“直觀模型”在科學(xué)推理中的應(yīng)用
——例談飽和鹽溶液能否溶解糖的創(chuàng)意研究

江蘇省常熟市碧溪中心小學(xué) 俞維軍

“模型是指通過主觀意識(shí)借助實(shí)體或者虛擬表現(xiàn)構(gòu)成客觀闡述形態(tài)結(jié)構(gòu)的一種表達(dá)目的的物件（物件并不等于物體，不局限于實(shí)體與虛擬、不限于平面與立體）。”本文中闡述的“直觀模型”是更狹義的，指借助圖片、視頻、實(shí)物、場(chǎng)景等工具，將學(xué)生頭腦中形成的對(duì)事物原理解釋予以直觀展示?！爸庇^模型”可使理論知識(shí)具體化，簡(jiǎn)化科學(xué)解釋的邏輯過程，有效激發(fā)學(xué)生的直覺力和思維創(chuàng)造力。

小學(xué)科學(xué)課程是一門綜合性課程，觀察和實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)科學(xué)最基本的方法?？茖W(xué)課應(yīng)從學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)和生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，通過“直觀模型”的介入，指導(dǎo)學(xué)生將抽象的思維具體化來開展科學(xué)推理，可以很好地幫助學(xué)生系統(tǒng)建構(gòu)科學(xué)概念，逐步學(xué)會(huì)分析和解決與科學(xué)有關(guān)的實(shí)際問題。

一、“直觀模型”應(yīng)用到科學(xué)學(xué)習(xí)中的必要性

1.一些自然現(xiàn)象和原理的認(rèn)知必須借助“直觀模型”

科學(xué)學(xué)科涉及物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球與宇宙科學(xué)、技術(shù)與工程四個(gè)領(lǐng)域，研究的對(duì)象包羅萬象，大到無限宇宙，小到微分子結(jié)構(gòu)。很多自然現(xiàn)象和原理，不能直接觀察到內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，需要學(xué)生基于對(duì)事物表象的觀察，開展抽象推理，才能明白科學(xué)道理，從而應(yīng)用和解決生活中的問題。

例如在“研究空氣受熱體積膨脹、受冷體積縮小”的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生很難理解“空氣是由微粒組成的，微粒在不斷運(yùn)動(dòng)著，微粒之間是有距離的。受熱后微粒加快運(yùn)動(dòng)，微粒之間距離增大，物體就膨脹；受冷后微粒減慢運(yùn)動(dòng)，微粒之間距離縮小，物體就收縮?！苯虒W(xué)這個(gè)內(nèi)容時(shí)，教師可以組織五名學(xué)生模擬空氣微粒，外圍一圈學(xué)生手拉手模擬氣球，然后喊口號(hào)“受熱”，中間五名學(xué)生就手舞足蹈散開，學(xué)生觀察到圍住他們五人的圈子（模擬的氣球）要變大，再喊口號(hào)“受冷”，中間五名學(xué)生就安靜地緊緊擠在一起，圍住他們的圈子（模擬的氣球）就變小。通過這樣的“直觀模型”演示，很形象地解釋了空氣的熱脹冷縮原理，容易幫助學(xué)生建立科學(xué)的概念。

2.一些事實(shí)性知識(shí)發(fā)展到概念性知識(shí)必須借助“直觀模型”

看到簡(jiǎn)單的表象僅是掌握了事實(shí)性的知識(shí)，這樣的知識(shí)具有“點(diǎn)滴性和孤立性”的特征。從表象中抽象出事物本質(zhì)的特征，形成了概念性的知識(shí)，就能夠遷移和應(yīng)用解決同類問題或相關(guān)問題，這樣的知識(shí)具有“概括性和組織性”的特征。從事實(shí)性知識(shí)（孤立的）發(fā)展到概念性知識(shí)（概括的），思維經(jīng)歷了一個(gè)質(zhì)的飛躍，才算真正學(xué)會(huì)。而中年級(jí)學(xué)生的思維特征決定了他們很難跨越這個(gè)思維的“鴻溝”，于是，模型的介入就起到了“橋梁”的作用。

