初中科學教學建模實踐案例與策略分析

【摘" 要】 增強建模能力是培養(yǎng)學生科學思維的重要途徑。文章針對以建?？梢暬癁檩d體的初中科學教學，提出了四項實踐操作策略。具體為：以史為鑒，梳理知識發(fā)展脈絡，深化建模觀念;以實為基，搭建知識進階橋梁，活化建模過程;化虛為實，鞏固知識應用基礎，強化建模技巧;以創(chuàng)為翼，引領知識創(chuàng)新飛躍，拓展建模思維。文章旨在探索如何在教學實踐中應用這些策略，并通過案例分析來討論提升學生建模關鍵能力的具體路徑。

【關鍵詞】 模型;建模方法;可視化;初中科學

一、初中科學教學建模需求分析

當前，在追求“全面發(fā)展的人”這一學生科學素質發(fā)展的核心理念下，科學教育尤為重要。這一理念涵蓋了文化根基、自我成長和社會參與三大支柱，為教育者指明了科學教育的方向。其中，“科學學科核心素養(yǎng)”是社會所倡導的，它包括科學觀念、科學思維、科學探究以及科學態(tài)度和責任這四個核心要素。

經(jīng)過深入研究可知，模型建構不僅是科學思維中不可或缺的一部分，更是形成科學觀念、塑造科學態(tài)度的有力工具。然而，當前中小學生對模型的認識和理解程度卻不容樂觀。這主要歸咎于我國教育體系中課堂建模實踐對學生抽象轉化能力不足、體驗感不強、評測可視度不夠以及相關教學資源的匱乏。

特級教師吳加澍曾深刻指出科學教育的真諦，他認為，科學教育應該以基礎問題為出發(fā)點，以實際現(xiàn)象為引導，借助模型這一強大工具來訓練學生提取模型、分析問題、歸納規(guī)律的能力。因此，對初中科學教師而言，在教學實踐中積極思考與探索提升學生模型建構能力的方法和策略尤為重要。

二、初中科學教學建模實踐案例與策略分析

所謂模型，就是根據(jù)相似原理設計的，能夠簡化并幫助人們理解對象的科學抽象。而建模則是科學學習中獨特的思維方式和研究方法?？茖W的發(fā)展歷程可以說是一部不斷構建模型、應用模型、完善修正模型，甚至在科學革命中徹底更新模型的壯麗史詩。物理模型在實踐中便于可視化教學，其道理簡單、清晰，易于操作。

（一）以史為鑒，梳理知識發(fā)展脈絡，深化建模觀念

科學史研究對科學進程有深入探索，能揭示其發(fā)展規(guī)律和趨勢，幫助人們理解科學本質和價值，推動知識普及和應用。歷史上，如伽利略、麥克斯韋、愛因斯坦等科學家通過建模推動了科學研究。這些科學史是建模教學的寶貴資源，應被充分發(fā)掘和利用，為解決科學問題提供參考。

以科學史中的“原子結構模型”為例。

在HPS教育視野下，以“原子結構模型”建構的歷程作為課堂設計主線。按時間線及科技進步順序，從道爾頓的“實心球式”模型，到湯姆森的“棗糕式”模型，再到盧瑟福的“行星式”模型、玻爾的“分層式”模型，直到現(xiàn)代的“電子云式”模型，以及夸克的發(fā)現(xiàn)。通過層層設問、步步引導，以科學史實為參照，使學生體驗到科學的本質是不斷向事實靠攏，而這一過程往往是以“一種模型去取代另一種模型”，從而樹立學生不斷修正和完善模型的意識。

在科學教學中，教師可在課堂上介紹科學史中典型的建模實例，通過可視化的方法使學生對建模形成具體的感性認識，進而減少學生與建模實踐活動間的疏離感，在頭腦中逐步樹立起“科學問題的解決離不開建模”的意識。一旦學生有了建模解決問題的自覺，將來用建模作為學習科學的一種重要方法就是水到渠成的事情。將建模意識貫穿于教學中，不斷用前人的建模經(jīng)驗來豐富學生的閱歷，從而幫助學生建構新觀念。

（二）以實為基，搭建知識進階橋梁，活化建模過程

初中學生的思維正從具象性向抽象性過渡，往往需要借助具體事物或實際生活中的直觀印象進行思維活動。因此，與抽象的思維建模相比，學生更喜歡用實物建模的方式進行課堂推演。實物模型簡易生動，通俗易懂易操作，借助豐富的肢體語言或生活化的實物，通過演繹動態(tài)的變化過程，使微觀結構的抽象變化變得可視化、可感可知、可描述。

