模型建構(gòu)在小學(xué)科學(xué)深度探究中的運(yùn)用

潘利峰 劉國良

【摘? ?要】模型建構(gòu)既是科學(xué)探究的方法，也是科學(xué)探究活動(dòng)的內(nèi)容。在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，針對(duì)探究問題，借助實(shí)物、文字、圖像、數(shù)學(xué)等表征方式，建構(gòu)實(shí)體模型、概念過程模型、數(shù)學(xué)模型，用以表示平常難以觀察和理解的對(duì)象或規(guī)律，幫助學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究方法，親歷科學(xué)探究過程，領(lǐng)悟科學(xué)探究本質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)深度探究，提升學(xué)生的科學(xué)核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】小學(xué)科學(xué);模型建構(gòu);科學(xué)探究;思維圖式

模型是人們對(duì)客觀事物及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律做出簡化的描述、概括、模仿或抽象。模型建構(gòu)是運(yùn)用模型直觀和簡約地描述或呈現(xiàn)客觀世界中無法直接觀察的現(xiàn)象、原理或過程。通過模型建構(gòu)可以把難以感知的客觀現(xiàn)象或變化過程抽象為簡單的模型，幫助學(xué)生理解事物的本質(zhì)特征和變化規(guī)律，掌握問題的描述和解決方法，使其在頭腦中形成簡潔而形象的思維圖式，從而達(dá)到認(rèn)識(shí)客觀世界的目的。

模型建構(gòu)既是科學(xué)探究的方法，也是科學(xué)探究活動(dòng)的內(nèi)容。在科學(xué)探究的過程中，教師應(yīng)針對(duì)不同的探究問題引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)各種模型，借助實(shí)物、文字、圖像或數(shù)學(xué)等表征方式來呈現(xiàn)事件的現(xiàn)象和過程，或者對(duì)客觀事物進(jìn)行簡化和抽象。模型建構(gòu)有助于學(xué)生拓展科學(xué)探究體驗(yàn)，理解科學(xué)探究本質(zhì)，實(shí)現(xiàn)深度探究。

一、建構(gòu)實(shí)體模型，體驗(yàn)科學(xué)探究方法

實(shí)體模型是指根據(jù)相似性理論制造的按原系統(tǒng)比例縮小、放大或與原系統(tǒng)等大的實(shí)物。建構(gòu)實(shí)體模型需要參照研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)過程、結(jié)構(gòu)大小、形狀及狀態(tài)等特點(diǎn)，抓住研究問題的主要屬性，建立一種理想化和高度抽象化的物理過程和實(shí)體。心理學(xué)家皮亞杰在《發(fā)生認(rèn)識(shí)論原理》中指出：認(rèn)知還處在具體運(yùn)算階段的兒童，思維仍然需要具體事物的支持，其認(rèn)知的發(fā)展離不開對(duì)具體事物的操作，邏輯思維只能應(yīng)用到具體的或觀察到的事物上。教學(xué)中，有很多科學(xué)現(xiàn)象是人們無法觸及和直觀感知的，學(xué)生無法將其與已有經(jīng)驗(yàn)和概念圖式有效銜接，難以找到探究的切入點(diǎn)。因此需要建構(gòu)相應(yīng)的實(shí)體模型來表達(dá)事物的主要特征，依據(jù)事物特征設(shè)計(jì)探究活動(dòng)，為學(xué)生搭建有效學(xué)習(xí)的支架以拓展其探究的體驗(yàn)。教師在指導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)實(shí)體模型的過程中，要對(duì)研究對(duì)象的主要屬性進(jìn)行觀察、分析、比較和推理，以提高學(xué)生在探究過程中的行為投入，更容易產(chǎn)生對(duì)科學(xué)探究的直接體驗(yàn)，從而同化或順應(yīng)原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，建立新的概念圖式。

