基于模型建構(gòu)思維進(jìn)階發(fā)展的教學(xué)實(shí)踐

模型建構(gòu)作為一種重要的科學(xué)思維方法，對于提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和問題解決能力具有顯著作用。課程標(biāo)準(zhǔn)明確指出，科學(xué)教育應(yīng)當(dāng)培養(yǎng)學(xué)生的探究能力、模型建構(gòu)能力以及利用科學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力。模型建構(gòu)連接了科學(xué)理論與現(xiàn)實(shí)世界，它可以使抽象事物具象化、復(fù)雜現(xiàn)象簡單化，并為科學(xué)現(xiàn)象的預(yù)測和解釋提供依據(jù)，促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)知識、科學(xué)探究與科學(xué)本質(zhì)的理解。

當(dāng)前小學(xué)科學(xué)教育仍然存在一些問題，如重知識傳授、輕能力培養(yǎng)、缺乏有效的教學(xué)策略等，導(dǎo)致學(xué)生的模型建構(gòu)思維得不到充分發(fā)展。因此，如何通過教學(xué)實(shí)踐有效培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)思維，成為當(dāng)前小學(xué)科學(xué)教育亟待解決的問題之一。現(xiàn)以《風(fēng)的成因》一課為例，探討如何基于模型建構(gòu)思維進(jìn)階發(fā)展進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐。

一、聚焦核心概念，提煉建模要素

核心概念是學(xué)科知識體系中的基礎(chǔ)，是學(xué)生必須深入理解和掌握的關(guān)鍵內(nèi)容。建模是一種重要的科學(xué)方法，在教學(xué)過程中，教師需要引導(dǎo)學(xué)生從核心概念出發(fā)，提煉出建模要素。這些要素不僅是建構(gòu)模型的基礎(chǔ)，也是學(xué)生理解和掌握科學(xué)知識的關(guān)鍵。提煉建模要素是培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)能力的關(guān)鍵步驟，通過聚焦核心概念來明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，通過提煉建模要素來深入理解和掌握核心概念，這樣不僅可以幫助他們建立堅實(shí)的科學(xué)知識基礎(chǔ)，還能提高他們的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。

《風(fēng)的成因》一課是三年級“空氣”單元的第七課，教師通過課前布置學(xué)習(xí)任務(wù)，讓學(xué)生感知風(fēng)的存在、制造出的風(fēng)與自然界的風(fēng)對比，基于核心概念“溫度不同的空氣流動起來形成風(fēng)”，聚焦自然風(fēng)與人造風(fēng)產(chǎn)生的共性——都讓空氣流動起來了，激發(fā)學(xué)生思考大自然風(fēng)的形成與哪些因素有關(guān)（如圖1），從而提煉出冷熱不同是造成空氣流動從而形成風(fēng)的建模要素。通過師生、生生互動，碰撞出思維火花，明確模型中各要素之間的關(guān)系，進(jìn)而為建構(gòu)簡潔而有效的“風(fēng)的成因”模型做好鋪墊。

二、洞悉思維節(jié)點(diǎn)，優(yōu)化建模準(zhǔn)備

課程標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)，科學(xué)學(xué)習(xí)要以學(xué)生為主體，立足兒童身心特點(diǎn)，遵循兒童的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律。三年級學(xué)生正處于形象思維向抽象思維過渡的階段，他們能夠進(jìn)行一定的抽象思維，但仍然以形象思維為主，想象力也由模仿性和再現(xiàn)性向創(chuàng)造性的想象過渡。在建模前，教師要明晰學(xué)生的前概念和最近發(fā)展區(qū)，預(yù)見他們可能遇到的思維障礙，并據(jù)此優(yōu)化建模準(zhǔn)備，引導(dǎo)他們將所學(xué)的科學(xué)知識與日常生活中的事物進(jìn)行聯(lián)結(jié)。洞悉思維節(jié)點(diǎn)和優(yōu)化建模準(zhǔn)備也是相輔相成的，它們共同作用于學(xué)生建模能力的提升和科學(xué)素養(yǎng)的形成。

1.前測學(xué)情，觸摸思維“脈搏”

當(dāng)看不到具體事物的本質(zhì)時，學(xué)生大多會聯(lián)系具體形象的事物，根據(jù)自己已有的知識經(jīng)驗和主觀因素進(jìn)行猜測和推斷，這就形成了前概念之間的認(rèn)知沖突。這時，教師要精準(zhǔn)把握學(xué)情，聚焦認(rèn)知沖突，摸清學(xué)生的思維“脈搏”，引導(dǎo)學(xué)生思考，展開深度論證。

