推進模型建構(gòu)能力螺旋上升的策略

科學課程標準指出，模型建構(gòu)能力作為科學思維的重要組成部分，強調(diào)以經(jīng)驗事實為基礎(chǔ)，對客觀事物進行抽象和概括，進而建構(gòu)模型；強調(diào)運用模型分析、解釋現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、關(guān)系及變化過程。模型建構(gòu)能力的培養(yǎng)是螺旋上升的，對學生的科學學習非常重要。基于學習進階，不同年級有不同的具體培養(yǎng)要求，教師可以基于學習進階的思想，從模型分析、模型建構(gòu)、模型運用三個維度，對低、中、高年級提出不同的培養(yǎng)要求，推進學生模型建構(gòu)能力的螺旋上升。

一、模型分析

模型分析主要是指分析模型與原型之間的關(guān)系，是培養(yǎng)學生模型建構(gòu)能力的第一步。從區(qū)分異同到比對要素，再到分析要素，體現(xiàn)了學生在不同年級模型分析能力不斷螺旋上升的發(fā)展過程。

1.低年級：區(qū)分異同，明確特征

低年級學生通過觀察能夠大致比較模型和原型的異同點，明確特征。教師可通過驅(qū)動問題引導學生尋找證據(jù)，呈現(xiàn)他們模型分析的自我認知過程。

例如，教科版教材（下文均指該教材）一年級“動物”單元第1課《我們知道的動物》，教師展示玩具熊，提問：“玩具熊是動物嗎？”并引導學生說出玩具熊不是動物的理由。有的學生從是否有運動能力、是否吃食物、能否繁殖等方面思考，認為玩具熊不是活的，通過多維度比較模型和原型之間的異同點，他們發(fā)現(xiàn)動物的一些共同特征，初步發(fā)展模型建構(gòu)能力。

2.中年級：比對要素，尋找方法

教師可通過驅(qū)動問題促使學生觀察，比對模型與原型之間的核心要素，尋找實驗的方法，以此來提升他們的模型構(gòu)建能力。與低年級學生相比，中年級學生的比較能力有了明顯提高，從大致能區(qū)分模型和原型，到能夠?qū)δＰ秃驮偷暮诵囊匾灰粚Ρ龋瑥亩玫胤治瞿Ｐ汀?/p>

例如，四年級“聲音”單元第4課《我們是怎樣聽到聲音的》，教師出示耳朵的結(jié)構(gòu)圖，讓學生推測鼓膜的作用。

教學片段

師：用什么材料來模擬能更接近真實的鼓膜呢？

生：我覺得可以借助氣球皮、保鮮膜等，因為它們和鼓膜的特點很像，很薄、有彈性。

生：我覺得還要用上小紙屑等輕、小的物體幫助我們觀察鼓膜的振動。

生：我覺得用氣球皮好，因為我觀察了耳朵的結(jié)構(gòu)，猜測了它的作用，發(fā)現(xiàn)鼓膜應該是很薄的，容易振動的。

學生在設計模擬實驗時，先對鼓膜的特點進行歸納，然后基于材料特點的相似性，用氣球皮來模擬鼓膜，并用輕小物體來放大鼓膜的振動，為理解鼓膜的作用奠定基礎(chǔ)。

3.高年級：分析因素，歸納概念

隨著學生能力的提升，高年級教材上不僅有實物模型，還會有小部分思維模型。教師可通過驅(qū)動問題，讓學生逐一分析實物模型或思維模型與原型之間的核心要素，一步一步地理解模型，歸納概念。

例如，五年級“生物與環(huán)境”單元第7課《設計和制作生態(tài)瓶》，教師讓學生設計和制作生態(tài)瓶，讓他們進一步認識生物與生物之間、生物與非生物之間相互依存、相互作用的關(guān)系。

教學片段

師：綠豆苗田里和生態(tài)瓶有什么相同點和不同點呢？

生：綠豆苗田里的非生物因素有陽光、空氣、水、溫度、泥土。生態(tài)瓶里的非生物因素有陽光、空氣、水、溫度、沙子。

生：綠豆苗田里的生物因素有綠豆苗、蚜蟲、蚯蚓等，生態(tài)瓶里的生物因素有水草、小魚、螺等。

生：我發(fā)現(xiàn)無論是綠豆苗田里還是生態(tài)瓶里，植物都為動物提供氧氣、食物、棲息的環(huán)境，動物都為植物提供二氧化碳等。

生：我發(fā)現(xiàn)動植物的生長會改變空氣、水等非生物因素，而非生物因素會影響動植物的生存。

師：你們覺得共同點是什么？

生：相互依存、相互作用。

生：相互聯(lián)系、相互影響。

學生從非生物因素、生物因素和兩者之間的聯(lián)系這3個因素出發(fā)，開展有依據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)綠豆苗所在的生態(tài)系統(tǒng)與虛擬的生態(tài)系統(tǒng)的共同因素。通過對虛擬生態(tài)系統(tǒng)和真實生態(tài)系統(tǒng)之間的核心因素進行分析，學生發(fā)現(xiàn)各自的非生物因素和生物因素有不一致的地方，但是它們又是有聯(lián)系的，非生物因素和生物因素之間相互依存，從而一步一步歸納抽象出生態(tài)系統(tǒng)的概念，更好地理解生態(tài)系統(tǒng)模型。

