芻議模型建構(gòu)在初中科學(xué)概念教學(xué)中的運(yùn)用
——以《簡(jiǎn)單機(jī)械》教學(xué)為例

孫麗莉|浙江省杭州市第十五中學(xué)教育集團(tuán)

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》指出：科學(xué)思維是從科學(xué)的視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式。模型建構(gòu)是科學(xué)思維的主要內(nèi)容之一，科學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)中有很多核心的理論概念需要教師帶領(lǐng)學(xué)生分析歸納并系統(tǒng)掌握，而模型建構(gòu)法對(duì)指導(dǎo)學(xué)生快速理解相關(guān)概念體系有著重要作用。下面，筆者以浙教版義務(wù)教育教科書《科學(xué)》九年級(jí)上冊(cè)（以下簡(jiǎn)稱“浙教版《科學(xué)》九上”）第3章第4節(jié)《簡(jiǎn)單機(jī)械》的教學(xué)為例，闡述模型建構(gòu)在初中科學(xué)概念教學(xué)中的運(yùn)用。

一、在真實(shí)情境中開(kāi)啟模型建構(gòu)

情境指教學(xué)真實(shí)客觀的知識(shí)問(wèn)題背景，在課程內(nèi)容設(shè)計(jì)和教學(xué)評(píng)價(jià)過(guò)程中，教師要同樣重視問(wèn)題情境的科學(xué)創(chuàng)設(shè)。導(dǎo)入的課堂情境應(yīng)該是學(xué)生所熟悉并理解的，這樣教師就能從課堂一開(kāi)始吸引住學(xué)生的注意力，使學(xué)生廣泛參與?！逗?jiǎn)單機(jī)械》開(kāi)篇第一句就說(shuō)“我們用筷子吃飯、用剪刀剪紙，都在使用簡(jiǎn)單機(jī)械”，然后講到了自行車等的每個(gè)部件都是簡(jiǎn)單機(jī)械，接著給出開(kāi)瓶器等圖片，讓學(xué)生仔細(xì)觀察并體驗(yàn)它們?cè)谑褂眠^(guò)程中有什么共同特征，其目的就是讓學(xué)生通過(guò)熟悉的生活情境來(lái)建構(gòu)杠桿的模型。

二、在問(wèn)題鏈中形成模型建構(gòu)

（一）實(shí)踐中找問(wèn)題

科學(xué)學(xué)科的形成和發(fā)展是在實(shí)踐中進(jìn)行的，脫離實(shí)踐中的問(wèn)題，科學(xué)將失去本質(zhì)意義。毋庸置疑，科學(xué)學(xué)科中的概念既是教學(xué)的重點(diǎn)又是難點(diǎn)。而問(wèn)題情境教學(xué)往往能使學(xué)生獲得相應(yīng)概念的感性思考和理性認(rèn)知，產(chǎn)生強(qiáng)烈的認(rèn)知共鳴或認(rèn)識(shí)沖突，引發(fā)學(xué)生對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行深入思考。因此，教師應(yīng)該有意識(shí)、有針對(duì)性地創(chuàng)設(shè)各種問(wèn)題情境，設(shè)計(jì)由相互關(guān)聯(lián)、有內(nèi)容指向、有進(jìn)階關(guān)系的多個(gè)問(wèn)題組成的問(wèn)題鏈。問(wèn)題鏈的設(shè)計(jì)能使模型建構(gòu)更加豐滿立體，拓寬學(xué)生思維的張力。

（二）簡(jiǎn)單機(jī)械中的問(wèn)題鏈

教師可借助問(wèn)題鏈進(jìn)行有效的課堂提問(wèn)，基于高階思維建構(gòu)以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的科學(xué)課堂。

1.圍繞教學(xué)目標(biāo)提問(wèn)

針對(duì)“讓學(xué)生明白杠桿定義”的教學(xué)目標(biāo)，教師可讓學(xué)生嘗試使用給出的各種工具，并找出這些工具的共同特征。

2.從“最近發(fā)展區(qū)”提問(wèn)

