從模擬走向真實(shí)的科學(xué)概念建構(gòu)之路

吳小兵+俞靈

摘 要：模擬是根據(jù)研究對象的本質(zhì)特性，建立或選擇一種與研究對象類似的模型，借助模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，不僅可以把學(xué)生陌生的、抽象的事物轉(zhuǎn)化為學(xué)生熟悉的、直觀的模型，使概念具體化、形象化，也可以幫助學(xué)生更直觀、更深刻地把握研究對象的本質(zhì)和特征。以《風(fēng)的形成》為例，針對實(shí)際教學(xué)中模擬實(shí)驗(yàn)存在的問題，引領(lǐng)學(xué)生從模擬走向真實(shí)，主動(dòng)建構(gòu)起風(fēng)的形成的科學(xué)概念。

關(guān)鍵詞：模擬實(shí)驗(yàn)；科學(xué)概念；風(fēng)的形成

小學(xué)科學(xué)課堂的一些探究活動(dòng)受到時(shí)間、空間以及其他條件的制約，學(xué)生無法對研究對象進(jìn)行直觀的研究，這就需要教師和學(xué)生一起為研究對象建立模型，并進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。用模擬實(shí)驗(yàn)建立的認(rèn)知去解釋研究的對象，從而達(dá)到課堂教學(xué)的目的。

《風(fēng)的形成》教學(xué)內(nèi)容主要分為兩大塊，一是學(xué)生觀察熱空氣上升，二是實(shí)驗(yàn)?zāi)M風(fēng)的形成。由于風(fēng)生來無形的特質(zhì)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的模型設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察方面存在一定的困難，加之他們對自然現(xiàn)象的關(guān)注只知其然，不知其所以然，對風(fēng)真正的成因也就遙不可及了。

一、課前定位——建科學(xué)概念之基

建構(gòu)主義認(rèn)為，科學(xué)概念的學(xué)習(xí)是將前概念轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)概念的一個(gè)過程，因此教師要注意了解學(xué)生的前概念水平，幫助摒棄已經(jīng)形成的錯(cuò)誤認(rèn)識，在學(xué)生原有的知識經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上確定教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，從而讓學(xué)生通過探究建構(gòu)起完整的科學(xué)概念。

1.《風(fēng)的形成》目標(biāo)定位首度設(shè)計(jì)

第一次試教目標(biāo)定位：知道熱空氣會(huì)上升，冷空氣會(huì)下降；知道風(fēng)是在空氣有冷熱差別的條件下產(chǎn)生的，理解季風(fēng)的成因。

相應(yīng)的教學(xué)環(huán)節(jié)如下：（1）導(dǎo)入：轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)車；（2）觀察熱空氣上升；（3）模擬風(fēng)的形成；（4）解釋季風(fēng)的成因。

試教后反思：如此的環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)和目標(biāo)確立脫離了學(xué)生前概念的認(rèn)識，因?yàn)樾W(xué)生還沒有系統(tǒng)地學(xué)過地理、物理等方面的知識，加之日常生活中很難并且很少關(guān)注不同季節(jié)不同地點(diǎn)的風(fēng)，導(dǎo)致學(xué)生在模擬建構(gòu)了風(fēng)的形成概念后，卻難以過渡到現(xiàn)實(shí)生活中來。

2.《風(fēng)的形成》目標(biāo)定位再度設(shè)計(jì)

目標(biāo)定位改進(jìn)為：知道熱空氣會(huì)上升，冷空氣會(huì)下降；知道風(fēng)是在空氣有冷熱差別的條件下產(chǎn)生的，理解北風(fēng)的成因。

相應(yīng)教學(xué)環(huán)節(jié)修改如下：（1）導(dǎo)入：北風(fēng)從哪來；（2）觀察熱空氣上升；（3）模擬風(fēng)的形成；（4）解釋北風(fēng)的成因。

試教后反思：在四年級學(xué)生學(xué)習(xí)了風(fēng)向的概念基礎(chǔ)之上拋出疑問：北風(fēng)為什么從北方來，又吹向南方去呢？符合學(xué)生當(dāng)下的認(rèn)知水平，能夠幫助學(xué)生主動(dòng)從前概念向科學(xué)概念進(jìn)行過渡，建構(gòu)起熱空氣會(huì)上升，冷空氣會(huì)下降補(bǔ)充的知識理論，最終來解釋風(fēng)的形成是因?yàn)轱L(fēng)吹來的方向冷，吹去的方向熱，熱空氣上升，冷空氣補(bǔ)充，在地表就形成了從冷吹向熱的風(fēng)，進(jìn)而能順理成章地將科學(xué)概念融于生活，解釋各種風(fēng)向的成因。