在上課之前，教師對全班進(jìn)行了“風(fēng)的成因”前概念調(diào)查，發(fā)現(xiàn)58%的學(xué)生認(rèn)為大自然里本身就有風(fēng)，30%的學(xué)生認(rèn)為風(fēng)的形成與空氣有關(guān)，僅僅只有12%的學(xué)生通過課外閱讀、查資料等方式知道空氣流動形成了風(fēng)。

通過前測學(xué)情，教師充分了解了學(xué)生對風(fēng)的成因的思維層級。在教學(xué)中，教師讓學(xué)生制造風(fēng)，聚焦“為什么這樣做能形成風(fēng)”，引導(dǎo)他們分析自然風(fēng)與人造風(fēng)產(chǎn)生的共性，使其建構(gòu)空氣流動形成了風(fēng)的初概念，從而進(jìn)階到核心概念“溫度不同的空氣流動起來形成風(fēng)”的建構(gòu)。

2.明晰問題，靶向突破目標(biāo)

教師要基于對學(xué)情的分析和教材內(nèi)容的研讀，深入了解學(xué)生的前概念和最近發(fā)展區(qū)，努力建立科學(xué)知識與其已有經(jīng)驗的聯(lián)結(jié)點(diǎn)，預(yù)見他們可能遇到的思維障礙，設(shè)計有針對性的問題，從而實(shí)現(xiàn)其思維的螺旋式上升。

該課要達(dá)成的教學(xué)目標(biāo)是認(rèn)識風(fēng)是由溫度不同的空氣流動形成的，而難點(diǎn)恰恰是學(xué)生無法將模擬實(shí)驗觀察到的風(fēng)與自然風(fēng)的成因建立聯(lián)系。因此，教師設(shè)計了表1中的問題鏈，靶向突破教學(xué)目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)生思維從低階到高階的跨越。

教師設(shè)計的問題要明確引導(dǎo)學(xué)生解決什么問題，突破什么教學(xué)難點(diǎn)，發(fā)展什么能力等，同時要及時捕捉學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中生發(fā)的問題，根據(jù)需求做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

3.化繁為簡，注重模型設(shè)計

對于學(xué)生比較難以理解的教學(xué)內(nèi)容，教師在教學(xué)設(shè)計時要將環(huán)節(jié)盡量簡化，將模型設(shè)計擺在核心位置，這是學(xué)生思維由低階向高階發(fā)展的有效載體；要讓學(xué)生在設(shè)計模型的過程中，發(fā)展對原型的理解與抽象能力，圍繞“現(xiàn)象—推測—判斷”的過程來辯證解釋現(xiàn)象的成因。該課要求學(xué)生通過模擬實(shí)驗觀察到“冷空氣會向熱空氣方向流動從而形成風(fēng)”這一現(xiàn)象，教師按照如下流程進(jìn)行了第一次試教（如圖2左）。

發(fā)現(xiàn)問題：①該課內(nèi)容對三年級學(xué)生來說有一定的難度，加之環(huán)節(jié)較多，教師想要面面俱到，沒有將核心概念的建構(gòu)貫穿整個教學(xué)；②活動設(shè)計的關(guān)聯(lián)性不夠，難以激活學(xué)生已有的與該課內(nèi)容相關(guān)的知識經(jīng)驗解決核心問題，他們難以將模擬實(shí)驗的原理和自然風(fēng)的形成原因建立聯(lián)系。

改進(jìn)對策：教師將教學(xué)流程進(jìn)行了簡化迭代，圍繞核心概念，由始至終引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷運(yùn)用模型法抽象“自然風(fēng)的成因”，體現(xiàn)“真實(shí)情境問題→物理模型→解決問題”的思維過程，再借助實(shí)際問題，進(jìn)行模型遷移、模型創(chuàng)新，從而建構(gòu)并理解該課的核心概念（如圖2右）。經(jīng)過兩次試教對比，模型建構(gòu)的進(jìn)階教學(xué)效果更勝一籌。

三、搭建活動支架，親歷建模過程

教師為學(xué)生搭建活動支架來幫助他們親歷建模的全過程，可使他們在沉浸式進(jìn)階學(xué)習(xí)的過程中獲取科學(xué)事實(shí)和相關(guān)信息，激發(fā)其學(xué)習(xí)熱情。通過模型認(rèn)識系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、關(guān)系及變化過程，可促進(jìn)學(xué)生對核心概念的理解，實(shí)現(xiàn)思維的進(jìn)階。

1.對比辨析，設(shè)計模型

模型的設(shè)計是一個“具體—抽象—具體”的過程，要喚醒學(xué)生對模型建構(gòu)的認(rèn)知，最重要的是創(chuàng)設(shè)與模型有直觀聯(lián)結(jié)的現(xiàn)實(shí)情境，包括科學(xué)的問題情境和學(xué)生熟悉的真實(shí)生活情境，使他們充分調(diào)動原有的認(rèn)知經(jīng)驗。通過對比真實(shí)的情境分析模型建構(gòu)的要素、設(shè)計模型，并在生生、師生間的互動中辨析模型設(shè)計的理由，能有效激活學(xué)生思維。

