更好地發(fā)揮模型實(shí)驗(yàn)的育人功能

◇韓 慧（北京：北京市大興區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校）

小學(xué)科學(xué)模型實(shí)驗(yàn)具有發(fā)展學(xué)生建構(gòu)模型意識(shí)和能力的重要作用。在2022 版《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中，模型建構(gòu)是科學(xué)課程要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)之科學(xué)思維的重要內(nèi)容。在目前常態(tài)化的小學(xué)科學(xué)模型實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，存在教師用模型講知識(shí)、忽視學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)模型過程的現(xiàn)象。教師需要深入理解模型實(shí)驗(yàn)研究方法的本質(zhì)和內(nèi)涵，結(jié)合小學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，梳理模型實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的思路。

一、小學(xué)科學(xué)模型實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵及育人功能

（一）小學(xué)科學(xué)模型實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵

模型實(shí)驗(yàn)是科學(xué)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要類型，是小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中經(jīng)常引導(dǎo)學(xué)生采用的探究問題的方法。模型實(shí)驗(yàn)不是對(duì)某些客體或自然現(xiàn)象本身進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察，而是先設(shè)計(jì)與該客體或自然現(xiàn)象相似的模型，用它們模擬原型，再通過對(duì)模型的實(shí)驗(yàn)觀察來間接研究原型的性質(zhì)和特點(diǎn)。

小學(xué)科學(xué)課中包含大量的模型實(shí)驗(yàn)。在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)中遇到因受客觀條件限制而無法對(duì)某些自然現(xiàn)象進(jìn)行直接實(shí)驗(yàn)時(shí)，便尋求間接實(shí)驗(yàn)的方法，設(shè)計(jì)與該自然現(xiàn)象或過程（稱作原型）相似的模型，然后通過模型間接地研究原型的規(guī)律性。模型實(shí)驗(yàn)在小學(xué)科學(xué)課不同領(lǐng)域均有涉及，尤其是地球與宇宙科學(xué)領(lǐng)域，因其研究對(duì)象時(shí)空范圍較大，生命科學(xué)領(lǐng)域研究對(duì)象復(fù)雜，難以對(duì)實(shí)際的研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所以只能先建立模型，然后在模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。比如，日食、晝夜交替、四季變化、消化系統(tǒng)工作過程等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

（二）小學(xué)科學(xué)模型實(shí)驗(yàn)的育人功能

模型實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過程需要學(xué)生經(jīng)歷建構(gòu)模型的過程，因此小學(xué)科學(xué)模型實(shí)驗(yàn)具有發(fā)展學(xué)生建構(gòu)模型意識(shí)和能力的重要作用，利于學(xué)生用科學(xué)觀點(diǎn)系統(tǒng)認(rèn)識(shí)世界，具有獨(dú)特的育人功能。模型建構(gòu)體現(xiàn)在以經(jīng)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ)，對(duì)客觀事物進(jìn)行抽象和概括，進(jìn)而建構(gòu)模型。因此模型實(shí)驗(yàn)需對(duì)客觀事物進(jìn)行抽象和概括，但是小學(xué)生處于具體運(yùn)算認(rèn)知階段，學(xué)生抽象邏輯思維需要實(shí)物支撐，所以模型實(shí)驗(yàn)時(shí)必須建構(gòu)實(shí)體模型，支撐學(xué)生進(jìn)行抽象和概括等思維活動(dòng)。

學(xué)生自主選擇材料建構(gòu)實(shí)體模型的過程，就是鍛煉建構(gòu)模型能力的過程。這個(gè)過程需要學(xué)生提前在自己的大腦中形成抽象的模型，明確模型要素的本質(zhì)特征及要素之間的關(guān)聯(lián)，然后物化為實(shí)體模型。學(xué)生自主選擇材料，搭建實(shí)體模型，能體現(xiàn)學(xué)生自己對(duì)問題或現(xiàn)象本質(zhì)特征及要素關(guān)聯(lián)的理解。

