雙維視角下小學科學模型建構教學的探索與實踐

摘要 《義務教育科學課程標準（2022年版）》指出，要重視學生科學思維的發(fā)展，培養(yǎng)學生模型理解和模型建構能力。這意味著需要從元建模知識和建模實踐兩個維度出發(fā)開展模型建構教學?；诖?，通過調(diào)查學生元建模知識的表現(xiàn)與水平，梳理模型建構實踐的要素與過程，提出一體雙維設計的模型建構教學方法，強調(diào)問題情境的啟發(fā)與元建模知識、建模實踐的相互推動。在實踐后明確：模型建構教學需注重培養(yǎng)學生元建模知識、引導構建不同層次與水平的模型，關注學生建模實踐的持續(xù)性、過程性和迭代性。

關? 鍵? 詞 科學課程標準；模型建構；元建模知識；建模實踐；雙維一體

引用格式 史加祥.雙維視角下小學科學模型建構教學的探索與實踐[J].教學與管理，2024（20）：42-46.

《義務教育科學課程標準（2022年版）》（簡稱《新課標》）指出，科學課程要培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)，發(fā)展學生基本的思維方法，使之具有初步的模型建構、推理論證、創(chuàng)新思維等科學思維能力。模型建構是核心素養(yǎng)的重要組成，是科學學習的核心實踐，《新課標》不僅闡述了模型建構的概念，還明確了不同學段的學習目標。筆者嘗試從學生對模型建構的元認知發(fā)展和課堂實踐兩個維度探索模型建構教學的方法與路徑，為《新課標》的落實提供借鑒。

一、科學模型的定義與特征

有研究者認為，科學模型是描述自然與科學過程的思想，是由學習對象在參與過程中構建而成的，在一定條件下可以用來解釋和預測自然現(xiàn)象、科學現(xiàn)象[1]。還有研究將科學模型界定為一種抽象的想法，一個概念系統(tǒng)，是一種幫助理解和解釋自然現(xiàn)象的工具，是將理論知識映射到實際世界的特定模式中，以便準確地描述這些模式并用于特定的科學目的，發(fā)揮特定的功能，如描述、解釋、預測、論證等探索性功能和創(chuàng)造性功能[2]。借鑒已有研究，科學模型具有如下特征：科學模型首先具備抽象和簡化的特征，科學模型是對復雜真實自然、科學世界的概括和簡化，以便學生更好地理解和應用；其次科學模型是一種知識結構，既包括陳述性和程序性兩種不同的知識類型，還涵蓋了宏觀至微觀兩個層面的信息，用于描述自然現(xiàn)象、解決問題；最后科學模型具有多功能性，可以用于描述、解釋、預測自然科學世界，從問題解決到模式識別都可以借助科學模型實現(xiàn)，科學模型的多功能性使其成為探究實踐的重要工具。

由此可見，科學模型的綜合特征決定了其在小學科學學習中有著不可或缺的重要性，它不僅能激發(fā)學生對科學學習的熱情，增強對自然、科學世界的理解，還有助于培育科學思維，提升問題解決能力，促進核心素養(yǎng)發(fā)展。

二、科學模型建構的內(nèi)涵理解與實踐要素

1.科學模型建構的雙維理解

對模型特征的清晰認識是開展模型建構教學的基礎與前提。有研究認為，模型建構是一種認知工具和思維方式，是學生運用模型對現(xiàn)象和數(shù)據(jù)進行分析、解釋，以系統(tǒng)描述科學概念以及事物的結構、關系和過程，展示對科學的認識與理解[3]。還有研究者認為，科學模型建構是讓學生在實踐活動中建立和使用科學模型并掌握科學概念、原理和規(guī)律等，進而發(fā)展科學建模能力[4]。

從對科學模型建構的解釋或描述中可以看出，模型建構是學生認知和思維能力發(fā)展的重要過程，包括科學模型的認知和科學模型的建構兩個維度。有研究者將其概括為元建模知識和建模實踐，元建模知識主要關注的是科學模型本身的結構、元素和關系，以及建模的目的、過程和評估等，而不是模型所描述的科學內(nèi)容領域，建模實踐則是在探究實踐中比較、創(chuàng)建、驗證、修改和應用模型，從而更好地學習和理解具體的科學知識、概念[5]。

科學模型的建構呈現(xiàn)出雙維螺旋發(fā)展的特點（如圖1）。元建模知識既包括學生對科學模型性質(zhì)和目的的認識，也包括對建模需要經(jīng)歷的過程和所形成模型的認識與評估，具有生成性、變化性的特征[6]。建模實踐主要包括建構、應用、評價和修正模型四個主要要素和過程[7]。兩者之間相互交織，在理解賦意中認識模型，在表達表征中建構模型，在持續(xù)的探究實踐中培養(yǎng)學生的模型建構能力與思維。

