基于模型建構(gòu)思維培養(yǎng)的暗箱課教學(xué)設(shè)計(jì)

孫靜妮

[摘 要] 《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中，模型建構(gòu)能力被視作科學(xué)思維素養(yǎng)的核心要素之一。如何設(shè)計(jì)有意義的科學(xué)建模，幫助學(xué)生形成初步的模型理解和模型建構(gòu)能力，成為科學(xué)教育工作者研究的新課題。本研究以“解暗箱”教學(xué)為例開展教學(xué)設(shè)計(jì)，幫助學(xué)生抓住模型建構(gòu)的關(guān)鍵要素，利用模型分析解決實(shí)際問題，從而發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力。

[關(guān)鍵詞] 科學(xué)思維；模型建構(gòu)；解暗箱

模型建構(gòu)作為一種認(rèn)識手段和思維方式，是學(xué)生根據(jù)研究問題和情境，在對客觀事物抽象和概括的基礎(chǔ)上構(gòu)建易于研究的、能反映事物本質(zhì)特征和共同屬性的理想模型、理想過程、理想實(shí)驗(yàn)和科學(xué)概念的過程。科學(xué)建模是最重要的科學(xué)實(shí)踐，是始終貫穿其他活動的核心?！读x務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》把模型建構(gòu)能力作為科學(xué)思維素養(yǎng)的核心要素之一，在課程總目標(biāo)提出“能基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)抽象概括出理想模型，具有初步的模型理解和模型建構(gòu)能力”。如何設(shè)計(jì)有意義的科學(xué)建模，幫助學(xué)生形成初步的科學(xué)建模思維能力，成為科學(xué)教育工作者研究的新課題。

在科研領(lǐng)域有一種研究叫解暗箱，是對難以觀察內(nèi)部狀況的系統(tǒng)（也就是暗箱），在不打開的前提下，通過感知外部信息，間接推斷內(nèi)在性質(zhì)的一種科學(xué)探究方法。從工程技術(shù)到社會領(lǐng)域，從無生命到有生命，從宏觀世界到微觀世界，解暗箱都是一種必不可少的研究方法。一般說來，解暗箱可以分為確認(rèn)暗箱、考察暗箱和闡明暗箱三個步驟（見圖1）：先給暗箱一系列刺激（輸入），再通過觀察暗箱的反應(yīng)（輸出），找到輸入和輸出之間的規(guī)律，最后將其用最簡、最佳的模型描述出來?？梢钥闯觯@是一種“由表及里”的邏輯思維方法，其中最突出的就是“模型驗(yàn)證”。建立理想的暗箱模型，既是科學(xué)研究的過程，也是思維能力的培養(yǎng)過程。

小學(xué)科學(xué)涉及許多解暗箱的探究活動。學(xué)生日常接觸到的暗箱通常可分為三類：第一類是用來幫助學(xué)生獲得科學(xué)知識、理解科學(xué)思想、學(xué)習(xí)科學(xué)方法的模型暗箱；第二類是像黑洞、地球、人體這樣的自然暗箱；第三類是像機(jī)器人、雷達(dá)、電線網(wǎng)絡(luò)這樣的實(shí)用暗箱。解暗箱過程充滿挑戰(zhàn)，讓人興趣高漲，不僅能培養(yǎng)學(xué)生基本的思維能力，還能優(yōu)化學(xué)生的科學(xué)品質(zhì)，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)核心素養(yǎng)。

課標(biāo)對學(xué)生的模型建構(gòu)能力提出了明確的學(xué)段目標(biāo)，主要包括“以經(jīng)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ)，對客觀事物進(jìn)行抽象和概括，進(jìn)而建構(gòu)模型”和“運(yùn)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”兩個方面。以下結(jié)合不同類型暗箱的教學(xué)實(shí)踐，闡述怎樣在解暗箱的過程中發(fā)展學(xué)生的科學(xué)建模思維。

一、明確暗箱

首先，結(jié)合真實(shí)的生活情境，在觀察和思考中提出問題，發(fā)現(xiàn)暗箱。引導(dǎo)學(xué)生明確研究的具體目標(biāo)和范圍，并確定一組輸入和輸出，也就是找到輸入的可控制變量與相應(yīng)輸出的可觀察變量。生活中我們會利用聲音來檢測物體的好壞，比如拍拍西瓜聽聽是否熟了，敲敲瓷碗看看是否壞了，等等。暗箱對學(xué)生充滿誘惑力，能勾起他們無限的好奇心和探究欲。同時，解密暗箱也需要他們?nèi)ニ伎荚鯓釉趦?nèi)外互動中考察事物，從而讓他們的思維更合乎邏輯和客觀事實(shí)。

