小學科學物理模型建構教學的實施策略

科學思維是科學學科核心素養的重要內容，包括模型建構、推理論證、創新思維。模型建構即以經驗事實為基礎，對客觀事物進行抽象和概括，進而建構模型，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。物理模型作為科學模型中最普遍的模型之一，在小學科學學習中被運用廣泛。有的教師往往為了建模而建模，只追求一個外形與實物基本相似的模型，存在物理模型內涵不夠豐富，模型建構教學不夠深入等問題。

不同學者對物理模型有不同的界定。綜合來看，物理模型即為了方便研究和表達，對原型進行簡化或模擬，是一種體現科學思維的探究實踐活動。物理模型建構教學的內涵決定了其類別的多樣性，主要包括物質模型和思想模型的建構（如圖1）。物質模型的特點是用實物模型模擬客觀事物的真實特征，主要運用形象思維，包括仿真模型、比例模型、類比模型等。思想模型則是利用圖示對事物進行理想化處理，舍棄次要因素，突出主要因素，主要運用抽象思維，包括理想化實體模型、理想化系統模型、理想化過程模型等。[1]例如，“橡皮泥細胞”是細胞形態結構的仿真模型，“行星距離線段標記”是行星到太陽距離的比例模型，“番茄醬土豆泥火山”是火山噴發成因的類比建模，“物體上紅點的運動軌跡”是一種理想化的實體模型，忽略了物體的大小和形狀；“食物網”是理想化系統模型，忽略了捕食的不確定因素；“日食的成因”是理想化過程模型，忽略了三者大小和距離的真實比例關系。

在物理模型建構教學中，教師要充分考慮學生的認知特點，不僅要通過真實簡化、假想構圖、問題驅動催化情境建模，還要引導學生用理解內涵、突出特征、科學解釋精準分析模型，讓他們通過比較、變式拓展模型，在建構概念、遷移系統、科學想象中應用模型解決問題（如圖2）。

一、沉浸式帶入，啟動情境建模

情境能激發學生建模的興趣并涵蓋設定的主題。[2]通過沉浸式代入情境，學生能更真切地了解建模的目的和方向，主動完成物理建模任務。

1.原型啟發，在真實情境中簡化模型

只有通過觀察、調查、實驗等探究實踐活動獲取原型的事實經驗，才能形成物理建模的初始材料。利用實物或圖像對原型進行模擬或簡化描述，這種模擬和描述必須建立在對原型的充分理解基礎之上。要想還原真實情境，學生必須收集更為真實的原型信息。例如，在對地球內部結構建模時，學生需要收集地殼、地幔和地核的真實厚度數據以及不同層次的主要特征，對內部結構進行等比例換算，并用不同顏色的橡皮泥表示內部不同的溫度。

在物理建模的過程中，如果沒有指向性的引領，學生往往會比較隨意，憑借自我感覺建造模型，而這種物理模型是不科學、不嚴謹的。教學過程中，教師要想讓學生基于原型進行真實建模，就需要讓他們對原型有充分的了解。

2.表象奠基，在假想情境中構建圖景

教師即便創設假想的情境，也要先將學生置身于“看得見、摸得著”的情境下，因為一切的假想物理模型都建立在已有的認知基礎上。教師以豐富的表象奠基，既能激發學生的情感，又能調動他們的想象和思考，從而使他們構建更清晰的物理圖景。

阿基米德說，給他一個支點，就能撬起整個地球，愛因斯坦想象球體在完全光滑的地面運動，以及抱著一束光在太空中旅行，這些都是科學家在做思想實驗時建構的超越現實的假想情境。許多科學研究都建立在假想情境的基礎上，教師應該鼓勵學生像科學家一樣進行科學想象，引導他們利用假想情境建構物理模型，抽象出科學概念，培養他們的科學想象力、抽象思維以及創新思維。

3.任務驅動，在問題情境中觸發建模

教師可以通過設置各種挑戰性任務來創設科學的問題情境，培養學生利用物理模型解決問題的意識。某個實驗現象、某個生活場景或是某個事件中引發出的問題都可以成為建模的“觸發點”。例如，為了幫助管道維修工人在地面“看到”下水道的內部情況，學生通過制作下水道潛望鏡的模型來解決問題；在研究種子如何散播到遠方時，學生通過制作有羽毛、有倒鉤、能彈射等各式種子模型來研究種子傳播。

物理建模的典型意義就是解決實際問題，教師要創設可以建模的問題情境，讓學生在任務驅動下進行物理建模。而要想任務具有適切性，就需要教師選擇切近學生生活的問題情境。

二、進階式建模，理性分析模型

確定建模的目的之后，教師就要帶領學生在一系列進階式分析活動中完善模型。分析就是抓住最核心的東西，核心意味著在紛繁復雜的系統中甄別出與情境相關的本質要素，突出核心特征，以及確立邊界條件。