二、模型建構(gòu)

學生通過細致入微的觀察，對原型進行抽象和概括，在模型建構(gòu)過程中，呈現(xiàn)事物的主要特征和屬性。模型的修正是關(guān)鍵，學生需要根據(jù)已有經(jīng)驗，抓住模型與原型之間的本質(zhì)特征，經(jīng)歷分析、類比、演繹、建構(gòu)的認知過程，把模型建構(gòu)過程中的思維外顯出來。

1.低年級：仿制簡單平面模型

由于低年級學生的動手能力較弱，他們經(jīng)過細致觀察后，一般以畫圖的方式描述原型的顯著特征，加上適當?shù)奈淖诌M行補充，以此來進行辨析。

例如，一年級“動物”單元第5課《觀察魚》，學生用簡圖描繪魚的主要身體特征（鱗片、鰭、鰓等），通過多次的觀察，不斷地修正模型，從而使建構(gòu)的平面模型越來越接近原型。

學生第一次主要畫出了魚的紡錘形軀干，有嘴巴、鼻子、眼睛、鰭和鱗片，但是缺少鰓蓋。第二次器官畫完整了，但是鰭的數(shù)量不對。第三次學生不僅把鰭的數(shù)量畫正確了，并且從側(cè)面看還可以區(qū)分出胸鰭、腹鰭、臀鰭、背鰭和尾鰭。在觀察的基礎(chǔ)上，學生繼續(xù)完善平面模型，如標注魚各部分器官的名稱等。

在觀察和畫圖后的交流中，教師給予學生充分的展示時間，與鯽魚的原型進行比較，從軀干是不是紡錘形、器官有沒有畫齊、鰭的數(shù)量是否正確等方面進行分析，重點關(guān)注畫的平面模型是否突出了魚的主要特征，從而逐步修正模型。在交流的過程中凸顯學生的觀察思考過程，發(fā)展了他們的模型建構(gòu)能力。

2.中年級：制作簡單實物模型

對于中年級學生來說，根據(jù)任務需求制作簡單的實物模型，符合他們的認知水平和動手能力，能夠促進他們思維能力的提升，同時他們在制作的過程中可以把想法呈現(xiàn)出來，有助于建構(gòu)科學概念，發(fā)展模型建構(gòu)能力。

例如，四年級“呼吸與消化”單元第1課《感受我們的呼吸》，教師引導學生借助氣球、塑料瓶、吸管等材料模擬人體的呼吸，了解呼吸器官在呼吸過程中的協(xié)同合作。對于學生來說，用于呼吸的器官就像一個暗箱，他們基于實物模型，呈現(xiàn)原有想法，使思維可視化。

教學片段

師：這是人體的呼吸模擬器，你覺得各部分結(jié)構(gòu)分別模擬了人體的哪些部位呢？

生：吸管模擬氣管，氣球模擬肺，塑料瓶模擬胸廓，底部的氣球皮模擬膈肌。

（第一次模擬：嘗試，呈現(xiàn)原有想法。）

師：怎么用這個裝置來模擬吸氣和呼氣呢？

（學生分小組嘗試。）

生：我們組是這樣來模擬的，用嘴吹氣，氣球變大，模擬吸氣；用嘴吸氣，氣球變小，模擬呼氣。

生：我們組的方法不一樣，用手向下拉底部的氣球皮，氣球變大，模擬吸氣；用手向上推底部的氣球皮，氣球變小，模擬呼氣。

師：兩個方法都正確嗎？

生：我覺得都正確，因為都能看到胸部收縮和舒張。

生：我覺得呼吸時沒有外力幫助我們，所以我認為方法1錯誤。

生：我也覺得方法2正確，因為人體是自主呼吸的，膈肌就是會這樣運動，促進胸部舒張和收縮。

師：呼吸的“開關(guān)”是哪里呀？

生：膈肌的上下運動。

（第二次模擬：再次嘗試用方法2來模擬呼吸。）

師：經(jīng)過第二次模擬，現(xiàn)在你們有什么新發(fā)現(xiàn)？

生：我發(fā)現(xiàn)膈肌向下運動，模擬吸氣；膈肌向上運動，模擬呼氣。

生：膈肌向下運動的時候，肺擴張，吸氣；膈肌向上運動的時候，肺收縮，呼氣。

在這個過程中，學生兩次模擬人體的呼吸。學生一開始無意識地模擬呼吸，經(jīng)過交流發(fā)現(xiàn)呼吸不可能依靠外力而是自主呼吸的，形成了科學認識。第二次就是有目的地模擬，發(fā)現(xiàn)膈肌向下運動，胸腔擴張，腹部收縮，此時吸氣；膈肌向上運動，胸腔收縮，腹部放松，此時呼氣。通過選擇材料、實踐操作、交流分析等一系列過程，學生的模型建構(gòu)能力得到了有效提升。