模型暗箱是一種用來輔助教學(xué)的暗箱，其作用就是給學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個與科學(xué)家研究事物相似的情境，讓學(xué)生去探索某種結(jié)構(gòu)的秘密，掌握一種根據(jù)外部線索認(rèn)識事物的科學(xué)方法。在低年段學(xué)解模型暗箱，有助于學(xué)生掌握“相關(guān)性”，為解自然暗箱、實(shí)用暗箱做好準(zhǔn)備。比如低年級“暗箱里的秘密”一課，模型暗箱的結(jié)構(gòu)相對簡單，由一個活動的玻璃球和一個固定在一角的障礙物組成。這里解暗箱的重點(diǎn)活動是“滾小球”，主要是通過直接感知來判斷盒子里障礙物的位置。教師可以利用幾個關(guān)鍵問題來進(jìn)行“滾小球”的要訣指導(dǎo)：

1.還是上下晃動嗎？（平放，慢慢傾斜盒子，讓小球沿著盒邊滾起來， 要一條邊一條邊依次試）

2.動作快一點(diǎn)還是慢一點(diǎn)？（慢一點(diǎn)，快了聽不清楚）

3.怎么能更清楚地聽到小球滾動的聲音？（把耳朵湊近了聽，保持安靜）

4.怎么去感受小球碰到泡沫塊時的變化？（還可以用手摸著盒子的邊來感受滾動、撞擊的變化）

“有諸內(nèi)，必形諸外”，這說的就是內(nèi)與外的相關(guān)性，一定的內(nèi)部狀態(tài)必定釋放出一定的外部信息。滾、傾、聽、摸是四個獲取暗盒內(nèi)部信息的外部動作，每一次“滾小球”既是一次內(nèi)部信息的獲取和一段感性經(jīng)驗(yàn)的積累，又是一次對暗盒結(jié)構(gòu)的檢驗(yàn)。因此，這個活動的關(guān)鍵是動手之余的“思維參與”。教師在關(guān)注學(xué)生動手做的同時，更要引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)變化的信息，鉆研內(nèi)外合乎邏輯的關(guān)聯(lián)，鼓勵他們合理地去想象和判斷。

二、考察暗箱

在明確暗箱后，通過直接觀測或主動實(shí)驗(yàn)考察暗箱。考察中變換條件，觀察暗箱的反應(yīng)，對輸入和輸出進(jìn)行記錄，從而獲取內(nèi)部功能和結(jié)構(gòu)的大量信息，以此作為揭示暗箱的根據(jù)。比如，最初人們從火山噴發(fā)和溫泉等自然現(xiàn)象中，了解到地球內(nèi)部是熾熱的。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和科學(xué)的進(jìn)步，地球科學(xué)家通過地震考察法認(rèn)識到地球內(nèi)部是不均勻的，建立了地球圈層理論，把地球分為地核、地幔和地殼三個圈層。解暗箱更大的挑戰(zhàn)是通過繁雜的表面現(xiàn)象抓住事物的本質(zhì)和核心，這需要學(xué)生進(jìn)行嚴(yán)密的推理論證，學(xué)會全面、深刻、完整地思考。

生活中，我們常常會遇到電路故障檢修這樣綜合性強(qiáng)、復(fù)雜度高的暗箱問題，電學(xué)元件被封閉在盒子內(nèi)，不能直接觀察到元件的組成情況，而盒外有接線柱，需要通過外部檢測來判斷其電路的組成。學(xué)生解電路暗箱不僅要熟悉常用的電學(xué)元件，還要熟悉檢測器接入不同元件可能出現(xiàn)的反應(yīng)，然后將觀測到的現(xiàn)象進(jìn)行因果分析和推理，并通過不斷的改進(jìn)反向推導(dǎo)出暗箱內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。

比如，教學(xué)“探測暗盒里的電路”一課，我們發(fā)現(xiàn)，即使對于小學(xué)高年級學(xué)生而言，“簡單電路”依舊是很難理解的概念，而內(nèi)部不可見的電路暗箱就更難把握了。這就需要教師抓住學(xué)生認(rèn)知障礙的核心，根據(jù)電路各組成部分的特性及檢測結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生畫出內(nèi)部電路的推測圖，再根據(jù)電路圖制作一個電路“明盒”來驗(yàn)證，最后對暗盒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能做出基于事實(shí)的解釋。這里學(xué)生經(jīng)歷的是“檢測—猜測—驗(yàn)證”的思維過程。