二、擇器善用——揀以假亂真之材

在小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)中，運(yùn)用模型探究是幫助學(xué)生構(gòu)建科學(xué)概念的一種重要途徑和方法。但是，選擇怎樣的材料建立足以亂真的模型，才能讓學(xué)生在模擬實(shí)驗(yàn)的過程中感受到科學(xué)概念的特點(diǎn)，促使前概念向科學(xué)的概念轉(zhuǎn)變。

1.教師揀材，取之有道

教師要提供更為有效的科學(xué)實(shí)驗(yàn)材料，提高模擬實(shí)驗(yàn)的真實(shí)度，幫助學(xué)生去想象、推理、類比，找到與真實(shí)現(xiàn)象的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)事物的本質(zhì)和規(guī)律，從而建構(gòu)起自己的概念。

（1）加熱空氣——沖上云霄顯威“風(fēng)”

在觀察熱空氣上升的環(huán)節(jié)，我設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)裝置：在一個(gè)倒置的塑料袋口子上對稱地粘上幾段細(xì)鐵絲，穩(wěn)定袋口，然后用酒精燈加熱袋里的空氣，放手后，塑料袋飛上高空。實(shí)驗(yàn)材料也簡單易得，又充滿趣味，實(shí)驗(yàn)效果非常明顯，讓學(xué)生的直觀體驗(yàn)達(dá)到興奮點(diǎn)，自然地接受了熱空氣會(huì)上升的科學(xué)概念。

（2）模擬生風(fēng)——幻化無形為有形

模擬風(fēng)的形成是本節(jié)課的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，而風(fēng)生來本無形，如何化無形為有形，讓學(xué)生真實(shí)地觀察到空氣流動(dòng)的路徑，成為此實(shí)驗(yàn)的重中之重。我也重新設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置：主體為一底部被裁的大油桶，罩在一個(gè)裝水的淺盤中。在大瓶口上方安裝了一枚小風(fēng)扇，在其一側(cè)開孔插入小瓶口作為進(jìn)風(fēng)口。實(shí)驗(yàn)中點(diǎn)燃蠟燭，通過觀察火苗的擺動(dòng)以及小瓶口風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)的情況，能十分直觀明顯地觀察到風(fēng)的形成，而當(dāng)捂住小瓶口，火苗立即回正、風(fēng)車立即停止，更容易幫助學(xué)生理解熱空氣上升后，有冷空氣進(jìn)行補(bǔ)充，從而在腦海中構(gòu)建出空氣對流的概念。

2.學(xué)生用材，彰顯思維

在模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用模擬實(shí)驗(yàn)方法去探究事物時(shí)，并不僅僅是為了獲得研究的結(jié)果，同時(shí)也應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識模擬實(shí)驗(yàn)的過程，培養(yǎng)學(xué)生自主設(shè)計(jì)、運(yùn)用模擬實(shí)驗(yàn)方法的能力。

在模擬風(fēng)的形成這一教學(xué)環(huán)節(jié)中，我出示完整油桶嘗試讓學(xué)生親自設(shè)計(jì)，為降低難度，選擇兩步走，一是顯化風(fēng)的流動(dòng)路徑——安裝風(fēng)扇，二是打破瓶子的密閉性——瓶身開孔。

案例：

師（手持油桶）：按照大家熱空氣上升的理論，瓶口的空氣會(huì)向哪流動(dòng)？

生：向上。

師：能看到向上的風(fēng)嗎？

生：不行，因?yàn)樗菬o形的。

師：誰能幻化無形為有形，讓我們看到呢？

生1：將手置于大瓶口上方來感受一下。

生2：在瓶口套輕薄塑料袋，塑料袋會(huì)飛。

生3：在瓶口飄紙，紙會(huì)抖動(dòng)或向上飄動(dòng)。

生4：在瓶口傾倒少許面粉，面粉會(huì)向上撒開。

生5：在瓶口安裝螺旋槳，槳會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

在教師的提問中學(xué)生產(chǎn)生頭腦風(fēng)暴，自由回答想出了各種方法，設(shè)計(jì)效果雖未能一一求證，也不一定是個(gè)個(gè)可行，但他們在經(jīng)歷設(shè)計(jì)的過程中相信已經(jīng)牢牢地構(gòu)建起瓶內(nèi)熱空氣會(huì)上升的概念，接下去只是求證而已。