1.錨定本質，理解系統內涵

根據建模的目的，尋找現象背后的本質，本質就是事物所具有的基礎的、核心的且相對不變的性質。學生在建構物理模型時，需要抽象概括出事物各種特性背后的本質屬性，抓住事物的本質。因此，學生需要在頭腦中把系統由整體分解成各個部分或不同屬性，通過復雜的表象分析本質要素以及各要素之間的關系，并通過抽象概括提煉原型的本質。例如，針對飛船的安全著陸進行建模，本質就是建造一個沖擊力小、平穩的降落裝置。教師帶領學生從設計方案、材料選擇、測試效果、評估分析到迭代改進，每一步都緊緊圍繞減小沖擊力、增加平穩性這一核心問題。

2.篩選信息，突出主要特征

物理模型并不需要面面俱到，學生可根據建模的需要，抓住對象的關鍵要素，突出其主要特征。物理模型可以根據突出要點的需求進行單方面的呈現，不同模型突出的重點不同，不同模型對系統的簡化程度也不同。

例如，學生在對太陽系八顆行星的大小進行建模時，需要等比例縮小模型，突出比例關系（如圖3）；對細胞結構建模時，只需突出細胞基本結構的關鍵特征（如圖4），不需要考慮內部成分；在對人體系統建模時，突出的是各系統的內部關聯（如圖5）。

在對行星大小建模時，突出的是行星的比例關系，但是太陽系行星在教科書中的圖片卻不是按比例呈現的，因為如果按照距離的真實比例呈現，這些行星將會小到看不見。低年級學生只需要了解細胞的基本結構，而高年級學生要了解細胞內部的更多成分，這表明建模是可以分步驟，逐步細化的。所以，學生建模時需要根據目的篩選合適的信息，突出主要特征。

3.確立邊界，科學解釋模型

物理模型往往適用于需要明確邊界條件，在合理的條件范圍內進行科學解釋的情境。學生要在建造、評估、修正、完善物理模型的過程中理性分析，明確模型的適用條件，并通過解說、推理、反證進一步科學理解物理模型。例如，在構建太陽系八顆行星真實距離比例的模型時，學生需要等比例縮小行星與太陽的距離，用小圓點在線段中標出八顆行星的位置，在試錯中確立模型的邊界。學生一開始將水星標注在線段5的位置，發現如果這樣，最遠的海王星就無法標記，所以修正模型比例，將水星標注在線段0.5的位置。最終，學生根據線段的格子數明確模型的邊界條件，在修正中解釋物理模型的比例選擇（如圖6）。

建模除了應用于宏觀解釋，同樣適用于微觀解釋。例如，學生可以把空氣分子想象成一個個游離的小球模型，小球的大小、數量不會發生變化，但距離會發生改變，這樣就可以解釋為什么空氣占據的空間容易改變，也更容易理解為什么空氣雖然容易被壓縮，但是只能壓縮到一定的程度（如圖7）。

三、多變式比較，科學拓展模型

模型變式重在引導學生深度理解模型的架構。具體可分為三類：外形相似模型，對比相異模型，拓展模型模式。

1.觸類旁通，外延相似模型

小學科學中的很多物理模型是有相似性的，在對一個自然現象建模的過程中，概括出的方法是可以遷移到具有相同本質的其他問題中的。在外延模型的過程中，教師要培養學生舉一反三的思維能力，讓他們驗證模型的正確性，拓展模型的意義。

例如，針對日食的形成原因進行建模時，學生了解了當三個天體在一條直線上且月球居中時，月球就會擋住太陽照到地球的光，在地球上形成日食。有了這一知識基礎，他們就能順勢遷移建立月食模型。

教師通過日食模型啟發學生建立月食模型，讓他們發現日食、月食都是在太陽、地球和月球三者之間的位置關系滿足一定條件時，引發遮擋的天文現象。同樣的觸類旁通還可用于讓學生對比蒼蠅、蠶蛾、蝴蝶、蜻蜓等動物并概括它們的共同特征，最終由同類的模型抽象概括出昆蟲的結構特征。

2.不拘一格，對比相異模型

同一事物的不同模型可以表達事物的不同方面，教師要引導學生選擇恰當的方式進行合理表征。對比同一事物不同方面的物理模型，感受建模方式多樣化，能讓學生多維度地了解該系統，充分理解物理模型的意義。

例如，六年級《我們的地球模型》一課展現了不同種類的地球模型：地球內部結構模型強調比例關系；海陸分布模型強調地球表面的海陸分布特征；自轉模型強調地球繞傾斜的地軸轉動。