如組織中年級(jí)學(xué)生學(xué)習(xí)“溶解”這一內(nèi)容時(shí)，要求學(xué)生通過觀察高錳酸鉀固體在水中變化的過程，引導(dǎo)學(xué)生抓住“高錳酸鉀在水中變成肉眼看不見的微粒，均勻分布在水中，無沉淀，不可以過濾”這四個(gè)方面的性質(zhì)特征，建立溶解的概念。“無沉淀、不可以過濾”這兩個(gè)性質(zhì)特征可以通過實(shí)驗(yàn)和肉眼觀察即可獲取。而“物體變成肉眼看不見的微粒，均勻分布在水中”這兩個(gè)性質(zhì)特征需要學(xué)生在觀察表象獲取信息后，經(jīng)過嚴(yán)密的科學(xué)推理得出，一般學(xué)生是很難完成。如果有了視聽媒體、圖像說明等“直觀模型”作為媒介，他們就很容易理解了。

二、“直觀模型”應(yīng)用到科學(xué)推理中的策略

偉大科學(xué)家愛因斯坦曾說過：“提出問題往往比解決問題更重要?！薄把芯恳槐苋芙舛嗌冫}”是教科版小學(xué)科學(xué)四年級(jí)上冊(cè)中一個(gè)有趣的探究活動(dòng)。它是在學(xué)生已經(jīng)掌握了溶解概念的基礎(chǔ)上開展的。學(xué)生經(jīng)過細(xì)致的實(shí)驗(yàn)探究，發(fā)現(xiàn)了100毫升的水大概只能溶解35克左右的鹽。按理一個(gè)階段的探究可以告一段落，有學(xué)生忽然提問，這些再也不能溶解鹽的鹽溶液（飽和鹽溶液）還能繼續(xù)溶解糖嗎？這是一個(gè)高質(zhì)量的創(chuàng)意研究課題，是學(xué)生全身心投入探究溶解實(shí)驗(yàn)，水到渠成自然而生成的問題。

傳統(tǒng)的教學(xué)方式一般是教師鼓勵(lì)設(shè)問的學(xué)生，然后馬上和學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)來研究證明。這樣做的結(jié)果，只是簡(jiǎn)單回答了飽和鹽溶液能否再溶解糖的問題，獲取的是一個(gè)相對(duì)孤立的事實(shí)性知識(shí)。有經(jīng)驗(yàn)的老師會(huì)借助這個(gè)契機(jī)，深挖問題后面所蘊(yùn)含的豐富的思維發(fā)展性訓(xùn)練資源。在提出問題后，我們對(duì)這個(gè)創(chuàng)意課題開展了深入研究，借助“直觀模型”的介入，精心組織學(xué)生開展科學(xué)推理，很好地促進(jìn)了他們科學(xué)思維的發(fā)展，為解決同類（微觀和宇觀世界結(jié)構(gòu)）教學(xué)問題提供了借鑒。

1.“圖示式”模型介入科學(xué)推理

在正式系統(tǒng)學(xué)習(xí)教材上某一科學(xué)內(nèi)容之前，基本上每一個(gè)學(xué)生個(gè)體都已對(duì)這一內(nèi)容存在獨(dú)立的主觀認(rèn)知。這些是學(xué)生通過日常生活中接觸感知事物表象，長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)積累形成的對(duì)事物的非本質(zhì)認(rèn)知。我們把它稱為“前概念認(rèn)知”。學(xué)生的“前概念認(rèn)知”有些是正確的，更多的是片面的，甚至是錯(cuò)誤的。研究發(fā)現(xiàn)，前概念認(rèn)知對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)建立科學(xué)概念的影響非常大。在充分展示學(xué)生前概念的基礎(chǔ)上，再通過教學(xué)活動(dòng)建立科學(xué)概念是行之有效的方法。小學(xué)中年級(jí)學(xué)生的抽象思維和語言敘述能力相對(duì)較弱，我們可以通過圖示的方式，將學(xué)生的思維直觀呈現(xiàn)出來。

例如，在開展創(chuàng)意研究“不能再溶解鹽的鹽溶液（飽和鹽溶液）是否還能溶解糖”這個(gè)課題中，教師請(qǐng)學(xué)生結(jié)合溶解的特征，想象一下鹽的微粒在水中的分布狀態(tài)，并用圖示的方式畫出來。

