初中科學(xué)模型法教學(xué)實(shí)踐中模型構(gòu)建策略探究

浙江省杭州市余杭區(qū)海辰中學(xué) 邰倫軍

追溯科學(xué)發(fā)展歷史，很多重要的結(jié)論與規(guī)律都是科學(xué)家經(jīng)過(guò)猜想，構(gòu)建理想模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在模型與現(xiàn)實(shí)相符的基礎(chǔ)上獲得的。因而，在科學(xué)學(xué)科教與學(xué)的過(guò)程當(dāng)中，建模思想的滲透、建模型能力的培養(yǎng)可以使學(xué)生進(jìn)行體驗(yàn)性探索，并能領(lǐng)悟知識(shí)的形成過(guò)程。而在傳統(tǒng)課堂中，因課時(shí)有限，教師為了追趕教學(xué)進(jìn)度，會(huì)將重點(diǎn)放在課本理論知識(shí)的傳授上，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生建模思想存在點(diǎn)到即止的情況，使學(xué)生建模能力有所缺失。新課程背景下的課堂強(qiáng)調(diào)科學(xué)學(xué)科的教與學(xué)應(yīng)以科學(xué)探究為核心，以科學(xué)知識(shí)為載體，以科學(xué)方法為手段。那么，如何才能將模型構(gòu)建與課堂教學(xué)巧妙融合，達(dá)到課堂教學(xué)的有效落實(shí)和拓展學(xué)生思維的目標(biāo)，結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐，本文對(duì)此進(jìn)行了探析。

一、實(shí)驗(yàn)建模

教學(xué)中，一些較為抽象的科學(xué)理論若通過(guò)模型方式來(lái)呈現(xiàn)，會(huì)變得更加容易理解。教師作為課堂預(yù)設(shè)者，構(gòu)建適當(dāng)?shù)目茖W(xué)模型展開(kāi)教學(xué)，可以將原本看不到、摸不著的抽象內(nèi)容直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，幫助學(xué)生落實(shí)學(xué)習(xí)重點(diǎn)。學(xué)習(xí)者在認(rèn)識(shí)科學(xué)對(duì)象時(shí)，通過(guò)一定的觀察實(shí)驗(yàn)對(duì)所獲得的科學(xué)事實(shí)進(jìn)行初步概括后，利用想象、抽象、類(lèi)比等方法建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ蛠?lái)反映代替客觀對(duì)象，以揭示客觀對(duì)象的形態(tài)、特征和本質(zhì)，這個(gè)過(guò)程就是科學(xué)建模。學(xué)習(xí)者建構(gòu)的科學(xué)模型可以是實(shí)物模型，也可以是思維模型。在科學(xué)學(xué)科教與學(xué)的過(guò)程當(dāng)中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生從已有的知識(shí)基礎(chǔ)出發(fā)，通過(guò)親身體驗(yàn)將從身邊發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象和遇到的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為科學(xué)模型。同時(shí)借助建構(gòu)模型的平臺(tái)，適時(shí)滲透其他科學(xué)方法，達(dá)到發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新思維、提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的目的。

浙教版八上教材“氣體和液體的流速與壓強(qiáng)的關(guān)系”是教學(xué)重點(diǎn)，教師在教學(xué)中除了通過(guò)實(shí)驗(yàn)向?qū)W生展示流體流速與壓強(qiáng)的關(guān)系外，同時(shí)也介紹了該知識(shí)點(diǎn)在生活中的應(yīng)用。但對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，此內(nèi)容還是較為抽象，只能通過(guò)肉眼觀察到的現(xiàn)象推理得出氣體流速與壓強(qiáng)的關(guān)系，很難透過(guò)現(xiàn)象抓住與理論知識(shí)相契合的點(diǎn)。如果通過(guò)模型構(gòu)建，將其中的物理原理直觀動(dòng)態(tài)地展示給學(xué)生，讓學(xué)生可以清晰地觀察到液體流過(guò)內(nèi)徑變細(xì)的三通管時(shí)，杯中紅色液體在大氣壓作用下被壓入三通管下端的玻璃管中，這樣的模型構(gòu)建有利于學(xué)生透過(guò)現(xiàn)象理解科學(xué)本質(zhì)，從而落實(shí)教學(xué)重點(diǎn)。