教師引導學生根據系統的不同角度或不同層次，建立系統不同維度的物理模型，既便于他們溝通與交流，又能讓他們在充分認識系統多個層次的同時，更全面地了解系統。

3.控制變量，拓展模型模式

在建構物理模型時，當影響某一物理量變化的因素較多，要研究某一個因素變化對該物理量的影響時，必須保持其他因素不變，否則就無法知道該物理量的變化是由哪個因素的變化引起的。在控制變量中拓展模型的多種模式，可以促進物理模型的科學建構。例如，研究影子的大小與什么有關時，教師設計的模型是光源、遮擋物、屏三者中的兩個物體不動，只改變一個物體的位置，探究讓影子變大的多種方式；在種子發芽與什么有關的實驗中，教師要讓學生從水分、陽光、空氣等條件中選擇一個變量進行建模研究。

簡言之，教師在拓展模型的過程中，將原型的存在條件、屬性、狀態等做控制變量的處理，其實質就是把復雜的系統轉化為理想化的、簡化的物理模型來研究和處理。

四、啟發式教學，多元應用建模

物理模型可以幫助我們直觀演繹系統的運行機制，有效遷移研究相近系統，并對未知進行科學想象。學生通過演繹、遷移、想象等多種方式應用模型，可以解決各種科學問題。

1.直觀演繹，建構科學概念

物理模型能幫人們克服時間、空間的限制以及外部條件的干擾。教師通過物理模型快速演繹出科學過程，將系統直觀地展現出來，有助于學生的觀察和理解。

例如，學生在探究陽光下物體影子的變化規律時，可以通過物理模型，觀察一天中影子的長短和方向的變化；月相模型能幫學生在幾分鐘內觀察到一個月的月相變化。

觀察陽光下物體影子的變化規律，常常受到天氣、時間、空間的限制，為了解決這一問題，教師可以帶領學生自制日晷模型。月相的觀察記錄同樣也是受到各方面因素的影響，學生在實踐觀察的基礎上可以利用暗室、手電筒和塑料球建構模型輔助學習，建立科學概念，發展抽象思維。

2.有效遷移，研究相近系統

模型可以幫助我們解釋觀測到的科學現象。基于現象、原因或者是事物發展規律等諸多方面的相似性，教師可以利用已知物理模型的現象和機理，為新物理模型的建立提供依據。

例如，教師讓學生觀看凌日視頻，回憶該現象與什么模型相似，猜測小黑點是哪顆行星。有的學生認為黑點略過太陽和日食模型相似，但日食發生時，太陽被遮擋得更多一些。還有學生認為黑點可能是水星和金星，因為它們圍繞太陽轉動時，會運動到太陽和地球之間，這就像日食發生時的位置關系。

學生觀察凌日天文現象時，會遷移到日食模型（如圖8）或月食模型。這時，教師就要引導學生辨析，明確這個天體應該是像日食中的月亮那樣，出現在太陽和地球中間，擋住了一部分太陽光。由此，學生猜測可能是介于地球和太陽之間的水星或金星。

3.科學想象，探秘未知世界

模型具有系統的本質特征，可以幫助我們預測未被發現的現象、規律和變化趨勢。通過假設、計算、推理等方式建立模型并開展模型實驗，我們可以從中尋找規律，利用科學想象探秘未知世界。例如，提丟斯在1766年提出一組數列，預示在距太陽2.8天文單位處可能存在著天體，促使科學家在這個距離上進行觀測。直到1801年，意大利天文學家皮亞齊果然在這個距離上發現了谷神星，此后確認在火星和木星之間存在小行星帶。

提丟斯數列促使人們發現了一個太陽系里的秘密——小行星帶。而在天王星被發現后，人們發現它的運動軌跡與當時的太陽系模型預測情況有差異，猜測天王星周圍還存在另一顆當時未知的行星。科學家經過計算，算出了新行星的位置，發現了海王星。在科學史上，人們屢屢通過模型的預測功能將想象變為現實。教師將物理模型建構運用于科學想象，可以開闊學生視野，深化建模意義。

小結

物理模型建構是對物理現象進行抽象、簡化和表征的工具，通過分析、概括和運用可以使原型的核心特征清晰可見。物理模型可以是復雜事物的簡化，也可以是抽象現象的形象化。在小學科學學習過程中，學生通過情境建模、分析模型、拓展模型和運用模型掌握相應的科學概念、原理與規律，同時將探究科學知識的過程內化為科學方法的習得和有意義的思維鍛煉，既強化了探究實踐，又發展了科學思維。

參考文獻

[1]劉小紅.高中物理模型建構教學的探索與實踐研究[D].武漢：華中師范大學，2020.

[2]袁媛.高中生物理建模能力及其培養對策研究[D].大連：遼寧師范大學，2017.