師在瓶口安裝一枚小風(fēng)扇，并通過視頻展示設(shè)計(jì)效果。

師：大家發(fā)現(xiàn)了什么？

生：紙槳沒轉(zhuǎn)。

師：怎么和我們的設(shè)想有出入呢？問題在哪？我們小組討論一下，看看有沒有辦法解決。

通過兩步走實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，能有效降低學(xué)生的理解難度，幫助概念的梯度接受，實(shí)現(xiàn)瓶身開孔的設(shè)計(jì)創(chuàng)造。

生1：選擇大蠟燭，使空氣更熱，小風(fēng)扇也許就能轉(zhuǎn)動(dòng)了。

生2：小風(fēng)扇可能太重了，可以嘗試用更輕的材質(zhì)。

生3：可以在瓶身打孔，因?yàn)楝F(xiàn)在瓶子是密閉的，空氣向上之后就無法流動(dòng)了。

當(dāng)五花八門的方法呈現(xiàn)在他們面前時(shí)，學(xué)生毅然選擇了開孔，相信在經(jīng)歷設(shè)計(jì)、失敗、選擇過程中將初步幫學(xué)生認(rèn)識到冷空氣會(huì)向內(nèi)補(bǔ)充的概念。

三、梯級研討——顯科學(xué)思維之形

在良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣中，科學(xué)研究的記錄是一項(xiàng)非常重要的內(nèi)容，它既是學(xué)生親歷科學(xué)過程的印記，又是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要載體，而研討交流則是對探究活動(dòng)后的信息進(jìn)行處理加工的過程。因此以學(xué)習(xí)單為載體，在探究過程中與同伴和老師交流，使個(gè)人的思維、同伴的思維在老師的引導(dǎo)下碰撞出智慧的火花。

1.觀察記錄，引發(fā)思維

為了使每個(gè)學(xué)生都參與到實(shí)驗(yàn)記錄的過程中來，我要求人手一張記錄單，第一步，采用填空的方式抓住關(guān)鍵點(diǎn)，記錄觀察到的現(xiàn)象：捂住和不捂住小瓶口時(shí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)和火苗擺動(dòng)的情況；第二步用箭頭繪制瓶內(nèi)空氣流動(dòng)的路徑，在直觀體驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行初步分析和推理；第三步組內(nèi)研討思考空氣流動(dòng)的原因。通過如此梯度分層的記錄，基本上學(xué)生都能在有效的交流后正確認(rèn)識到熱空氣上升后，冷空氣會(huì)從小瓶口補(bǔ)充進(jìn)來，幫助學(xué)生初步建立起空氣在受熱情況下會(huì)流動(dòng)起來。

2.交流研討，深化思維

實(shí)驗(yàn)后的匯報(bào)交流不僅僅是學(xué)生對現(xiàn)象記錄的簡單闡述，而應(yīng)該激勵(lì)學(xué)生勇于糾錯(cuò)補(bǔ)充，并在教師的引導(dǎo)下逐步完善腦海中形成的科學(xué)概念。如：

生1：點(diǎn)燃蠟燭時(shí)，我們觀察到小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，說明空氣向上流動(dòng)，還觀察到蠟燭火焰向右飄動(dòng)，說明空氣向瓶內(nèi)流動(dòng)。用手捂住小瓶口，小風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動(dòng)，蠟燭火焰恢復(fù)原狀，說明空氣停止了流動(dòng)。我們認(rèn)為瓶內(nèi)空氣流動(dòng)是因?yàn)槔淇諝夂蜔峥諝庀嗷ヅ鲎惨鸬摹?/p>

師：有不同意見嗎？

生2補(bǔ)充：我覺得空氣流動(dòng)不是冷熱空氣的互相碰撞，而是熱的空氣上升后，冷的空氣從瓶口補(bǔ)充進(jìn)來。

師：大家同意誰的想法？

生：后者。

師：如果老師將蠟燭換成一個(gè)很熱很熱的燈泡，你覺得會(huì)產(chǎn)生相同的效果嗎？

在老師的引導(dǎo)下進(jìn)行類比推理，深度思考空氣流動(dòng)的原因。

生1：不會(huì)，燈泡不會(huì)像蠟燭火焰一樣冒熱氣。

生2：我覺得會(huì)，熱空氣不是火焰冒出來的，只要是熱源都可以加熱產(chǎn)生熱空氣，并且熱空氣上升后，冷空氣就會(huì)自動(dòng)補(bǔ)充進(jìn)來。

