小學科學課堂中有效建模的策略研究

摘" 要：模型建構(gòu)是小學科學課程要培養(yǎng)的科學技能之一，在小學科學教學中占有重要地位，一般包括引模、建模、釋模、拓模等階段。為了實現(xiàn)科學課程良好的教育效果，培養(yǎng)學生的科學素質(zhì)，小學科學教師可以采用創(chuàng)設(shè)真實問題情境、提供學習支架和可視化工具等策略，讓學生親歷科學建模的過程，增強學生的科學探究精神，讓科學探究實踐往深處發(fā)展。

關(guān)鍵詞：科學思維;模型建構(gòu);核心素養(yǎng)

一、科學模型的內(nèi)涵與外延

模型是對系統(tǒng)的理解和清晰的表達，可以是列表、簡單草圖、功能原型等形式。《義務(wù)教育科學課程標準（2022年版）》將系統(tǒng)與模型作為科學課程的跨學科概念之一。所謂跨學科概念，是指在所有領(lǐng)域都有所運用的主要概念，它提供了溝通所有學科的方法，在說明事物、創(chuàng)造理論、觀察和設(shè)計時發(fā)揮著重要作用。從跨學科概念視角而言，由于很多事物受到限制，不能被直接觀察利用，因而需要使用模型將不可見的、抽象的現(xiàn)象形象化，以反映系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、各部分的相互作用以及系統(tǒng)與外部作用的關(guān)系。模型在科學研究中能發(fā)揮重要作用，包括解釋和預(yù)測系統(tǒng)現(xiàn)象，因而構(gòu)建模型的過程可以增加對系統(tǒng)的認識。通常，人們會依據(jù)系統(tǒng)特征提出可能的模型，在利用模型進行解釋、檢測、預(yù)測等活動時，可能會發(fā)現(xiàn)最初模型存在的不合理之處，進而根據(jù)新的線索修正模型，這也體現(xiàn)了科學逐步發(fā)展的路徑，彰顯科學本質(zhì)。

模型建構(gòu)，旨在將復(fù)雜事物的本質(zhì)提煉出來，簡化為能解釋原事物的概括化模型，是根據(jù)研究目的對系統(tǒng)進行必要的假設(shè)和近似，以突出系統(tǒng)的本質(zhì)特征?！读x務(wù)教育科學課程標準（2022年版）》將模型建構(gòu)列為小學科學課程要培養(yǎng)的科學思維之一，其內(nèi)涵包括以經(jīng)驗事實為基礎(chǔ)，對客觀事物進行抽象和概括，進而進行模型建構(gòu);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。模型建構(gòu)活動在小學科學教學中廣泛存在，例如物質(zhì)科學領(lǐng)域的受力圖、杠桿，生命科學領(lǐng)域的細胞結(jié)構(gòu)圖、消化系統(tǒng)模型圖，地球與宇宙科學領(lǐng)域的太陽系模型、地球模型，技術(shù)與工程實踐領(lǐng)域的住宅系統(tǒng)、降落傘設(shè)計圖等。這些科學模型是真實世界的簡化，是一套研究問題的方法論，具有簡化性、差異性、相似性與超越性。

在小學科學課堂中，模型是知識傳遞的工具，學生在課堂中親歷模型建構(gòu)的過程，不會因想象造成認知誤差，也有利于思想和語言的傳遞;模型也是個體認知發(fā)展的工具，學生利用模型來解釋、推理、修正，用可視化的方式來表達自己的觀點，能夠讓學生體會到做思共生的樂趣、成功的喜悅，養(yǎng)成動手動腦的習慣，形成積極思維，提高解決實際問題的能力。

二、小學科學課堂中有效建模的策略

建模對學生學習過程有著重要意義，學生只有親歷模型建構(gòu)的各個過程，才能體會模型建構(gòu)的特點，才能得到科學思維的鍛煉，進而提升科學素養(yǎng)。一個完整的模型教學至少要經(jīng)過4個階段，即引模、建模、釋模、拓模。在引導(dǎo)學生構(gòu)建模型的過程中，教師要以培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)為目標，讓學生通過模型建構(gòu)增強對問題的理解和研究，提高同伴間溝通與交流的質(zhì)量。

