模型化思維導向的初中電學復習教學設(shè)計*
——以“原型·模型·變型：八年級電路分析復習課”為例

祁明君|浙江省淳安縣千島湖初級中學

模型是對于某個實際問題、客觀事物或規(guī)律進行系統(tǒng)抽象后形成的形式化表達方式，其核心是科學思維，途徑是科學推理和論證，成果是將系統(tǒng)內(nèi)的主要因素、主要關(guān)系和主要過程突出地顯示出來。近年來，模型和建模在科學教學中的重要性不斷增強。而核心素養(yǎng)提出后，如何在科學課程中融入模型思維，進行建模教學，幫助學生理解抽象概念或復雜過程等，就成了重要的研究課題。

一、對模型化思維的基本認識

《義務(wù)教育科學課程標準（2022年版）》指出，模型化思維是“以經(jīng)驗事實為基礎(chǔ)，對客觀事物進行抽象和概括，進而建構(gòu)模型；運用模型分析、解釋現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、關(guān)系及變化過程”的一種重要的科學思維。用模型去描述未知的系統(tǒng)，能深刻認識客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律以及相互關(guān)系。

要達到像科學家一樣了解知識的形成過程，就需要從建模教學的角度進行實踐，讓學生經(jīng)歷建模過程，體會模型建構(gòu)、修正、迭代和完善的過程對科學發(fā)展的重要意義。研究表明，建模教學能促進學生對科學本質(zhì)的理解，形成對知識內(nèi)容的深度理解，增加解決實際問題的能力[1]。在課堂教學中，教師應當通過一定的教學策略讓學生建立模型化思維，培養(yǎng)建模意識和能力。

二、模型化思維導向的初中電學復習教學設(shè)計

模型化思維導向的初中電學復習，指通過剖析生活中常見電器的原型，讓學生利用已學知識進行模型化知識建構(gòu)，經(jīng)歷建模的過程，最終在變型問題中實現(xiàn)有深度的復習。它是一種旨在實現(xiàn)學生深度學習、培育學生核心素養(yǎng)的教學方式。其基本流程詳見圖1。

圖1模型化思維導向的初中電學復習教學模式

下面，筆者以“原型·模型·變型：八年級電路分析復習課”為例，探討模型教學的具體操作。

（一）提煉原型：創(chuàng)設(shè)情境，明確任務(wù)

原型是指沒有經(jīng)過加工與抽象過的事物或生活情境。從原型入手，有助于拉近學生與知識的距離，使學生快速進入課堂。但是如果不對原型加以提煉，就無從培養(yǎng)學生的科學思維。原型應力求包含初中電學知識，能引發(fā)學生思考的欲望，激活學生對電學的元認知，為復習課的有效開展打好基礎(chǔ)。

課堂教學中，筆者先播放中國人“超重、肥胖”的相關(guān)視頻，引導學生重視肥胖問題，不僅滲透了學科育人的思想，也成功地將學生的視線引向電子體重秤。接著，筆者展示并定格電子體重秤內(nèi)部電路圖，當學生驚嘆于各種敏感電阻之神奇、電路設(shè)計之復雜時，筆者話鋒一轉(zhuǎn)，指出“利用學過的一些簡單的電學儀器，也能設(shè)計出功能與體重秤相似的電路”。一石激起千層浪，學生立即積極思考，踴躍討論，并提出自己的看法，比如可能需要哪些儀器、需要哪些電學知識、串聯(lián)還是并聯(lián)等。在此過程中，筆者順勢利導，將八年級電學的知識進行提煉，包括歐姆定律、串并聯(lián)電路特點、電表讀數(shù)、電路動態(tài)變化規(guī)律等，并聚焦到這節(jié)課需要解決的原型任務(wù)：利用所給簡單儀器（滑動變阻器、電源、開關(guān)、導線、電流表、電壓表，及其他輔助工具如彈簧等）設(shè)計模擬體重秤內(nèi)部電路圖。

設(shè)計意圖：創(chuàng)設(shè)與體重秤相關(guān)的原型情境，將體重秤示數(shù)和體重的關(guān)系用電學知識進行提煉，形成電路設(shè)計任務(wù)，以激發(fā)學生對電路知識的元認知。由于搭建的任務(wù)平臺人人可見，可使學生積極參與，活躍課堂氣氛。