3.高年級：制作復雜實物模型

高年級學生的動手能力較強，思維也從具體思維向邏輯思維發(fā)展，能夠根據(jù)任務需求，制作復雜的實物模型，甚至融入獨特想法，此時他們也能建構(gòu)簡單的思維模型。教師可以借助真實的項目任務，進一步提升學生的思維能力。

例如，五年級“熱”單元第7課《做個保溫杯》，既考查學生知識的運用和動手制作的能力，也檢驗他們控制變量的能力，以及對實驗數(shù)據(jù)整理分析的能力。

保溫杯是一個復雜的實物模型，保溫的效果與材料的特點、結(jié)構(gòu)、顏色、空隙、角度等都有關(guān)。教師采用項目學習的方式可以提高學生的積極性，在項目實踐中提升模型建構(gòu)能力。教師出示不同的材料供他們選擇并設計制作一個保溫杯模型，同時將評價量規(guī)前置。在設計的過程中，學生不僅要實現(xiàn)保溫效果，也要考慮材料成本。制作完成后，學生測試保溫效果，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，培養(yǎng)了分析、類比思維，如：分析填充類材料棉花和木屑以及包裹類材料毛巾、泡棉、錫紙等的效果，對比有無蓋子的效果等，從而分析各組保溫效果不一樣的原因。保溫效果相同的小組則分析材料的成本。這樣，學生根據(jù)材料的不同性能，對材料進行重組，并設計迭代復雜實物模型，發(fā)展科學思維。

三、模型運用

建構(gòu)模型不是學習的終點，更在于運用建構(gòu)的模型來解釋現(xiàn)象和數(shù)據(jù)以及事物間的關(guān)系。教師要加強模型與生活實際的聯(lián)系，分層次推進模型運用，突出交流等過程的豐富性，促進成果的應用遷移。

1.低年級：類比事物，觸類旁通

低年級學生要能利用簡單的平面模型，類比與之相關(guān)的原型，找到兩者的共同點，實現(xiàn)模型在生活中的運用。

例如，一年級“比較與測量”單元第7課《比較測量紙帶和尺子》，學生要將第6課制作的測量紙帶（模型），與尺子（原型）進行對比，觀察兩者的異同，把用測量紙帶的測量能力遷移到正確用尺子測量物體上來。

活動一：比較自制測量紙帶和尺子。通過對比，學生將更深刻地認識尺子，明白尺子的讀數(shù)方法和使用方法。標記線的間距等長遷移成同一標準物的長度，標記線重復出現(xiàn)遷移成標準物首尾相連，數(shù)字標記遷移成標準物數(shù)量的統(tǒng)計。

活動二：正確用尺子測量橡皮。學生在測量的過程中，自然而然地會想起自制測量紙帶的使用方法，從而更深刻地認識尺子，明白尺子的使用方法。

通過兩個有層次的實踐活動，學生在觀察中比較，在實踐中測試。這既達到了模型運用的目的，又使學生體會到統(tǒng)一測量工具和計量單位給生產(chǎn)、生活帶來的便利，引導他們關(guān)注生活中的測量工具。

2.中年級：描述現(xiàn)象，深度遷移

中年級學生要能用簡單的實物模型描述原型，嘗試解釋相關(guān)現(xiàn)象，把科學學習成果應用遷移到生活中，意識到科學與生活的密切關(guān)系。

例如，五年級“健康生活”單元第2課《身體的運動》，學生通過制作上肢運動模型，進一步理解四肢完成運動的過程，充分認識骨、關(guān)節(jié)、肌肉的協(xié)同工作，為逐步建構(gòu)“人體是由多個系統(tǒng)組成”的科學概念搭建“腳手架”，提升用系統(tǒng)的、聯(lián)系的思維方式認識世界的能力。

學生借助木棒套件、軟金屬、組合網(wǎng)袋制作模擬上肢運動的模型。

環(huán)節(jié)一：全班演示自制的上肢運動模型及運動過程。多組學生上臺演示，發(fā)現(xiàn)：①模擬曲臂時，上面的組合網(wǎng)袋鼓起來變短、變粗，下面的組合網(wǎng)袋變細、變長。②模擬伸臂時，上面的組合網(wǎng)袋變細、變長，下面的組合網(wǎng)袋鼓起來變短、變粗。

