更好地發揮模型實驗的育人功能

◇韓 慧（北京：北京市大興區教師進修學校）

小學科學模型實驗具有發展學生建構模型意識和能力的重要作用。在2022 版《義務教育科學課程標準》中，模型建構是科學課程要培養的核心素養之科學思維的重要內容。在目前常態化的小學科學模型實驗教學中，存在教師用模型講知識、忽視學生主動建構模型過程的現象。教師需要深入理解模型實驗研究方法的本質和內涵，結合小學生的認知特點，梳理模型實驗教學設計的思路。

一、小學科學模型實驗內涵及育人功能

（一）小學科學模型實驗內涵

模型實驗是科學實驗的一個重要類型，是小學科學實驗教學中經常引導學生采用的探究問題的方法。模型實驗不是對某些客體或自然現象本身進行實驗觀察，而是先設計與該客體或自然現象相似的模型，用它們模擬原型，再通過對模型的實驗觀察來間接研究原型的性質和特點。

小學科學課中包含大量的模型實驗。在小學科學實驗中遇到因受客觀條件限制而無法對某些自然現象進行直接實驗時，便尋求間接實驗的方法，設計與該自然現象或過程（稱作原型）相似的模型，然后通過模型間接地研究原型的規律性。模型實驗在小學科學課不同領域均有涉及，尤其是地球與宇宙科學領域，因其研究對象時空范圍較大，生命科學領域研究對象復雜，難以對實際的研究對象進行實驗，所以只能先建立模型，然后在模型的基礎上進行實驗。比如，日食、晝夜交替、四季變化、消化系統工作過程等實驗內容。

（二）小學科學模型實驗的育人功能

模型實驗學習過程需要學生經歷建構模型的過程，因此小學科學模型實驗具有發展學生建構模型意識和能力的重要作用，利于學生用科學觀點系統認識世界，具有獨特的育人功能。模型建構體現在以經驗事實為基礎，對客觀事物進行抽象和概括，進而建構模型。因此模型實驗需對客觀事物進行抽象和概括，但是小學生處于具體運算認知階段，學生抽象邏輯思維需要實物支撐，所以模型實驗時必須建構實體模型，支撐學生進行抽象和概括等思維活動。

學生自主選擇材料建構實體模型的過程，就是鍛煉建構模型能力的過程。這個過程需要學生提前在自己的大腦中形成抽象的模型，明確模型要素的本質特征及要素之間的關聯，然后物化為實體模型。學生自主選擇材料，搭建實體模型，能體現學生自己對問題或現象本質特征及要素關聯的理解。

二、小學科學模型實驗教學現狀

在目前小學科學模型實驗課上，大部分教師直接利用實體模型講解知識，忽視學生積極主動思考，未能開展促進學生積極思考的思維型探究和實踐，錯過了培養學生建構和應用模型的機會，學生建構模型的意識和能力水平較低。

（一）教師的模型實驗教學

為調研小學科學模型實驗教學現狀，我觀看了本區《風的形成》《晝夜交替》《呼吸》《日食》等二十余節常態課例，發現目前小學科學教師面對模型實驗教學內容，更多的是直接利用實體模型給學生講解原型，而忽略了指導或引導學生自主建構模型、應用模型的過程。課堂中缺乏從模型研究結論回歸原型問題的類比推理分析過程，學生缺乏利用建構模型解決問題的意識。

大部分教師對于模型實驗教學內容的教學理念及教學方法不恰當，沒站在學生學習主體的立場進行設計，學生不能親身經歷建構模型及應用模型的過程，所以學生建構模型的意識和能力不能得到有效培養。

（二）學生在模型實驗方面的表現

在對全區進行學生科學實驗探究能力調研中發現，學生建構實體模型解決問題的意識較弱，存在動手不動腦的問題，不會思考。學生的模型思維水平較低，會操作，但是不知道為什么這樣做，在實驗學習中沒有學習到建構模型的思維方法。調研中，在模型實驗探究實踐時，大部分學生只是在介紹模型的結構，沒有關注模型結構元素之間的關系，未能利用模型結論解釋原型現象或過程，缺乏利用模型探究原型問題的意識。

三、小學科學模型實驗教學建議

為了增強學生在模型實驗中的思維能力，促使學生在科學實驗學習中手腦并用，開展思維型探究實踐，提出如下教學建議。

（一）在真實情境中激發解決問題的需求，引導學生主動建構模型

教師引導學生深入分析原型中的問題，基于真實的問題情境，引發認知沖突，激發學生主動建構模型的需求。比如，在《八顆行星》一課中，教師首先給學生原型的相關資料，學生在認識原型的過程中，即對八顆行星的資料進行分析時，發現資料中的圖并不能真實反映八顆行星的相對位置，引發了學生建構八顆行星相對位置模型的需求。

師：剛才有學生說這張圖片中的行星間距和數據不一致，就是說它不能真實地反映八顆行星相對位置關系，誰能來具體說一下呢？

生：數據表中木星距離太陽是火星距離太陽的3～4倍，與圖片展示有出入；海王星的距離是天王星的一倍還多，但是圖上并不是。

師：如果你想直觀感受八顆行星的相對位置，你可以怎么做呢？

生：根據數據制作一個模型。

師：我們將數據與圖片信息進行對比，可以看出圖片中八顆行星相對于太陽的順序是正確的，但是你們也發現了，圖片上的行星是等距離分布的，而科學家觀測出的數據不是這樣的，說明圖片不符合客觀事實。如果我們想真實地感受八顆行星的相對位置，需要建構一個與事實相匹配的模型，即八顆行星的相對位置模型。