（一）引模：真實的問題情境

知識不是通過教師傳授的方式獲得的，而是學生在一定的教學情境下，利用必要的學習材料，通過師生、生生之間的合作與交流，以意義建構(gòu)的方式獲得的。真實的問題情境可以激發(fā)學生的非認知因素，例如動機、情緒等，也可以發(fā)展認知因素，如感覺、知覺、思維等。因而，教師在模型建構(gòu)活動中，要根據(jù)教學目標和學情，創(chuàng)設(shè)隱含真實問題或項目的教學情境，引出建模的對象，為建模打下堅實的基礎(chǔ)。

例如，在《四季循環(huán)》一課的教學中，學生需要用地球模型、牙簽等材料模擬四季交替。學生在實際操作之前必須明白構(gòu)建四季循環(huán)模型的目的是什么、是為了解決什么問題。因而在教學一開始，教師出示了同一時間南半球和北半球的不同情境：一邊炎炎夏日，人們海邊嬉戲;一邊凜凜寒冬，行人裹上了厚厚的棉衣。這一真實的情境激發(fā)了學生的學習動機，引發(fā)了學生的認知沖突，啟發(fā)了學生的積極思維：同一時間南半球和北半球處在不同的季節(jié)，原因是什么？為了解決這個真實的問題，學生要解釋南北半球氣溫差距的原因，進入建模階段。這一環(huán)節(jié)中，教師如果采用開門見山的方式問學生“四季形成的原因是什么”，學生不會產(chǎn)生如此大的學習興趣，因而提出隱含真實問題的教學情境在引模環(huán)節(jié)尤為重要。

（二）建模：3個特征+1個要素

學生在建模的階段需要用模型來描述和表征個人想法。教師可以采用“3個特征+1個要素”的教學策略使學習活動逐級深入。其中，“3個特征”指的是把握學段特征，進階設(shè)計;把握思維特征，提供必要支架;把握學習特征，提供可視化工具?！?個要素”指的是積極的學習環(huán)境。

1. 把握學段特征，進階設(shè)計

小學處在不同年段的學生有不同的身心發(fā)展特征，低年段兒童善于借助感性的方式認識周圍的世界，需要教師提供大量的感性材料，供兒童觀察和描述;中年段學生能夠建立和修正簡單的模型，用模型表示事件、設(shè)計解決方案;高年段學生可以開發(fā)或修改基于證據(jù)的模型，描繪、檢驗和預(yù)測更抽象的現(xiàn)象與系統(tǒng)。這要求教師根據(jù)不同年段學生的特點，設(shè)計符合學生發(fā)展水平的學習任務(wù)。

例如，在《今天天氣怎么樣》一課的教學中，學生設(shè)計簡單的符號表示天氣情況，其實就是建模的過程。在建模之前，為了給低年段的學生提供豐富的感性材料，教材安排學生在課前出門觀察一天的天氣，根據(jù)觀察到的天氣特征繪制天氣符號。學生在本課中用自己繪制的天氣符號描述天氣情況，實質(zhì)就是利用模型描述事物的外部特征，符合低年段學生以感性方式認識世界的特征。在《彈力》一課的教學中，學生玩不同的彈性玩具，將施加力和撤去力以后玩具變化的情況畫下來，這也是建模的過程。學生不僅在描述事物的外部特征，更是在描述事物的變化過程。在《云和霧》一課中，學生構(gòu)建云和霧的形成模型圖，展示對云和霧形成過程的理解，解釋自然現(xiàn)象及其發(fā)生、發(fā)展和變化的過程，是更高層次的要求?？梢?，科學教師要以《義務(wù)教育科學課程標準（2022年版）》中的學段要求為指導(dǎo)，在各年段創(chuàng)設(shè)合適的學習任務(wù)。