二、活動(dòng)建模

新課程背景下的科學(xué)課堂強(qiáng)調(diào)將課堂還給學(xué)生，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，因而教師可以改變傳統(tǒng)“邊教邊學(xué)”的講授式的教學(xué)模式，對(duì)教材中的部分內(nèi)容采取“先學(xué)后教”的方式。在開(kāi)展課堂教學(xué)活動(dòng)前，讓學(xué)生對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行預(yù)先學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容有了初步認(rèn)識(shí)，然后通過(guò)教師引導(dǎo)使學(xué)生以獨(dú)立或者小組合作的方式自主構(gòu)建模型，在活動(dòng)中尋找問(wèn)題答案或者產(chǎn)生新的問(wèn)題。教師根據(jù)學(xué)生的建模探究活動(dòng)有針對(duì)性地開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，將課本理論知識(shí)與生活實(shí)際案例，以及學(xué)生構(gòu)建的模型相融合，幫助學(xué)生在活動(dòng)中拓展思維并突破學(xué)習(xí)難點(diǎn)。

如學(xué)習(xí)水的浮力時(shí)，學(xué)生對(duì)“影響浮力大小因素”雖有感性知識(shí)，但教材內(nèi)容比較抽象，學(xué)生難以順利建立浮力大小與液體密度和物體排開(kāi)液體體積之間的知識(shí)框架。因此，教師可以在課堂教學(xué)開(kāi)展之前從模型本身的特點(diǎn)先給予定義，引導(dǎo)學(xué)生用一張A4紙通過(guò)折疊自主建構(gòu)紙船承幣模型，在運(yùn)用中進(jìn)一步體會(huì)紙船浮力模型的內(nèi)涵。在不斷建構(gòu)模型的實(shí)踐過(guò)程中，學(xué)生圍繞紙船這一研究對(duì)象，觀察分析不同的船體結(jié)構(gòu)圖片模型并展開(kāi)模型設(shè)計(jì)，通過(guò)親身體驗(yàn)獲得實(shí)驗(yàn)事實(shí)或證據(jù)來(lái)理解這一知識(shí)難點(diǎn)。這樣的建模過(guò)程不僅激發(fā)了學(xué)生的探究欲望和創(chuàng)新思維，也鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手操作能力，提升了學(xué)生建構(gòu)模型解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

三、情境建模

科學(xué)教材整合性的特點(diǎn)決定了其中包含的很多知識(shí)點(diǎn)是相互聯(lián)系和緊密結(jié)合的。教師若能在教學(xué)中預(yù)設(shè)一定的教學(xué)情境，與學(xué)生一起利用已學(xué)科學(xué)知識(shí)建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ停瑢⑾嚓P(guān)聯(lián)的知識(shí)通過(guò)活動(dòng)有機(jī)融合，能夠有效促進(jìn)學(xué)生知識(shí)框架的建立和思維的拓展。

案例1：在學(xué)習(xí)“科學(xué)測(cè)量”有關(guān)溫度計(jì)內(nèi)容時(shí)，教師可以通過(guò)演示溫度計(jì)的使用，引導(dǎo)學(xué)生細(xì)心觀察溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)和原理，進(jìn)而組織學(xué)生利用玻璃藥劑瓶和吸管等生活材料自制溫度計(jì)。在構(gòu)建溫度計(jì)模型過(guò)程中，學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維得到進(jìn)一步發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，教師還可以進(jìn)一步利用溫度計(jì)模型進(jìn)行知識(shí)拓展，結(jié)合氣壓計(jì)原理嘗試建構(gòu)氣壓計(jì)模型：用吸管向瓶中吹氣，增大瓶?jī)?nèi)氣壓，吸管內(nèi)形成一段液柱，得到氣壓計(jì)模型，以此激發(fā)學(xué)生對(duì)溫度和壓強(qiáng)知識(shí)之間的聯(lián)系，以及兩種測(cè)量?jī)x器工作原理的更深層次思考，達(dá)到拓展思維的目的。

