小學(xué)科學(xué)課基于建模的實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略

小學(xué)階段的實(shí)驗(yàn)活動要與具體事物的研究、真實(shí)問題的解決相結(jié)合，在探尋最佳解釋或方案的過程中建構(gòu)對科學(xué)概念的理解。因此，小學(xué)階段的實(shí)驗(yàn)活動不僅僅是動手操作，還需要思維的參與，是手與腦有機(jī)結(jié)合的過程。基于建模的實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以有效將動手與動腦有機(jī)結(jié)合。學(xué)生在建立、使用模型的過程中建構(gòu)對自然現(xiàn)象的理解，完善自己的思維模型，建構(gòu)科學(xué)概念的同時，促進(jìn)學(xué)習(xí)者對知識的深層理解和靈活應(yīng)用。

一、小學(xué)階段建模活動的特點(diǎn)

（一）建?；顒拥某晒詫?shí)體模型為主

一方面，建構(gòu)實(shí)體模型可以為學(xué)生創(chuàng)造更多參與動手實(shí)踐的機(jī)會，為他們認(rèn)識自然現(xiàn)象、理解科學(xué)概念提供更為豐富的感性素材。另一方面，實(shí)體模型可以為學(xué)生完善思維模型提供真實(shí)的證據(jù)，檢驗(yàn)自己對原型事物的理解是否符合事實(shí)。例如：學(xué)生在解釋“圓頂形結(jié)構(gòu)為什么可以承受很大壓力”這一問題時，可以用“可拼插拱形紙條”搭建一個圓頂形模型，并通過觀察模型受壓后形狀的變化解釋圓頂形結(jié)構(gòu)承受更大壓力的原因。紙條、氣球、木板……作為建模材料成為表征學(xué)生思維的工具。學(xué)生用這種可視化的方式表達(dá)、驗(yàn)證、反思自己的思維過程，促進(jìn)思維模型的完善，逐步建構(gòu)他們對大自然、對科學(xué)現(xiàn)象的認(rèn)知。

（二）建?；顒拥男问揭员磉_(dá)性建模為主

北京師范大學(xué)教授劉儒德依據(jù)建模材料的原始程度，將建?；顒臃譃樘骄啃越：捅磉_(dá)性建模兩種形式。

在探究性建模活動中，提供給學(xué)生的是比較成熟的模型。學(xué)生通過預(yù)測、驗(yàn)證、解釋等一系列與模型的交互活動發(fā)展思維模型，建構(gòu)對概念的理解。例如：河流侵蝕實(shí)驗(yàn)箱、小電動機(jī)模型……都是由教師根據(jù)研究對象建構(gòu)的模型，再由學(xué)生通過一系列探究過程，建構(gòu)相關(guān)科學(xué)概念。

而在表達(dá)性建?；顒又?，提供給學(xué)生的建模材料更加原始。需要學(xué)生對原型事物進(jìn)行觀察，分析其中變量，并利用這些材料表達(dá)自己的理解，外化自己的思想，對自己的假設(shè)建構(gòu)模型。由于小學(xué)階段的科學(xué)概念大多來自對日常生活、自然現(xiàn)象的觀察，概念的建構(gòu)基于學(xué)生的日常經(jīng)驗(yàn)和已有概念，因此小學(xué)階段主要以表達(dá)性建模為主。但是這類建?；顒拥碾y度較大，需要教師的精心設(shè)計，提供必要的支持。

二、基于建模的實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略

模型并不是對自然現(xiàn)象的1：1復(fù)制，而是為了研究某種性質(zhì)而抽象過的事物。因此，建?；顒訉τ谛W(xué)生而言是比較復(fù)雜的科學(xué)實(shí)踐活動。如何在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有效實(shí)施建模活動，可以從以下幾個方面入手：

（一）選擇恰當(dāng)?shù)慕Ｐ问?/p>

恰當(dāng)?shù)慕Ｐ问剑梢詭椭鷮W(xué)生更加高效地參與到實(shí)驗(yàn)活動中，建構(gòu)科學(xué)概念。依據(jù)建模工具的原始程度，可以將建?；顒臃譃樘骄啃越：捅磉_(dá)性建模兩種形式。采用哪種形式進(jìn)行選擇需要結(jié)合“建構(gòu)概念的難易程度”以及“學(xué)生的認(rèn)知水平”兩個方面進(jìn)行考慮。

