基于模型建構思維培養的暗箱課教學設計

孫靜妮

[摘 要] 《義務教育科學課程標準（2022年版）》中，模型建構能力被視作科學思維素養的核心要素之一。如何設計有意義的科學建模，幫助學生形成初步的模型理解和模型建構能力，成為科學教育工作者研究的新課題。本研究以“解暗箱”教學為例開展教學設計，幫助學生抓住模型建構的關鍵要素，利用模型分析解決實際問題，從而發展學生的科學思維能力。

[關鍵詞] 科學思維；模型建構；解暗箱

模型建構作為一種認識手段和思維方式，是學生根據研究問題和情境，在對客觀事物抽象和概括的基礎上構建易于研究的、能反映事物本質特征和共同屬性的理想模型、理想過程、理想實驗和科學概念的過程。科學建模是最重要的科學實踐，是始終貫穿其他活動的核心。《義務教育科學課程標準（2022年版）》把模型建構能力作為科學思維素養的核心要素之一，在課程總目標提出“能基于經驗事實抽象概括出理想模型，具有初步的模型理解和模型建構能力”。如何設計有意義的科學建模，幫助學生形成初步的科學建模思維能力，成為科學教育工作者研究的新課題。

在科研領域有一種研究叫解暗箱，是對難以觀察內部狀況的系統（也就是暗箱），在不打開的前提下，通過感知外部信息，間接推斷內在性質的一種科學探究方法。從工程技術到社會領域，從無生命到有生命，從宏觀世界到微觀世界，解暗箱都是一種必不可少的研究方法。一般說來，解暗箱可以分為確認暗箱、考察暗箱和闡明暗箱三個步驟（見圖1）：先給暗箱一系列刺激（輸入），再通過觀察暗箱的反應（輸出），找到輸入和輸出之間的規律，最后將其用最簡、最佳的模型描述出來。可以看出，這是一種“由表及里”的邏輯思維方法，其中最突出的就是“模型驗證”。建立理想的暗箱模型，既是科學研究的過程，也是思維能力的培養過程。

小學科學涉及許多解暗箱的探究活動。學生日常接觸到的暗箱通常可分為三類：第一類是用來幫助學生獲得科學知識、理解科學思想、學習科學方法的模型暗箱；第二類是像黑洞、地球、人體這樣的自然暗箱；第三類是像機器人、雷達、電線網絡這樣的實用暗箱。解暗箱過程充滿挑戰，讓人興趣高漲，不僅能培養學生基本的思維能力，還能優化學生的科學品質，發展學生的科學核心素養。

課標對學生的模型建構能力提出了明確的學段目標，主要包括“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”和“運用模型分析，解釋現象和數據，描述系統的結構、關系及變化過程”兩個方面。以下結合不同類型暗箱的教學實踐，闡述怎樣在解暗箱的過程中發展學生的科學建模思維。

一、明確暗箱

首先，結合真實的生活情境，在觀察和思考中提出問題，發現暗箱。引導學生明確研究的具體目標和范圍，并確定一組輸入和輸出，也就是找到輸入的可控制變量與相應輸出的可觀察變量。生活中我們會利用聲音來檢測物體的好壞，比如拍拍西瓜聽聽是否熟了，敲敲瓷碗看看是否壞了，等等。暗箱對學生充滿誘惑力，能勾起他們無限的好奇心和探究欲。同時，解密暗箱也需要他們去思考怎樣在內外互動中考察事物，從而讓他們的思維更合乎邏輯和客觀事實。

模型暗箱是一種用來輔助教學的暗箱，其作用就是給學生創設一個與科學家研究事物相似的情境，讓學生去探索某種結構的秘密，掌握一種根據外部線索認識事物的科學方法。在低年段學解模型暗箱，有助于學生掌握“相關性”，為解自然暗箱、實用暗箱做好準備。比如低年級“暗箱里的秘密”一課，模型暗箱的結構相對簡單，由一個活動的玻璃球和一個固定在一角的障礙物組成。這里解暗箱的重點活動是“滾小球”，主要是通過直接感知來判斷盒子里障礙物的位置。教師可以利用幾個關鍵問題來進行“滾小球”的要訣指導：

1.還是上下晃動嗎？（平放，慢慢傾斜盒子，讓小球沿著盒邊滾起來， 要一條邊一條邊依次試）

2.動作快一點還是慢一點？（慢一點，快了聽不清楚）

3.怎么能更清楚地聽到小球滾動的聲音？（把耳朵湊近了聽，保持安靜）

4.怎么去感受小球碰到泡沫塊時的變化？（還可以用手摸著盒子的邊來感受滾動、撞擊的變化）

“有諸內，必形諸外”，這說的就是內與外的相關性，一定的內部狀態必定釋放出一定的外部信息。滾、傾、聽、摸是四個獲取暗盒內部信息的外部動作，每一次“滾小球”既是一次內部信息的獲取和一段感性經驗的積累，又是一次對暗盒結構的檢驗。因此，這個活動的關鍵是動手之余的“思維參與”。教師在關注學生動手做的同時，更要引導學生依據變化的信息，鉆研內外合乎邏輯的關聯，鼓勵他們合理地去想象和判斷。