二、小學(xué)科學(xué)模型實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

在目前小學(xué)科學(xué)模型實(shí)驗(yàn)課上，大部分教師直接利用實(shí)體模型講解知識(shí)，忽視學(xué)生積極主動(dòng)思考，未能開展促進(jìn)學(xué)生積極思考的思維型探究和實(shí)踐，錯(cuò)過了培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)和應(yīng)用模型的機(jī)會(huì)，學(xué)生建構(gòu)模型的意識(shí)和能力水平較低。

（一）教師的模型實(shí)驗(yàn)教學(xué)

為調(diào)研小學(xué)科學(xué)模型實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，我觀看了本區(qū)《風(fēng)的形成》《晝夜交替》《呼吸》《日食》等二十余節(jié)常態(tài)課例，發(fā)現(xiàn)目前小學(xué)科學(xué)教師面對(duì)模型實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，更多的是直接利用實(shí)體模型給學(xué)生講解原型，而忽略了指導(dǎo)或引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)模型、應(yīng)用模型的過程。課堂中缺乏從模型研究結(jié)論回歸原型問題的類比推理分析過程，學(xué)生缺乏利用建構(gòu)模型解決問題的意識(shí)。

大部分教師對(duì)于模型實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)理念及教學(xué)方法不恰當(dāng)，沒站在學(xué)生學(xué)習(xí)主體的立場(chǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，學(xué)生不能親身經(jīng)歷建構(gòu)模型及應(yīng)用模型的過程，所以學(xué)生建構(gòu)模型的意識(shí)和能力不能得到有效培養(yǎng)。

（二）學(xué)生在模型實(shí)驗(yàn)方面的表現(xiàn)

在對(duì)全區(qū)進(jìn)行學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究能力調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生建構(gòu)實(shí)體模型解決問題的意識(shí)較弱，存在動(dòng)手不動(dòng)腦的問題，不會(huì)思考。學(xué)生的模型思維水平較低，會(huì)操作，但是不知道為什么這樣做，在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中沒有學(xué)習(xí)到建構(gòu)模型的思維方法。調(diào)研中，在模型實(shí)驗(yàn)探究實(shí)踐時(shí)，大部分學(xué)生只是在介紹模型的結(jié)構(gòu)，沒有關(guān)注模型結(jié)構(gòu)元素之間的關(guān)系，未能利用模型結(jié)論解釋原型現(xiàn)象或過程，缺乏利用模型探究原型問題的意識(shí)。

三、小學(xué)科學(xué)模型實(shí)驗(yàn)教學(xué)建議

為了增強(qiáng)學(xué)生在模型實(shí)驗(yàn)中的思維能力，促使學(xué)生在科學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中手腦并用，開展思維型探究實(shí)踐，提出如下教學(xué)建議。

（一）在真實(shí)情境中激發(fā)解決問題的需求，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)模型

教師引導(dǎo)學(xué)生深入分析原型中的問題，基于真實(shí)的問題情境，引發(fā)認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)模型的需求。比如，在《八顆行星》一課中，教師首先給學(xué)生原型的相關(guān)資料，學(xué)生在認(rèn)識(shí)原型的過程中，即對(duì)八顆行星的資料進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)資料中的圖并不能真實(shí)反映八顆行星的相對(duì)位置，引發(fā)了學(xué)生建構(gòu)八顆行星相對(duì)位置模型的需求。

師：剛才有學(xué)生說這張圖片中的行星間距和數(shù)據(jù)不一致，就是說它不能真實(shí)地反映八顆行星相對(duì)位置關(guān)系，誰(shuí)能來具體說一下呢？

生：數(shù)據(jù)表中木星距離太陽(yáng)是火星距離太陽(yáng)的3～4倍，與圖片展示有出入；海王星的距離是天王星的一倍還多，但是圖上并不是。

師：如果你想直觀感受八顆行星的相對(duì)位置，你可以怎么做呢？

生：根據(jù)數(shù)據(jù)制作一個(gè)模型。

師：我們將數(shù)據(jù)與圖片信息進(jìn)行對(duì)比，可以看出圖片中八顆行星相對(duì)于太陽(yáng)的順序是正確的，但是你們也發(fā)現(xiàn)了，圖片上的行星是等距離分布的，而科學(xué)家觀測(cè)出的數(shù)據(jù)不是這樣的，說明圖片不符合客觀事實(shí)。如果我們想真實(shí)地感受八顆行星的相對(duì)位置，需要建構(gòu)一個(gè)與事實(shí)相匹配的模型，即八顆行星的相對(duì)位置模型。