（二）初建模型：啟發(fā)思維，形成圖式

科學思維是科學素養(yǎng)的核心，只有在思維活動中才能得到培養(yǎng)。學生先圍繞原型任務(wù)進行思維活動，采用可視化手段（如圖式等），勾勒出對任務(wù)問題的原始認知，初步建立模型，然后在課堂呈現(xiàn)并比較圖式，在審辯的過程中，相互借鑒，啟發(fā)思維，優(yōu)選模型，形成更優(yōu)圖式。以此為依據(jù)開展教學，教師既能摸清學生對問題的認知，促發(fā)課堂教學的生長點，又能快速地了解學生的理解程度，從而進行有效指導。

聚焦該課原型任務(wù)，學生根據(jù)已有知識，獨立設(shè)計電路模型。筆者展示學生成果，討論總結(jié)初建模型的特點。通過對比，筆者發(fā)現(xiàn)學生均能設(shè)計出用帶站臺的彈簧和滑動變阻器的滑片連接，使人在站臺上能帶動滑片移動，從而來改變電路中電表示數(shù)的模型。接著，筆者排除一些存在基本問題的電路模型，如缺失保護電阻、電表示數(shù)隨著體重的增加反而減少等，最終優(yōu)選出分別使用電流表或電壓表的模型。在這一步，筆者發(fā)現(xiàn)所有學生對于滑動變阻器的連接方式均是常規(guī)二線頭接法（即一上一下使用兩根接線柱），這表明學生還不能靈活使用滑動變阻器，因而這節(jié)課需要重點突破這一重難點。此外，學生都沒有采用并聯(lián)的方式，這也意味著，課后還可以就采用并聯(lián)電路能否實現(xiàn)模型設(shè)計繼續(xù)開展探究。

設(shè)計意圖：當學生用可視化的方式展示了自己頭腦中對某一知識的理解時，教師也就掌握了學生原有“建構(gòu)的現(xiàn)實”。反之，如果教師在教學之前不理解它們，那么這些“建構(gòu)的現(xiàn)實”就會成為繼續(xù)學習的障礙[2]。因而啟發(fā)學生用圖式的形式進行建模，讓思維以“看得見”的形式展示，是有效教學的基礎(chǔ)和起點。這有助于教師摸清教學的起點和生長點，也有助于提高學生的質(zhì)疑能力和論證精神。

（三）修正模型：引導完善，迭代建模

從不同模型中提煉關(guān)鍵問題，由此引發(fā)認知沖突，是修正模型的有效途徑。因此，識別關(guān)鍵問題是迭代建模的基礎(chǔ)。關(guān)鍵問題來源于模型和實物效果的對比中，比如模型能否反映內(nèi)在本質(zhì)、能否達到實際效果、能否解釋核心概念等。一旦學生意識到模型和實物存在偏差，便會引發(fā)認知沖突，由此開始重建、論證、修正。每一次修正之后，教師都要及時捕捉新的關(guān)鍵問題并提煉新的認知沖突，再進行新一輪的論證、修正。經(jīng)過如此循環(huán)迭代，最終形成較為完善的模型。每一次迭代，認知沖突都起到承上啟下的銜接作用。它既是對學生一個階段學習的反饋，也是下一階段學習的起點。在迭代建模的過程中，學生不斷刷新對知識的認知，建立新的學習圖式。

面對不同的方案，師生討論并總結(jié)出一致的關(guān)鍵問題：“電路要模擬出指針從0刻度線開始均勻變化的效果?！睂W生從電路安全、定性判斷和賦值法定量計算這三種方法對方案作了仔細分析，發(fā)現(xiàn)沒有一種方案能夠解決關(guān)鍵問題，由此展開深度思考。筆者不失時機地將學生的思維聚焦到新的關(guān)鍵問題：“能不能同時利用滑動變阻器的三個接線柱重新設(shè)計電路的連接方式呢？”經(jīng)過課堂的深度討論，學生探討出將電壓表一端和滑片連接，另外一端和滑動變阻器一端連接，同時滑動變阻器的另外一端仍然接入電路中，實現(xiàn)了滑動變阻器和電壓表的三線頭連接方式（詳見圖2），并提出兩種改進模型（詳見圖3）。

圖2滑動變阻器和電壓表的三線頭連接方式

圖3改進模擬體重秤內(nèi)部電路

筆者提供相應的數(shù)學知識：如果電壓U和電阻R的比值是個定值，也即U=kR的形式，其中k是常數(shù)，那么電壓U和電阻R成正比，也就是刻度的變化是均勻的。學生對照新信息，對方案進行論證，從一般意義上證明了方案的可行性。論證核心公式如下：

