引入模型建構(gòu)使科學(xué)探究可視化

徐春明

小學(xué)生理解與思維正由具象逐漸向抽象過(guò)渡，這一階段適合他們的信息表征方式應(yīng)該是具體、直觀的。在探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，恰當(dāng)運(yùn)用模型建構(gòu)，更符合小學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，更有利于他們自主性、主動(dòng)性的發(fā)揮，從而促進(jìn)他們對(duì)知識(shí)的深層次理解，提升其科學(xué)素養(yǎng)與學(xué)科關(guān)鍵能力。

數(shù)據(jù)模型建構(gòu)：讓探究數(shù)據(jù)可視化

科學(xué)探究經(jīng)常需要進(jìn)行基于數(shù)據(jù)的實(shí)證研究，即通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上概括、提煉出科學(xué)規(guī)律，建構(gòu)科學(xué)概念。科學(xué)探究中的數(shù)據(jù)是學(xué)生通過(guò)觀察、實(shí)驗(yàn)等得到的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)字，實(shí)驗(yàn)數(shù)字并不意味著得出科學(xué)結(jié)論，這中間必須經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析的過(guò)程。建構(gòu)數(shù)據(jù)模型，將探究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用圖形、圖表等更直觀的方式可視化，更符合小學(xué)生具體形象思維的特點(diǎn)。

1.靜態(tài)數(shù)據(jù)模型建構(gòu)

在科學(xué)探究過(guò)程中，為了減少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差，學(xué)生往往需要收集盡可能多的數(shù)據(jù)，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。教師可以借助數(shù)字技術(shù)，快速、便捷地搜集以班級(jí)為單位的實(shí)驗(yàn)大數(shù)據(jù)，并以圖表的方式直觀呈現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析。

如探究“冷熱與溫度”內(nèi)容時(shí)，教師可以創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生親身參與測(cè)量、記錄熱水的降溫變化過(guò)程，10分鐘內(nèi)每隔兩分鐘測(cè)量的溫度變化數(shù)值一共6個(gè)。利用自主開(kāi)發(fā)的基于asp的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集平臺(tái)（如圖1），由學(xué)生通過(guò)平板電腦登錄系統(tǒng)在線上傳實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，服務(wù)器端自動(dòng)收集匯總?cè)嗟膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，教師下載數(shù)據(jù)，并通過(guò)Excle軟件生成水溫變化曲線圖或條形統(tǒng)計(jì)圖（如圖2），即形成數(shù)學(xué)模型。根據(jù)這個(gè)熱水溫度變化數(shù)學(xué)模型，學(xué)生不僅容易發(fā)現(xiàn)水溫變化的規(guī)律，而且從曲線圖中很容易發(fā)現(xiàn)水溫在哪個(gè)時(shí)段變化快，哪個(gè)時(shí)段變化慢。教師通過(guò)將一杯熱水變涼過(guò)程中的水溫變化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，將原本抽象的、不易直接觀察的水溫變化規(guī)律可視化，以圖形的方式更便于學(xué)生發(fā)現(xiàn)與理解。

2.動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)模型建構(gòu)

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)模型建構(gòu)一般是針對(duì)有多個(gè)因素相互關(guān)聯(lián)、相互影響的研究?jī)?nèi)容。學(xué)生在聚焦問(wèn)題的基礎(chǔ)上，討論、交流提出合理的假設(shè)，再輸入初始的數(shù)據(jù)，依靠相應(yīng)的平臺(tái)或技術(shù)，自動(dòng)生成動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并將隱含的數(shù)據(jù)用直觀模型呈現(xiàn)，以研究初始條件會(huì)產(chǎn)生怎樣的后續(xù)結(jié)果，檢驗(yàn)初始條件的合理性、正確性;也可以預(yù)設(shè)結(jié)果而倒推需要怎樣的原始數(shù)據(jù)，以幫助形成合理的建議和正確的方案。