教學(xué)片段

師：（出示三幅校園拍攝圖，聚焦大自然的風(fēng)）大自然中是什么讓空氣流動起來從而形成風(fēng)的呢？

生：可能是空氣的冷熱不同。

師：你覺得大自然中的冷、熱不同可能是誰引起的？

生：太陽。

師：（冷空氣用藍(lán)色磁貼、熱空氣用紅色磁貼）你能移動磁貼具體說說你的想法嗎？

生：離太陽近的是熱空氣，遠(yuǎn)的是冷空氣，熱空氣會上升。

師：（紅色磁貼的原本位置空出后）那這里就空出來，沒有空氣了嗎？

生：應(yīng)該不會，周圍的空氣會流過去（移動藍(lán)色磁貼），因為空氣是無處不在的。

師：你能用箭頭表示你剛才說的冷熱空氣的運(yùn)動方向嗎？

（學(xué)生調(diào)整磁貼圖：這樣它就流動起來了。）

師：按照你說的，這樣就形成了風(fēng)嗎？我們可以做一個模型來檢驗?zāi)阏f的對不對。

（小組討論設(shè)計模型所需的材料。）

師：這些材料分別有什么作用？怎樣才能看出有風(fēng)了？

（小組完成“風(fēng)的成因”模型設(shè)計圖，交流設(shè)計的理由。）

經(jīng)過與自然風(fēng)的成因猜測的磁貼圖進(jìn)行對比，喚醒了學(xué)生初步建構(gòu)模型的認(rèn)知，對比真實(shí)的情境，他們很快就明晰了各個材料在模型建構(gòu)中發(fā)揮的作用。通過交流討論，學(xué)生重點(diǎn)辨析為什么要設(shè)置對比模型（即觀察蠟燭點(diǎn)燃前后的變化），提升了他們的比較、質(zhì)疑、分析、推理等科學(xué)思維能力。

2.具象呈現(xiàn)，檢驗?zāi)Ｐ?/p>

具身認(rèn)知理論認(rèn)為，人的認(rèn)知來源于頭腦、身體與環(huán)境的互動。學(xué)生對抽象概念的理解需要借助具體的體驗活動，根據(jù)自主設(shè)計的模型進(jìn)行建構(gòu)，以證據(jù)為導(dǎo)向檢驗?zāi)Ｐ停谟H身感知、體驗真實(shí)探究的基礎(chǔ)上，對呈現(xiàn)的可視化證據(jù)進(jìn)行歸納總結(jié)。這是學(xué)生主動建構(gòu)知識的過程，能使他們對事物或現(xiàn)象的認(rèn)知從感性認(rèn)識上升到理性認(rèn)識。

教師通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)的體驗情境，讓學(xué)生親身經(jīng)歷模型檢驗的全過程，在記錄單上畫出自己小組的模型設(shè)計圖，將自己的猜測進(jìn)行具象呈現(xiàn)建構(gòu)模型，引導(dǎo)他們進(jìn)行雙向模型檢驗（如圖3）。

通過雙向模型檢驗，引導(dǎo)學(xué)生聚焦證據(jù)，進(jìn)行定性觀察比較：對比分析點(diǎn)燃蠟燭前后出現(xiàn)的現(xiàn)象，初步得出冷空氣會向熱空氣方向流動，形成了“風(fēng)導(dǎo)致扇葉轉(zhuǎn)動”的初步認(rèn)識；通過蠟燭點(diǎn)燃后，將A口封住，觀察塔香煙霧的流動方向又回到了最初的筆直向上，同時風(fēng)輪沒有轉(zhuǎn)動，可見空氣沒有流進(jìn)去，也就沒有風(fēng)產(chǎn)生，反向證明空氣的流動形成了風(fēng)。這使得整個推理論證的過程更加具有說服力。

3.聯(lián)結(jié)圖示，理解模型

三年級學(xué)生的理性思維仍然處于發(fā)展的初期，教師利用圖示可以架起原有概念與研究方法之間的橋梁，將內(nèi)隱的思考過程“可視化”。同時，通過精心設(shè)計的半開放式記錄表單（如圖4），用靜態(tài)的圖示記錄重現(xiàn)動態(tài)的真實(shí)探究過程，能夠突破教學(xué)疑惑點(diǎn)，幫助學(xué)生經(jīng)歷系統(tǒng)的思維過程，建立模型與原型的聯(lián)結(jié)，從而更進(jìn)一步理解模型的意義。

