模擬實驗在科學教學中的應用研究

賴鳳林

［摘 要］模擬實驗是科學實驗的重要組成部分，有利于對微觀、超宏觀事物以及人體內部結構等內容的研究。在小學科學教學中，模擬實驗的落實存在著一些問題。以掌握模擬實驗的知識為基礎，結合教學內容，對不同類型的模擬實驗進行實踐，由此提煉出的“3W+D”思考模型，能夠有效促進學生對模擬實驗的理解、設計、分析、思考，讓模擬實驗有效助力學生科學核心素養(yǎng)的提升。

［關鍵詞］科學課程；模擬實驗；“3W+D”思考模型

［中圖分類號］ G623.6 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1007-9068（2023）21-0081-03

新課程理念指出，科學學習要以科學探究為核心，以培養(yǎng)科學素養(yǎng)為要務。科學實驗無疑是培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)的重要載體，其中模擬實驗占據著非常重要的位置。模擬實驗是指當無法對研究對象進行實驗時，在人為控制研究對象的條件下進行觀察，模仿實驗的某些條件進行的實驗。模擬實驗是直接實驗的必要性擴充，有利于對微觀、超宏觀事物以及人體內部結構等內容的研究。

然而，在實際教學中，模擬實驗的落實存在很多問題，如學生對原型和模型之間的關系理解不到位、對模擬實驗的設計思路不清晰、難以構建和形成概念等。為了解決這些問題，教師要掌握模擬實驗的基礎知識，包括其作用和分類；要結合教學內容，對不同類型的模擬實驗進行實踐；要在實踐的基礎上歸納模擬實驗的思考模型，促進學生對模擬實驗的理解、分析、思考和掌握，讓模擬實驗的助學價值在小學科學教學中得到充分發(fā)揮。

一、模擬實驗的作用及分類

1.模擬實驗的作用

小學科學課程具有基礎性、實踐性和綜合性等特點。教師要基于立德樹人的要求培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)，為學生的繼續(xù)學習和終身發(fā)展打好基礎。由于科學實驗內容多、涉及范圍廣、跨度大，使得部分科學實驗難以在課堂上呈現(xiàn)。當無法直接進行實驗時，模擬實驗就成了很好的教學手段，能在一定程度上模擬真實的實驗過程，以便學生進行進一步探究。因此，模擬實驗是直接實驗的必要性擴充，有利于學生對微觀、超宏觀事物以及人體內部結構等科學內容的學習和研究。

2.模擬實驗的分類

按需要模擬的研究對象的內容進行分類，可以將模擬實驗大致分為三類：事物形成原因模擬實驗（下文簡稱為“成因模擬實驗”）、運動變化過程模擬實驗（下文簡稱為“運動模擬實驗”）、事物內部結構及工作原理模擬實驗（下文簡稱為“原理模擬實驗”）。成因模擬實驗主要是對事物形成原因的模擬，比如月球環(huán)形山的形成、雨水對土地的侵蝕、河流對土地的作用等。運動模擬實驗主要是對事物的運動變化過程進行模擬，比如月相的變化、地球的運動規(guī)律、晝夜交替變化等。原理模擬實驗主要是對事物內部結構及其工作原理的模擬，比如我們的耳朵是怎么聽到聲音的、我們是怎么呼吸的、我們是怎么消化食物的，等等。

二、模擬實驗在小學科學教學中的實踐

在科學教學中應用模擬實驗，筆者認為可通過“3W+D”思考模型來厘清模擬實驗的思路，即“What”——用什么來模擬什么；“How”——如何進行模擬；“Why”——為什么要這樣模擬；“Discover”——在模擬實驗中的發(fā)現(xiàn)。

下面分別就成因模擬實驗、運動模擬實驗和原理模擬實驗三個類型進行教學實踐。

1.成因模擬實驗

以教科版科學教材五年級上冊《火山噴發(fā)的成因及作用》一課為例。學生基于教材中的文字、圖片，對火山噴發(fā)這一自然現(xiàn)象有了一定的了解，但這些了解多停留在感性認識的層面，較為淺顯，未能認識到火山噴發(fā)這種地質作用形成的原因，未能透過形成原因對其影響進行深入挖掘。基于這樣的認知背景，筆者通過火山噴發(fā)模擬實驗來幫助學生了解這種地質作用形成的原因，結合模擬實驗的“3W+D”思考模型展開教學（見表1）。

