通過《火山噴發的成因及作用》教學增強學生建模能力

廖玉萍

〔摘? ? 要〕? 如何積極有效地引導學生進行深度學習？我們要充分發揮信息技術的優勢，利用信息技術中的聲音、圖片、視頻等功能，把抽象的科學知識具體化、復雜的實驗過程明了化、短暫的實驗現象深刻化，激發學生深度學習的積極性和主動性，提高學生科學素養。

〔關鍵詞〕? 小學科學；信息技術；探究；深度學習；科學素養

〔中圖分類號〕? G424? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻標識碼〕? A? ? ? ? ?〔文章編號〕? 1674-6317? ? （2024）? 02? ? 038-039

縱觀小學科學新教材，有很多以模型建構為主的課。尤其在小學科學“地球與宇宙”領域，建構模型是最為有效的探究方法之一。如何通過這樣的課型培養學生良好的科學思維能力，是科學教師必須解決的重要教學問題。然而，筆者發現，目前的模型建構課普遍存在著各種各樣的問題，如學生操作困難、實驗現象不明顯、呈現方法不恰當、分析和論證不夠全面深入等。這些問題使課堂教學效果難以保障。為了提升教學效果，本文以《火山噴發的成因及作用》一課為例，將模型作為探索的重要工具和手段，以期增強學生的建模能力，促進科學思維能力的發展。

一、剖析模型，明確問題

本實驗來源于教科版小學科學五年級上冊“地球表面的變化”單元《火山噴發的成因及作用》一課，是本單元的重難點所在。五年級的學生雖說對火山噴發的自然現象不陌生，但更多停留在文字、圖片以及視頻等感性認識的水平上，對其發生原因及對地形地貌變化造成的影響了解不多。如何讓小學生直觀地、從根本上理解火山噴發的成因，模型的建構就顯得尤為重要。

（一）實驗原型分析

在教材中，使用番茄醬來模擬巖漿，利用土豆泥來模擬地殼中的巖層。實驗時，學生需要在金屬罐內用土豆泥堆成小山的形狀，然后在山的頂部向下挖一個小洞，將一定量稀釋過的番茄醬倒入小洞中，并用一層薄薄的土豆泥封住洞口。接著，將金屬罐放在鐵架臺上，用酒精燈加熱，觀察“火山”噴發現象。

（二）實驗問題分析

筆者根據教材進行教學，發現不僅學生活動時間長，而且實驗成功率低，難以在一堂課中完成教學任務。分析學生的火山模型，發現主要存在以下問題：（1）操作麻煩，耗時長。土豆泥過干或過濕都不利于塑造山的形狀，致使學生在這一環節浪費過多時間。（2）噴出成功率低。有些小組加熱二十幾分鐘也未噴發。若底部番茄醬加得太少不僅不容易噴發，還容易導致土豆泥燒焦。（3）觀察受限。材料不透明，學生只能等待火山噴發后，從土豆泥頂部觀察模型的變化。若番茄醬沒有成功噴出，除了看到洞口冒熱氣和洞口的土豆泥微微振動，看不到其他明顯變化。學生能獲得的信息量有限。

二、優化模型，現象可視

建構模型需要將復雜的研究對象簡化，以便進行有針對性的探究和學習。模型的材料和可操作性都會直接影響到模擬實驗的效果。基于原有實驗存在的問題，筆者嘗試了不少材料，以期找到實驗效果更明顯的材料替代。最后改進材料的靈感來自真實的火山模型。改進過程如表1。

如圖1所示，從左至右依次為：加茶漏的實驗效果；改進材料；改進后的實驗效果。

最終，筆者選用100毫升的燒杯作為容器，取直徑4厘米的漏斗，剪去頸部放于燒杯中。這兩個裝置可以輔助學生制作土豆泥小山，且給番茄醬預留出足夠的空間（大約加12～15毫升）。用針筒從漏斗口加番茄醬，不容易外溢。將鐵架臺換成三腳架和石棉網，同時把酒精燈的燈芯打一個小結稍微增高外焰，使加熱更充分

改進后，不僅可以更加逼真地模擬出火山噴發的情景，而且操作起來更加簡單、高效，大大縮短了實驗時間。學生可以自己決定土豆泥的用量、堆積的厚度及形狀，建構自己認為合理的火山模型。大約加熱6分鐘左右，多數小組就能觀察到燒杯底部番茄醬涌動、沿裂縫上升或從漏斗口噴發等現象。為后面的觀察研討環節留出更多的時間。

三、應用模型，提升思維

建構好模型后，更重要的是要“引導學生使用模型來獲得相關證據，以探究物質的本質及其變化之間的關系”。然而，學生的思維軌跡往往轉瞬即逝，我們應提供一些支架，幫助學生多角度地觀察，科學地獲取證據以便進行深入的推理和論證，從而提高學生的科學探究能力和信息處理能力。

