以微觀模型構(gòu)建科學概念的教學嘗試與思考

摘 要： 模型在科學研究中有著不可替代的優(yōu)勢，可以簡化、強化人們的認識，讓人們換一個角度思考問題。本文從利用微觀模型開展質(zhì)量守恒定律教學的有效策略入手，分析了模型在科學教學中的作用和思考，旨在喚起人們在科學概念教學中對建模教學的重視和研究。

關(guān)鍵詞： 微觀模型 科學概念 嘗試 思考

從某種意義上講，科學學習過程就是改變學生的初始想法，不斷修正和完善概念的過程。傳統(tǒng)的概念教學，常從學生的生活世界或?qū)嶒炄胧?，即對宏觀的感知、歸納并推理形成。因為這種教學從呈現(xiàn)方式上看，能使學生形象直觀地感知事物的性質(zhì)和發(fā)展特征；從課堂組織上看，能充分發(fā)揮學生的原有認知，更有利于活躍課堂氣氛。

其實，有時候就算是相同的概念、相同的時期、相同的學生，采用不同的教學策略，都有可能取得意想不到的效果。一次“質(zhì)量守恒定律”的教學使我對微觀模型在概念教學中的作用有了新的認識。

一、微觀模型讓概念變得更易想象

在一次科學教學中，我突發(fā)奇想，利用學生掌握得較好的模型知識來開展“質(zhì)量守恒定律”教學。先從水分子、氫分子和氧分子的結(jié)構(gòu)入手，讓學生用不同顏色、不同大小的紙片在黑板上擺放相應的微觀結(jié)構(gòu)模型。繼而提出八年級上《科學》中學過的水的電解實驗，讓學生嘗試著擺出相應的微觀模型，教師有意識地引導學生形成反應中各種物質(zhì)分子個數(shù)的觀念。在幾分鐘的探討磨合之后，學生不僅能用微觀模型解釋水的電解和氫氣在氧氣中燃燒的反應本質(zhì)，還能用微觀模型解釋其他常見的化學反應。我看時機已經(jīng)成熟，就發(fā)問：“在每個變化過程中分子種類變嗎？原子的個數(shù)和種類變嗎？”問題加深了學生對化學反應本質(zhì)的理解，使學生明白了：化學反應中分子分解成原子，原子重新組合成新分子的道理。這樣質(zhì)量守恒的道理就很明晰了。

事后，學生在解決質(zhì)量守恒或分子、原子模型有關(guān)問題的時候，竟然覺得應付自如。他們普遍認為，有了這種模型的概念之后，對這一類問題的想象變得是那么的具體和容易理解，也就是說：微觀模型讓概念變得更易想象。

二、利用微觀模型教學質(zhì)量守恒定律概念成功的原因分析

1.從質(zhì)量守恒的科學發(fā)現(xiàn)史認識人們認知的缺陷。

質(zhì)量守恒是科學中的重要概念之一，它的建立并非一帆風順。因為當初很多實驗現(xiàn)象使人們建立了“質(zhì)量不守恒”的觀點。之后羅蒙諾索夫（1756年）和拉瓦錫（1777年）在實驗基礎上提出質(zhì)量守恒定律；后來德國朗道耳特（1908），英國的曼萊（1912年）用極其準確的實驗證明了在化學反應中質(zhì)量守恒。但人們往往對測量持懷疑態(tài)度，很難接受質(zhì)量守恒的事實。直到微觀模型的建立，我們明白了“化學反應中微粒種類不變、微粒的數(shù)目不變”的道理，質(zhì)量守恒的概念才得到了大眾的認可。這說明人們的認知有容易受到原型復雜因素干擾的缺陷。

2.傳統(tǒng)實驗教學對思維過渡的銜接欠缺。

傳統(tǒng)的質(zhì)量守恒定律教學是從生活中的現(xiàn)象入手，拿出木條點燃，燃燒后問學生質(zhì)量有變化嗎？之后為了定性地研究，教師會通過實驗讓學生觀察碳酸鈉與鹽酸在開口的容器里反應過程中的天平指針偏轉(zhuǎn)情況，或鎂條在空氣中燃燒前后的質(zhì)量變化情況。引出問題讓學生思考：（1）反應前后質(zhì)量為什么發(fā)生了變化？（2）用什么方法可以更加準確地測定反應前和反應后的各物質(zhì)總質(zhì)量的變化？