如探究“生態(tài)平衡”內(nèi)容時(shí)，由于生態(tài)變化是一個(gè)宏觀的、變化周期長(zhǎng)的自然現(xiàn)象，因此無(wú)法直接開(kāi)展探究活動(dòng)，而傳統(tǒng)的圖片與視頻講解相結(jié)合的學(xué)習(xí)方式互動(dòng)性差。“NetLogo”是一個(gè)用來(lái)對(duì)自然現(xiàn)象進(jìn)行仿真的建模環(huán)境，特別適合對(duì)隨著時(shí)間演化的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行建模。我們可以利用這一優(yōu)勢(shì)構(gòu)建一個(gè)包含“草、狼、羊”等要素在內(nèi)的草原生態(tài)系統(tǒng)模型，用互動(dòng)、可視化的方式研究有關(guān)生態(tài)平衡的問(wèn)題。具體的過(guò)程為：學(xué)生圍繞“消滅狼是否能更好地保護(hù)羊群”“多種草能讓羊生活得更好嗎”等問(wèn)題，依據(jù)自己原有經(jīng)驗(yàn)設(shè)置“草、狼、羊”等要素的初始數(shù)值，隨著時(shí)間的推移，“草、狼、羊”等要素進(jìn)行著動(dòng)態(tài)變化，學(xué)生通過(guò)觀察實(shí)時(shí)呈現(xiàn)的直觀動(dòng)態(tài)圖形和數(shù)據(jù)曲線圖表，研究“草、狼、羊”等要素之間的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，從而認(rèn)識(shí)到生態(tài)系統(tǒng)中的各個(gè)要素都非常重要。學(xué)生也可以根據(jù)自己的需求，加快或減慢模型的推演速度，或改變研究要素，以滿足個(gè)性化的探究需求。

物理模型建構(gòu)：讓探究對(duì)象可視化

以證據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用各種信息分析和邏輯推理方法得出結(jié)論，公開(kāi)研究結(jié)果，接受質(zhì)疑，不斷更新和深入，是科學(xué)探究的主要特點(diǎn)。小學(xué)科學(xué)課程中關(guān)于物質(zhì)科學(xué)、地球和宇宙科學(xué)等領(lǐng)域中的現(xiàn)象、事物和規(guī)律，具有時(shí)間和空間的復(fù)雜性，如晝夜交替、地球表面地形、電路等，這些內(nèi)容是宏觀的，或是抽象的。如何組織探究實(shí)驗(yàn)活動(dòng)？我們可以通過(guò)物理模型建構(gòu)的方式，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)證意識(shí)。

1.平面模型建構(gòu)

平面模型建構(gòu)是將相對(duì)復(fù)雜的，或不易被觀察的具體現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行簡(jiǎn)單化、可視化處理，以平面圖例、模型設(shè)計(jì)圖等形式直觀地表達(dá)認(rèn)識(shí)對(duì)象的特征。學(xué)生在原有知識(shí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，利用可視化的平面模型，有針對(duì)性地展開(kāi)分析，交流自己的認(rèn)識(shí)和觀點(diǎn)，從而完成科學(xué)概念的建構(gòu)。

如探究“簡(jiǎn)單電路”相關(guān)內(nèi)容時(shí)，在學(xué)生用材料連接電路的同時(shí)，教師幫助學(xué)生畫出電流從電池出發(fā)，在電路中流動(dòng)，經(jīng)過(guò)燈泡，又回到電池形成回路的過(guò)程，完成平面圖示模型建構(gòu)（如圖3）。學(xué)生不僅連接一個(gè)簡(jiǎn)單電路，同時(shí)還清楚地知道在這個(gè)電路中電的流動(dòng)路線，這樣的平面模型還可以延伸，幫助學(xué)生理解斷路、短路的現(xiàn)象（如圖4），同時(shí)可以讓學(xué)生在修改平面模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探究點(diǎn)亮多個(gè)小燈泡。

2.實(shí)物模型建構(gòu)

實(shí)物模型建構(gòu)是指對(duì)自然現(xiàn)象或規(guī)律的一種模仿、模擬，主要應(yīng)用于模擬實(shí)驗(yàn)，可以是宏觀場(chǎng)景的微縮，可以是微觀結(jié)構(gòu)的放大，也可以是“暗箱”內(nèi)容的類比外顯等。通過(guò)替代的實(shí)物物品的結(jié)構(gòu)性，使一系列的探究活動(dòng)得以實(shí)施與呈現(xiàn)，使難以直接觀察的自然現(xiàn)象在課堂上得以重現(xiàn)，有時(shí)甚至可以是對(duì)所要探究的對(duì)象的有意識(shí)凸顯。

如探究“月相”相關(guān)內(nèi)容時(shí)，在學(xué)生經(jīng)過(guò)一段時(shí)間實(shí)際觀察月相并了解了月相變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)實(shí)物模型（如圖5），進(jìn)一步認(rèn)識(shí)月相的成因：