在學(xué)生的糾錯(cuò)補(bǔ)充中逐步歸納總結(jié)出空氣流動(dòng)的真正原因：溫差。

師：大家覺得有道理嗎？

生：有。

師：也就是瓶子內(nèi)外只要存在冷熱溫差，便會(huì)造成瓶內(nèi)空氣的流動(dòng)。

師：熱空氣上升有冷空氣進(jìn)行補(bǔ)充，那么冷空氣會(huì)不會(huì)用完呢？

生1：不會(huì)，冷空氣就是周圍的空氣，太多了。

生2：冷空氣進(jìn)入瓶內(nèi)較多，熱空氣向上出來后根本無法及時(shí)補(bǔ)充，最后會(huì)用完。

師：所以最后周圍的空氣都變成了熱空氣？

生：不是的，我覺得不會(huì)用完，熱空氣上升后會(huì)變成冷空氣，和周圍的冷空氣一起進(jìn)行補(bǔ)充，如此循環(huán)起來，就會(huì)有源源不斷的風(fēng)。

引導(dǎo)學(xué)生對形成的新概念進(jìn)行深入思考，逐步邁向完整的科學(xué)概念。

3.比對原型，突破思維

教師的板書是開展于空間、表現(xiàn)為靜態(tài)、感之于視覺，以展知識的“核”而存在于黑板上的一種藝術(shù)。它是整個(gè)教學(xué)思路和內(nèi)容的濃縮，也是課堂教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，在風(fēng)的形成這一課，我通過四次板書，及時(shí)捕捉學(xué)生生成的科學(xué)概念，將之突出標(biāo)記來展現(xiàn)學(xué)生梯度形成的思維發(fā)展。第一步：通過演示熱氣球上升，形成熱空氣會(huì)上升的概念；第二步：模擬風(fēng)的形成，蠟燭點(diǎn)燃后，發(fā)現(xiàn)瓶內(nèi)熱空氣上升，冷空氣會(huì)補(bǔ)充；第三步：組間深入研討交流瓶外空氣流動(dòng)的情況，發(fā)現(xiàn)熱空氣上升后會(huì)成為冷空氣下降補(bǔ)充，從而循環(huán)往復(fù)造成空氣流動(dòng)形成風(fēng)；第四步：把蠟燭換成太陽，從模擬逐步過渡到真實(shí)，引出自然風(fēng)的形成。在四部曲的板書整理中，展現(xiàn)了學(xué)生思維梯度的發(fā)展軌跡，同樣在記錄、交流、梳理的整個(gè)過程中也幫助學(xué)生逐步構(gòu)建起了完整的風(fēng)形成的科學(xué)概念。

四、微課模擬——筑科學(xué)概念之城

通過風(fēng)的模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生初步感知了風(fēng)形成的過程，而要將其類比推移到自然界中，說出自然界的風(fēng)是怎么形成的，卻并不那么容易。因此我在完成風(fēng)的形成模擬實(shí)驗(yàn)之后，設(shè)計(jì)加入了一段解釋自然風(fēng)的微課視頻，簡單直觀。該微課的制作立足于學(xué)生的前概念，在他們掌握了風(fēng)向概念的基礎(chǔ)上，結(jié)合本堂課所學(xué)的知識概念，讓學(xué)生能夠在腦海中建構(gòu)起較為真實(shí)的空氣對流模型，從而輕而易舉地幫助學(xué)生解釋各種風(fēng)向的成因，逐步從模擬走向真實(shí)。

總之，當(dāng)用常規(guī)實(shí)驗(yàn)探究的方法不能作用于研究對象時(shí)，當(dāng)研究對象陌生、不直觀時(shí)，可以嘗試采用建立模型、模擬實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行研究。學(xué)生在課堂中親歷模擬實(shí)驗(yàn)的過程，在教師的引導(dǎo)下，通過分析、比較、歸納、判斷和推理，凸顯學(xué)生的科學(xué)思維，從而促成科學(xué)概念的建構(gòu)，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊志炎.小學(xué)科學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略[J].基礎(chǔ)教育研究，2016（18）.

[2]喻國鳳.談小學(xué)科學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)的七環(huán)指導(dǎo)[J].中小學(xué)教材教學(xué)，2015（11）.

[3]楊曉鵬.小學(xué)科學(xué)建構(gòu)科學(xué)概念的策略研究[J].教育教學(xué)論壇，2013（7）.

編輯 李建軍