設(shè)計、診斷初中科學(xué)建模作業(yè)的實踐和思考

張學(xué)娟

【摘 要】通過分析學(xué)生的作業(yè)表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的錯誤源于學(xué)生頭腦中錯誤的模型。本文提出在教學(xué)實踐中，通過設(shè)計和診斷學(xué)生的建模作業(yè)，幫助學(xué)生正確理解科學(xué)概念，實現(xiàn)問題的解決，需要教師在診斷學(xué)生錯誤模型的基礎(chǔ)上，針對學(xué)生學(xué)習(xí)的重難點、易錯點和容易混淆的概念，耐心地展開指導(dǎo)，使學(xué)生頭腦中原始的模型不斷向科學(xué)模型的方向發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】建模作業(yè);設(shè)計;診斷

有過初中電路教學(xué)經(jīng)驗的老師一定會記得，初學(xué)電路圖時，班里總有那么幾個學(xué)生作圖不用尺，有時候還會有學(xué)生把電路元件畫在拐角上（見圖1）。

圖1：學(xué)生根據(jù)實物圖所畫的電路圖

分析學(xué)生的作業(yè)表現(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)除了不懂得怎樣使用電壓表外，這份作業(yè)其實還是很認真的。在電路圖中，各元件的連接順序與實物圖是一致的，在實物圖中還有鉛筆描畫的痕跡，想必是解題時對電流回到負極的路徑有點糾結(jié)吧?？墒菫槭裁磿研襞莺碗娏鞅碇糜凇叭砺房凇钡闹醒肽兀吭L談學(xué)生才知道，學(xué)生認為電流經(jīng)過小燈泡后，有兩條支路，一個支路通向電壓表，而另一個支路則通向電流表。

明明是滑動變阻器與小燈泡串聯(lián)，電壓表應(yīng)該并聯(lián)在被測電路的兩端，這些基本的知識和技能已經(jīng)講解和示范了好幾遍，可是這個學(xué)生卻始終不能接受。對實物圖的描畫，說明解題時學(xué)生還是動了腦筋，可是畫電路圖時，卻不用尺。這恰恰說明了人的頭腦不會是一張白紙，在很多情況下，簡單的灌輸和說教對于人的學(xué)習(xí)而言大都會是蒼白無力的。

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認為，個體在學(xué)習(xí)過程中，通過與外界環(huán)境的相互作用，不斷建構(gòu)新的認知圖式。模型是所研究的系統(tǒng)、過程、事物或概念的一種表達形式，它舍去原型次要的細節(jié)和非本質(zhì)的聯(lián)系，以簡化和理想化的形式去再現(xiàn)原型的各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)、功能和聯(lián)系，是連接理論和應(yīng)用的橋梁。科學(xué)教學(xué)中的建模作業(yè)，是幫助學(xué)生認識和理解知識的手段并能夠反映學(xué)生的思維過程。

一、設(shè)計、診斷初中生建模作業(yè)的實踐案例和建模作業(yè)在教學(xué)中的作用

在初中科學(xué)教學(xué)中，地球儀、各種結(jié)構(gòu)圖、化學(xué)方程式、光路圖、電路圖、磁感線、各種圖像等都可被視為模型。翻閱教材，除了反映生活現(xiàn)象的圖片、科學(xué)家的照片外，絕大部分的插圖也大都可以視為模型。教學(xué)中，教師們運用的PPT、Flash動畫也大都是運用了模型揭示生物的結(jié)構(gòu)、描述科學(xué)規(guī)律、解釋事物的相互聯(lián)系和因果關(guān)系等。問題是這些模型雖然經(jīng)過了專家的檢驗，也符合科學(xué)學(xué)科的知識體系，但是學(xué)生沒有經(jīng)歷自主建模和修正的學(xué)習(xí)過程，一味地簡單的灌輸，卻容易造成學(xué)生被動接受和死記硬背的結(jié)果，出現(xiàn)圖1這樣的作業(yè)成果，也就不足為奇了。