設(shè)計(jì)的問(wèn)題鏈要有一定的難度和挑戰(zhàn)性，并且讓學(xué)生能根據(jù)舊知來(lái)整合回答。如讓學(xué)生從常用工具中總結(jié)出杠桿有哪些要素。又如力臂是新的概念，但學(xué)生學(xué)過(guò)力的概念，教師就可提問(wèn)：“力臂與力的三要素有什么不同？?jī)H從力的三要素出發(fā)能描述杠桿嗎？”

3.以進(jìn)階式程序提問(wèn)

學(xué)習(xí)的過(guò)程往往是新知代替舊知、先易后難、層層深入的，問(wèn)題鏈的實(shí)踐過(guò)程也一樣需要循序漸進(jìn)、抽絲剝繭。如學(xué)生知道物體的平衡狀態(tài)、物體在水平面上做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)拉力等于摩擦力，教師可分別提問(wèn)“杠桿平衡是怎樣的”“物體在斜面上，拉力等于摩擦力嗎”。

4.基于拓展遷移提問(wèn)

教是為了不教，所有的教學(xué)到最后一定是培養(yǎng)學(xué)生的理解應(yīng)用能力。教師要引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識(shí)重構(gòu)、內(nèi)化，幫助學(xué)生學(xué)會(huì)遷移應(yīng)用知識(shí)。在提問(wèn)的過(guò)程中，教師也要有意識(shí)地強(qiáng)化這一點(diǎn)。如剛學(xué)完杠桿基礎(chǔ)后，教師可以引導(dǎo)學(xué)生思考“除了平常會(huì)接觸到的一些杠桿形式，有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)什么特別的杠桿或變形的杠桿”，從而引出滑輪。在滑輪原理的實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，教師要先讓學(xué)生自己動(dòng)手并根據(jù)杠桿原理的五大要素找一找滑輪的五要素，培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)整合遷移能力。

三、在深度學(xué)習(xí)中研析模型建構(gòu)

要掌握概念的本質(zhì)，學(xué)生必須對(duì)概念有深度的理解和加工過(guò)程，因?yàn)椤八季S是構(gòu)成學(xué)生核心素養(yǎng)的重要方面，科學(xué)教育的根本目標(biāo)是發(fā)展學(xué)生的思維……觀察和實(shí)驗(yàn)只能為我們提供感性的材料，而對(duì)事物本質(zhì)的認(rèn)識(shí)則需要借助比較分析、抽象概括、歸納演繹等思維方法而獲得”[1]。數(shù)學(xué)模型是解決復(fù)雜問(wèn)題的常用方法之一，在這一節(jié)的教學(xué)中，筆者就讓學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)模型來(lái)分析簡(jiǎn)單機(jī)械中力的變化關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入深度學(xué)習(xí)。

例：吸盤式掛桿掛有平底鍋的掛鉤沿光滑水平橫桿從P點(diǎn)開(kāi)始向吸盤B移動(dòng)（圖略），若吸盤與橫桿的重力、吸盤大小均忽略不計(jì)，設(shè)掛鉤與吸盤A的距離為l，則吸盤B受到的摩擦力F的大小與l的關(guān)系圖應(yīng)該怎么畫？

要解決這個(gè)問(wèn)題，就需要不斷地去研析模型。第一步，找到杠桿的五要素，尤其要確定支點(diǎn)位置；第二步，利用杠桿的平衡條件F1×L1=F2×L2；第三步，建立數(shù)學(xué)模型。通過(guò)分析得到G×l＝F×LAB，所以F＝lG/LAB，這是一個(gè)正比例函數(shù)。而在現(xiàn)實(shí)生活中，掛鉤與吸盤A的距離l是不可能為0的，因此數(shù)學(xué)模型中的前面一段是取不到的。

