從模擬走向真實的科學概念建構之路

吳小兵+俞靈

摘 要：模擬是根據研究對象的本質特性，建立或選擇一種與研究對象類似的模型，借助模型進行實驗研究，不僅可以把學生陌生的、抽象的事物轉化為學生熟悉的、直觀的模型，使概念具體化、形象化，也可以幫助學生更直觀、更深刻地把握研究對象的本質和特征。以《風的形成》為例，針對實際教學中模擬實驗存在的問題，引領學生從模擬走向真實，主動建構起風的形成的科學概念。

關鍵詞：模擬實驗；科學概念；風的形成

小學科學課堂的一些探究活動受到時間、空間以及其他條件的制約，學生無法對研究對象進行直觀的研究，這就需要教師和學生一起為研究對象建立模型，并進行模擬實驗。用模擬實驗建立的認知去解釋研究的對象，從而達到課堂教學的目的。

《風的形成》教學內容主要分為兩大塊，一是學生觀察熱空氣上升，二是實驗模擬風的形成。由于風生來無形的特質，學生在實驗的模型設計和實驗現象的觀察方面存在一定的困難，加之他們對自然現象的關注只知其然，不知其所以然，對風真正的成因也就遙不可及了。

一、課前定位——建科學概念之基

建構主義認為，科學概念的學習是將前概念轉變為科學概念的一個過程，因此教師要注意了解學生的前概念水平，幫助摒棄已經形成的錯誤認識，在學生原有的知識經驗基礎上確定教學目標，設計教學環節，從而讓學生通過探究建構起完整的科學概念。

1.《風的形成》目標定位首度設計

第一次試教目標定位：知道熱空氣會上升，冷空氣會下降；知道風是在空氣有冷熱差別的條件下產生的，理解季風的成因。

相應的教學環節如下：（1）導入：轉動風車；（2）觀察熱空氣上升；（3）模擬風的形成；（4）解釋季風的成因。

試教后反思：如此的環節設計和目標確立脫離了學生前概念的認識，因為小學生還沒有系統地學過地理、物理等方面的知識，加之日常生活中很難并且很少關注不同季節不同地點的風，導致學生在模擬建構了風的形成概念后，卻難以過渡到現實生活中來。

2.《風的形成》目標定位再度設計

目標定位改進為：知道熱空氣會上升，冷空氣會下降；知道風是在空氣有冷熱差別的條件下產生的，理解北風的成因。

相應教學環節修改如下：（1）導入：北風從哪來；（2）觀察熱空氣上升；（3）模擬風的形成；（4）解釋北風的成因。

試教后反思：在四年級學生學習了風向的概念基礎之上拋出疑問：北風為什么從北方來，又吹向南方去呢？符合學生當下的認知水平，能夠幫助學生主動從前概念向科學概念進行過渡，建構起熱空氣會上升，冷空氣會下降補充的知識理論，最終來解釋風的形成是因為風吹來的方向冷，吹去的方向熱，熱空氣上升，冷空氣補充，在地表就形成了從冷吹向熱的風，進而能順理成章地將科學概念融于生活，解釋各種風向的成因。

二、擇器善用——揀以假亂真之材

在小學科學課堂教學中，運用模型探究是幫助學生構建科學概念的一種重要途徑和方法。但是，選擇怎樣的材料建立足以亂真的模型，才能讓學生在模擬實驗的過程中感受到科學概念的特點，促使前概念向科學的概念轉變。

1.教師揀材，取之有道

教師要提供更為有效的科學實驗材料，提高模擬實驗的真實度，幫助學生去想象、推理、類比，找到與真實現象的聯系，發現事物的本質和規律，從而建構起自己的概念。

（1）加熱空氣——沖上云霄顯威“風”

在觀察熱空氣上升的環節，我設計了一個簡單的實驗裝置：在一個倒置的塑料袋口子上對稱地粘上幾段細鐵絲，穩定袋口，然后用酒精燈加熱袋里的空氣，放手后，塑料袋飛上高空。實驗材料也簡單易得，又充滿趣味，實驗效果非常明顯，讓學生的直觀體驗達到興奮點，自然地接受了熱空氣會上升的科學概念。

