模型法在初中科學教學中的應用例談

童建鶴

[摘要]模型法是初中科學教學中用于簡化問題、解決問題的常見方法。科學課程中涉及大量抽象的概念和理論，模型法的運用有利于將隱藏在復雜現象中的規律以更加直觀的方式呈現出來，能夠有效加深學生的理解。在初中科學教學中，教師應將模型法應用到科學教學的各個環節中，以不斷提高科學教學的質量。

[關鍵詞]模型法；初中科學教學；概念模型；物理模型；數學模型

[中圖分類號]G633.98[文獻標識碼]A[文章編號]16746058（2018）08008702

錢學森先生曾經說過：“人認識世界的過程像小孩子一樣，是從形象思維開始的，而不是抽象思維。”由此可見，人更容易接受形象的、直觀的東西。初中階段，學生大腦處于發育的關鍵時期，也是形象思維向抽象思維發展的過渡時期。如果在科學教學的過程中，為學生搭建一個形象思維和抽象思維互相轉換的橋梁，則能更有利于學生厘清知識脈絡，探尋知識的內在規律。在初中科學課堂上，教師經常會用到模型，如牛頓第一定律如果忽略外力作用就是一個相對理想的模型；光線、杠桿、磁感線等內容的學習也會經常將研究對象設置為直觀模型。因此，在初中科學課堂教學中，教師更應重視建模，將模型法應用到教學的各個環節中。

一、模型的分類

所謂模型，通常有概念模型、數學模型和物理模型三種形式。概念模型，就是以文字的形式來表述事物之間的聯系與本質的模型。概念模型的構建能夠促進學生對所學知識進行結構化整理和歸納總結，提高學生的語言表述和綜合概括能力。

例如，八年級下冊《原子結構模型》中的盧瑟福模型，我們的目標是了解黑箱方法，并依據輸出信息構建原子結構模型，如圖1所示。

具體的教學步驟為：先讓紅外線水平射入空箱，觀察箱壁上光斑的數量，再在箱內懸掛實體的大小球，讓紅外線光束射向黑箱，再觀察光斑數量并測算內球的大小。在這一過程中，教師可以借助微視頻向學生介紹盧瑟福粒子散射實驗的操作流程，幫助學生分辨輸入信息和輸出信息，并推斷金原子中有一個帶正電的極小極重的中心體原子核，從而建立概念模型。這一過程不僅能讓學生將實驗與模型相結合，還能使學生成為模型的主動構建者，有效提高學生的自主學習能力。

數學模型指的是用來描述一個系統及其性質的數學形式，多應用于速度計算、歐姆定律、血糖變化以及阿基米德原理等內容中。初中科學教學中的數學模型一般分為兩類，一是坐標系模型，二是數學公式類模型。前者多用于表示某因素與某個量之間的變化關系。

例如，溶解度教學中，坐標系表示的是溫度變化對物質溶解度的影響，如圖2所示。

從圖2中，我們可以清楚地看到，較之氯化鈉，碳酸鈉的溶解度受溫度的影響比較大，結晶時氯化鈉只能用蒸發溶劑的方法，而碳酸鈉除此之外還可以用冷卻熱飽和溶液的方法。這也是人們為什么冬天撈堿夏天曬鹽的原因。建立數學模型的一般步驟為：觀察研究對象，提出問題—做出合理假設—根據實驗數據用數學形式對事物性質進行描述—通過進一步實驗或觀察等對模型進行檢驗和修正。

物理模型就是在解決問題的過程中，忽視非本質的因素，強調本質的特征，從而對物理過程進行簡化的模型。具體步驟為：明確研究對象—分析環境，建立物理環境—分析對象在物理環境中的運動規律。同時，也可以建立類比或等效變換模型，這樣有利于學生求同思維的發展。學生理解模型后就會在以后的學習中靈活運用，進而達到舉一反三、觸類旁通的目的。

二、模型法的應用

下面，我們以具體的教學環節為例，對模型法在初中科學教學中的應用進行分析。

1.概念模型的應用

科學教學中，概念是一個較為抽象的屬性，能夠反映客觀的、本質的內容，如果學生在學習的過程中沒有感性認知做基礎，則可能會導致理解錯誤或思維障礙。建立概念模型則很好地解決了這一問題，它能抓住影響事物發展的主要因素，加入對比、分析、綜合、實驗等方式，將抽象的概念與人腦中存在的事物聯系起來，使學生的理解更加清晰和透徹。