案例2：學(xué)習(xí)浮力知識(shí)應(yīng)用時(shí)，教師可以利用引發(fā)諸多網(wǎng)友評(píng)論的某省高考語(yǔ)文作文題引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建思維模型——小鳥(niǎo)僅靠一截樹(shù)枝飛越太平洋，飛行時(shí)銜著樹(shù)枝，休息時(shí)將其扔到海面上，并落到上面休息。這是真的嗎？通個(gè)這樣的生活背景，激發(fā)學(xué)生的探究欲望，師生結(jié)合學(xué)習(xí)過(guò)的浮力概念及物體沉浮條件，共同探討建構(gòu)基于物理公式的抽象模型。最后，通過(guò)分析推理得出數(shù)據(jù)：80g的小鳥(niǎo)至少需要銜起133—400立方厘米的樹(shù)枝，120g的小鳥(niǎo)至少需要銜起200—600立方厘米的樹(shù)枝……從而推翻了“小鳥(niǎo)銜枝飛越太平洋”故事的真實(shí)性。

四、趣味建模

科學(xué)對(duì)于部分學(xué)生來(lái)說(shuō)，難在其抽象性，難在其本質(zhì)之深藏不露的特點(diǎn)。透過(guò)現(xiàn)象將其本質(zhì)挖掘出來(lái)，學(xué)生會(huì)有“恍然大悟”之感。因此，教師要善于挖掘，將教材中的內(nèi)容分類(lèi)歸納，引導(dǎo)學(xué)生去其抽象外表，將知識(shí)點(diǎn)形象直觀地表現(xiàn)出來(lái)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

如七年級(jí)上冊(cè)“地形與地形圖”教學(xué)中，教材介紹篇幅比較簡(jiǎn)短，但要求學(xué)生記住并能說(shuō)出地形類(lèi)型和特點(diǎn)，內(nèi)容較為枯燥乏味。教師可以結(jié)合《最強(qiáng)大腦》第四季“南海風(fēng)云”比賽中，選手在空中用手迅速建構(gòu)簡(jiǎn)單圖形模型來(lái)強(qiáng)化記憶的方式激發(fā)學(xué)生興趣，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)觀察實(shí)景圖或?qū)嵨锬Ｐ妥プ〉匦蔚年P(guān)鍵特點(diǎn)，用簡(jiǎn)單筆畫(huà)勾勒出地形模型。這種簡(jiǎn)單而直觀的表達(dá)方式，比語(yǔ)言和文字更形象，比實(shí)物和標(biāo)本更靈活，借助簡(jiǎn)單描繪能使靈動(dòng)場(chǎng)景從呆板概念中抽象而出，不僅能使學(xué)生的神經(jīng)系統(tǒng)處于興奮狀態(tài)，有利于知識(shí)在大腦中的儲(chǔ)存，也為學(xué)生搭建了具體事物與抽象模型之間的探究平臺(tái)。這種簡(jiǎn)易立體的模型可以降低學(xué)習(xí)難度，使學(xué)生產(chǎn)生興趣，開(kāi)發(fā)學(xué)生的記憶功能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，從而使學(xué)生對(duì)科學(xué)學(xué)科從被動(dòng)接受到主動(dòng)探索，從消極聽(tīng)課到積極動(dòng)手動(dòng)腦，為學(xué)生創(chuàng)造出良好輕松的學(xué)習(xí)氛圍。