2. 把握思維特征，提供必要支架

思維支架是教師在課堂上用來提高學生基于問題的學習技能的有用工具，是對學生學習過程有針對性的提示和支持，以幫助學生完成建?；顒?。小學科學課堂中的學習體驗是對科學家探究科學世界的簡化，要將科學家長期的研究過程濃縮在一節(jié)課中，教師需要提供相應(yīng)的思維支架，尤其對教材中抽象的學習內(nèi)容，更需要教師提供線索。

例如，在《熱空氣和冷空氣》一課的教學中，教師做了創(chuàng)新設(shè)計，將自然界中風的形成原因作為課堂主線，為學生提供一系列的支架，幫助學生理解自然界中空氣循環(huán)流動的模型。其一，請學生用吹、扇等不同的方法制造風，啟發(fā)學生思考“這些方法怎么就能制造風”，引導(dǎo)學生說出“這些方法都能讓空氣流動起來”。“那么自然界中空氣在流動嗎？是什么導(dǎo)致的”，引導(dǎo)學生關(guān)注自然風形成的動力問題。其二，在風箱中放一支蠟燭，請學生用手體會蠟燭點燃前后，兩個風口有什么感覺。學生發(fā)現(xiàn)只有蠟燭點燃，風口才會形成風，并且側(cè)邊風口是向內(nèi)的冷風，上面的風口是向上的熱風。接著，在側(cè)邊的風口點燃一支線香，觀察到線香的白煙從側(cè)邊風口進入，從上面的風口出去，進一步驗證學生的想法，繼而提出關(guān)鍵問題，“為什么蠟燭點燃之后，空氣是這樣流動的”，學生提出冷熱空氣的流動規(guī)律不同;其三，將白煙充入冷熱空氣對流教具，觀察白煙的流動軌跡，總結(jié)出冷熱空氣的運動規(guī)律。

這三個學習任務(wù)層層遞進，為學生搭建堅實的腳手架以解釋風箱中風的形成原因，繼而對照教材中冷熱空氣流動規(guī)律圖，解釋自然界中風的形成原因。本課的教學設(shè)計并不要求學生能自己構(gòu)建風的形成模型，這超出了學生的能力范圍，但教師給學生提供了必要的實驗現(xiàn)象作為支架和線索，讓學生能夠最終對風的形成作出模型解釋，達到本課的教學目標。

3. 把握學習特征，提供可視化工具

學習科學理論認為，學習是大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的改組，導(dǎo)致改組的兩個重要因素是有意義的實踐和不間斷且持續(xù)的評價、反饋、改進。在科學教學中，教師需提供必要工具，將學生內(nèi)隱的建模過程顯性化，以增強對建模過程的自我監(jiān)控，提高模型的科學性。教師可以使用的可視化工具，如學習單、實踐工具、模型、評價量表等。在使用可視化工具的同時，教師還需引導(dǎo)學生在完成建模任務(wù)的過程中，主動獲取信息、尋求問題解決方案，反思評價、改進和合作。

例如，在《地表雕刻師》一課中，學生用吸管、小石頭、玉米碎粒、玉米粉建構(gòu)模型，研究風對地表的影響，將實驗現(xiàn)象記錄在學習單上，依托組內(nèi)和組間的交流和評價反思實踐過程。其中涉及的實驗材料、學習單屬于實踐工具，學生實驗操作的過程和學習單的內(nèi)容能夠反映學生的思維過程，組內(nèi)和組間的評價反思是對學生思維過程的評估、反饋，能夠反映學生認知的發(fā)展和認知結(jié)構(gòu)的變化，使學生的學習過程可視化。