設(shè)計意圖：“只有在充滿關(guān)懷且新主意層出不窮的環(huán)境下，學生才能（正確地或者錯誤地）嘗試學習內(nèi)容，嘗試思考學習內(nèi)容，并且在不同的觀點之間建立聯(lián)系?！盵3]合理利用認知沖突，聚焦關(guān)鍵問題，最大限度地讓學生進行頭腦風暴，是修正、迭代和完善模型的條件。經(jīng)過層層加碼，由定性到定量，由特殊到一般，逐漸升級，學生不僅能復習電學知識，而且能深度理解電路知識，尤其是滑動變阻器的連接思路，從而在原有的認知基礎(chǔ)上，實現(xiàn)有意義的建構(gòu)，內(nèi)化成新認知。

（四）遷移變型：組織交流，提煉本質(zhì)

核心素養(yǎng)有效落地的重要標志是實現(xiàn)遷移。教師要引導學生從生活情境、閱讀材料、作業(yè)習題或項目化學習中尋找相似素材，組織學生交流，使其自主識別變型問題的種類和數(shù)量，然后從核心概念的識別、本質(zhì)規(guī)律的解釋、重要方法的再現(xiàn)等方面提煉變型問題，進而能夠解決比較復雜的現(xiàn)實問題。從刻意訓練到自覺發(fā)現(xiàn)變型問題的過程，就是學習能力不斷提升、核心素養(yǎng)不斷深化的過程。

這節(jié)課最后一個環(huán)節(jié)是尋找生活中的變型。筆者組織學生閱讀教材中的“電動汽車的速度控制”內(nèi)容，要求他們設(shè)計模擬汽車油量表的電路圖。由于對滑動變阻器的認識有了新的認知，學生通過交流討論，設(shè)計出利用滑動變阻器和電壓表的三線頭連接方式，實現(xiàn)了“刻度隨油量均勻變化”的電路圖。

設(shè)計意圖：依托教材閱讀材料中的汽車油量表原型，設(shè)計“刻度隨油量均勻變化”的電路圖活動，可以訓練學生從不同事物之間的表面差異看到共同本質(zhì)的能力，促使其形成知識遷移能力。

三、體會與思考

（一）教學模式清晰，教學設(shè)計無門檻

模型化思維導向的初中電學復習教學模式非常清晰，均是從原型入手建立模型，再到模型迭代，最后能遷移變型。比如從轎車高速行駛時會出現(xiàn)“發(fā)飄”現(xiàn)象的原型出發(fā)，建立空氣流速與壓強關(guān)系的模型，最后在各種變型問題（如汽車尾翼擾流板、飛機機翼、足球運動員踢出香蕉球等）中實現(xiàn)學習遷移。因此，教師可以參照該模式輕松設(shè)計電學復習課。

（二）學習載體清晰，思維可見效率高

學習載體是學生能進行深度交流學習的基礎(chǔ)。此次研究以可視化的圖式為學習載體，學生思維均通過學生活動以畫圖說理的形式呈現(xiàn)，所有學生都能清晰地了解不同的想法，并以此作為進一步討論交流的前提，避免教師經(jīng)驗主義的一言堂。學生思維清晰可見，教學生長點和困難點一目了然，以此開展的教學必然是高效的。

（三）深度學習顯化，知識遷移見本質(zhì)

任何有意義的學習，都存在遷移現(xiàn)象。遷移越順暢，深度學習的程度就越深。如學生在面對“設(shè)計一個不用開關(guān)也能調(diào)節(jié)臺燈亮暗”的問題時，能通過遷移滑動變阻器三線頭連接方式，將電壓表的位置用臺燈代替（詳見圖4）。由此可以看出，經(jīng)過模型化思維的訓練，學生能在真實的生活問題中發(fā)現(xiàn)彼此孤立事物之間的本質(zhì)聯(lián)系，能看出不同事物之間的內(nèi)在的共同點，并通過解決問題的方式來呈現(xiàn)。

圖4“不用開關(guān)也能調(diào)節(jié)臺燈亮暗”電路

總之，模型化思維導向的初中電學復習教學，以生活中的電學現(xiàn)象或用電器為起點，以“原型—模型—變型”為途徑，以圖示建模為手段，讓學生經(jīng)歷模型建構(gòu)、修正、迭代和完善的過程，培養(yǎng)學生科學推理論證能力和模型構(gòu)建能力，實現(xiàn)深度學習。