五、形象建模

以圖像或具體物品形式展示研究對(duì)象，最顯著的特征就是形象直觀。在教學(xué)中，教師在展示模型和引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)模型的過(guò)程中均要體現(xiàn)這種思想，以促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，引導(dǎo)學(xué)生拓展思維，領(lǐng)會(huì)科學(xué)方法。同時(shí)，教師在引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)科學(xué)模型的過(guò)程中，還要強(qiáng)調(diào)構(gòu)建模型必須建立在以客觀事實(shí)為依據(jù)的基礎(chǔ)上，去繁化簡(jiǎn)，刪偽留真。在建模之前，首先要通過(guò)觀察、實(shí)驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、查閱資料等方法了解研究對(duì)象的特點(diǎn)，然后選擇合適的材料，討論恰當(dāng)?shù)恼故拘问?。在建模過(guò)程中，要凸顯由簡(jiǎn)到繁、由大而小、由外及內(nèi)、由輪廓至細(xì)節(jié)的規(guī)律，逐步建構(gòu)。初步建立模型之后，對(duì)模型的科學(xué)性要進(jìn)一步審核，并進(jìn)行相應(yīng)完善，以達(dá)到能形象客觀地反映研究對(duì)象特點(diǎn)的目標(biāo)。

八年級(jí)下冊(cè)“氣體交換內(nèi)容”教學(xué)，需要以推理、聯(lián)想、分析、判斷等思維過(guò)程作為基礎(chǔ)，而八年級(jí)學(xué)生的心理特點(diǎn)以形象思維為主，對(duì)氣體交換原理難以理解。若取部分礦泉水瓶模擬胸腔壁，以吸管模擬氣管和支氣管，氣球模擬左右肺，橡皮膜模擬橫膈膜建構(gòu)呼吸結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)牽拉橡皮膜模擬橫膈膜的運(yùn)動(dòng)，使研究對(duì)象更加生動(dòng)形象，便于學(xué)生理解人體呼吸與胸腔容積之間的關(guān)系。這樣既鍛煉了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐建模的能力，也達(dá)到了引導(dǎo)學(xué)生靈活應(yīng)用模型方法積聚知識(shí)的目的，從而提升學(xué)生的綜合科學(xué)素養(yǎng)。

六、結(jié)構(gòu)建模

在科學(xué)探究過(guò)程中，所研究的對(duì)象往往呈現(xiàn)出多層次、多要素、多變化為一體的特點(diǎn)，因此可以對(duì)它進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，抓住其關(guān)鍵特點(diǎn)，也可以通過(guò)歸納的方法體現(xiàn)對(duì)象本質(zhì)完成建模。用語(yǔ)言表述或文本描述的形式，歸納研究對(duì)象實(shí)質(zhì)特點(diǎn)的概念模型就是比較典型的代表之一，例如科學(xué)知識(shí)的相關(guān)概念、由相互聯(lián)系的不同概念形成的概念圖、對(duì)某一復(fù)雜過(guò)程的示意圖等都屬于概念模型的類(lèi)型。建立概念模型，可以使學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解進(jìn)一步深化，并能清晰地建立各知識(shí)點(diǎn)之間的區(qū)別聯(lián)系，使知識(shí)結(jié)構(gòu)化，從而促使學(xué)生的歸納和表達(dá)能力得到提升。如人體免疫反應(yīng)是一個(gè)比較抽象的教學(xué)內(nèi)容，教師可以將生活現(xiàn)象和課本知識(shí)融合，建立過(guò)敏反應(yīng)機(jī)理概念模型，直觀呈現(xiàn)知識(shí)概要，從而解決教學(xué)難點(diǎn)。

七、材料建模

構(gòu)建科學(xué)模型其實(shí)質(zhì)是一種創(chuàng)新活動(dòng)，一般流程可以概括如下：觀察研究對(duì)象，大膽猜想；選擇合適材料，精準(zhǔn)測(cè)量；修正優(yōu)化模型，開(kāi)展探究。