思考后，師生一起設計白磷燃燒或CuSO4與NaOH反應，觀察天平指針是否發(fā)生偏轉(zhuǎn)的實驗。讓學生在嘗試實驗設計的同時，得出質(zhì)量守恒的事實。看似相當嚴密，并有事實作為依據(jù)，但是在運用定律內(nèi)容解決實際問題時，學生對參加反應和生成各物質(zhì)質(zhì)量總和的理解總是那么的勉強。因為教學中我們稱量的是反應物和未參加反應的物質(zhì)或生成物與剩余物，以及儀器的總質(zhì)量，而得出的卻是參加反應的各物質(zhì)質(zhì)量總和與生成的各物質(zhì)質(zhì)量的總和，在這個過渡中好像缺少了某一個中間環(huán)節(jié)。所以在運用質(zhì)量守恒定律解決實際問題時，學生會反復出現(xiàn)同一類理解上的錯誤。盡管我們也向?qū)W生說明了原子的種類和數(shù)量在化學變化中都不變的道理，但由于這是在實驗基礎上補充上去的，還沒有納入到學生的認知結(jié)構(gòu)中形成知識圖式，所以知識的親和性較差。

3.學生頭腦中模型與符號概念的建立是順利實施的關(guān)鍵。

從表面現(xiàn)象上看，宏觀到微觀或由宏觀現(xiàn)象入手形成某一個概念，符合由“知”到“不知”，再由“不知”推出“新知”的一般認知規(guī)律。這種教學還可以保證自始至終能有學生的主動參與，課堂氣氛肯定比較活躍。而由模型引入的教學，一開始學生就會覺得教學內(nèi)容很難與已有的經(jīng)驗聯(lián)系起來，而無法納入已有的圖式之中。

但是當我們在八年級上《科學》第一章“粒子的模型與符號”的學習之后，學生頭腦中就積累了大量的模型知識，再結(jié)合我們平時對模型的應用與理解，加上八年級學生的抽象思維逐漸形成，并達到一定的水平，已經(jīng)初步具有運用模型解釋常見的一些現(xiàn)象（如：水的三態(tài)變化到密度的改變、原子結(jié)構(gòu)、相對原子量等）的能力。再加上學生已經(jīng)在八上第一章中已經(jīng)學過“水的電解”，宏觀的現(xiàn)象和實驗操作都比較了解。這樣的特殊時期，從微觀模型的角度認識質(zhì)量守恒定律剛好適時彌補了學生認知的不足，并以微觀模型簡約、明了的特征，使復雜背后的規(guī)律變得簡單易懂，易于操作和想象分析，符合多維構(gòu)建使認知結(jié)構(gòu)更加完整牢固的特征。

三、以微觀模型構(gòu)建科學概念教學的思考

“好教師用50種方法教一個學生，差教師用一種方法教50個學生”是我們經(jīng)常聽到的一句至理名言。多元智能理論告訴我們每個人都不同程度地擁有相對獨立的八種智力，而且每種智力有其獨特的認知發(fā)展過程和符號系統(tǒng)。因此，教學方法和手段就應該根據(jù)教學對象和教學內(nèi)容而靈活多樣，因材施教。為了提高教學效率，我們必須認真研究教學方法。這里就針對利用微觀模型構(gòu)建科學概念教學談一些思考。

1.以微觀模型構(gòu)建科學概念是概念教學的一種模式。

科學教學是根據(jù)學生的經(jīng)驗一步一步地拓展他們的觀念。因而，在教學過程中我們需要一定的操作策略，以幫助學生更好地實現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變。我們普遍認為：幼兒和低年級學生的科學概念形成要依靠大量的實踐活動，所以“做科學”被大量幼兒或小學的科學教師采納；小學高年級和中學的科學教學則要逐漸由“做科學”走向解決問題的探究式學習。這些都是有效的教學模式。其實概念的教學我們還常采用移用、類比、建立數(shù)學模型、進行公式變形、應用鞏固等方法使概念在學生頭腦中建立、強化和內(nèi)化。當然，在不同的場合我們就應該采用不同的策略。以微觀模型構(gòu)建科學概念也只是概念教學的一種模式，這種模式主要有以下一些特點。

提起模型，肯定要有相應的原型。真實的情境就是我們研究對象的原型，作為原型的客觀事物所處的多種因素交錯，聯(lián)系復雜紛亂，容易造成人們面臨問題難以著手。而科學模型并不需要與原型在外部特征、質(zhì)料、結(jié)構(gòu)和形態(tài)上一一相似?？梢云查_那些次要因素、關(guān)系和過程，將主要因素、關(guān)系和過程突出地顯示出來，以便于人們觀察、實驗和理論分析。尤其是對那些“時過境遷”、不能再現(xiàn)或微小的不可能直接觀察到的現(xiàn)象，我們更需要借助于模型研究。也就是說利用模型可以有效排除客觀事物及其它復雜因素的干擾。