數(shù)學(xué)模型能將簡(jiǎn)單機(jī)械的本質(zhì)概括出來(lái)，化繁為簡(jiǎn)，使概念更加深化具體。教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)模型結(jié)合實(shí)際不能取的一些點(diǎn)進(jìn)行分析，可讓學(xué)生在懂得如何用數(shù)學(xué)模型作簡(jiǎn)化的同時(shí)，又不忘生活中的實(shí)際情況，幫助學(xué)生發(fā)展理解能力和探究能力。

四、應(yīng)用大概念完善模型建構(gòu)

（一）對(duì)概念的整合內(nèi)化

模型建構(gòu)是新舊知識(shí)間跨越、理解、應(yīng)用和遷移的過(guò)程。通過(guò)模型建構(gòu)，我們不僅能把圖表數(shù)據(jù)整合起來(lái)，培養(yǎng)學(xué)生的理性思維，還能把很多小概念整合在大概念中，使學(xué)生所學(xué)的知識(shí)由零碎變得整體化。

（二）簡(jiǎn)單機(jī)械中的大概念

溫·哈倫指出：“科學(xué)大概念是有組織、有結(jié)構(gòu)的科學(xué)知識(shí)和模型，這些大概念能夠解釋大范圍內(nèi)的一系列的相關(guān)現(xiàn)象?！盵2]浙教版《科學(xué)》九上第三章以“能量”為主線，并貫穿整章。在實(shí)際問(wèn)題中，機(jī)械克服阻力作用所做的功一般由兩部分組成：一部分是克服有用阻力做的功，稱為有用功；另一部分是克服機(jī)械摩擦力等額外阻力所做的功，稱為額外功或無(wú)用功。兩者的和就是總功。那么對(duì)于簡(jiǎn)單機(jī)械，我們?nèi)绾螐拇蟾拍畹慕嵌热ダ斫饽兀?/p>

1.確定合適的大概念

在學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單機(jī)械之前學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了力和功的基本知識(shí)。簡(jiǎn)單機(jī)械內(nèi)容是對(duì)前面知識(shí)的綜合和提高。這其中包含了兩個(gè)大概念：力和功。力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因；功是能量轉(zhuǎn)化的量度。教師要引導(dǎo)學(xué)生從這兩個(gè)角度去理解簡(jiǎn)單機(jī)械。

2.利用概念視覺(jué)圖

《簡(jiǎn)單機(jī)械》一節(jié)包括杠桿、滑輪、斜面。其中，杠桿的定義、平衡條件、分類，滑輪組的動(dòng)力、阻力的分析，斜面上物體的受力分析等，均可以由“力”這個(gè)大概念統(tǒng)領(lǐng)；有用功、額外功、總功、機(jī)械效率等的分析，則可以由“功”這個(gè)大概念切入。為了讓學(xué)生能夠更好地理解復(fù)雜的知識(shí)，教師可以使用概念視覺(jué)圖讓知識(shí)整體化、結(jié)構(gòu)化。

3.抓住概念間的聯(lián)系

教師必須讓學(xué)生清楚力和功的關(guān)系。力（重力、摩擦力、彈力）是物體與物體之間的相互作用；而物體在力的作用下沿力的方向通過(guò)了一定距離，就說(shuō)明該力對(duì)物體做了功。重力做的功與路徑無(wú)關(guān)，只與物體的始末位置有關(guān)。彈力做功的多少與發(fā)生的彈性形變量有關(guān)。摩擦力做的功與實(shí)際路徑有關(guān)。

五、在解決問(wèn)題中應(yīng)用模型建構(gòu)

對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，有效的概念學(xué)習(xí)，不是機(jī)械的記憶，而是深刻理解從大量的實(shí)驗(yàn)和廣泛的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中揭示的規(guī)律和原理，并將其應(yīng)用于解決實(shí)際問(wèn)題，進(jìn)而在應(yīng)用過(guò)程中逐漸提高知識(shí)獲取、實(shí)踐操作、思維認(rèn)知等能力。知識(shí)的遷移與應(yīng)用是知識(shí)概念建構(gòu)的拓展和延伸。