模型方法，作為一種現(xiàn)代科學(xué)認識手段和思維方法，所提供的觀念和印象，不僅是人們獲取知識的條件，而且是認知結(jié)構(gòu)的重要組成部分。初中科學(xué)教學(xué)中，設(shè)計建模作業(yè)，促使學(xué)生主動運用模型方法描述科學(xué)概念、分析生活現(xiàn)象、研究物質(zhì)的運動和變化規(guī)律，不僅有助于學(xué)生思維的發(fā)展，也會有利于教師診斷學(xué)生對科學(xué)概念的理解， 了解不同層次學(xué)生的認知水平，厘清教學(xué)的起點、重點、難點和易錯點，有針對性地設(shè)計適合學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)活動。

1.厘清教學(xué)的重點：以學(xué)生運用原子的實心球模型建構(gòu)反應(yīng)關(guān)系為例

圖2：學(xué)生運用原子的實心球模型建立的關(guān)于磷在氧氣中燃燒的模型

從兩位學(xué)生的表現(xiàn)看，一個班級學(xué)生的個體差異是十分明顯的。左圖中學(xué)生對氧氣的微觀表達，說明在進入質(zhì)量守恒單元教學(xué)的時候，個別學(xué)生對于物質(zhì)的微觀構(gòu)成還沒有形成很好地理解。統(tǒng)計結(jié)果表明，37%的學(xué)生不重視反應(yīng)的條件，16%的學(xué)生不能正確地運用微粒模型表示相關(guān)物質(zhì)，建模作業(yè)中，反應(yīng)前后原子個數(shù)不相等的學(xué)生很少，僅占6.2%，但有較多的學(xué)生出現(xiàn)了多余的原子或分子。作業(yè)中，缺少“分子拆分成原子，原子重新組合成新的分子”環(huán)節(jié)的現(xiàn)象相當(dāng)普遍。倘若教師不能夠促使學(xué)生從微觀層次上理解化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生和本質(zhì)，那么對于學(xué)生來說，化學(xué)方程式的配平也就演變成了一種湊數(shù)的技巧，根據(jù)化學(xué)方程式計算也就只是一種按比例計算的技能了。

2.發(fā)現(xiàn)教學(xué)的難點：以學(xué)生建立測電筆檢查電路故障模型為例

從知識的獲得角度看，家庭電路的組成和用電安全單元教學(xué)看上去很容易，但是當(dāng)學(xué)生面對運用測電筆檢查家庭電路故障問題的時候，卻往往束手無策。

建模案例：在家庭電路中，正常發(fā)光的三盞燈突然全部熄滅，經(jīng)檢查保險絲完好，用測電筆插進插座的兩孔，氖管均發(fā)光。有經(jīng)驗的電工根據(jù)以上現(xiàn)象，認為是零線斷路造成的，請運用電路說明當(dāng)零線斷路時，為什么測電筆接觸零線孔時，氖管也會發(fā)光。

圖3：學(xué)生解釋零線斷路時測電筆接觸零線孔氖管發(fā)光的模型

統(tǒng)計表明，54.9%的學(xué)生能夠認識到當(dāng)零線斷路時，測電筆通過燈與火線接觸，火線、燈、零線孔、測電筆、人和大地之間形成回路，所以氖管發(fā)光。但是分析圖3中兩位學(xué)生建立的模型，可以發(fā)現(xiàn)還有不少學(xué)生并不理解在家庭電路中插座與用電器之間的連接關(guān)系，兩位學(xué)生不約而同地認為零線孔與火線孔是通過導(dǎo)線直接接通的。右圖學(xué)生的表現(xiàn)表明，雖然學(xué)生知道可以用測電筆區(qū)別零線和火線，但事實上并不會使用測電筆，當(dāng)然也就很難理解火線、測電筆、人、大地之間能構(gòu)成的回路，測電筆中的大電阻所起到的保護作用。由此可見，通過指導(dǎo)學(xué)生的實踐和建模，幫助學(xué)生認識火線和零線之間、火線和大地之間有220伏電壓，理清各種觸電事故發(fā)生時電流通過人體的路徑乃至大小，是家庭電路和用電安全單元教學(xué)的重點。