1.探究性建?；顒?。

對于建構(gòu)與學(xué)生日常生活較遠(yuǎn)。學(xué)生難以理解的科學(xué)概念，應(yīng)該選擇探究性建?；顒印Ｈ缌私狻昂恿鞯那治g作用”這一科學(xué)概念，小學(xué)生對于這一自然現(xiàn)象并不十分了解，缺乏基本的認(rèn)知，難于利用建模材料表達(dá)自己的猜測與理解。因此，更為有效的建模形式是探究性建模：由教師對“河流侵蝕作用”這一自然現(xiàn)象進(jìn)行抽象、簡化，分析關(guān)鍵變量建構(gòu)河水侵蝕河岸的模型，再由學(xué)生對模型進(jìn)行操作，觀察“河流”自上游至下游流動過程中對河兩岸的影響，沖刷下來的泥沙堆積在河流下游的現(xiàn)象，通過觀察模型顯現(xiàn)的各種現(xiàn)象認(rèn)識“河流的侵蝕作用”這一科學(xué)概念。

2.表達(dá)性建?；顒印?/p>

像“身體運(yùn)動是由骨、關(guān)節(jié)和肌肉協(xié)同完成的”這一概念，學(xué)生雖然不能直接看到骨、肌肉、關(guān)節(jié)配合完成運(yùn)動的過程，但是可以通過“舉啞鈴”時手臂不同部位的外部變化推測其內(nèi)部的狀態(tài)。這是思維建模的基礎(chǔ)，此時教師再提供一些具有肌肉、骨骼、關(guān)節(jié)相似特性的材料：氣球、木條、合頁……學(xué)生便可以嘗試?yán)眠@些材料以表達(dá)性建模的形式，建構(gòu)自己對“肌肉、骨骼以及關(guān)節(jié)協(xié)同完成運(yùn)動”的猜測與理解。

（二）提供合理的建模材料

建模材料不同于一般的實(shí)驗(yàn)材料與學(xué)具，是學(xué)生表達(dá)科學(xué)思維的可視化工具。合理的建模材料可以幫助學(xué)生更加有效地進(jìn)行建?；顒?，清晰表達(dá)自己對研究事物的理解。其合理性可以從兩個方面進(jìn)行考量：材料特性以及其可操作性。

首先，所選材料的特性是否可以反映原型事物的基本屬性?？茖W(xué)教師對材料的特性更加了解，能夠?qū)⒉牧系奶匦耘c要模擬的自然事物建立聯(lián)系，要為學(xué)生選擇可以反映研究對象基本屬性的材料。比如氣球有彈性，吹鼓的氣球拉長后與肌肉的形狀也非常相似。因此，“骨骼、關(guān)節(jié)與肌肉”模型中用氣球模擬肱二頭肌和肱三頭肌。學(xué)生建模后通過操作、觀察更容易理解肌肉在運(yùn)動中所發(fā)揮的作用。

其次，所選擇的材料是否便于學(xué)生操作，也是考量建模材料合理性的重要指標(biāo)。小學(xué)階段以建構(gòu)實(shí)物模型為主，學(xué)生建模的成果是實(shí)際的物體。使用簡單易操作的材料，學(xué)生建構(gòu)模型時更容易完成建模任務(wù)。比如，圓頂形拼插模型中拱形紙條，為了便于學(xué)生操作，并體現(xiàn)拱足互相連接，將拱形紙條的拱足設(shè)計成上下拼插口，不但方便學(xué)生操作，建模后還能體現(xiàn)圓頂形的基本屬性。

（三）提供必要的認(rèn)知支撐

建模是有著深度認(rèn)知加工過程的科學(xué)實(shí)踐活動，對于小學(xué)階段的學(xué)生而言有一定的挑戰(zhàn)性，需要得到教師的幫助與支持，為他們的認(rèn)知活動提供必要支撐。