二、考察暗箱

在明確暗箱后，通過直接觀測或主動實驗考察暗箱。考察中變換條件，觀察暗箱的反應，對輸入和輸出進行記錄，從而獲取內部功能和結構的大量信息，以此作為揭示暗箱的根據。比如，最初人們從火山噴發和溫泉等自然現象中，了解到地球內部是熾熱的。隨著生產力的發展和科學的進步，地球科學家通過地震考察法認識到地球內部是不均勻的，建立了地球圈層理論，把地球分為地核、地幔和地殼三個圈層。解暗箱更大的挑戰是通過繁雜的表面現象抓住事物的本質和核心，這需要學生進行嚴密的推理論證，學會全面、深刻、完整地思考。

生活中，我們常常會遇到電路故障檢修這樣綜合性強、復雜度高的暗箱問題，電學元件被封閉在盒子內，不能直接觀察到元件的組成情況，而盒外有接線柱，需要通過外部檢測來判斷其電路的組成。學生解電路暗箱不僅要熟悉常用的電學元件，還要熟悉檢測器接入不同元件可能出現的反應，然后將觀測到的現象進行因果分析和推理，并通過不斷的改進反向推導出暗箱內部的結構。

比如，教學“探測暗盒里的電路”一課，我們發現，即使對于小學高年級學生而言，“簡單電路”依舊是很難理解的概念，而內部不可見的電路暗箱就更難把握了。這就需要教師抓住學生認知障礙的核心，根據電路各組成部分的特性及檢測結果，引導學生畫出內部電路的推測圖，再根據電路圖制作一個電路“明盒”來驗證，最后對暗盒的內部結構和功能做出基于事實的解釋。這里學生經歷的是“檢測—猜測—驗證”的思維過程。

利用檢測器檢驗暗箱電路，一般會有不亮、變亮、變暗、不變四種情況，后三種情況需要進行比較才能發現，因此需要學生始終保持嚴謹的研究態度。同時，暗箱中的電路多是鏈狀的，接線柱之間可能為電學元件、導線或者斷路，接線柱越多，可能性就越多，暗箱就越復雜。因此，解決電路暗箱問題，著重培養的是學生分析問題的全面性和推理的嚴密性，如探究中的有序觀察、有序思考、有序操作、有序記錄、有序表達等。教師要采用“由果求因”的逆向思維方法，引導學生系統、全面分析問題，有序思考解決問題，思維從無序向有序、從散狀向結構化發展。

三、闡明暗箱

接著，對觀測的數據進行“去偽存真”的分析，建立闡明暗箱輸入輸出間規律的最簡模型，對暗箱做出推測。然后輸入新信息檢驗模型的真實度，根據檢驗的結果修正、確定模型，并對暗箱的未來表現做出某種預測。比如，關于巖石圈的運動問題，不同時期的地質學家建立了多種模型，如魏格納的大陸漂移說，赫斯的海底擴張學說，勒皮雄與麥肯齊、摩根等人的板塊構造學說。認識巖石圈內在規律的過程，就是不斷收集信息、修正巖石圈運動模型的過程。模擬一個暗箱系統來探索暗箱里的秘密，是科學研究的重要方法，這種模擬求解是基于經驗推理的更進一步探究。

人體是一個我們既熟悉又陌生的暗箱，中醫靠望、聞、問、切“四診法”，從可知的“外在征象”來破譯未知的“內在臟腑”。長久以來，人們對于生命現象的認識都建立在觀察的基礎之上，是以周圍世界中一些最常見的事物作為參照來認識自己的。人體和很多自然事物一樣，以系統的形式存在，其內在結構與外在功能是統一的。一定的結構必然有與之相對應的功能存在，且任何功能都需要一定的結構來完成。因此，對于人體這個特殊的暗箱，其結構與功能相統一，教師應引導學生從外在變化推測內在狀態。比如中年級“關節”一課，重點是了解關節的運動特點及原理，理解結構與功能的統一性。考慮到學生已有經驗和學習背景，教師可以以肩關節（球窩關節）這一典型關節類型為突破口，從相似性的角度出發，抓住結構與功能的邏輯關系加以推理檢驗，通過“猜—看—拼—比”四個活動來“解暗箱”：

1.猜：猜測肩關節的連接方式，并交流。（用圖示展現思維過程，暴露前概念）

2.看：觀察相似動物的肩關節面。（類比結構，感知接觸面形狀）

3.拼：用造型泥塑組合拼裝球窩、旋轉和鉸鏈關節。（認識關節類型，理解連接方式決定活動方式）

4.比：比較髖關節和肩關節的不同，尋找深、淺球窩在靈活度和功能方面的差異。（理解結構與功能的統一關系，形成科學概念）

同結構的事物功能相類，功能相同的事物結構相類，因此解開人體暗箱的關鍵是找到具有“同構性”的事物。這里的圖畫（自畫像）、圖示（結構圖）、實物（類似動物的相應結構）、手勢或泥塑（抽象的替代結構）等，都是學生解暗箱時建構的生命模型，它們與人體的某一部分有著相同或相似的結構與功能。當然，這些“生命模型”并不直接等同于要解開的人體暗箱，而是對人體未知現象給出相應的形象化的解釋，為學生深刻理解“結構功能統一律”提供一種邏輯框架。基于這種相互聯系、彼此作用、動態發展的生命觀，用建模類比的邏輯思維方法來解暗箱，對于學生發展辯證思維，特別是透過現象深入認識本質、總結規律，從變化發展的視角認識事物，有著不可替代的作用。

參考文獻

[1]胡衛平.科學思維培育學[M].北京：科學出版社，2004.

[2]曾寶俊，王天鋒.小學科學教師入門十課[M].北京：化學工業出版社，2019.

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