3.明晰教學(xué)的易錯點：以學(xué)生解題時建構(gòu)的受力分析圖為例

圖4：解題時學(xué)生分析各力關(guān)系時建構(gòu)的受力分析圖

在解決壓力和壓強、功和能、機械效率等綜合性力學(xué)問題時，完整而且細致的受力分析是解決問題的起點。但觀察學(xué)生解題時的表現(xiàn)卻發(fā)現(xiàn)，很少有學(xué)生會在計算之前，對物體受到的力作出分析。要求學(xué)生在作業(yè)中，運用力的示意圖建立模型，分析各力之間的大小關(guān)系，其中左圖要求分析拉力、彈簧測力計的示數(shù)、物重與滑動摩擦力之間的關(guān)系，右圖要求分析各股繩所受的拉力、人的重力、物體的重力、動滑輪的重力以及物體與人對地面的壓力之間的關(guān)系。endprint

統(tǒng)計結(jié)果表明，有34.1%的學(xué)生只是在圖中標(biāo)注力的大小（見圖4），而不是用帶箭頭的線段表示力的三要素。生活中，物體的微小形變不容易被學(xué)生察覺，對各種力展開基礎(chǔ)教學(xué)的過程中，學(xué)生對于施力物體、受力物體、作用點和方向等基本要素的體驗不夠充分，進入初三后，導(dǎo)致學(xué)生難以在綜合性問題中通過受力分析解決力學(xué)問題，有一些落后的學(xué)生甚至連做功的概念都難以建立。分析學(xué)生在建模作業(yè)中的表現(xiàn)，不難看出沒有明確各力的方向，是導(dǎo)致學(xué)生各種受力分析錯誤發(fā)生的關(guān)鍵點。

4.澄清容易混淆的概念：以學(xué)生利用微觀模型比較物體內(nèi)能的大小為例。

在初中物理中，內(nèi)能是指物體內(nèi)部大量做熱運動的粒子具有的能，初學(xué)者常常會把溫度、內(nèi)能和熱量概念混為一談。學(xué)生在學(xué)習(xí)內(nèi)能的過程中，到底是如何理解微粒的熱運動，又是如何分析判斷物體內(nèi)能的大小及其變化的？

實踐案例：用實心球表示水分子，用帶箭頭的直線表示水分子無規(guī)則運動的方向和快慢，建立微觀模型解釋：①0℃等質(zhì)量的水和冰，水的內(nèi)能大;②40℃的水，質(zhì)量大的內(nèi)能大;③等質(zhì)量80℃和40℃的水，80℃的水內(nèi)能大。

圖5：學(xué)生運用微觀模型比較和解釋物體內(nèi)能的大小

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在正式學(xué)習(xí)內(nèi)能知識之前，45.1%的學(xué)生能夠通過自主閱讀課本，聯(lián)系已有的知識，從微粒的排列方式、多少和熱運動的劇烈程度角度完整而且清楚地完成三個項目的解釋和比較。但是從圖5中兩位學(xué)生的表現(xiàn)可以看出，一些學(xué)生不能很好地建立起微粒個數(shù)與宏觀質(zhì)量之間的聯(lián)系。左圖學(xué)生的表現(xiàn)進一步說明了有些學(xué)生對不同狀態(tài)下微粒的排列方式缺乏正確的認識，而右圖學(xué)生的解釋和分析，說明學(xué)生混淆了內(nèi)能和質(zhì)量，當(dāng)學(xué)生不能從模型中得到解釋的時候，錯誤地運用了熱量的計算公式做出了牽強附會的分析。

學(xué)生建立的模型反映了學(xué)生頭腦中對相關(guān)概念的理解，錯誤的模型導(dǎo)致他們在解題過程中一次次地做出錯誤的判斷。唯有教師指導(dǎo)他們修正頭腦中的錯誤模型，類似的錯誤才有可能得到減少，直至徹底地訂正。