以“氣孔之舞”模型建構為例。

在植物葉片氣孔調節(jié)的教學中，學生較難理解“保衛(wèi)細胞吸水或失水造成氣孔張開或閉合”的原理。

方法一：形體建模。雙手模擬兩個保衛(wèi)細胞，雙手相合時中間的縫隙模擬氣孔。當雙手緊貼在一起時，表示保衛(wèi)細胞處于失水狀態(tài)，此時氣孔關閉。這種狀態(tài)下，水分無法從葉面蒸發(fā)出去，有助于減少水分散失，適應干旱環(huán)境。當雙手中間分開形成一個孔時，表示保衛(wèi)細胞吸收了水分而膨脹，導致氣孔打開。打開的氣孔允許氣體交換（如二氧化碳進入和氧氣排出），同時也有助于蒸騰作用的發(fā)生，促進水分和無機鹽的運輸。運用這種簡單的形體建模方式，可以幫助學生直觀理解氣孔的開閉機制及其在保衛(wèi)細胞中的重要作用。該模型強調了水分對氣孔功能的重要性，同時也反映了植物如何在不同的環(huán)境中調整其生理過程以維持生存。

方法二：實物建模。使用長條狀氣球來模擬保衛(wèi)細胞，用透明膠粘貼在氣球的內部以模擬保衛(wèi)細胞內壁的厚度，使其難以過度伸展。

在建模教學中，教師應引導學生明確模型的適用條件和基礎，討論模型的理想化特點和局限性。例如，保衛(wèi)細胞氣球模型雖然能增加課堂趣味性和科學原理的可視性，但不能完全呈現(xiàn)原型的所有特征。因此，教師應著重強調建模過程的實際性，搭建知識進階的橋梁，活化建模過程。同時，教師應以身作則，示范并鼓勵學生積極參與建模實踐，讓他們在實踐中體驗建模的樂趣，為未來的靈活運用奠定堅實基礎。

（三）化虛為實，鞏固知識應用基礎，強化建模技巧

在初中科學幾何光學的教學中，把光抽象為模型，即光線，在作圖中用帶箭頭的直線來表示。雖然初中生已經(jīng)具備了一定的抽象能力，但根據(jù)生活常理和生活體驗進行抽象與加工時，有時會讓學生感到困難甚至無從下手。此時，一個恰到好處的化虛為實方法能立即將抽象難懂的問題直觀化，從而抓住本質建立科學模型，找到理解問題的關鍵。

以“三線共面”模型建構（如圖1）為例。

1. 感知真實情境模型：如何在一個漆黑的井底放置一塊鏡子以照亮井底？請模擬說明。

2. 解構初步模型：用橡皮泥作為基座，捏成水平面表示反射面，兩根牙簽（粘上紅色箭頭表示傳播方向）分別代表入射光線和反射光線。小組根據(jù)已知的入射光線，在模型中猜測并表示出反射光線的位置。

3. 實踐修正模型：探究幾個有代表性的作品，引導學生觀察比較這些模型并說出它們的區(qū)別。由于沒有法線，學生一時難以用語言描述。此時，教師在模型上插一根彩棒作為“輔助線”，引入“法線”“入射角”和“反射角”的概念，并借助硬紙板演示：“三線”是否共平面，兩角是否相等。教師通過四個不同的模型進行展示，每個模型上都垂直插一根彩棒作為法線。在第一個模型中，法線垂直，左邊的牙簽代表入射光線，右邊的牙簽代表反射光線，反射角大于入射角。在第二個模型中，法線同樣垂直（第三、四個模型與此相同），此時入射光線與反射光線位于法線的左邊，并且入射角小于反射角。在第三個模型中，入射光線位于法線的左邊，反射光線位于法線的右邊，并且入射角等于反射角。在第四個模型中，入射光線位于法線的左邊，反射光線位于法線的右邊，并且入射角大于反射角。

4. 理解構建模型：“三線”的位置關系和“兩角”的大小關系。在這個實驗中，使用一張半圓刻度紙、一塊泡沫底板和兩根牙簽。一根藍色的棍子垂直插入泡沫底板中代表法線，一根牙簽從左邊傾斜插入代表入射光線（方向用紅色箭頭標示），右邊插入另一根牙簽代表反射光線。通過這個實驗，讓學生理解入射光線、法線和反射光線必須在同一平面內，并且反射光線與入射光線分居法線兩側，反射角等于入射角。

5. 評估完善模型：兩塊紙板并排放置是同一平面，那么怎樣放置才是不同平面呢？請學生演示翻折為不同平面，如果這個平面內有一條入射光線及其法線，你能否設計一組對比實驗證明它的反射光線是否就在這個平面內呢？