2.每一種模式都有它的合適人群、合適內(nèi)容和出現(xiàn)的最佳時機。

在八年級下的“質(zhì)量守恒定率”教學中，采用模型教學建立概念是在比較合適的人群中找準了合適的時機開展的有效教學。假如我們提前在八年級上《科學》“水的密度”一節(jié)中利用微觀模型開展教學，就要花費很大的勁使學生建立模型的概念才行，因為此時的學生、此時的內(nèi)容還不具備實施這種教學方法的最佳時機。而我們在復習課中運用模型進行三態(tài)變化的解釋之后，再嘗試用運用模型重新認識水的密度就會取得理想的效果。

3.利用模型開展教學的策略也有多種，加強研究對促進有效教學意義深遠。

相同的教材、不同的學生，應有不同的教學方法；不同的教學內(nèi)容更應采取不同的教學方法。教學實踐證明，更多的有效教學應該是多種策略的有機結(jié)合才能達到目的的。知識、情境和學生的復雜性、多樣性，使得教學策略也變得多樣復雜。所以利用模型開展概念的有效教學還需我們加強研究。

4.讓模型經(jīng)歷一個“意義賦予”的過程，才能使模型教學更具活力。

概念是一類事物現(xiàn)象和發(fā)展過程的共同性質(zhì)和本質(zhì)特征在人們頭腦中的反映，是對現(xiàn)象、過程抽象化和概括化的思維形式。它具有明顯的簡約性、抽象性和概括性。

從建構(gòu)主義角度看，教學就是一個使學生進行“理解學習”即由強調(diào)知識的“客觀性”轉(zhuǎn)化為注重學習主體內(nèi)在的思維過程。即學習是一個把新知識納入到學習者已有的認知結(jié)構(gòu)中的過程，是知識在學習者的思維中獲得明確意義的過程，是一個“意義賦予”的過程。也就是說：實際意義是概念的生命，模型與概念的簡約性、抽象性和概括性只有加上“意義的賦予”才使教學更具活力。為了讓模型教學更具生命活力，我們必須注意以下兩個方面：

一是模型不能等同于原型。我們利用“芝麻和黃豆混合后總體積變小”的結(jié)果解釋“酒精與水混合體積減少的現(xiàn)象”，從而推論出分子間存在間隔。結(jié)果很多學生便錯誤地認為：“芝麻和黃豆混合后總體積變小是因為分子間有間隔?！边@種模型與原型混淆現(xiàn)象的出現(xiàn)是我們沒有讓學生弄懂模型與原型的特征關(guān)系造成的。

二是模型代替不了實驗。模型是教學的一種手段，利用模型開展教學是達到某一教學目的的一種策略。但模型建立起來的概念只有接受原型的檢驗，才能使概念變得有意義。而實驗可以是真實情境的再現(xiàn)，也可以是模型環(huán)境下的一種模擬。所以兩者之間存在著一定的區(qū)別和聯(lián)系，此時的模型教學又有很大的局限性。

科學是一門以實驗為基礎的學科，科學知識從實踐中來，更要接受實踐的檢驗。模型研究方法雖能發(fā)揮理論對實踐的指導作用，特別是在體現(xiàn)了正確科學理論知識的模型上進行實驗，其結(jié)果往往會優(yōu)于實際情況，但這也絕對代替不了事實。當然，利用微觀模型開展概念教學的有效性也有很大的優(yōu)勢，我們要加強研究，根據(jù)不同的學生、不同的內(nèi)容，適度、適時地開展。

參考文獻：

［1］陳志偉，陳秉初.中學科學教學論［M］.浙江教育出版社，2007.12.

［2］劉來福，曾文藝.問題解決的數(shù)學模型方法［M］.北京師范大學出版社，1999.11.

［3］中華人民共和國教育部制訂.科學課程標準（實驗稿）.北京師范大學出版社，2001.7.

［4］王庚，王敏生.現(xiàn)代數(shù)學建模方法［M］.科學出版社，2008.2.

［5］趙邦杰，趙晟.生物學中的數(shù)學建模［M］.工科數(shù)學，2002年18卷6期.