（2）模擬生風——幻化無形為有形

模擬風的形成是本節課的重點實驗，而風生來本無形，如何化無形為有形，讓學生真實地觀察到空氣流動的路徑，成為此實驗的重中之重。我也重新設計了一個實驗裝置：主體為一底部被裁的大油桶，罩在一個裝水的淺盤中。在大瓶口上方安裝了一枚小風扇，在其一側開孔插入小瓶口作為進風口。實驗中點燃蠟燭，通過觀察火苗的擺動以及小瓶口風扇轉動的情況，能十分直觀明顯地觀察到風的形成，而當捂住小瓶口，火苗立即回正、風車立即停止，更容易幫助學生理解熱空氣上升后，有冷空氣進行補充，從而在腦海中構建出空氣對流的概念。

2.學生用材，彰顯思維

在模擬實驗教學中，我們指導學生運用模擬實驗方法去探究事物時，并不僅僅是為了獲得研究的結果，同時也應該引導學生認識模擬實驗的過程，培養學生自主設計、運用模擬實驗方法的能力。

在模擬風的形成這一教學環節中，我出示完整油桶嘗試讓學生親自設計，為降低難度，選擇兩步走，一是顯化風的流動路徑——安裝風扇，二是打破瓶子的密閉性——瓶身開孔。

案例：

師（手持油桶）：按照大家熱空氣上升的理論，瓶口的空氣會向哪流動？

生：向上。

師：能看到向上的風嗎？

生：不行，因為它是無形的。

師：誰能幻化無形為有形，讓我們看到呢？

生1：將手置于大瓶口上方來感受一下。

生2：在瓶口套輕薄塑料袋，塑料袋會飛。

生3：在瓶口飄紙，紙會抖動或向上飄動。

生4：在瓶口傾倒少許面粉，面粉會向上撒開。

生5：在瓶口安裝螺旋槳，槳會轉動。

在教師的提問中學生產生頭腦風暴，自由回答想出了各種方法，設計效果雖未能一一求證，也不一定是個個可行，但他們在經歷設計的過程中相信已經牢牢地構建起瓶內熱空氣會上升的概念，接下去只是求證而已。

師在瓶口安裝一枚小風扇，并通過視頻展示設計效果。

師：大家發現了什么？

生：紙槳沒轉。

師：怎么和我們的設想有出入呢？問題在哪？我們小組討論一下，看看有沒有辦法解決。

通過兩步走實驗設計，能有效降低學生的理解難度，幫助概念的梯度接受，實現瓶身開孔的設計創造。

生1：選擇大蠟燭，使空氣更熱，小風扇也許就能轉動了。

生2：小風扇可能太重了，可以嘗試用更輕的材質。

生3：可以在瓶身打孔，因為現在瓶子是密閉的，空氣向上之后就無法流動了。

當五花八門的方法呈現在他們面前時，學生毅然選擇了開孔，相信在經歷設計、失敗、選擇過程中將初步幫學生認識到冷空氣會向內補充的概念。

三、梯級研討——顯科學思維之形

在良好的實驗習慣中，科學研究的記錄是一項非常重要的內容，它既是學生親歷科學過程的印記，又是培養學生科學素養的重要載體，而研討交流則是對探究活動后的信息進行處理加工的過程。因此以學習單為載體，在探究過程中與同伴和老師交流，使個人的思維、同伴的思維在老師的引導下碰撞出智慧的火花。

1.觀察記錄，引發思維

為了使每個學生都參與到實驗記錄的過程中來，我要求人手一張記錄單，第一步，采用填空的方式抓住關鍵點，記錄觀察到的現象：捂住和不捂住小瓶口時風扇轉動和火苗擺動的情況；第二步用箭頭繪制瓶內空氣流動的路徑，在直觀體驗的基礎上進行初步分析和推理；第三步組內研討思考空氣流動的原因。通過如此梯度分層的記錄，基本上學生都能在有效的交流后正確認識到熱空氣上升后，冷空氣會從小瓶口補充進來，幫助學生初步建立起空氣在受熱情況下會流動起來。