教師需要激發學生建模需求，引導學生主動建構模型，不能因為小學生的抽象概括能力有限，而直接略過建構模型的過程。比如，在一些課堂中可見教師直接出示實體模型，然后利用模型直接講解知識，沒有引導學生主動建構模型，這樣就難以培養學生的建模意識和能力。所以教師需要激發學生主動建構模型的意識，用以解決問題。這樣學生才能主動思考如何建構模型解決問題，提升建構模型的意識和能力。

（二）在小學科學模型實驗中，引導學生自主建構實體模型

學生自主選擇材料，搭建實體模型的過程，能體現學生對問題或現象本質特征及要素關聯的理解。

比如，在消化系統工作模型實驗中，教師給學生準備了多樣的管，供學生選擇，用以模擬消化器官。教師準備的管顏色不同，有直的和彎的、透明的和不透明的、質地硬的和質地軟的、比較粗的和比較細的。學生選擇材料的過程體現了學生是否理解問題的本質，是否明確指向問題的結構要素本質特征，即指向消化器官在消化系統中功能的主要特征。顏色、透明度、粗細等并不是影響其功能的最主要特征，影響消化功能——蠕動的最主要特征是質地柔軟。透明是為了方便我們觀察蠕動過程。

師：你為什么選擇這個材料模擬消化系統中的？

生：因為它的形狀、軟硬度與消化器官很像，這個管比較軟，所以能實現蠕動，利于食物往下走。

建構實體模型的過程能夠直觀體現學生從原型到模型的抽象概括過程。這個過程訓練的是學生針對原型中的問題，抓住主要因素排除次要因素的能力，然后把這些因素組成系統模型。比如，在上述模型實驗過程中，學生應抓住與消化器官的蠕動功能關聯最緊密的因素，因為它指向了我們的研究問題：消化系統是如何工作的。所以引導學生自主建構實體模型，利于培養學生的模型思維。

（三）在小學科學模型實驗中，利用實體模型進行實驗探究

學生建構了實體模型后，需要利用實體模型探究自己對研究問題的預期分析，利用實體模型進行控制變量，改變影響問題的因素，觀察實驗效果，而不是搭建完了就結束，或者僅僅是展示模型，利用靜態實體模型解釋原型是什么樣子。

比如，在晝夜交替模型實驗中，學生明確了模型的結構要素：地球和太陽；明確了要素的主要特征：地球不發光、自轉，太陽自身發光，光線基本是平行光。課堂中學生針對地球公轉這個特征是否保留，出現了不同意見，所以出現了不同的模型實驗探究。學生在實體模型的基礎上進行實驗，驗證自己的假設。A 組學生假設：地球自轉引起晝夜交替，學生讓地球自轉和不自轉，看看是否出現晝夜交替，控制變量是自轉因素。B 組學生假設：推測自轉或公轉引起晝夜交替，所以就要利用模型分別嘗試自轉、公轉，推測哪種更符合客觀事實，最終驗證自己的假設，形成合理解釋。

上面兩個組建構的實體模型要素一樣，但是要素的特征不同，抽象的結果不同，所以建構的模型不同。在這個模型基礎上進行探究，利用實體模型分別嘗試自轉、公轉，推測哪種情況更符合客觀事實。所以學生需要用建構的實體模型來探究問題，驗證假設，形成對問題的合理解釋。

（四）利用實體模型的研究結論，解釋原型中的問題

學生用實體模型進行實驗探究后，對實體模型中的現象能夠進行解釋，形成結論。但這僅是針對實體模型中現象的解釋，教師需要引導學生對應分析原型中的問題。這是類比推理的過程，學生需要明確類比的兩個情境結構要素相似之處及區別，這樣才能對原型中的問題做出合理的解釋。

比如，《風的成因》一課，教師創設了真實情境，引發學生思考大自然中風的成因。學生在經歷了對原型的認識和對問題的分析后，建立了抽象模型，制作了實體模型，明確了利用實體模型進行探究實驗的思路，并進行了小組探究活動。

在小組活動中，學生觀察到明顯的實驗現象并對現象做出解釋。點燃蠟燭時，蠟燭上方的風葉輪轉動起來表明空氣向上流動，箱內有煙霧水平方向流動，表明外面的冷空氣會向熱的地方水平方向流動，熄滅蠟燭后，箱內的煙霧不在水平方向流動。這說明冷熱不均引起空氣流動，形成風。有的教師在此環節后開始強化概念：空氣流動形成風。并沒回應本節課的起始問題：大自然中的風是如何形成的？在實體模型實驗探究后，教師應引導學生利用上述結論解釋原型中的問題。比如，教師可以出示簡單的海陸風的圖片，引導學生利用結論解釋該現象。

模型實驗研究的問題是原型中的問題，所以利用實體模型探究結束后，需要利用探究結果類比推理解釋原型中的問題。需要注意的是，這個過程是或然性推理過程，因為實體模型和原型是不可能完全一樣的，所以并不能根據實體模型研究結果，針對原型中的問題做出必然性推理判斷。

在小學科學模型實驗教學中，教師應創設真實的問題情境，激發學生建構模型的需求，引導學生主動建構實體模型，利用實體模型進行自主探究，利用結論解釋原型中的問題，促進學生開展思維型模型探究實踐，提升小學生建構模型的意識和能力，更好地發揮模型實驗的育人功能。