以三年級(jí)上冊(cè)《把鹽放到水里》一課為例，學(xué)生在水中加入食鹽并攪拌，觀察食鹽在水中的溶解現(xiàn)象。由于食鹽遇水后會(huì)分解成氯離子和鈉離子，分散到周圍的水分子之間，這是用肉眼無法直接觀察的微觀現(xiàn)象。學(xué)生操作后發(fā)現(xiàn)放入水中的食鹽顆粒消失不見了，就此產(chǎn)生了疑惑：食鹽顆?？隙ㄔ谒?，但以什么形式存在呢？教師發(fā)現(xiàn)學(xué)生的疑惑后，及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生思考和討論，達(dá)成結(jié)論：食鹽在水中變成了肉眼看不見的微小粒子。為了進(jìn)一步幫助學(xué)生直觀感知溶解后食鹽水的狀態(tài)，教師分別用三種大小、顏色不同的小球代表氯離子、鈉離子和水分子（忽略其具體的分子結(jié)構(gòu)），將它們放入透明的玻璃瓶中均勻混合在一起，借助小球模型把溶解后的微觀現(xiàn)象與可直接觀察的宏觀狀態(tài)對(duì)應(yīng)起來，幫助學(xué)生建構(gòu)食鹽溶解的科學(xué)概念。

如六年級(jí)上冊(cè)《太陽系大家族》一課，需要指導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)各個(gè)行星在體積和距離上的差距。教師在課前組織學(xué)生收集有關(guān)行星直徑和與太陽距離的數(shù)據(jù)，在課堂上引導(dǎo)學(xué)生把這些數(shù)據(jù)按一定比例縮小，得到制作實(shí)體模型的數(shù)據(jù)（忽略行星的其余特征）。通過觀察和對(duì)比這些利用數(shù)據(jù)建構(gòu)的行星實(shí)體模型，學(xué)生直觀體驗(yàn)了各個(gè)行星在體積和距離上的巨大差距，使這些不便觀察的宇宙天體以模型的形式直觀呈現(xiàn)，幫助學(xué)生建立起行星體積及距離比例的概念圖式，有效地體驗(yàn)科學(xué)探究的方法。

二、建構(gòu)概念過程模型，親歷科學(xué)探究過程

概念過程模型是指利用科學(xué)的歸納方法，以對(duì)研究對(duì)象的觀察、抽象形成的概念為基礎(chǔ)，呈現(xiàn)概念之間的關(guān)系和影響方式的模型。皮亞杰認(rèn)為：學(xué)習(xí)并不是個(gè)體獲得越來越多的外部信息的過程，而是學(xué)到越來越多有關(guān)自身認(rèn)識(shí)事物的程序，即建構(gòu)新的認(rèn)知圖式。概念過程模型呈現(xiàn)了關(guān)聯(lián)知識(shí)之間的邏輯關(guān)系，形象直觀地表達(dá)知識(shí)概念的結(jié)構(gòu)和形成過程，有助于學(xué)生整體把握概念內(nèi)涵的各個(gè)要素，演繹和推理概念的探究過程，形成結(jié)構(gòu)化的認(rèn)知模型。

如六年級(jí)下冊(cè)《有趣的食物鏈》一課，要探究自然界生物群落中存在的食物鏈現(xiàn)象。教師指導(dǎo)學(xué)生從綠色植物開始，尋找生物之間的食物關(guān)系，并按照“誰吃誰”或“誰被誰吃”的關(guān)系把生物連接起來。學(xué)生通過繪制食物關(guān)系圖（見圖1），發(fā)現(xiàn)自然界生物間存在著鏈狀的食物關(guān)系，這種關(guān)系涉及綠色植物、草食性動(dòng)物、肉食性動(dòng)物等多種生物。每種生物都是這種鏈狀食物關(guān)系中的重要一環(huán)，從而形成食物鏈的科學(xué)概念。通過建構(gòu)多條食物鏈模型，學(xué)生發(fā)現(xiàn)一種生物會(huì)同時(shí)處于多條食物鏈中，多條食物鏈構(gòu)成了網(wǎng)狀食物關(guān)系，每種生物都是網(wǎng)狀食物關(guān)系中的一環(huán)，相互影響，彼此制衡，進(jìn)而形成關(guān)于自然界生態(tài)平衡關(guān)系的科學(xué)認(rèn)知。