（一）生活材料建模

生活中的很多物品都是建構(gòu)模型的理想材料，好作品是靈感與生活的結(jié)合。在建構(gòu)科學(xué)模型時(shí)，可以開(kāi)發(fā)利用學(xué)生身邊熟悉的材料，展開(kāi)探究活動(dòng)，這樣更能激發(fā)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，如蔬菜、水果、玩具、廢舊物品等生活材料都可以加以利用。如在學(xué)習(xí)杠桿內(nèi)容時(shí)，學(xué)生難以將生活實(shí)際問(wèn)題與杠桿平衡條件建立聯(lián)系，遇到“分簪問(wèn)題”：“老嫗留一金簪，二女分爭(zhēng)，阿舅用線平懸，懸處分簪兩不怨?！边@樣的分法真的公平嗎？教師可以在課前結(jié)合生活情境，布置探究任務(wù)，讓學(xué)生利用生活材料——胡蘿卜、細(xì)線等代替簪子來(lái)構(gòu)建模型展開(kāi)探究，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

學(xué)生通過(guò)小組合作的形式展開(kāi)活動(dòng)，嘗試將粗細(xì)不均的胡蘿卜用細(xì)線拴住不同部位并懸掛，直至胡蘿卜能在水平方向靜止懸掛。此時(shí)，沿豎直方向?qū)⒑}卜在系線點(diǎn)分割成AB兩部分，并用托盤(pán)天平稱(chēng)量驗(yàn)證，在充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性之后提出杠桿平衡原理，進(jìn)而通過(guò)杠桿平衡的學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步鞏固落實(shí)，引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展探究活動(dòng)，歸納得出結(jié)論：杠桿平衡的前提條件是——“F1×L1=F2×L2”。這種結(jié)合生活材料的建?；顒?dòng)，能夠讓學(xué)生感受到科學(xué)的神奇，原來(lái)生活中信手拈來(lái)的材料也可以是研究科學(xué)的素材。同時(shí)，這樣的課堂設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)具有層進(jìn)性，將生活場(chǎng)景引入課堂，連接了課堂內(nèi)外，讓學(xué)生感受到來(lái)自生活的科學(xué)，是學(xué)生玩得轉(zhuǎn)的科學(xué)，也讓整個(gè)活動(dòng)環(huán)環(huán)相扣，節(jié)奏緊湊，讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性的實(shí)質(zhì)。

（二）身體材料為模

身體對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)是最為熟悉的部分，對(duì)處于青春期的中學(xué)生來(lái)說(shuō)，無(wú)論是從生理上還是心理上，身體器官對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，都是神奇而急于探索的。如在學(xué)習(xí)人體構(gòu)造知識(shí)時(shí)，我們可以引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)、觀察身體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，然后通過(guò)小組合作，以團(tuán)隊(duì)的形式在其上繪制肌肉、骨骼、內(nèi)臟器官。實(shí)際上就是模仿自己的身體建模，展開(kāi)科學(xué)研究。整個(gè)活動(dòng)中，我們還可以引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)比較所繪制的器官位置、形狀、大小的準(zhǔn)確性，并不斷修正，通過(guò)這樣的建模活動(dòng)讓學(xué)生領(lǐng)悟建模不能憑主觀臆斷隨意建構(gòu)，而是要真實(shí)客觀地反映對(duì)象，并且模型需要不斷完善，最終向真實(shí)科學(xué)靠近的建模思想。

總而言之，注重引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成建構(gòu)科學(xué)模型開(kāi)展科學(xué)探究的良好習(xí)慣，不僅能使學(xué)生真實(shí)地了解自己內(nèi)心的需求，產(chǎn)生積極的動(dòng)力，促進(jìn)對(duì)科學(xué)概念的理解，養(yǎng)成主動(dòng)發(fā)現(xiàn)、思考和處理生活中出現(xiàn)的科學(xué)問(wèn)題的良好習(xí)慣。教師還可以在建模過(guò)程當(dāng)中，潛移默化地滲透和整合其他科學(xué)方法，讓學(xué)生擺脫傳統(tǒng)教育思想的束縛，學(xué)會(huì)用腦思考、用身體探索，愿意主動(dòng)尋求答案，嘗試合作，不斷創(chuàng)新，從而提高學(xué)生的綜合科學(xué)素養(yǎng)。