2.元建模知識的學生表現(xiàn)

元建模知識作為學生模型建構能力的重要組成，在模型建構教學中并未得到應有的重視。筆者從元建模知識的組成出發(fā)對學生的元建模知識進行調(diào)查與分析，為建模實踐做好理解準備。

（1）學生元建模知識的現(xiàn)實表現(xiàn)。筆者采用紙質(zhì)問卷調(diào)查T校四、五年級學生，問卷內(nèi)容涵蓋科學模型性質(zhì)、建模目的、建模過程和科學模型評估等內(nèi)容，問卷共設計5個開放問題。調(diào)查共收回101份有效問卷。筆者隨后對101份有效問卷進行掃描并轉(zhuǎn)換成文本，分別將每道題目的文本進行匯總。每道題邀請3名對模型建構教學有較深認識的學科骨干教師作為文本審閱者。審閱者先瀏覽所有文本，然后根據(jù)理解將學生的文本分為四個不同水平，在分析歸納之后組織審閱者討論每道題目中存在爭議的文本，確定每道題目的最終水平屬性，并歸納不同表現(xiàn)水平的共同特征，形成不同水平元建模知識的具體表現(xiàn)（見表1）。

根據(jù)學生表現(xiàn)，梳理形成的水平層級真實呈現(xiàn)了學生元建模知識之間的聯(lián)系與差別，為準確評價和分析學生的元建模知識提供依據(jù)，也為教學實踐提供指向。

（2）學生元建模知識的水平分析。以學生元建模知識表現(xiàn)量表為標準對101份問卷進行賦分，水平三記3分，依次類推，零水平記0分，對數(shù)據(jù)匯總后利用SPSS 25.0進行分析。

對兩個年級學生科學模型性質(zhì)方面的水平得分進行方差分析顯示：不同年級學生在對模型性質(zhì)的認識水平上表現(xiàn)出一致性，沒有年級差異，四、五年級絕大部分學生處于水平一，占比均超過77%，兩個年級處于水平三的學生占比均不足4%；在對科學模型建構目的的認識上，四、五年級學生表現(xiàn)為顯著性差異（p=0.031<0.05），五年級處于水平一的學生占比最大，為55%，四年級處于水平二的學生占比超過五年級，但是沒有表現(xiàn)出水平三；四、五年級學生對建模經(jīng)歷步驟和建模迭代改進的認識上存在差異，五年級學生在建模經(jīng)歷步驟認識的水平一、二、三的占比均大于四年級學生，五年級學生對建模迭代改進的認識上僅有水平二高于四年級，處于水平一和三的學生占比低于四年級；在對科學模型評估的認識上，四、五年級學生沒有表現(xiàn)出明顯的水平差異，但五年級處于水平一、水平二的學生占比均大于四年級。進一步方差分析顯示：五年級學生在元建模知識上不同水平的平均值均高于四年級學生。從上面的分析可以看出：學生的元建模知識整體處于水平一左右，雖然五年級學生在平均值上高于四年級學生，但沒有明顯的認知差異，意味著年級的上升沒有顯著改變學生對科學模型建構的認識，說明學生元建模知識有著很大的提升與發(fā)展空間。

對數(shù)據(jù)進一步處理后針對元建模知識與學生科學學習表現(xiàn)之間的相關性進行分析，學生對科學學習重要性的認識與科學建模過程、科學模型評估存在相關性，而學生的科學學習表現(xiàn)僅與科學建模過程存在相關性。從分析中可以看出：在科學學習中缺少元建模知識的融合，模型建構教學沒有在科學課堂中落實，沒有發(fā)揮出激發(fā)學生科學學習興趣、促進科學思維發(fā)展的作用。

3.科學模型建構實踐的要素與過程

在對學生元建模知識調(diào)查了解的基礎上，筆者對科學模型建構的實踐要素和過程進行梳理與明確，為模型建構的課堂教學提供抓手。

對模型建構過程的研究眾多，有研究者將建模過程分為引入主題、發(fā)現(xiàn)想法、建立想法、模型比較、調(diào)整模型五個步驟[8]；有研究者在實踐的基礎上形成了EIMA的模型建構流程，分別為參與、調(diào)查、建模、應用四個主要流程[9]；也有研究者將模型建構分為研究原型、初建模型、修正模型、應用模型、返回原型等過程[10]；還有研究認為模型建構包括抽象表征和問題解決兩個要素，抽象表征包括選擇對象和建構模型，問題解決則包括模型校驗、應用與改變等[11]。