而以核心素養(yǎng)為指向的教學(xué)，在很大程度上指向的是一種“解決問(wèn)題”的能力。教師引導(dǎo)學(xué)生利用模型建構(gòu)可以解決以下幾個(gè)問(wèn)題：（1）杠桿的動(dòng)態(tài)平衡（解決方法：確定杠桿的五要素，利用杠桿的平衡條件）；（2）杠桿如何最省力（解決方法：確定支點(diǎn)，找到最大的力臂）；（3）變形杠桿，如滑輪、滑輪組（解決方法：受力分析、功的原理）。

例如，浙教版科學(xué)九上在第88頁(yè)中呈現(xiàn)了用木棒撬動(dòng)石塊的生活實(shí)例，其目的是讓學(xué)生明白杠桿的支點(diǎn)、動(dòng)力、阻力、動(dòng)力臂、阻力臂。筆者認(rèn)為可以深化此圖的作用，如讓學(xué)生思考“要撬動(dòng)大石塊，教材中給出的是最省力的方式嗎？怎樣才能最省力”等問(wèn)題，通過(guò)實(shí)際問(wèn)題的應(yīng)用，讓學(xué)生產(chǎn)生思維沖突，感知杠桿的支點(diǎn)是可以改變的，要省力就得讓動(dòng)力臂盡可能地長(zhǎng)一些。在實(shí)踐中建構(gòu)模型，可使學(xué)生更加靈活地學(xué)習(xí)知識(shí)，并抓住知識(shí)的本質(zhì)。

六、在歸納實(shí)踐中具化模型建構(gòu)

科學(xué)是一門重視怎么做的學(xué)科，模型的建構(gòu)就是做的過(guò)程。學(xué)生往往要反復(fù)觀察，仔細(xì)思考，在動(dòng)手的過(guò)程中領(lǐng)悟模型建構(gòu)的方法。

如筆者讓學(xué)生課后自制杠桿，學(xué)生利用一次性筷子或食堂里撈面的木棍等完成。學(xué)生還用自制的杠桿稱量了文具、水果等，這讓學(xué)生明白了確定支點(diǎn)的重要性及生活中處處有科學(xué)的道理。此外，教師還可以引導(dǎo)學(xué)生利用廢棄的硬紙片、針筒或樂(lè)高玩具制作簡(jiǎn)易的起重機(jī)，讓學(xué)生在動(dòng)手實(shí)踐中體會(huì)簡(jiǎn)單機(jī)械的應(yīng)用。通過(guò)這些活動(dòng)使模型具化，讓學(xué)生深刻理解簡(jiǎn)單機(jī)械的理論知識(shí)。

意大利教育家蒙臺(tái)梭利有一句風(fēng)靡全球的教育名言：“聽(tīng)了，會(huì)忘記；看了，能記??；做了，能理解?！边@句話告訴我們，通過(guò)灌輸，學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解是膚淺的，要讓學(xué)生對(duì)知識(shí)有深刻的理解，必須讓學(xué)生多活動(dòng)、多體驗(yàn)。同時(shí)在做的過(guò)程中，教師還需要不斷地引導(dǎo)學(xué)生對(duì)活動(dòng)中所獲得的信息進(jìn)行理性分析，讓學(xué)生透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)，進(jìn)而對(duì)概念形成深刻的理解。

綜上，模型的建構(gòu)有利于把復(fù)雜的科學(xué)事物和概念抽象化，有利于學(xué)生的科學(xué)探究和思維能力的培養(yǎng)。當(dāng)然，科學(xué)的本質(zhì)內(nèi)涵非常豐富，教學(xué)的方式靈活多樣，模型建構(gòu)只是認(rèn)識(shí)世界的一種方法，而不是萬(wàn)能的。模型的建構(gòu)是一個(gè)需要不斷修正的過(guò)程，而在這樣的過(guò)程中，學(xué)生的探究素養(yǎng)會(huì)逐步提高。