模型與解釋：科學(xué)抽象問題的解決之道
——以“輪軸”一課教學(xué)為例

江蘇省蘇州工業(yè)園區(qū)方洲小學(xué) 鮑峰

模型與解釋：科學(xué)抽象問題的解決之道
——以“輪軸”一課教學(xué)為例

江蘇省蘇州工業(yè)園區(qū)方洲小學(xué) 鮑峰

2013年美國(guó)最新發(fā)布的《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》把“科學(xué)探究”更新為“科學(xué)與實(shí)踐”，其中將開發(fā)和利用模型列入“科學(xué)與實(shí)踐”。由此，模型被提到了重要的位置。因此，教師在引導(dǎo)學(xué)生解決科學(xué)問題時(shí)應(yīng)重視對(duì)模型的運(yùn)用，將其作為提高學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的重要手段。本文以教科版六年級(jí)上冊(cè)“輪軸”一課為例，談?wù)勥\(yùn)用模型與解釋解決科學(xué)抽象問題。

一、情境導(dǎo)入，聚焦問題

筆者在課件中出示生活中的水井和桶，向?qū)W生提問：你有什么辦法能把一桶水從井里提起來？學(xué)生會(huì)想到用繩子系住桶，放入井中，打滿水后，再用繩子把桶拉起來。老師介紹桌上的工具，線的一端掛著重物，另一端固定在塑料管上。追問學(xué)生：你能用桌上的這個(gè)工具把水桶提起來嗎？先自己動(dòng)手操作，再交流。學(xué)生很快會(huì)想到轉(zhuǎn)動(dòng)塑料管，水桶就能提起來，經(jīng)過嘗試發(fā)現(xiàn)這種方式是可行的。可是生活中一桶水的重量比這重多了，再用這個(gè)塑料管轉(zhuǎn)會(huì)怎樣呢？答案肯定是不省力的。由此，本節(jié)課的任務(wù)就落在了如何設(shè)計(jì)方案和改進(jìn)裝置，以便能省力地把水提上來。

二、親歷實(shí)踐，建構(gòu)模型

1.提出方案。提出本節(jié)課的任務(wù)后，學(xué)生紛紛思考如何改進(jìn)現(xiàn)有的這個(gè)裝置。其中有一種方法得到了很多同學(xué)的認(rèn)同，那就是在塑料管上打個(gè)洞，然后插一根竹棒，借助竹棒轉(zhuǎn)塑料管，這樣會(huì)感覺到省力很多。于是我演示如何用測(cè)力計(jì)測(cè)量直接提重物和借助短竹棍提重物的方法。接著學(xué)生小組合作改進(jìn)新裝置并測(cè)試用力情況。

2.實(shí)驗(yàn)取證。通過實(shí)驗(yàn)，證明借助竹棒轉(zhuǎn)動(dòng)塑料管可以省力。有一個(gè)小組測(cè)得的數(shù)據(jù)是：直接提重物的力是2.0N；借助小竹棒用的力測(cè)了三次，都是0.3N，另一小組測(cè)得的數(shù)據(jù)有些“奇怪”：直接提重物的力是2.1N；借助小竹棒用的力測(cè)了三次，分別是0.5N、0.3N和0.1N。兩個(gè)組測(cè)得直接提重物的力相差0.1N，在誤差范圍內(nèi)，在小竹棒上所用的力為何測(cè)出來相差很大呢？我馬上請(qǐng)這個(gè)小組的同學(xué)來解釋一下，原來這個(gè)小組在測(cè)量的時(shí)候，測(cè)力計(jì)勾住小竹棒的位置發(fā)生了變化，導(dǎo)致了三次結(jié)果都不一樣。誤打誤撞下，學(xué)生發(fā)現(xiàn)借助小竹棒不僅省力，而且還發(fā)現(xiàn)用力的位置越遠(yuǎn)離塑料管所用的力就越小，即越省力。