4. 積極的學習環(huán)境

學習環(huán)境影響學生的學習動機，教師在教學中應(yīng)當營造激勵性的學習環(huán)境，激發(fā)學生的好奇心和興趣，為學生的合作與交流創(chuàng)設(shè)良好氛圍，利用反饋的積極作用，提高學生的自信心和自我效能感，引導(dǎo)學生積極歸因，將激發(fā)學生的學習動機作為重要的教學目標予以落實，培養(yǎng)學生的成長型思維模式。

例如，《熱對流》一課的教學目標之一是觀察液體和氣體受熱流動的軌跡，歸納熱對流的概念，建立熱量在水中的傳遞路徑的模型。學生開始進行液體對流的實驗之前，教師要引導(dǎo)學生充分討論實驗中可能出現(xiàn)哪些現(xiàn)象，這些現(xiàn)象能夠證明熱量在水中是怎樣傳播的，最大限度鼓勵學生細致觀察、認真記錄，激發(fā)學生的學習動機。在實驗過程中，教師要不斷巡視，在現(xiàn)象描繪和規(guī)律總結(jié)上給學生及時的指導(dǎo)，監(jiān)控小組的分工合作，督促學生針對實驗現(xiàn)象主動展開交流，在組內(nèi)達成共識，培養(yǎng)友好協(xié)作的學習型小組，多維度營造積極氛圍。

（三）釋模：批判性地評估

釋模是對現(xiàn)象的解釋，說明模型構(gòu)建的過程。釋模的過程也是學生思維歷程顯性化的過程，將建模的過程用簡潔、有邏輯的語言表達出來，接受其他同學合理的批判和質(zhì)疑，根據(jù)反饋進一步完善模型。為達到理想效果，教師需要在常態(tài)教學中持續(xù)引導(dǎo)學生養(yǎng)成有理有據(jù)表述觀點的習慣，強化組間和組內(nèi)評價，批判性地評估匯報小組的探究過程、探究結(jié)果和最終的結(jié)論，與本組的探究成果進行比較，當觀點不一致時，有依據(jù)地反駁并提出自己的主張。

（四）拓模：與原型進行比較

模型建構(gòu)的目的不在建模本身，而是用模型解釋科學現(xiàn)象，促進科學思維的發(fā)展。因而，學生在課堂上構(gòu)建的模型需要與原型比較，明確其中的差異。學生在這一過程中將進一步領(lǐng)悟科學建模的內(nèi)涵、領(lǐng)悟科學本質(zhì)，提高高階思維能力。以《地表雕刻師》一課為例，學生在課堂中完成了溫度變化對巖石影響的模擬實驗，經(jīng)過交流形成觀點：溫度變化會使巖石開裂。此時，教師應(yīng)請學生帶著這樣的概念理解回到大自然，比較實驗環(huán)境與自然環(huán)節(jié)的差別，學生會發(fā)現(xiàn)，實驗中冷熱交替的周期是2分鐘，自然界中大約為24小時;實驗中酒精燈外焰與冷水的溫度差高達幾百攝氏度，遠遠高于自然界中的晝夜溫度差，除此之外，自然界中的巖石各異，實驗中只使用了一種巖石。因此，學生的實驗結(jié)論僅能作為理想條件下的解釋，實際上，自然界中溫度變化對巖石的影響更為復(fù)雜，是一個長期的過程。經(jīng)歷了比較的環(huán)節(jié)，學生會意識到，課堂上構(gòu)建的模型是一種合理的解釋，但也有局限性，這種局限性不能阻礙自己正確認識自然界，而是要在理解模型局限性的基礎(chǔ)上繼續(xù)探究、繼續(xù)求解。

三、結(jié)語

總之，模型建構(gòu)作為小學科學課程中至關(guān)重要的科學思維能力，能夠幫助學生親歷探究過程，促進學生學習的主動性和積極性，進一步理解科學本質(zhì)，促進學生思維能力的進階發(fā)展。因而，教師在設(shè)計模型建構(gòu)活動時，務(wù)必重視其教學價值，采取有效策略提高模型建構(gòu)活動的教學效益，讓學生的學習落到實處。

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（責任編輯：向志莉）