教師需要激發(fā)學(xué)生建模需求，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)模型，不能因?yàn)樾W(xué)生的抽象概括能力有限，而直接略過建構(gòu)模型的過程。比如，在一些課堂中可見教師直接出示實(shí)體模型，然后利用模型直接講解知識(shí)，沒有引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)模型，這樣就難以培養(yǎng)學(xué)生的建模意識(shí)和能力。所以教師需要激發(fā)學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)模型的意識(shí)，用以解決問題。這樣學(xué)生才能主動(dòng)思考如何建構(gòu)模型解決問題，提升建構(gòu)模型的意識(shí)和能力。

（二）在小學(xué)科學(xué)模型實(shí)驗(yàn)中，引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)實(shí)體模型

學(xué)生自主選擇材料，搭建實(shí)體模型的過程，能體現(xiàn)學(xué)生對(duì)問題或現(xiàn)象本質(zhì)特征及要素關(guān)聯(lián)的理解。

比如，在消化系統(tǒng)工作模型實(shí)驗(yàn)中，教師給學(xué)生準(zhǔn)備了多樣的管，供學(xué)生選擇，用以模擬消化器官。教師準(zhǔn)備的管顏色不同，有直的和彎的、透明的和不透明的、質(zhì)地硬的和質(zhì)地軟的、比較粗的和比較細(xì)的。學(xué)生選擇材料的過程體現(xiàn)了學(xué)生是否理解問題的本質(zhì)，是否明確指向問題的結(jié)構(gòu)要素本質(zhì)特征，即指向消化器官在消化系統(tǒng)中功能的主要特征。顏色、透明度、粗細(xì)等并不是影響其功能的最主要特征，影響消化功能——蠕動(dòng)的最主要特征是質(zhì)地柔軟。透明是為了方便我們觀察蠕動(dòng)過程。

師：你為什么選擇這個(gè)材料模擬消化系統(tǒng)中的？

生：因?yàn)樗男螤?、軟硬度與消化器官很像，這個(gè)管比較軟，所以能實(shí)現(xiàn)蠕動(dòng)，利于食物往下走。

建構(gòu)實(shí)體模型的過程能夠直觀體現(xiàn)學(xué)生從原型到模型的抽象概括過程。這個(gè)過程訓(xùn)練的是學(xué)生針對(duì)原型中的問題，抓住主要因素排除次要因素的能力，然后把這些因素組成系統(tǒng)模型。比如，在上述模型實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生應(yīng)抓住與消化器官的蠕動(dòng)功能關(guān)聯(lián)最緊密的因素，因?yàn)樗赶蛄宋覀兊难芯繂栴}：消化系統(tǒng)是如何工作的。所以引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)實(shí)體模型，利于培養(yǎng)學(xué)生的模型思維。

（三）在小學(xué)科學(xué)模型實(shí)驗(yàn)中，利用實(shí)體模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究

學(xué)生建構(gòu)了實(shí)體模型后，需要利用實(shí)體模型探究自己對(duì)研究問題的預(yù)期分析，利用實(shí)體模型進(jìn)行控制變量，改變影響問題的因素，觀察實(shí)驗(yàn)效果，而不是搭建完了就結(jié)束，或者僅僅是展示模型，利用靜態(tài)實(shí)體模型解釋原型是什么樣子。

比如，在晝夜交替模型實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生明確了模型的結(jié)構(gòu)要素：地球和太陽(yáng)；明確了要素的主要特征：地球不發(fā)光、自轉(zhuǎn)，太陽(yáng)自身發(fā)光，光線基本是平行光。課堂中學(xué)生針對(duì)地球公轉(zhuǎn)這個(gè)特征是否保留，出現(xiàn)了不同意見，所以出現(xiàn)了不同的模型實(shí)驗(yàn)探究。學(xué)生在實(shí)體模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證自己的假設(shè)。A 組學(xué)生假設(shè)：地球自轉(zhuǎn)引起晝夜交替，學(xué)生讓地球自轉(zhuǎn)和不自轉(zhuǎn)，看看是否出現(xiàn)晝夜交替，控制變量是自轉(zhuǎn)因素。B 組學(xué)生假設(shè)：推測(cè)自轉(zhuǎn)或公轉(zhuǎn)引起晝夜交替，所以就要利用模型分別嘗試自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)，推測(cè)哪種更符合客觀事實(shí)，最終驗(yàn)證自己的假設(shè)，形成合理解釋。