通過圖示匯總分析和學(xué)生的交流發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生都能通過觀察到的實(shí)驗(yàn)表象，按自己的理解想象出水的中間是有空隙的，鹽微粒均勻分布在水中，占據(jù)著水的空隙，并認(rèn)為鹽的微粒已經(jīng)將水的這些空間都填滿；也有學(xué)生認(rèn)為水也是由微粒構(gòu)成的，水的微粒將鹽的微粒包裹起來了……可以說，這些深度思維的推測(cè)，是借助了圖示的方式可視化出來了，它幫助學(xué)生展開思維的碰撞?！皥D示式”模型的展示，讓我們的教學(xué)看見了思考的力量，為實(shí)現(xiàn)高效能的課堂提供了可能。

“圖示式”模型介入科學(xué)推理的教學(xué)，要防止幾個(gè)誤區(qū)。一是防止教師和學(xué)生把關(guān)注的重心放在畫圖上，甚至主次不分，把畫得漂亮當(dāng)成了重要內(nèi)容，忽視了“通過圖示介入科學(xué)推理，促進(jìn)思維發(fā)展”這個(gè)中心任務(wù)。二是防止為畫圖而畫圖，缺少相互之間的評(píng)價(jià)交流，忽視了圖的生成過程，忽視了對(duì)圖后面蘊(yùn)含的學(xué)生思維的分析。

2.“實(shí)體樣”模型介入科學(xué)推理

“實(shí)體樣”模型是依據(jù)物質(zhì)的基本形態(tài)或者相似性理論所做的模仿。它最大的優(yōu)勢(shì)是可以三維立體式全方位展示，有效克服了“圖示式”平面兩維的局限性，使科學(xué)解釋的邏輯過程簡(jiǎn)約化，使科學(xué)理論知識(shí)具體化。20世紀(jì)的科學(xué)家盧瑟福等人就是通過對(duì)α粒子(氦核)散射的實(shí)驗(yàn)，綜合并制作了原子結(jié)構(gòu)的“太陽——行星模型”向公眾予以展示，轟動(dòng)了科學(xué)界。

小學(xué)生不能直接感知宇觀世界與微觀世界的結(jié)構(gòu)，將“實(shí)體樣”模型介入科學(xué)推理的教學(xué)中，會(huì)有效幫助他們研究、理解并建立宇觀（微觀）世界的科學(xué)概念。

例如有學(xué)生認(rèn)為不能再溶解鹽的鹽溶液（飽和鹽溶液）還能溶解糖。他們的理由是，鹽的微粒比較大，相互之間還有空間。而糖的微?？赡芨?，可以占據(jù)鹽和水剩下的那些更小空間。許多學(xué)生對(duì)他的推測(cè)及闡述的理由不能理解。教師當(dāng)堂和學(xué)生做了以下演示實(shí)驗(yàn)。

演示實(shí)驗(yàn)：取一個(gè)燒杯，里面裝上滿滿一杯小石子，反復(fù)搖晃壓實(shí)。教師設(shè)問，這個(gè)杯子里還能再裝小石子嗎？大家一致?lián)u頭表示否定。教師再拿出一把細(xì)沙問學(xué)生，那這把細(xì)沙還能裝到杯子里面嗎？在得到肯定答復(fù)后，大家頓時(shí)明白了上面這學(xué)生推理的原理：可能鹽的微粒較大，占據(jù)滿水的空間后再也不能占據(jù)了，而糖的微?？赡芟鄬?duì)較小，還能繼續(xù)占據(jù)鹽與鹽、鹽與水之間的空間。所以，這樣的鹽溶液可能還能繼續(xù)溶解糖。

將“實(shí)體樣”模型引入學(xué)生科學(xué)推理的教學(xué)過程中時(shí)，一要防止把操作“實(shí)體樣”模型變成游戲化。小學(xué)生往往對(duì)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的材料感興趣，如果沒有明確的研究目的和操作規(guī)范，課堂上就容易失控，造成表面的熱鬧而沒有思維的發(fā)展。二是借助“實(shí)體樣”模型來總結(jié)性闡述原理時(shí)，一定要講究科學(xué)性、規(guī)范性。例如在使用教具箱中提供的太陽系模型時(shí)，教師要和學(xué)生闡明模型中太陽和小行星的比例是不真實(shí)的，否則會(huì)傳遞給學(xué)生錯(cuò)誤的信息，導(dǎo)致他們對(duì)太陽系的錯(cuò)誤認(rèn)知。