第一環(huán)節(jié)，明確替代物品與真實(shí)事物之間的類比關(guān)系：用圓形塑料圈模擬月球圍繞地球運(yùn)行的公轉(zhuǎn)軌道，用一半涂黑的乒乓球模擬月球在太陽(yáng)的照射下一半是亮的，一半是暗的，用掛著太陽(yáng)圖形的一面模擬陽(yáng)光的照射方向;

第二環(huán)節(jié)，依據(jù)自然規(guī)律模擬觀察月相：首先站到圈外從模擬太陽(yáng)的一面看月球，將乒乓球白色的一面全部對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)的方向，然后保持塑料圈不動(dòng)，人站到圈子中間，觀察各個(gè)位置上月球的月相并畫下來(lái)。

通過(guò)月相實(shí)物模型建構(gòu)，再現(xiàn)一個(gè)月內(nèi)的月相變化現(xiàn)象，方便學(xué)生尋找月相變化過(guò)程的證據(jù)，培養(yǎng)實(shí)證意識(shí)。

3.虛擬模型建構(gòu)

小學(xué)科學(xué)探究活動(dòng)的對(duì)象是真實(shí)的物質(zhì)世界，其中有一些內(nèi)容由于客觀原因無(wú)法通過(guò)操作實(shí)物器材展開(kāi)研究活動(dòng)，或者說(shuō)用動(dòng)手操作的方法直接研究反而不真實(shí)，達(dá)不到尊重證據(jù)、嚴(yán)謹(jǐn)求證的效果。如涉及地球?qū)嵕坝^察的內(nèi)容，地球上的地形和地貌、地表的變遷、水資源的分布等，教師可以借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬軟件等建構(gòu)虛擬模型，創(chuàng)設(shè)類似真實(shí)環(huán)境的情境，讓學(xué)生根據(jù)探究需要，搜集證據(jù)，進(jìn)行實(shí)證。

如探究“地球的表面”相關(guān)內(nèi)容時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)觀察受時(shí)空限制不能開(kāi)展，借助圖片或者視頻，又不能給學(xué)生實(shí)時(shí)、真實(shí)的體驗(yàn)，因此很多問(wèn)題需要學(xué)生通過(guò)想象解決，教師借助“谷歌地球”這一虛擬地球模型，可以很好地彌補(bǔ)以上不足。該軟件能將全球的各種地形通過(guò)虛擬的方式呈現(xiàn)出來(lái)，學(xué)生可以足不出戶進(jìn)行瀏覽，通過(guò)放大、俯視、平視、旋轉(zhuǎn)觀察角度甚至全立體景觀虛擬漫游的方式，模擬現(xiàn)場(chǎng)觀察高山峽谷、海洋島嶼、高原盆地等地形，詳細(xì)研究特定地貌特征。有了這樣近乎現(xiàn)場(chǎng)的觀察，就有了更真實(shí)的體驗(yàn)，也就更利于學(xué)生建構(gòu)對(duì)地球表面的認(rèn)知。學(xué)生還可以對(duì)特定的問(wèn)題進(jìn)行系列探究，如“長(zhǎng)江入?？趰u嶼的成因”研究（如圖6），從河流的上游到中下游進(jìn)行“實(shí)景考察”，從中觀察地形變化、水流變化、島嶼分布等信息，從中尋找更真實(shí)的證據(jù)，驗(yàn)證自己的猜想：地勢(shì)平坦、河道寬的地方水流變緩，泥沙容易沉降堆積，易形成沖積島。

概念模型建構(gòu)：讓探究思維可視化

1.思維導(dǎo)圖建構(gòu)