例如，在教學液體浮力相關內容時，由于液體浮力大小的測量、沉浮條件等概念理解起來較為抽象，無形中增加了學生的學習難度。因此，教師引導學生建立液體浮力概念模型顯得十分必要。

在教學中

教師可精心設置問題，通過提問建立相關科學圖景，還可利用相關容器和材料進行引題，通過鹽水和雞蛋來演示浮力實驗，引導學生通過多種方法計算浮力大小。通過實際操作，小組討論，構建相應的概念模型，最終學生深刻理解了“浸入液體中的物體所受到的浮力等于它排開液體受到的重力”這一本質內涵。

2.數學模型的應用

初中科學課程中涉及很多定律、原理、假說以及法則等，這些內容都比較抽象，學生理解起來有些困難，建立數學模型能夠有效降低學習難度。

例如，在學習“質量守恒定律”時，需要構建數學等式模型進行解題，如“某有機物R在足量氧氣中完全燃燒后的化學方程式如下：2R+13O2=8CO2+10H2O，根據質量守恒定律，求R的化學式。”質量守恒定律是指參加化學反應的各物質的原子，重新組合形成其他物質，反應前后物質的原子種類和數目沒有改變。因此，在解答上述例題時，考慮到等式右邊O原子為26個，C原子為8個，H原子為20個，而等式左邊需要同樣數量的相同原子，結合數學模型計算可知，R為C4H10。

又如，學習金屬與酸反應的相關知識時，往往需要構建數學坐標模型，研究相關圖像，進而發現規律解決問題，如“等質量的鎂、鐵、鋅與相同質量分數的足量的稀硫酸反應，請在圖像的曲線上標出鎂、鐵、鋅。”在進行解題時，需要考慮到每條曲線中，斜線越陡，說明單位時間內產生的氫氣多，反應快，金屬活動性越強。等質量的不同金屬與足量酸反應，化合價相同時，“人小志氣大”。在明確相關知識的后，結合數學模型，可明確圖像揭示的規律，如圖3所示。

再如，學習有關溶液的pH值與溶液的關系時，往往涉及數學模型的構建，此時必須明確數學模型的相關特點。如NaOH溶液中不斷加入稀硫酸，請判斷溶液pH隨加入試劑的體積變化而變化的關系。由于NaOH為

堿性溶液，稀硫酸為酸性溶液，隨著稀硫酸的加入，溶液的酸堿性由堿性逐漸轉向酸性，pH值逐漸下降。以橫軸表示加入試劑的體積，縱坐標表示溶液的pH值，建立坐標系。可見，圖像應呈下降的趨勢，開始時pH值逐漸趨向7，并且在稀硫酸加到一定體積后，pH值小于7，由此便可以確定圖像，如圖4所示。

3.物理模型的應用

物理模型的建立蘊含著豐富的內涵。在科學教學中，我們不僅要讓學生理解基本概念和基本規律，更重要的是引導他們分析問題，善于從材料中提取信息，實現對已有知識的遷移。

例如，一根勁度系數為k的彈簧，將其一端固定在墻面，而另一端連著質量為m的物體，該物體靜止于光滑水平面的O點上，現有一個質量為M的子彈以水平速度v射入且留在物體中，那么最少需要多久物體達到O點？在此過程中，我們要忽視子彈的轉動，將子彈視為平行射入，從而建立質點系統模型。然后，選取子彈、物體和彈簧為研究對象，忽略空氣阻力等因素，建立彈簧振子模型，根據機械能守恒，可求得研究對象的動能，進而解決問題。至此，模型得以建立，所有問題也就迎刃而解。

綜上所述，模型法對于初中科學教學來說，是一種較為高效的教學方法，有利于學生提取主要信息進行對比、假設和分析，從而化抽象為具體，促進學生理解知識，解決問題。要想使初中科學教學取得理想的效果，教師要引導學生構建各種各樣的模型。學生通過構建模型能更加清晰直觀地了解事物的本質，從而提高學習效率。

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（特約編輯安平）