn)識(shí)，具有了一定的建模能力。在此基礎(chǔ)上，可以處理一些比較復(fù)雜的科學(xué)模型問題，這實(shí)際上是一種較高層次的遷移能力。

“學(xué)習(xí)”、“模仿”是培養(yǎng)科學(xué)建模能力的初級(jí)層次，而“創(chuàng)新”則屬于科學(xué)建模能力的高級(jí)層次，但他們不是相互隔列開的，而是貫穿于科學(xué)建模過程的始終，是有機(jī)地結(jié)合在一起的，教師應(yīng)在教學(xué)中積極探索科學(xué)模型建構(gòu)能力培養(yǎng)的途徑。

3.1 幫助學(xué)生形成大量的科學(xué)圖景表象

(1)生活圖景轉(zhuǎn)換成科學(xué)圖景。生活圖景是指學(xué)生在日常生活中所形成的自然常識(shí)、信息及經(jīng)驗(yàn)。在科學(xué)教學(xué)中，可以通過多種形式，將生活圖景更換為科學(xué)圖景，將科學(xué)形象根植于學(xué)生的大腦，從而提高他們的科學(xué)圖景形象思維能力。如，可以幫助學(xué)生將生活中的跳高、跳水轉(zhuǎn)換成豎直上拋運(yùn)動(dòng)圖景，跳遠(yuǎn)、擲鉛球轉(zhuǎn)換成斜拋運(yùn)動(dòng)圖景，從而尋找到解決生活中實(shí)際問題的方法，同時(shí)使學(xué)生在頭腦中貯存大量的科學(xué)圖景。

(2)利用實(shí)驗(yàn)、模型、掛圖等展示科學(xué)圖景。在實(shí)際生活中有些生活圖景對(duì)學(xué)生來說很熟悉，但也有大量的現(xiàn)象、事實(shí)不一定存在于學(xué)生周圍，學(xué)生對(duì)它們不熟悉，同時(shí)在生活中也不一定觀察得到，所以可以將生活中不常見、學(xué)生不了解的現(xiàn)象用實(shí)驗(yàn)、模型、掛圖等來展示，使學(xué)生對(duì)抽象的科學(xué)現(xiàn)象、事實(shí)形成形象、生動(dòng)的科學(xué)圖景。

(3)利用多媒體手段模擬科學(xué)圖景?？茖W(xué)中的研究對(duì)象除了生活中比較熟悉的以外，它的研究對(duì)象大至宇宙天體、小至微觀世界，在教學(xué)中不便演示、展示或?qū)嶒?yàn)。于是可用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬這些現(xiàn)象和內(nèi)容，以立體的信息輸入學(xué)生的大腦，幫助學(xué)生形成生動(dòng)、立體、形象的科學(xué)圖景。如用“幾何畫板”軟件制作的“α粒子散射實(shí)驗(yàn)”動(dòng)態(tài)的模擬，可以使學(xué)生理解科學(xué)實(shí)質(zhì)，加深對(duì)規(guī)律的理解。

3.2 引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)科學(xué)模型圖景

(1)從已有圖景展開形成新圖景。當(dāng)學(xué)生在頭腦中貯存了一定量的科學(xué)圖景時(shí)，在遇到比較復(fù)雜的問題時(shí)，就可以通過喚起已有的科學(xué)圖景展開形成新圖景，便于從整體上認(rèn)識(shí)問題。例如，當(dāng)學(xué)生對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律比較熟悉后，在遇到“勻速飛行的飛機(jī)在相等的時(shí)間間隔內(nèi)扔炸彈，選地面為參照物和選飛機(jī)為參照物，炸彈的運(yùn)動(dòng)如何?”時(shí)，可以引導(dǎo)學(xué)生先想象飛機(jī)扔一個(gè)炸彈的圖景，然后在此基礎(chǔ)上展開第二個(gè)、第三個(gè)……炸彈下落的新圖景，從而使學(xué)生理解如果以飛機(jī)為參照物，炸彈是在其正下方作自由落體運(yùn)動(dòng);以地面為參照物，炸彈在作平拋運(yùn)動(dòng)，從而利用其規(guī)律來解決問題。