在這個模擬實驗中，學生將實驗材料、實驗過程和自然現(xiàn)象關聯(lián)起來，從而通過模擬實驗，認識到自然現(xiàn)象形成的原因。

2.運動模擬實驗

以教科版科學教材六年級上冊《晝夜交替現(xiàn)象》為例。晝夜交替現(xiàn)象是我們再熟悉不過的現(xiàn)象，但太陽和地球是如何運動才形成了這一現(xiàn)象，是很多學生的困惑。教學本課時，筆者先讓學生提出自己的看法，然后通過模擬實驗來驗證學生的猜測是否正確，最后通過討論交流，推動學生形成正確的認知。結合模擬實驗的“3W+D”思考模型，開展晝夜交替現(xiàn)象模擬實驗（見表2）。

3.原理模擬實驗

以教科版科學教材四年級上冊《感受我們的呼吸》為例。本課需要學生了解參與呼吸的器官及它們的工作過程。由于我們無法直接觀察身體內部器官的工作，于是筆者先讓學生體驗呼氣和吸氣時人體胸部和腹部的變化，再引導學生通過簡易人體呼吸模擬裝置進行模擬實驗。根據模擬實驗的“3W+D”思考模型展開教學（見表3）。

模擬實驗讓這些原本不可見的過程變得直觀，學生基本能知道在呼吸的過程中哪些器官會發(fā)生變化，以及它們是怎樣變化的、為什么會變化。模擬實驗在小學科學教學中的應用，有利于提升學生的想象力、類比推理能力、觀察力、分析力和創(chuàng)造力，提高學生發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力。

三、模擬實驗思考模型的提煉和歸納

在對課例的實踐、研究和思考中，筆者歸納、總結出了基于模擬實驗的“3W+D”思考模型（見圖1）。這個模型簡單易懂，在促進學生對模擬實驗的理解、設計、分析和思考等方面發(fā)揮作用。“3W+D”思考模型主要由四個部分組成，下面分別對每一部分進行具體闡釋。

1. What：用什么來模擬什么

這一部分通過讓學生思考“用什么來模擬什么”這個問題，促使學生在理解原型的基礎上建構新的模型。需要特別注意的是，模型與原型存在本質意義上的相似性。比如在《我們是怎樣聽到聲音》一課中，用紙卷成喇叭的形狀來模擬耳廓，用有彈性的氣球皮來模擬耳膜，這些模擬都關注到了模型與原型本質意義上的相似性，這樣才能提高模擬實驗的可信度。

2. How：如何進行模擬

在將模型建構起來以后，需要設計模擬實驗的方案。之所以要讓學生嘗試設計模擬實驗，而不是直接按照教師的講授進行實驗，是為了讓學生在設計的過程中更加明確實驗的目的。這個過程還能提升學生的類比推理能力、分析判斷力和創(chuàng)造力。當然，模擬實驗的設計對學生來說有一定的難度，教師可通過具有邏輯性和層次性的“問題串”，為學生提供腳手架，幫助學生順利設計模擬實驗。

3. Why：為什么要這樣模擬

“為什么要這樣模擬”這個問題是希望幫助學生厘清原型和模型之間的關系，理解實驗方案為什么要這樣設計，從而明白前面兩個環(huán)節(jié)的意圖，為后續(xù)概念的形成奠定基礎。

4. Discover：在模擬實驗中的發(fā)現(xiàn)

這個部分主要是希望學生在實驗進行的過程中觀察并記錄實驗過程和實驗現(xiàn)象，從而進行分析、思考，并總結出所研究問題的結論，在此基礎上形成概念。

“3W+D”思考模型是在多次模擬實驗教學實踐中歸納、總結和提煉而出的成果。運用這一思考模型進行模擬實驗教學，不僅能幫助學生明確模型與原型之間的關系，厘清實驗思路，對實驗過程和實驗現(xiàn)象的分析形成假說或建構概念，而且能培養(yǎng)學生的想象力、模型思維、邏輯推理能力和實驗設計等方面的能力，使模擬實驗教學更高效。教師要繼續(xù)深化對模擬實驗教學的探究，讓模擬實驗助力學生科學核心素養(yǎng)的提升。

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（責編 韋於坊 杜 華）