雖然對模型建構的過程有著不同的論述，但能歸納出模型建構、模型細化、模型應用和模型重建等共同要素[12]，基于此形成適合小學階段科學模型建構的實踐要素：建模意識、模型加工、模型應用和模型再構，同時依據(jù)要素形成包括選擇、形成、表征、分析、使用、調(diào)用、修正、遷移的實踐過程[13]。

模型建構的要素和過程并不需要在一節(jié)課中全部囊括，而應該根據(jù)學段、學生認知水平、學習內(nèi)容等選擇一個或幾個要素進行教學設計。同時，教師可以將過程縱向延伸拓展至學生整個小學學習階段，橫向擴充拓寬至不同科學核心概念的學習中，在循環(huán)與迭代中進行模型建構實踐。

三、科學模型建構教學的課堂實踐

在梳理模型建構的兩個維度之后需要明確其在課堂教學中的實踐方法，探索出具體可行的方法與過程。

1.科學模型建構教學的雙維設計

圍繞科學模型的雙維建構，對模型建構教學進行了雙維設計，為課堂實踐提供可操作的路徑借鑒（如圖2）。

圖2呈現(xiàn)了模型建構教學一體雙維設計的路徑，在課堂實踐中問題與情境作為啟發(fā)源，元建模知識和建模實踐相輔相成，通過深度融合，共同推動科學模型的建構。元建模知識作為模型建構的認知支持，通過五個核心問題貫穿整個教學過程，如問題“我們?yōu)槭裁匆嬆Ｐ?？”引導學生深入了解科學模型的性質(zhì)、建模的目的等，認識到模型在科學學習中的重要性，問題“需要經(jīng)歷哪些過程與步驟？”和“需要收集哪些信息與數(shù)據(jù)？”則是引導學生了解建模的具體過程，培養(yǎng)學生系統(tǒng)思考和解決問題的能力。在建模實踐中，教學設計圍繞要素和流程展開，呈現(xiàn)了一系列關鍵步驟，包括呈現(xiàn)原始模型、探究實驗、形成過渡模型、改進修正等，學生通過實際操作，熟悉并掌握建模過程，深化對科學本質(zhì)的理解。元建模知識和建模實踐在課堂中相互滲透、融為一體，整體推進、共同促進學生科學模型建構，發(fā)展核心素養(yǎng)。

2.科學模型建構教學的課堂設計

參照雙維設計路徑，筆者以遠東版《自然》教材第九冊第一單元“植物的生存”第2課時“種子的繁殖”為例進行了教學設計與課堂實踐。

五年級學生經(jīng)過之前的模型建構教學，對為什么要進行科學模型建構已經(jīng)有較高水平的認識，為課時學習奠定了基礎。教學之初，教師創(chuàng)設問題情境“綠豆種子發(fā)芽與生長過程是怎樣的？”隨后教師與學生討論在此問題情境中需要建構什么模型，又應該怎么建構模型。討論后，學生一致認為：需要建構與種子萌發(fā)和植物生長有關的模型，并明確需要觀察和收集的信息和數(shù)據(jù)。

在培養(yǎng)與發(fā)展學生元建模知識的過程中，教師與學生通過對話逐步梳理在之前模型建構學習中形成的關于模型的認識，對接下來要進行的學習有了較為全面和整體的認識。在此基礎上，教師為學生提供綠豆的種子以及觀察記錄的活動單，讓學生帶回家進行長周期的種植、觀察與記錄，并提醒學生及時將觀察總結到的模型記錄下來，教師在其后每周的科學課上組織學生交流建構的模型，在此過程中讓學生經(jīng)歷建模實踐過程。

在種子萌發(fā)階段，教師為學生提供不同的實驗單和活動單，引導學生對影響種子萌發(fā)的因素進行探究。學生觀察不同條件下綠豆的發(fā)芽情況，收集數(shù)據(jù)并記錄發(fā)芽時間、發(fā)芽率等信息。通過對數(shù)據(jù)和信息的分析，他們以圖表、圖像或文字等形式呈現(xiàn)自己的發(fā)現(xiàn)和建構的模型。依靠建構的模型，學生審視已建構的模型，描述綠豆種子萌發(fā)的過程，識別其中的科學知識和關鍵因素，如水分、空氣、溫度等。同時教師引導學生利用建構的模型，解釋和預測其他種子的萌發(fā)過程與綠豆種子萌發(fā)過程的相同與不同。教師為學生提供黃豆、蠶豆的種子，讓學生通過持續(xù)的探究驗證他們的預測，檢驗建構模型的普遍性和適用性。這樣，不僅發(fā)展了學生的元建模知識，還促使學生意識到科學模型是多層次、多種多樣的。模型建構不是一次就能完成的，而需要在反復探究實踐中不斷累積與更新。