二、實踐中領(lǐng)悟到的設(shè)計、診斷初中生建模作業(yè)的一般原則

建模作為一種認識世界、領(lǐng)悟科學(xué)概念、實現(xiàn)問題解決的科學(xué)方法，對于落實雙基、發(fā)展初中生的邏輯思維能力來說有著重要的作用。人的學(xué)習(xí)不是被動的接受，而是學(xué)習(xí)主體的領(lǐng)悟。因此，設(shè)計建模作業(yè)，促使學(xué)生體驗建模的過程，并在修正的過程中，使學(xué)生頭腦中原始的模型不斷向科學(xué)模型的方向發(fā)展，要比教師直接呈現(xiàn)和示范科學(xué)模型重要得多。通過教學(xué)的實踐和思考發(fā)現(xiàn)，設(shè)計、診斷初中生的建模作業(yè)，應(yīng)遵循以下三個基本原則。

1.建模作業(yè)應(yīng)尊重科學(xué)事實，遵循科學(xué)規(guī)范，強調(diào)基本技能

建模作為一種科學(xué)思維方式，并不是異想天開。科學(xué)史上，科學(xué)模型的建立都是建立在無數(shù)次實驗的基礎(chǔ)之上，如：盧瑟福原子核模型、磁感線模型等。建模作業(yè)追求的是學(xué)生對科學(xué)原理的理解和問題的解決，美觀漂亮雖然不是建模作業(yè)的主要目標(biāo)，但設(shè)計和診斷初中生的建模作業(yè)，也應(yīng)該有規(guī)范和技能的要求，如：光路圖中對于虛像的規(guī)定、力的圖示中對于力的三要素的規(guī)定等。事實上，在科學(xué)規(guī)范的背后，恰恰蘊藏著科學(xué)家們對科學(xué)概念的理解。

2.建模作業(yè)會經(jīng)歷一個不斷修正的過程，教師對待學(xué)生的建模作業(yè)要付出足夠的時間和耐心

建立科學(xué)模型需要大量實驗事實的支持，學(xué)生運用已有的科學(xué)知識建立模型同樣會經(jīng)歷一個不斷修正的過程。初中生認知水平?jīng)Q定了教師會從學(xué)生的建模作業(yè)中發(fā)現(xiàn)各種各樣的錯誤認識，正是這些錯誤認識幫助教師找準教學(xué)的出發(fā)點，因此教師應(yīng)當(dāng)珍視學(xué)生的建模作業(yè)，不斷鼓勵和幫助學(xué)生修正原始的模型。初中生正處于學(xué)習(xí)的持續(xù)性和邏輯思維的發(fā)展階段，對于學(xué)生在建模作業(yè)中暴露出來的種種問題，教師要付出足夠的時間和耐心做出指導(dǎo)，學(xué)生頭腦中的模型才有可能不斷接近科學(xué)理論所揭示的事實。

3.建模作業(yè)的修正需要學(xué)生間的交流與合作

班級授課制度下的大班教學(xué)，一位初中科學(xué)教師一般面對幾十乃至上百位學(xué)生，一一個別指導(dǎo)學(xué)生修正建模作業(yè)很難做到。學(xué)生間的交流與合作可以擴大交流的渠道和范圍，在學(xué)生完成建模作業(yè)之后，課堂上給予學(xué)生一定的時間，促使學(xué)生通過相互交流，解釋和修正自己的模型，不僅有助于促進學(xué)生對概念的理解，也會有助于學(xué)生評價和反思能力的發(fā)展。

教學(xué)實踐中，常常為學(xué)生解題時一會兒對、一會兒錯，甚至一錯再錯現(xiàn)象而感到苦惱，直到嘗試把一些選擇題改造為建模作業(yè)之后，才算是發(fā)現(xiàn)了一點端倪。查閱一些關(guān)于模型、模型方法、建模的文獻資料后，才知道建模對于初中科學(xué)的教學(xué)來說是如此的重要。模型有物理模型、概念模型和數(shù)學(xué)模型等不同類型，診斷學(xué)生建模能力的發(fā)展水平也有各種各樣的方法和手段。因此，設(shè)計和診斷學(xué)生的建模作業(yè)還需要教師們做更多的實踐、探索和思考！

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