又如四年級(jí)下冊(cè)《物體改變形狀以后》一課中，教師指導(dǎo)學(xué)生在動(dòng)手操作一系列有彈性的材料之后，歸納這些材料的共同特性：施加外力后物體形狀會(huì)改變，撤去外力后又能恢復(fù)原狀（見圖2）。對(duì)于這個(gè)特性，學(xué)生有直接的經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)彈力的施力物和受力物卻分辨不清，容易混淆。于是，教師組織學(xué)生用文字或簡筆畫記錄這一特性，并加以說明和評(píng)價(jià)。學(xué)生因此厘清了概念“物體具有彈性”的產(chǎn)生和探究過程，并繼續(xù)探究彈力——撤去外力后，物體恢復(fù)原來形狀和體積時(shí)對(duì)外產(chǎn)生的力。這樣的探究過程富有邏輯性，使學(xué)生理解了彈性和彈力這兩個(gè)概念的建構(gòu)過程。在此基礎(chǔ)上，教師繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生探究還有哪些物體也具有彈性或者能產(chǎn)生彈力，從而讓科學(xué)探究從典型材料向一般材料延展，從物質(zhì)的顯性特征向隱性特征運(yùn)動(dòng)。學(xué)生親歷科學(xué)探究的過程，深刻體驗(yàn)科學(xué)探究的樂趣。如此的科學(xué)探究才能走得更遠(yuǎn)。

三、建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，領(lǐng)悟科學(xué)探究本質(zhì)

數(shù)學(xué)模型是基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用諸如符號(hào)公式、圖形、算法等數(shù)理邏輯方法和數(shù)學(xué)語言符號(hào)建構(gòu)的模型，主要包括靜態(tài)函數(shù)模型和動(dòng)態(tài)圖像數(shù)學(xué)模型。愛因斯坦認(rèn)為：科學(xué)家必須在龐雜的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)中抓住某些可用精密公式來表示的普遍特征，由此探求自然界的普遍原理。兒童的認(rèn)知結(jié)構(gòu)發(fā)展到具體運(yùn)算的后期，就能夠逐漸擺脫對(duì)具體事物的依賴，通過實(shí)驗(yàn)獲取、分析、判斷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隱藏在數(shù)據(jù)中的科學(xué)規(guī)律，并用數(shù)學(xué)邏輯符號(hào)和數(shù)學(xué)方法建構(gòu)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，以描述這些規(guī)律，促使學(xué)生的認(rèn)知由操作經(jīng)驗(yàn)層次向理性思維深度發(fā)展，由具體形象思維向抽象思維方向過渡，最終透過表面現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)事物的本質(zhì)特征。數(shù)學(xué)模型讓學(xué)生意識(shí)到科學(xué)探究的本質(zhì)不僅是為了得出數(shù)據(jù)，還要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的分析、判斷、概括和歸納，提煉出科學(xué)理論并重復(fù)驗(yàn)證。

靜態(tài)函數(shù)模型是指系統(tǒng)各量之間的關(guān)系描述不會(huì)隨時(shí)間的變化而變化，數(shù)據(jù)之間變化規(guī)律一般都用函數(shù)關(guān)系式來表達(dá)，當(dāng)函數(shù)關(guān)系式中的自變量發(fā)生變化，應(yīng)變量也隨之改變。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，通過對(duì)數(shù)據(jù)變化情況的運(yùn)算分析，找出因變量與自變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系并建立相應(yīng)的函數(shù)模型，從數(shù)學(xué)角度來認(rèn)識(shí)和描述客觀世界的線性變化規(guī)律。

如五年級(jí)下冊(cè)《怎樣移動(dòng)重物》一課的教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生探究平衡尺省力的奧秘。在重點(diǎn)離支點(diǎn)的距離和所掛鉤碼數(shù)量固定的情況下，通過小組合作的方式，學(xué)生探索平衡尺保持平衡的阻力作用點(diǎn)位置和鉤碼數(shù)（見表1）。