(2)圖景之間的等效轉(zhuǎn)換。如果兩個(gè)科學(xué)現(xiàn)象的效果相似，就可引導(dǎo)學(xué)生將其中一個(gè)科學(xué)圖景轉(zhuǎn)換為另一個(gè)科學(xué)圖景來處理，從而可以得出結(jié)果。例如，在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，在磁場(chǎng)中作切割磁感線運(yùn)動(dòng)的那部分導(dǎo)體相當(dāng)于電源，于是可將這一圖景等效為電路，然后用閉合電路的歐姆定律來處理。

(3)圖景之間的類比轉(zhuǎn)換。當(dāng)兩個(gè)科學(xué)現(xiàn)象的部分屬性有相似之處，可以用聯(lián)想和比較的方法，抓住不同現(xiàn)象的相似之處進(jìn)行類比，找到解決問題的方法。例如，當(dāng)質(zhì)量為M的金屬桿1從高為H的傾斜的光滑導(dǎo)軌滑至導(dǎo)軌的水平部分，水平部分有豎直向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)B且有一靜止在水平導(dǎo)軌上的金屬桿2。如果金屬桿1、2不會(huì)相碰，求它們最后的運(yùn)動(dòng)速度。這一過程比較復(fù)雜，可以引導(dǎo)學(xué)生避開事物局部非相似表象，從整體上作模糊相似處理，那么，金屬桿1進(jìn)入水平導(dǎo)軌部分后與金屬桿2作用的動(dòng)態(tài)過程，跟子彈擊中放在光滑水平面上的木塊相互作用過程很相似，這樣就可以用子彈擊木塊的動(dòng)態(tài)變化圖景來類比金屬桿1、2的相互作用過程，從而找到本題的解題方法。

(4)圖景與語言之間的轉(zhuǎn)換?？茖W(xué)語言有兩種類型:文字表達(dá)和數(shù)學(xué)形式。首先，在遇到用文字表達(dá)的物理問題時(shí)，我們要在頭腦中構(gòu)想出科學(xué)圖景，實(shí)現(xiàn)語言與圖景間的轉(zhuǎn)換;然后將頭腦中的圖景形象思維外化，用圖形、文字、數(shù)學(xué)形式來表達(dá)，實(shí)現(xiàn)圖景與語言間的轉(zhuǎn)換。這兩者間的轉(zhuǎn)換能力培養(yǎng)可以通過在教學(xué)中有意識(shí)地減少練習(xí)中的原始圖形，改用純文字表達(dá)，要求學(xué)生在此基礎(chǔ)上構(gòu)想圖景，畫出示意圖，并在求解科學(xué)問題時(shí)，視具體問題，將圖象和文字表達(dá)、數(shù)學(xué)表達(dá)相結(jié)合，尋找最佳的表達(dá)方式和解題途徑。

綜上所述，科學(xué)模型圖景的建構(gòu)，實(shí)際上是從整體上把握問題的實(shí)質(zhì)，通過形象構(gòu)思尋找出表征問題方式的過程。能否快速地構(gòu)建起清晰、準(zhǔn)確的科學(xué)圖景的能力并不是一朝一夕就能形成，這要依靠在平時(shí)的教學(xué)中不斷地琢磨，采用多種方法、多角度地滲透構(gòu)建科學(xué)圖景的方法，同時(shí)，還要注意避免錯(cuò)誤的科學(xué)圖景表象的誤導(dǎo)及負(fù)遷移。

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作者簡介:

徐敬標(biāo)(1969-)，男，漢，江蘇睢寧人，副教授，碩士，主要研究方向:科學(xué)教育。