2.交流研討，深化思維

實驗后的匯報交流不僅僅是學生對現象記錄的簡單闡述，而應該激勵學生勇于糾錯補充，并在教師的引導下逐步完善腦海中形成的科學概念。如：

生1：點燃蠟燭時，我們觀察到小風扇轉動，說明空氣向上流動，還觀察到蠟燭火焰向右飄動，說明空氣向瓶內流動。用手捂住小瓶口，小風扇停止轉動，蠟燭火焰恢復原狀，說明空氣停止了流動。我們認為瓶內空氣流動是因為冷空氣和熱空氣相互碰撞引起的。

師：有不同意見嗎？

生2補充：我覺得空氣流動不是冷熱空氣的互相碰撞，而是熱的空氣上升后，冷的空氣從瓶口補充進來。

師：大家同意誰的想法？

生：后者。

師：如果老師將蠟燭換成一個很熱很熱的燈泡，你覺得會產生相同的效果嗎？

在老師的引導下進行類比推理，深度思考空氣流動的原因。

生1：不會，燈泡不會像蠟燭火焰一樣冒熱氣。

生2：我覺得會，熱空氣不是火焰冒出來的，只要是熱源都可以加熱產生熱空氣，并且熱空氣上升后，冷空氣就會自動補充進來。

在學生的糾錯補充中逐步歸納總結出空氣流動的真正原因：溫差。

師：大家覺得有道理嗎？

生：有。

師：也就是瓶子內外只要存在冷熱溫差，便會造成瓶內空氣的流動。

師：熱空氣上升有冷空氣進行補充，那么冷空氣會不會用完呢？

生1：不會，冷空氣就是周圍的空氣，太多了。

生2：冷空氣進入瓶內較多，熱空氣向上出來后根本無法及時補充，最后會用完。

師：所以最后周圍的空氣都變成了熱空氣？

生：不是的，我覺得不會用完，熱空氣上升后會變成冷空氣，和周圍的冷空氣一起進行補充，如此循環起來，就會有源源不斷的風。

引導學生對形成的新概念進行深入思考，逐步邁向完整的科學概念。

3.比對原型，突破思維

教師的板書是開展于空間、表現為靜態、感之于視覺，以展知識的“核”而存在于黑板上的一種藝術。它是整個教學思路和內容的濃縮，也是課堂教學的重要環節，在風的形成這一課，我通過四次板書，及時捕捉學生生成的科學概念，將之突出標記來展現學生梯度形成的思維發展。第一步：通過演示熱氣球上升，形成熱空氣會上升的概念；第二步：模擬風的形成，蠟燭點燃后，發現瓶內熱空氣上升，冷空氣會補充；第三步：組間深入研討交流瓶外空氣流動的情況，發現熱空氣上升后會成為冷空氣下降補充，從而循環往復造成空氣流動形成風；第四步：把蠟燭換成太陽，從模擬逐步過渡到真實，引出自然風的形成。在四部曲的板書整理中，展現了學生思維梯度的發展軌跡，同樣在記錄、交流、梳理的整個過程中也幫助學生逐步構建起了完整的風形成的科學概念。

四、微課模擬——筑科學概念之城

通過風的模擬實驗，學生初步感知了風形成的過程，而要將其類比推移到自然界中，說出自然界的風是怎么形成的，卻并不那么容易。因此我在完成風的形成模擬實驗之后，設計加入了一段解釋自然風的微課視頻，簡單直觀。該微課的制作立足于學生的前概念，在他們掌握了風向概念的基礎上，結合本堂課所學的知識概念，讓學生能夠在腦海中建構起較為真實的空氣對流模型，從而輕而易舉地幫助學生解釋各種風向的成因，逐步從模擬走向真實。

總之，當用常規實驗探究的方法不能作用于研究對象時，當研究對象陌生、不直觀時，可以嘗試采用建立模型、模擬實驗的方法進行研究。學生在課堂中親歷模擬實驗的過程，在教師的引導下，通過分析、比較、歸納、判斷和推理，凸顯學生的科學思維，從而促成科學概念的建構，提升學生的科學素養。

參考文獻：

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編輯 李建軍