環(huán)節(jié)二：思考肢體是怎樣運動的。學生發(fā)現(xiàn)：骨骼起支撐作用，肌肉提供動力，關(guān)節(jié)能靈活轉(zhuǎn)動，它們分工協(xié)作，使肢體運動起來。

環(huán)節(jié)三：尋找生活中的類似結(jié)構(gòu)（起重機等）。將科學建模拓展到豐富多彩的生活中，讓學生意識到科學與生活的密切聯(lián)系及提高建模能力的重要性。

學生展示上肢模型時，明白了肌肉的作用，引發(fā)對身體運動機制的思考和推測，總結(jié)并理解它們的協(xié)同作用。然而教學只到這里是不夠的，教師還需要引導學生進行深度遷移，尋找生活中與我們身體運動的結(jié)構(gòu)相似的物體，讓他們認識到這就是人體仿生學，它能更好地為生活服務。

3.高年級：解釋關(guān)系，逆向理解

高年級學生的動手能力和思維能力都有了大幅度提升，能用復雜的實物模型或簡單的思維模型，初步解釋模型與原型之間的關(guān)系，并借助模型逆向理解運用。

例如，六年級“地球的運動”單元第6課《地球的公轉(zhuǎn)與四季變化》，學生嘗試通過4個層次的模型建構(gòu)探究地球公轉(zhuǎn)與四季變化的關(guān)系，并了解地球公轉(zhuǎn)的特點，為后續(xù)學習二十四節(jié)氣作鋪墊。

層次一：簡單思維模型。教師出示公轉(zhuǎn)示意圖，讓學生通過閱讀，找到公轉(zhuǎn)的特點，這是簡單的思維模型。考慮到學生的思維能力還是不夠強，教師出示了公轉(zhuǎn)的視頻。

層次二：簡單的實物模型。教師引導學生用一個餅干蓋子和一個小球來制作模型（如圖1），這個實物模型可以把地球自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)組合成一個整體，并呈現(xiàn)出動態(tài)具象的模型。在這里教師做了一個小修改，在小球上加了“地軸”，然后用手轉(zhuǎn)動使“地球”運動起來，理由是如果只有一個球和一個圓盤，讓小球運動起來的唯一方法就是轉(zhuǎn)動圓盤，但事實上公轉(zhuǎn)軌道是不動的，而且依靠軌道轉(zhuǎn)起來的方向也是有問題的。學生通過親自體驗、觀察，對地球運動的特點認識得更加深刻，其實運用這個簡單的實物模型是無法真正模擬地球運動的所有特點的，但是越難模擬，學生越會想辦法了解并盡可能模擬地球運動的特征。

層次三：復雜的實物模型。學生在反思中提出，簡單的實物模型最難模擬的是公轉(zhuǎn)1周，自轉(zhuǎn)需要365周，提出的解決辦法是最好有一個機械裝置來控制速度，于是自然而然地遷移到運用復雜的三球儀來幫助理解地球運動的特征，解釋地球公轉(zhuǎn)與四季變化的關(guān)系。

層次四：思維模型。學生的一個普遍前概念是四季變化與地球和太陽之間的距離有關(guān)，為了糾正這個錯誤的前概念，教師借助兩張思維模型圖（地球公轉(zhuǎn)軌道距離與時間，同一時間地球南北半球的季節(jié)），引導學生找到四季變化與日地距離無關(guān)的證據(jù)——地球距離太陽近時北半球是冬季，距離遠時北半球是夏季；同一時間，地球的南北半球恰好是相反的季節(jié)。這就是運用思維模型來糾正錯誤的前概念。

在本環(huán)節(jié)中，地球公轉(zhuǎn)示意圖就是簡單的思維模型，但考慮到學生的思維能力有限，教師借助實物模型加深他們對地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)特點的理解。當學生經(jīng)過體驗意識到無法借助簡單實物模型解決問題時，教師出示復雜的實物模型（三球儀），沿著他們的思維發(fā)展來推進課堂教學，最后借助兩張思維模型圖使他們認識到四季變化與日地距離遠近無關(guān)，從而糾正其錯誤的前概念。建構(gòu)模型的目的不僅僅是建立實物模型和思維模型，更重要的是對模型的應用遷移。學生通過分析和研討，將模型（日地運動模型和示意圖）和原型（地球公轉(zhuǎn)引起四季變化）進行對比，從而逆向理解模型對原型的運用。

（作者單位：浙江省慈溪市實驗小學教育集團）

參考文獻

[1]胡衛(wèi)平，劉守印.義務教育科學課程標準（2022年版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2022.