思維導(dǎo)圖是一個(gè)簡(jiǎn)單、高效、放射性、形象化的思維工具，它運(yùn)用圖文并重的方法，把各級(jí)主題的關(guān)系，用相互隸屬的層級(jí)圖表現(xiàn)出來(lái)，把主題關(guān)鍵詞與圖像、顏色等建立鏈接。建構(gòu)思維導(dǎo)圖模型，形象直觀，符合小學(xué)生樂(lè)于涂一涂、畫一畫、喜歡用圖畫來(lái)表達(dá)想法的認(rèn)知規(guī)律和表達(dá)特點(diǎn)。探究實(shí)驗(yàn)，不僅是培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，更重要的是發(fā)展他們的思維能力，所以，學(xué)生在探究過(guò)程中經(jīng)常需要互動(dòng)設(shè)計(jì)、討論交流、觀點(diǎn)碰撞;教師要引導(dǎo)學(xué)生用不同的顏色、關(guān)鍵詞、圖畫，建構(gòu)、繪制思維導(dǎo)圖模型，讓思維可視化，一方面有利于清晰、直觀地表達(dá)觀點(diǎn)，另一方面也有利于小組聚集問(wèn)題，并在比較、反思中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并不斷相互補(bǔ)充與完善，從而獲得更大的收獲。

如探究“擺”相關(guān)內(nèi)容時(shí)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生用思維導(dǎo)圖的方式，邊思考邊畫圖（如圖7），猜測(cè)擺的快慢與哪些因素有關(guān)，每一個(gè)可能的因素可以用哪些方式進(jìn)行探究驗(yàn)證。在個(gè)體思考的基礎(chǔ)上，借助思維導(dǎo)圖直觀、清晰地表達(dá)自我觀點(diǎn)，與小組成員進(jìn)行交流、討論，在相互啟發(fā)、不斷完善的過(guò)程中形成比較成熟的研究方案。

2.概念圖建構(gòu)

概念圖是將基本概念網(wǎng)絡(luò)化，并以結(jié)構(gòu)圖的形式呈現(xiàn)出來(lái)的一種組織和表征知識(shí)的教學(xué)方式。合理運(yùn)用概念圖的優(yōu)勢(shì)，可以直觀形象地表達(dá)知識(shí)結(jié)構(gòu)，有效呈現(xiàn)思考的過(guò)程及知識(shí)的關(guān)聯(lián)，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行意義建構(gòu)，既能引導(dǎo)學(xué)生自主探究，又能形成整體思維能力。通?？梢杂脷馀輬D、維恩圖、網(wǎng)狀圖等形式呈現(xiàn)。

如探究“校園里的植物”相關(guān)內(nèi)容時(shí)，學(xué)生要研究樟樹(shù)與鳳仙花的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)，由于樟樹(shù)和鳳仙花之間形態(tài)特征差異較大，因此獲取的知識(shí)點(diǎn)既多又零散。在觀察活動(dòng)中，教師可以引入維恩圖，幫助學(xué)生收集、分類、記錄觀察到的樟樹(shù)和鳳仙花的特點(diǎn)，再引導(dǎo)學(xué)生梳理觀察比較結(jié)果，將兩個(gè)圈內(nèi)相同的特點(diǎn)并入交叉圈內(nèi)，交叉圈外保留各自獨(dú)有的特點(diǎn)。在概念圖的幫助下，學(xué)生能把這些多而零散的知識(shí)點(diǎn)集合為兩類，梳理出草、木的概念，并從共同信息中找尋內(nèi)在聯(lián)系，理解和建構(gòu)植物的概念。

3.魚骨圖建構(gòu)

魚骨圖是一種發(fā)現(xiàn)問(wèn)題“根本原因”的方法，它也可以稱之為“因果圖”。教師可以利用魚骨圖簡(jiǎn)捷實(shí)用、深入直觀的特點(diǎn)，圍繞核心概念問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生列出與概念問(wèn)題有關(guān)的可能原因，來(lái)說(shuō)明各個(gè)原因之間的關(guān)系。如學(xué)生圍繞“蘋果壞了的原因”進(jìn)行頭腦風(fēng)暴（如圖8），發(fā)揮小組的智慧，集思廣益，把通過(guò)摸、看、聞、測(cè)量等方式得到的信息呈現(xiàn)在上方，把經(jīng)過(guò)分析、比較等思考后得到的信息呈現(xiàn)在下方，引導(dǎo)學(xué)生區(qū)分事實(shí)和解釋，并認(rèn)識(shí)到在解釋一種現(xiàn)象或問(wèn)題的時(shí)候，要通過(guò)觀察、分析、思考并不斷完善。

模型是一種理想化的形態(tài)，在科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)中正確建構(gòu)與使用模型，能使抽象科學(xué)原理、不易直接探究的自然現(xiàn)象、復(fù)雜的探究問(wèn)題等可視化，以更直觀、具體、形象、鮮明的方式，提高探究實(shí)驗(yàn)的效率，從而有效提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。