1.充分觀察原型事物。

多項研究發(fā)現(xiàn)，兒童建立模型是從物體表面相似性入手的。因此，在建?；顒又幸獮閷W(xué)生提供了解原型事物的機(jī)會，而且是特征明顯的原型事物，便于學(xué)生抓住其特征建立思維模型來認(rèn)識研究對象。例如：二年級學(xué)生需要“觀察并描述太陽每天在天空中東升西落的位置變化，初步學(xué)會根據(jù)太陽的位置辨認(rèn)方向?！睘榱藥椭鷮W(xué)生在頭腦中建立四個方位的位置關(guān)系，同時引導(dǎo)學(xué)生制作一個關(guān)于“方位位置關(guān)系”的實(shí)物模型——方向卡。因此，教師帶領(lǐng)學(xué)生連續(xù)一周、在學(xué)校同一位置，觀察記錄早晨、中午和傍晚三個時間太陽在學(xué)校中的位置。通過對自然現(xiàn)象的觀察，學(xué)生發(fā)現(xiàn)：一天中，太陽位置的變化是有規(guī)律的，正是因?yàn)樘柕奈恢米兓幸?guī)律，我們才能夠利用太陽的位置來辨認(rèn)方向。這一對自然現(xiàn)象的認(rèn)知，是學(xué)生建立方位位置關(guān)系這一模型的重要認(rèn)知基礎(chǔ)。

2.將建模材料與原型事物建立聯(lián)系。

建?；顒有枰獙⒛Ｐ团c現(xiàn)實(shí)世界建立聯(lián)系，用模型表征自然現(xiàn)象。建模材料作為思維工具，是連接模型與現(xiàn)實(shí)世界的橋梁。學(xué)生只有理解建模材料與原型事物的聯(lián)系，才能通過建模表征研究對象，用可視化的方法來驗(yàn)證自己的推測，表達(dá)自己的思想。如建構(gòu)骨骼、關(guān)節(jié)與肌肉模型，學(xué)生要將氣球、木板、合頁、掛鉤等建模材料，分別與骨骼、關(guān)節(jié)、肌肉建立聯(lián)系，此時學(xué)生通過制作、操縱并觀察小模型，實(shí)現(xiàn)手臂“屈伸”運(yùn)動，而形成他們對“骨骼、關(guān)節(jié)和肌肉配合完成各種運(yùn)動”的解釋。

（四）創(chuàng)設(shè)修改模型的機(jī)會

建模實(shí)踐活動的重要特征：建構(gòu)和修正模型。也就是說，建構(gòu)模型、使用模型還要修正模型以適應(yīng)新的證據(jù)，不斷完善學(xué)生頭腦中的思維模型建構(gòu)理解。那么，我們在設(shè)計模型的時候就要把修改模型這一環(huán)節(jié)設(shè)計進(jìn)去，給學(xué)生挖點(diǎn)“小陷阱”，給學(xué)生創(chuàng)設(shè)一些修改模型的機(jī)會。

“骨骼、關(guān)節(jié)、肌肉”模型，設(shè)計多個固定“肌肉”的連接點(diǎn)：“連接在哪？肌肉才能帶動手臂骨骼？”學(xué)生一開始將“肌肉”兩端都掛在同一根骨骼上。驗(yàn)證模型時，發(fā)現(xiàn)肌肉不能帶動骨骼運(yùn)動，意識到肌肉需要同時固定在兩根骨骼上才能帶動骨骼圍繞關(guān)節(jié)運(yùn)動，學(xué)生在修正模型的過程中，完善了他們的思維模型，理解了骨骼、關(guān)節(jié)、肌肉在人體運(yùn)動中的作用。

三、結(jié)語

綜上所述，在基于建模的實(shí)驗(yàn)活動中，科學(xué)教師是關(guān)鍵因素：設(shè)計建?；顒?，選擇建模材料，為科學(xué)學(xué)習(xí)提供認(rèn)知支撐……科學(xué)教師要在有效教學(xué)策略支撐下引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家那樣建立和修正能夠解釋現(xiàn)象的模型，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)概念的有效建構(gòu)，同時提升他們的科學(xué)實(shí)踐能力以及創(chuàng)新思維能力。

（徐德明）