利用檢測器檢驗(yàn)暗箱電路，一般會有不亮、變亮、變暗、不變四種情況，后三種情況需要進(jìn)行比較才能發(fā)現(xiàn)，因此需要學(xué)生始終保持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯繎B(tài)度。同時，暗箱中的電路多是鏈狀的，接線柱之間可能為電學(xué)元件、導(dǎo)線或者斷路，接線柱越多，可能性就越多，暗箱就越復(fù)雜。因此，解決電路暗箱問題，著重培養(yǎng)的是學(xué)生分析問題的全面性和推理的嚴(yán)密性，如探究中的有序觀察、有序思考、有序操作、有序記錄、有序表達(dá)等。教師要采用“由果求因”的逆向思維方法，引導(dǎo)學(xué)生系統(tǒng)、全面分析問題，有序思考解決問題，思維從無序向有序、從散狀向結(jié)構(gòu)化發(fā)展。

三、闡明暗箱

接著，對觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行“去偽存真”的分析，建立闡明暗箱輸入輸出間規(guī)律的最簡模型，對暗箱做出推測。然后輸入新信息檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼鎸?shí)度，根據(jù)檢驗(yàn)的結(jié)果修正、確定模型，并對暗箱的未來表現(xiàn)做出某種預(yù)測。比如，關(guān)于巖石圈的運(yùn)動問題，不同時期的地質(zhì)學(xué)家建立了多種模型，如魏格納的大陸漂移說，赫斯的海底擴(kuò)張學(xué)說，勒皮雄與麥肯齊、摩根等人的板塊構(gòu)造學(xué)說。認(rèn)識巖石圈內(nèi)在規(guī)律的過程，就是不斷收集信息、修正巖石圈運(yùn)動模型的過程。模擬一個暗箱系統(tǒng)來探索暗箱里的秘密，是科學(xué)研究的重要方法，這種模擬求解是基于經(jīng)驗(yàn)推理的更進(jìn)一步探究。

人體是一個我們既熟悉又陌生的暗箱，中醫(yī)靠望、聞、問、切“四診法”，從可知的“外在征象”來破譯未知的“內(nèi)在臟腑”。長久以來，人們對于生命現(xiàn)象的認(rèn)識都建立在觀察的基礎(chǔ)之上，是以周圍世界中一些最常見的事物作為參照來認(rèn)識自己的。人體和很多自然事物一樣，以系統(tǒng)的形式存在，其內(nèi)在結(jié)構(gòu)與外在功能是統(tǒng)一的。一定的結(jié)構(gòu)必然有與之相對應(yīng)的功能存在，且任何功能都需要一定的結(jié)構(gòu)來完成。因此，對于人體這個特殊的暗箱，其結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生從外在變化推測內(nèi)在狀態(tài)。比如中年級“關(guān)節(jié)”一課，重點(diǎn)是了解關(guān)節(jié)的運(yùn)動特點(diǎn)及原理，理解結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一性?？紤]到學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)背景，教師可以以肩關(guān)節(jié)（球窩關(guān)節(jié)）這一典型關(guān)節(jié)類型為突破口，從相似性的角度出發(fā)，抓住結(jié)構(gòu)與功能的邏輯關(guān)系加以推理檢驗(yàn)，通過“猜—看—拼—比”四個活動來“解暗箱”：

1.猜：猜測肩關(guān)節(jié)的連接方式，并交流。（用圖示展現(xiàn)思維過程，暴露前概念）

2.看：觀察相似動物的肩關(guān)節(jié)面。（類比結(jié)構(gòu)，感知接觸面形狀）

3.拼：用造型泥塑組合拼裝球窩、旋轉(zhuǎn)和鉸鏈關(guān)節(jié)。（認(rèn)識關(guān)節(jié)類型，理解連接方式?jīng)Q定活動方式）

4.比：比較髖關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的不同，尋找深、淺球窩在靈活度和功能方面的差異。（理解結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一關(guān)系，形成科學(xué)概念）

同結(jié)構(gòu)的事物功能相類，功能相同的事物結(jié)構(gòu)相類，因此解開人體暗箱的關(guān)鍵是找到具有“同構(gòu)性”的事物。這里的圖畫（自畫像）、圖示（結(jié)構(gòu)圖）、實(shí)物（類似動物的相應(yīng)結(jié)構(gòu)）、手勢或泥塑（抽象的替代結(jié)構(gòu)）等，都是學(xué)生解暗箱時建構(gòu)的生命模型，它們與人體的某一部分有著相同或相似的結(jié)構(gòu)與功能。當(dāng)然，這些“生命模型”并不直接等同于要解開的人體暗箱，而是對人體未知現(xiàn)象給出相應(yīng)的形象化的解釋，為學(xué)生深刻理解“結(jié)構(gòu)功能統(tǒng)一律”提供一種邏輯框架?；谶@種相互聯(lián)系、彼此作用、動態(tài)發(fā)展的生命觀，用建模類比的邏輯思維方法來解暗箱，對于學(xué)生發(fā)展辯證思維，特別是透過現(xiàn)象深入認(rèn)識本質(zhì)、總結(jié)規(guī)律，從變化發(fā)展的視角認(rèn)識事物，有著不可替代的作用。

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