3.“視頻類”模型介入科學(xué)推理

隨著視頻多媒體輔助教學(xué)深入課堂，其直觀、形象、生動(dòng)的優(yōu)勢(shì)能一下子吸引學(xué)生的注意力。視頻媒體教學(xué)能夠在短時(shí)間內(nèi)傳遞給學(xué)生更多的信息，有效提升教學(xué)效能。視頻媒體可以變抽象為具體，調(diào)動(dòng)學(xué)生各種感官協(xié)同作用，很好地解決了教師難以講清、學(xué)生難以聽懂的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)精講多練，突出重點(diǎn)，突破難點(diǎn)。特別是現(xiàn)階段，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）正不斷成熟和推廣，相信不久的將來就會(huì)出現(xiàn)在義務(wù)教育學(xué)校的課堂上。

例如，《百度字條》對(duì)溶解的定義是——當(dāng)固體溶質(zhì)放到水里時(shí)，固體表面的微粒(分子或離子)由于本身的振動(dòng)和水分子的吸引作用，便漸漸地離開固體表面進(jìn)入水分子之間，并通過擴(kuò)散作用，均勻地分散到水的各個(gè)部分，這個(gè)過程叫做溶解。

對(duì)小學(xué)生來說，這些專業(yè)術(shù)語很難理解，教師可以制作FLASH動(dòng)畫模擬演示全過程。學(xué)生邊看視頻邊聽講解，會(huì)很容易理解并建構(gòu)起溶解的概念。在海量的網(wǎng)絡(luò)信息中，教師可以通過注冊(cè)會(huì)員的方式，下載合適的視頻素材應(yīng)用教學(xué)中。

4.“置換式”模型介入科學(xué)推理

認(rèn)知心理學(xué)研究表明，當(dāng)個(gè)體作為主角參與到活動(dòng)之中，所獲取的體驗(yàn)才是最真實(shí)的，這種真切的感受是旁觀者體會(huì)不到的。本文所述的“置換式”模型，是指引導(dǎo)學(xué)生將個(gè)體置換為所研究的事物對(duì)象，將學(xué)習(xí)者本人以擬物的角色參與到科學(xué)學(xué)習(xí)中。這種“置換式”體驗(yàn)的學(xué)習(xí)方式促使個(gè)人在形體、情感主動(dòng)參與，會(huì)使得學(xué)習(xí)效率、知識(shí)理解程度、知識(shí)記憶持久程度都大幅度提升。

“置換式”模型介入科學(xué)推理的教學(xué)片斷如下。

師：這些再也不能溶解鹽的溶液，還能繼續(xù)溶解糖嗎？（師手持一勺糖示范）

生：我認(rèn)為還能繼續(xù)溶解。

師：你是怎么想的？

生：可能糖的微粒很厲害，到了水里后把鹽的微粒從水里擠出來。就像在電梯里擠滿了人，外面的人要進(jìn)去，就只能從里面出來人。

師：看來外面的人有急事，里面的人非常有禮貌地讓出來了。

生：……（大笑）

師生開展實(shí)驗(yàn)：五名學(xué)生緊挨著站在一起，外面用四張桌子圍住。（單人桌圍成的空間小，里面的人很擁擠）請(qǐng)一名同學(xué)跳上桌子試著擠進(jìn)去，原來在里面的一名同學(xué)爬上桌子讓出空間，完成交換。這是一個(gè)非常有趣的思維，與人們?nèi)粘５纳钕嗦?lián)系了起來。學(xué)生將自己置換設(shè)想成為事物主角參與體驗(yàn)，有效地幫助他們開展科學(xué)推理。

“置換式”模型的應(yīng)用要在教室外開闊場(chǎng)地開展，如前述的模擬空氣微粒熱脹冷縮的實(shí)驗(yàn)，模擬太陽、地球、月球三者相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系等。開展活動(dòng)之前，教師一是要加強(qiáng)組織紀(jì)律的教育，二是厘清學(xué)生個(gè)體被置換的角色，明白周邊模擬情景的關(guān)系。

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為：學(xué)習(xí)是引導(dǎo)學(xué)生從原有經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，生長(zhǎng)（建構(gòu)）起新的經(jīng)驗(yàn)。小學(xué)科學(xué)教材涉及的宏觀和微觀世界的內(nèi)容很多，通過建構(gòu)“直觀模型”介入科學(xué)推理的教學(xué)方式，必能有效發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維，掌握科學(xué)知識(shí)。