3.論證質(zhì)疑。我組織學(xué)生選擇同一個(gè)竹棒在不同位置進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)過多次測(cè)試，發(fā)現(xiàn)用力的位置距離塑料管越遠(yuǎn)越省力。那么我們還想再省力些，如何改進(jìn)現(xiàn)有的裝置呢？有學(xué)生不假思索，脫口而出道：“選用更長(zhǎng)的竹棒呀！”“好的，那你來試一試吧?！崩蠋熑〕鲆桓?米多長(zhǎng)的“加長(zhǎng)版”竹棒，交到學(xué)生手中。剛開始使用起來還方便，可是當(dāng)竹棒轉(zhuǎn)到最高處時(shí)，學(xué)生的手夠不著了，當(dāng)竹棒轉(zhuǎn)到最低處時(shí)，竹棒碰到桌子，轉(zhuǎn)不過去了?？磥碇癜粢膊荒芴L(zhǎng)啊，太長(zhǎng)了反而不方便了。所以在選擇竹棒的長(zhǎng)度時(shí)不但要考慮能否省力，還要考慮是否方便。

4.修改方案?！凹热恢癜舻拈L(zhǎng)度不宜過長(zhǎng)，那么還有別的辦法嗎？”我引導(dǎo)學(xué)生換個(gè)角度思考問題。有學(xué)生想到了增加竹棒的數(shù)量，比如在塑料管上插上3根竹棒。于是我再次組織學(xué)生討論。經(jīng)過討論，學(xué)生得出了這樣的解釋：（1）增加竹棒后，塑料管轉(zhuǎn)1圈，每根竹棒只要轉(zhuǎn)動(dòng)三分之一圈就可以了。（2）原來在一根竹棒上用力，現(xiàn)在可以在三根竹棒上用力，相當(dāng)于每根竹棒只要承擔(dān)原來三分之一的力。（3）當(dāng)竹棒轉(zhuǎn)到離我們手最遠(yuǎn)的時(shí)候，可以在另外的竹棒上用力。

5.完善模型。假如繼續(xù)插上更多的竹棒，就更方便更省力了。竹棒太多了，老師干脆用線把這些竹棒連起來，并轉(zhuǎn)動(dòng)裝置。同學(xué)們看，像什么？像蜘蛛網(wǎng)、像紡織車、像方向盤……“同學(xué)們的想象力真豐富，其實(shí)，科學(xué)上專門給這樣的工具取了個(gè)名字，叫輪軸。顧名思義，它是由‘輪’和‘軸’組成的。”水到渠成，我抓住時(shí)機(jī)揭示輪軸概念。借助輪軸模型的建立，輪軸概念在學(xué)生大腦中順利建構(gòu)起來。

三、應(yīng)用生活，形成解釋

輪軸模型建構(gòu)是這節(jié)課的重要環(huán)節(jié)，如果學(xué)生只是沉浸在成功建模的喜悅中，不運(yùn)用模型去描述、解釋或預(yù)測(cè)客觀世界，那這樣的科學(xué)探究是淺層次、低思維的。因此我讓學(xué)生說說除了老師介紹的生活中的輪軸外，還有哪些是輪軸？學(xué)生說有螺絲刀、門把手、水龍頭、卷筆機(jī)的搖柄、拉桿書包的輪子，等等。為了讓學(xué)生對(duì)輪軸有更深刻的認(rèn)識(shí)和理解，于是我組織學(xué)生對(duì)他們提出來的輪軸進(jìn)行判斷。這引起了大家的激烈爭(zhēng)論，除了螺絲刀大家一致認(rèn)為是輪軸外，其他幾個(gè)大家都提出了不同的觀點(diǎn)。如卷筆機(jī)的搖柄，一開始很多學(xué)生保持沉默，同學(xué)拿出自己的卷筆機(jī)立刻解釋說：“現(xiàn)在雖然看不見‘輪’，但大家看，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)就有‘輪’了！”再如水龍頭，有些學(xué)生認(rèn)為以前老式的水龍頭是輪軸，因?yàn)樗强枯啂?dòng)軸的；而現(xiàn)在常用的水龍頭不是輪軸，因?yàn)樗鼪]有“輪”。有些學(xué)生認(rèn)為現(xiàn)在常用的水龍頭是上下掰動(dòng)或左右轉(zhuǎn)動(dòng)的，上下掰動(dòng)時(shí)是杠桿，左右轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)是輪軸。

綜上所述，模型作為一種重要的認(rèn)知手段和思維方式，在解決科學(xué)抽象問題時(shí)發(fā)揮了重要作用。在構(gòu)建模型時(shí)，一方面，我們可以從原型出發(fā)，抓住原型的本質(zhì)特征，對(duì)原型進(jìn)行抽象和簡(jiǎn)化，以促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)；另一方面，我們可以借助模型將高度抽象的科學(xué)概念和理論具體化，以提高學(xué)生運(yùn)用科學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。