在建構綠豆種子萌發(fā)模型的基礎上，教師繼續(xù)引導學生通過試驗單、活動單觀察，記錄綠豆生長過程，包括從根系生長、莖的伸展到葉片發(fā)育等整個生長周期中的信息與數(shù)據(jù)，側(cè)重識別不同生長階段的關鍵特征，深入研究各階段受到的環(huán)境因素的影響。經(jīng)過近一個月的長周期探究，教師組織學生對信息和數(shù)據(jù)進行分析，建構與綠豆生長相關的模型，不僅考慮整個生命周期中各個階段的生長特征，還詳細描述生長所需的關鍵環(huán)境條件。學生根據(jù)自己的觀察側(cè)重點和實驗收集的數(shù)據(jù)建構形成很多模型，如綠豆生長階段的基本模型、環(huán)境影響模型、土壤質(zhì)量模型等，教師引導學生對不同的模型進行聯(lián)系，對建構的生長模型與萌發(fā)模型進行比較，深化對植物生命周期的理解，突顯萌發(fā)與生長階段的差異，提高對模型的整體聯(lián)系與運用能力，幫助學生建構更為全面和更高層次的植物生長模型。

在建構“綠豆種子發(fā)芽與生長”的模型中，教師注重引導學生思考并明確建模的目的，即他們希望通過模型描述、解釋或預測什么，同時在交流與討論中幫助學生發(fā)現(xiàn)植物生長模型的獨特性，通過解析綠豆種子的結構、不同生長階段的特征等，幫助學生識別植物生長模型的基本元素并思考這些元素之間的相互關系，以及這些關系與外部環(huán)境的交互。在此基礎上，教師引導學生比較建構的模型，對模型的有效性、實用性，以及對不同條件的適應性進行評估，分析不同模型的優(yōu)點和局限性，鞏固元建模知識。

與此同時，學生在建構綠豆種子萌發(fā)和綠豆生長模型的實踐中體現(xiàn)出一定的連續(xù)性和差別性。在模型建構連續(xù)性方面，學生通過提出問題、制定假設、設計實驗，以及收集與分析數(shù)據(jù)等步驟，形成了一個關于種子萌發(fā)的模型，隨后對生長模型的建構是在這一基礎上進行的，是建構過程的自然延伸。除此之外，學生還從綠豆種子的萌發(fā)與生長自然拓展到其他植物種子的萌發(fā)與生長，在應用、比較建構的模型中對植物產(chǎn)生更深的認識與理解。在不同階段的建模實踐中教師要幫助學生意識到模型存在的差別與差異主要表現(xiàn)在模型的復雜性、時空尺度以及對環(huán)境因素的考慮上，同時對土壤質(zhì)量、養(yǎng)分供應等因素的關注程度也更高。這種差異體現(xiàn)了模型建構在解決不同問題時的靈活性和因問題而異的特性，培養(yǎng)學生靈活運用科學模型解決實際問題的能力。

四、科學模型建構教學的建議

課堂實踐為科學模型建構教學提供借鑒，為教學方式的轉(zhuǎn)變指明方向。

首先，在科學模型建構教學中要關注學生元建模知識的培養(yǎng)與發(fā)展。元建模知識具有生成性、變化性的特點，需要學生在建模實踐中不斷演化和完善，逐漸形成對科學模型建構全過程的綜合理解，全面理解科學模型的本質(zhì)與應用，從而更有效地運用科學建模解決實際問題。

其次，在科學模型建構教學中要引導學生建構不同層次與水平的模型。學生建構的科學模型以及對模型中各要素相互關系的理解需要在實踐中逐步深化、精細化。教師可以引導學生在模型建構中添加更多變量、考慮更多因素，從而意識到科學模型不僅是不同的，而且還具有不同的層次與水平，教師應關注學生對模型中各要素關系的理解水平，引導他們逐漸建立起對整體模型結構的認識。

最后，科學模型建構教學中要重視學生建模實踐的持續(xù)性、過程性和迭代性。在建模實踐中，教師要關注學生的投入和關注度，讓學生持續(xù)參與從問題提出到模型修正的過程。教師還需要幫助學生認識到建模實踐是一個動態(tài)的、連續(xù)的過程，通過設計富有啟發(fā)性的實踐任務，學生能夠在不同階段經(jīng)歷問題定義、數(shù)據(jù)收集、模型設計等過程，從而更深入地理解科學方法的應用。同時，教師鼓勵學生對模型進行修正，將其視為學習的一部分，引導學生在實踐中不斷反思，發(fā)現(xiàn)問題、調(diào)整模型，幫助學生逐漸形成對問題的深層次理解，提高科學建模的實際應用水平。

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[責任編輯：陳國慶]