上面兩個(gè)組建構(gòu)的實(shí)體模型要素一樣，但是要素的特征不同，抽象的結(jié)果不同，所以建構(gòu)的模型不同。在這個(gè)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行探究，利用實(shí)體模型分別嘗試自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)，推測(cè)哪種情況更符合客觀事實(shí)。所以學(xué)生需要用建構(gòu)的實(shí)體模型來探究問題，驗(yàn)證假設(shè)，形成對(duì)問題的合理解釋。

（四）利用實(shí)體模型的研究結(jié)論，解釋原型中的問題

學(xué)生用實(shí)體模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究后，對(duì)實(shí)體模型中的現(xiàn)象能夠進(jìn)行解釋，形成結(jié)論。但這僅是針對(duì)實(shí)體模型中現(xiàn)象的解釋，教師需要引導(dǎo)學(xué)生對(duì)應(yīng)分析原型中的問題。這是類比推理的過程，學(xué)生需要明確類比的兩個(gè)情境結(jié)構(gòu)要素相似之處及區(qū)別，這樣才能對(duì)原型中的問題做出合理的解釋。

比如，《風(fēng)的成因》一課，教師創(chuàng)設(shè)了真實(shí)情境，引發(fā)學(xué)生思考大自然中風(fēng)的成因。學(xué)生在經(jīng)歷了對(duì)原型的認(rèn)識(shí)和對(duì)問題的分析后，建立了抽象模型，制作了實(shí)體模型，明確了利用實(shí)體模型進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)的思路，并進(jìn)行了小組探究活動(dòng)。

在小組活動(dòng)中，學(xué)生觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并對(duì)現(xiàn)象做出解釋。點(diǎn)燃蠟燭時(shí)，蠟燭上方的風(fēng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)起來表明空氣向上流動(dòng)，箱內(nèi)有煙霧水平方向流動(dòng)，表明外面的冷空氣會(huì)向熱的地方水平方向流動(dòng)，熄滅蠟燭后，箱內(nèi)的煙霧不在水平方向流動(dòng)。這說明冷熱不均引起空氣流動(dòng)，形成風(fēng)。有的教師在此環(huán)節(jié)后開始強(qiáng)化概念：空氣流動(dòng)形成風(fēng)。并沒回應(yīng)本節(jié)課的起始問題：大自然中的風(fēng)是如何形成的？在實(shí)體模型實(shí)驗(yàn)探究后，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生利用上述結(jié)論解釋原型中的問題。比如，教師可以出示簡(jiǎn)單的海陸風(fēng)的圖片，引導(dǎo)學(xué)生利用結(jié)論解釋該現(xiàn)象。

模型實(shí)驗(yàn)研究的問題是原型中的問題，所以利用實(shí)體模型探究結(jié)束后，需要利用探究結(jié)果類比推理解釋原型中的問題。需要注意的是，這個(gè)過程是或然性推理過程，因?yàn)閷?shí)體模型和原型是不可能完全一樣的，所以并不能根據(jù)實(shí)體模型研究結(jié)果，針對(duì)原型中的問題做出必然性推理判斷。

在小學(xué)科學(xué)模型實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師應(yīng)創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，激發(fā)學(xué)生建構(gòu)模型的需求，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)實(shí)體模型，利用實(shí)體模型進(jìn)行自主探究，利用結(jié)論解釋原型中的問題，促進(jìn)學(xué)生開展思維型模型探究實(shí)踐，提升小學(xué)生建構(gòu)模型的意識(shí)和能力，更好地發(fā)揮模型實(shí)驗(yàn)的育人功能。