驗證“三線共面”是本節(jié)課的難點，利用紙板模型幫助學生理解“共面問題”。按模型自制演示的實驗裝置：以法線為軸，使右側背景板向后翻轉。將兩塊紙板并排放置，讓它們保持在同一平面內。在這種情況下，如果有了入射光線和法線，根據(jù)反射定律，反射光線也應該在同一平面內。同時，還可以通過翻折一塊紙板來創(chuàng)建不同的平面。在這個實驗中，學生可以演示將左側的紙板向后翻折，從而不與右側紙板在一個平面內。這個步驟是為了展示如果紙板不在同一平面內，反射光線將不會在原始平面內。如果入射光線和法線在翻折前的平面內，那么反射光線將不會在翻折后的平面內，從而證明反射光線必須與入射光線和法線在同一平面內。

在建模教學中，學生通過使用帶箭頭的竹簽等實物，將抽象的光現(xiàn)象具象化，構建初始模型來表達對反射光線位置的猜想。通過實驗驗證，學生不斷調整和完善模型，特別是利用量角器和背景板確保“兩角”相等和“三線”共面，這一過程實現(xiàn)了理論和實踐的緊密結合。通過這種化虛為實的方法，學生鞏固了知識基礎，強化了建模技巧，為后續(xù)模型的深化和創(chuàng)新打下了堅實基礎。

（四）以創(chuàng)為翼，引領知識創(chuàng)新飛躍，拓展建模思維

創(chuàng)新思維的關鍵在于運用創(chuàng)造性思維和方法，打破傳統(tǒng)思維模式，探索新的解決方案和方法。創(chuàng)新實驗設計是將不同學科和領域的知識進行融合，是突破科學學習重難點的有效途徑。一個有創(chuàng)意的實驗不僅能為學生提供手腦并用、拓展思維的機會，還能幫助學生有效建構知識模型，促進建模思維的發(fā)展。

以探索法線的由來為例。

在教學過程中，學生發(fā)現(xiàn)入射光線、反射光線與鏡面的夾角相等，這一現(xiàn)象通過測量和計算均可驗證。那么，為什么還要引入法線呢？為了給學生建立必要的空間模型，由現(xiàn)象深入本質，教師可以設計一個創(chuàng)意十足的實驗，使用竹棒、泡沫、紙板等實物來模擬法線的建立過程。

首先，打開一束激光，引導學生觀察入射光線和反射光線所在的平面（用紙板演示）是否與鏡面垂直。接著，同時按順序啟動三束光，產(chǎn)生三個與鏡面垂直的立面，分別用紙板進行模擬演示。這三個立面恰好相交于同一條直線。實驗數(shù)據(jù)顯示，所有入射到O點的光線和反射光線都會經(jīng)過這條直線并相交。科學家通過這條共享直線，成功地提取出了這條公共的直線，并測量其與鏡面的夾角為90°，于是將其命名為“法線”。

在教學中，教師應鼓勵學生不僅學習理論知識，還要動手實驗，親身體驗模型建立的全過程。例如，通過建立“法線”模型，學生能夠在空間中直觀感知法線的作用，從而更準確地作圖并理解入射角、反射角等概念。科學理論的推理和解釋常常需要借助模型的構建與完善，這體現(xiàn)了建?；顒拥膭?chuàng)造性。因此，教師應以創(chuàng)新為引領，通過建模教學激發(fā)學生的創(chuàng)造性思維，推動知識創(chuàng)新飛躍，拓展其建模思維。

三、初中科學教學中建模的價值

建模這一理念如一條紅線貫穿中學科學教育始終，它巧妙融合了科學思維方法。教師在課堂中妥善運用模型，可以產(chǎn)生深遠的影響。

（一）可視化模型建構錘煉學生的歸納概括能力

在構建簡潔模型的過程中，學生充分參與體驗，從錯綜復雜的現(xiàn)實情境中識別出核心要素和根本現(xiàn)象。這一步驟要求他們具備敏銳的觀察力，并能夠運用聯(lián)想、歸納等思維技巧，剔除無關信息，直擊問題的要害。

（二）可視化模型建構助力邏輯推理能力的培養(yǎng)

在梳理知識、構建模型的過程中，學生不斷地探尋知識之間的內在聯(lián)系，進行合理的邏輯推演與評估可行性。這一過程初步錘煉了他們的邏輯推理和批判性思維能力，也為他們解決真實世界問題奠定了堅實的基礎。

（三）可視化模型建構激發(fā)學生的創(chuàng)新想象能力

構建模型是一個從抽象到具體的思維轉化過程。通過模型的具象表達，學生將抽象的概念、微觀的現(xiàn)象以直觀、生動的方式呈現(xiàn)出來。在這個過程中，學生的想象力、創(chuàng)造力以及人文素養(yǎng)和自我表達能力得到全面提升。

參考文獻：

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