聯(lián)結(jié)圖示呈現(xiàn)了探究的全過程，比較、分析現(xiàn)象，進(jìn)一步加深了學(xué)生對風(fēng)的成因的認(rèn)識，并快速有效地聚焦探究的核心問題：是什么推動了空氣的流動，從而形成了風(fēng)？

4.建模表達(dá)，建構(gòu)概念

在探究教學(xué)過程中，由于缺乏一定的具有邏輯性和結(jié)構(gòu)性的思維模式，學(xué)生對知識的獲取是碎片化的，即使是對課堂上同一探究活動出現(xiàn)的相同現(xiàn)象或問題，也存在著不一樣的表達(dá)。這就需要教師建構(gòu)語言模型，架構(gòu)觀點(diǎn)與證據(jù)的思維階梯，幫助學(xué)生明晰研究對象之間的關(guān)系，進(jìn)而幫助他們實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)象到結(jié)論的轉(zhuǎn)化，從具象到抽象思維的進(jìn)階。

教師在辯證解構(gòu)模型階段提問：“你們覺得塔香應(yīng)該放在哪里？如果放在里面，能否看到里面和外面的空氣流動？”引發(fā)學(xué)生的思考后教師追問：“怎樣形成對比，說明是冷和熱的不同讓空氣流動起來的呢？出現(xiàn)什么現(xiàn)象才能說明產(chǎn)生了風(fēng)？”進(jìn)階的語言模型幫助學(xué)生捋清思維，共享信息，進(jìn)行思維碰撞，促進(jìn)核心概念的建構(gòu)。

在交流分享環(huán)節(jié)，教師出示表達(dá)范式，讓學(xué)生開展歸納推理，提煉該課需要探究解決的核心問題，完善自然風(fēng)成因的磁貼圖，實(shí)現(xiàn)認(rèn)知的進(jìn)階，建構(gòu)核心概念。

四、遷移解決問題，發(fā)展建模思維

模型建構(gòu)思維的培養(yǎng)不僅僅局限于課堂教學(xué)，更需要學(xué)生在實(shí)踐中不斷地應(yīng)用和遷移。教師需要引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)模型建構(gòu)知識遷移至實(shí)際問題的解決中，達(dá)到學(xué)以致用的目的。

1.回歸本源，深化模型建構(gòu)

在該課中，教師先幫助學(xué)生整理了從現(xiàn)象到證據(jù)的轉(zhuǎn)化，再進(jìn)行類比回到關(guān)鍵問題：大自然的風(fēng)是怎樣形成的？進(jìn)一步提出關(guān)聯(lián)問題：夏天我們這里經(jīng)常會出現(xiàn)狂風(fēng)暴雨的天氣，狂風(fēng)又是如何形成的？旨在引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用已建構(gòu)的風(fēng)的成因模型進(jìn)行預(yù)測和解釋，將學(xué)生的模型思維從課內(nèi)延伸到課外，通過解決實(shí)際問題，深化模型建構(gòu)認(rèn)識，提升思維品質(zhì)。

2.反思遷移，內(nèi)化建模思維

學(xué)生在動手、動腦中體驗建模的全過程，在實(shí)踐中感知模型的力量，從而主動遷移所學(xué)知識，嘗試運(yùn)用建模思維解決問題。教師引導(dǎo)學(xué)生從中總結(jié)經(jīng)驗，提問：“風(fēng)的成因模型還有哪些地方需要改進(jìn)？”促使他們不斷優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)知識和技能的第二次遷移。通過反復(fù)實(shí)踐與思考，學(xué)生逐漸內(nèi)化建模思維，形成自己的思維習(xí)慣。

在進(jìn)階式建模教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生逐漸學(xué)會了像科學(xué)家一樣，以系統(tǒng)化、邏輯化的方式思考和解決問題，用最簡單的形式——模型具象呈現(xiàn)出難以理解的、抽象的內(nèi)容，不斷突破自我認(rèn)知。這個過程鍛煉了學(xué)生在真實(shí)情境中的發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力，更在無形中塑造了他們的創(chuàng)新思維和團(tuán)隊協(xié)作精神。這種集開放性、自主性、科學(xué)性于一體的學(xué)習(xí)方式，幫助學(xué)生掌握模型建構(gòu)的方法，培養(yǎng)他們用模型建構(gòu)思維解決問題的能力，為其終身學(xué)習(xí)奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

（作者單位：浙江省衢州市柯城區(qū)尼山小學(xué)）

參考文獻(xiàn)

[1]喻伯軍.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）課例式解讀[M].北京：教育科學(xué)出版社，2022.

[2]史加祥.新課標(biāo)背景下小學(xué)科學(xué)模型建構(gòu)的教學(xué)理解與實(shí)踐[J].中小學(xué)課堂教學(xué)研究，2022（07）.