教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從數(shù)量關(guān)系的角度來觀察和描述平衡尺保持平衡的規(guī)律。經(jīng)過小組合作討論和研究，學(xué)生發(fā)現(xiàn)了平衡規(guī)律：重點(diǎn)到支點(diǎn)距離×鉤碼數(shù)=力點(diǎn)到支點(diǎn)距離×鉤碼數(shù)。這時(shí)，教師并沒有急于下結(jié)論，而是讓學(xué)生思考如何驗(yàn)證這一規(guī)律。學(xué)生進(jìn)行多次分組驗(yàn)證后確認(rèn)了平衡規(guī)律，并在這一數(shù)理邏輯規(guī)律的指導(dǎo)下設(shè)計(jì)了新的平衡方案，即杠桿原理的簡化形式：阻力臂×阻力=動(dòng)力臂×動(dòng)力。通過建構(gòu)各變量的函數(shù)模型，使學(xué)生擺脫了直覺行動(dòng)性思維的限制，向著演繹推理和形式運(yùn)算能力發(fā)展。

動(dòng)態(tài)圖像數(shù)學(xué)模型是運(yùn)用圖像描述系統(tǒng)各量之間隨時(shí)間變化而變化的規(guī)律，并根據(jù)圖像變化解釋已知的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，預(yù)測還未發(fā)生的事實(shí)。動(dòng)態(tài)圖像數(shù)學(xué)模型不僅能描述事物的變化過程，還能反映變化趨勢，使學(xué)生形成關(guān)于事件在過去、現(xiàn)在、將來隨時(shí)間發(fā)展的表象系統(tǒng)，從而在整體上連續(xù)把握客觀現(xiàn)象的發(fā)展和變化規(guī)律，達(dá)到認(rèn)識(shí)事物特殊性質(zhì)的目的，并能有效遷移到其他非線性變化事物的觀察和研究中去。

如四年級(jí)上冊(cè)《冷熱與溫度》一課，學(xué)生需要在教師的指導(dǎo)下，連續(xù)測量一杯熱水停止加熱后的溫度數(shù)據(jù)（見表2），并根據(jù)測量出的水溫?cái)?shù)據(jù)繪制成柱狀圖或曲線圖（見圖3、圖4），通過動(dòng)態(tài)圖像模型使測量數(shù)據(jù)直觀顯示出水由熱變涼的非線性變化過程，使抽象事件的探究過程可視化，使復(fù)雜的變化過程形象化，從而得出相應(yīng)的結(jié)論。

利用測量數(shù)據(jù)繪制了柱狀圖和曲線圖后，教師可以讓學(xué)生解釋和預(yù)測水溫的變化趨勢，培養(yǎng)學(xué)生利用模型進(jìn)行解釋的能力，并將這一方法應(yīng)用于其他探究。例如，加熱過程中，油溫上升;停止加熱后，油溫下降。動(dòng)態(tài)圖像數(shù)學(xué)模型使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用數(shù)學(xué)方法分析、概括科學(xué)結(jié)論的步驟可以向不同問題遷移，促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)探究本質(zhì)的深度理解。

聽過的會(huì)忘記，看過的會(huì)記住，做過的才會(huì)理解。模型建構(gòu)作為一種科學(xué)探究方法和探究活動(dòng)內(nèi)容，可以讓學(xué)生主動(dòng)愉悅地參與科學(xué)探究，親歷科學(xué)探究的過程，自主建構(gòu)科學(xué)概念，產(chǎn)生有效的思維進(jìn)階。教師在引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)各種模型進(jìn)行科學(xué)探究時(shí)，需要根據(jù)教學(xué)目標(biāo)及探究內(nèi)容，結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)和認(rèn)知能力，選擇和運(yùn)用各種類型的模型進(jìn)行建構(gòu)，拓展學(xué)生的探究體驗(yàn)，領(lǐng)悟探究的過程，理解探究的本質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)探究向深度發(fā)展。

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