（一）實驗設計

視頻展示：大西洋中部一夜之間出現了一座小島，這座小島是怎么來的？請學生猜測并說理由。

學生通過觀察視頻梳理真實火山噴發的現象。依據現象推測火山噴發的成因。

學生思考真實的火山結構，提煉需要模擬的模型組成部分。

介紹實驗材料，學生根據材料的特征分別與真實的火山結構一一對應。

微課：實驗操作過程。

借助希沃授課助手，現場投屏直播各組的實驗現象。

筆者按照這種方式進行教學后，發現學生實驗的成功率顯著提高。首先，由于改進后的實驗現象直觀，不管他們的火山模型最終是否成功噴發，學生都容易搜集到相應的證據進行分析交流。其次，在微課的輔助指導下，學生目標明確，操作順利，合作有序。最后，借助希沃授課助手的投屏功能呈現模型成果，既能直觀展現不同小組的實驗結果，又能讓學生感到新奇、興奮，從而更加投入，為研討做好準備。

（二）巧設問題鏈

在通過探索獲得證據之后，學生要對證據進行辯證分析，進而對火山噴發成因進行整理歸納，嘗試得出正確的結論。然而，大多數學生容易存在研討深入不夠、思維含量較低的情況。因此，在對火山噴發成因進行推理時，應當善于追問，通過設計有層次的“問題鏈”引導學生進行深入思考，促進信息的搜集和利用。

【教學片段】

提問：你的記錄單體現了哪些發現？你觀察到模擬火山噴發時有哪些現象？與實際火山噴發相符嗎？

生1：一開始沒變化，要加熱一段時間才能噴發。（師：這說明了什么呢？）這說明了要達到一定的溫度才能噴發。

生2：我發現噴發前會冒出大量熱氣，然后番茄醬冒泡從洞口噴出。沒噴發時土豆泥底下的番茄醬在不斷沸騰，會沿裂縫上升。

生3：我觀察到還沒噴發時，洞口的土豆泥在上下振動。（師：你觀察得很仔細，別處的土豆泥振動了嗎？為什么呢？）可能是這里比較薄。

生4：我們組番茄醬沒噴出，但是整座土豆泥山都上升浮空了！

師：你認為是什么原因造成的呢？你能結合你們組的火山模型分析一下嗎？

生4：可能是我們組洞口的土豆泥加太厚了，所以熱氣出不來，就把山頂起來了。

通過追問和引導，學生能充分挖掘模型的價值。成功與不成功的小組都能結合自己的模型進行分析，形成解釋。建模之前，學生對火山噴發的成因大多停留在高溫上。建模之后，學生可以看到高壓的影響，且能深刻體會到真實的火山噴發類型多樣，并意識到其受到復雜地形的影響。通過建模，學生的實證意識和邏輯推理能力在探究活動中得到了很好發展。

四、實驗教具的教學優勢

（一）材料易得，操作便利

原實驗用不銹鋼罐作為盛裝的容器，需要手動捏出山的形狀再挖洞。不僅無法觀察到底部的變化，而且容易出現坍塌、翻倒、耗時過長等現象。而借助漏斗制作土豆泥山十分方便，學生只要順著漏斗進行填充和修補即可，操作簡單，節省了大量時間。

（二）變化可視，凸顯過程

改進后，由于番茄醬受熱會從漏斗底部邊緣溢出，匯集在燒杯底部一圈，因此學生很容易透過燒杯觀察到番茄醬翻滾、冒著氣泡、沿著裂縫上升等現象。從“地下”至“地上”，從噴發前到噴發后的變化，學生都能清晰地看見。

即使部分小組由于土豆泥加的量過多，番茄醬不能噴出，學生也能觀察到底部和側邊的變化，從而方便引導學生關注過程與結果的聯系，了解地殼的厚薄程度會影響火山的噴發結果。在探索過程中，出現異常現象是培養學生實證意識的絕佳機會。對異常現象的合理分析，有利于引導學生深層思考，為他們建構新的科學概念提供切入點。這就是一次思維提升的過程。

（三）符合實際，成功率高

原實驗成功率較低。由于學生不一定能精準預留出足夠的空間給番茄醬，往往會產生底部的土豆泥燒焦、番茄醬受熱不足，而遲遲不能噴發的現象。而引入漏斗，一方面，可以給番茄醬預留足夠的空間，提高番茄醬噴發的成功率；另一方面，漏斗的形態更接近現實中火山通道與巖漿房上小下大的整體形態，符合實際情況。

實踐證明，采用改進后的教具建構模型，有助于學生形成對火山噴發現象的直觀感受，進而更深刻地理解火山噴發的成因，讓學生體會到真實的火山噴發也受復雜的地形影響。同時，通過模型可視化的手段、依托評價量表，能豐富學生的感知，促進他們在積極思考中提高模型探究、類比推理等高階思維能力。

參考文獻

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