建模思想在“地球與宇宙”教學中的運用

朱濤

教科版教材“地球與宇宙”部分內容的教學，除了小學科學教師受到有關“地球與宇宙”的知識儲備的挑戰之外，教學中學生的主要探究活動——模擬實驗的有效組織也是一個值得破解的疑難問題。筆者認為，該疑難問題破解的著眼點應該是正確認識“地球與宇宙”教學中的模擬實驗；而著力點應該是運用建模思想，有效組織“地球與宇宙”教學中的模擬實驗。

一、 “地球與宇宙”教學中的模擬實驗

模擬實驗是指在科學研究中，由于受客觀條件的限制，不允許或不能對研究對象進行直接實驗，為了取得對研究對象的認識，人們可以通過模擬的方法，選定研究對象的替代物 （即模型 ），模擬研究對象 （即原型）的實際情況，對替代物進行實驗，這種實驗就是模擬實驗。模擬實驗的一個突出特點，就是既能使研究對象微型化，又能使研究對象擴大化，還能找出并控制研究對象的理想特征與要素。模擬實驗作為類比思維在實驗中的應用，根據的是相似性原理，它往往要求模型和研究對象之間具有相似性、模型所處的實驗條件與研究對象所處的實際條件之間具有相似性。

在“地球與宇宙”教學中開展的一些科學探究活動，學生受到探究時間、空間以及環境條件的限制，他們無法對研究對象進行直接的探究，這就需要教師和學生一起對研究對象進行模擬，并用模擬建立的認識去解釋研究對象，從而達成教學目標。地球與宇宙盡管廣袤浩瀚、復雜特殊，但就小學科學課程標準要求的學習內容來看，研究對象的替代物還是有條件準備的，操作模型和理論模型學生也能在教師的指導下建立的。

雖然多媒體教學能把事物、現象、情景、過程等化大為小、化難為易、化繁為簡，利用視頻也能展現實驗的過程，但學生只能在屏幕上作單一的、平面的觀察；這種間接的觀察與學生直接的動手實驗探究相比，其親身感受的程度和思維培養的力度，是有天壤之別的，因此，有效組織模擬實驗亟待加強。

二、建模思想在“地球與宇宙”教學中運用

在科學探究活動中，為了研究問題的方便常常采用“簡化”或“理想化”的方法，對實際問題進行抽象化處理，得到一種能反映原事物本質特性的理想狀態（過程）或假想結構，即“科學模型”。在探究活動開展的過程中逐步建立科學模型的過程稱為“建模”。在模擬實驗教學中運用“建模”的思想和方法，能較好地提高探究活動的有效性。筆者在教學實踐研究中總結出基于模擬實驗的三步“建模”法。下面以《日食和月食》一課的教學作為案例，闡述如下。

1.靜態“建模”

靜態“建模”指的是根據相似性原則，確定研究對象的替代物，這個替代物一般也應該是有結構的材料。說它靜態，指的是這時的材料還都是靜物，只是靜態的模擬。

在《日食和月食》一課的教學中，讓學生在觀察教師創設的日食視頻情景之后，討論日食現象的特點，猜想日食發生的原因。在以上鋪墊的基礎上，教師引導學生進入模擬實驗的靜態“建模”過程，思考：①日食的形成可能與哪些天體有關？②這些天體各有什么特點，它們之間具有什么樣的關系？③要模擬日食現象，可選用哪些材料來替代這些天體？通過討論交流確定有關天體的替代物，并按照這些天體的相對位置、距離等結構組裝、擺放替代物。如用手電筒替代太陽、用足球替代月球、學生套上地球模樣的大頭娃娃替代地球上的觀察者，而這三者之間的距離要有合適的比例。

靜態“建模”的關鍵是除了相似性外，要求有關靜態模型的要素及其細節與原型相一致。

2.動態“建模”

動態“建模”指的是通過對替代物的實際操作，模擬研究對象——原型變化、運動的情景、狀態、特點等現象，為學生提供理想化的、典型的觀察內容，有效獲得針對性的事實證據。而說它動態，是指這時的實驗材料都在發生相對的變化、運動，是動態的模擬。

第一步完成了日食的靜態建模，接著引導學生思考、討論：①在這些天體中，我們主要模擬哪個天體的運動，怎樣操作？②觀察者應該觀察什么？③觀察到什么現象了，我們才說日食發生了？在明確實驗意圖和方法的前提下，學生進行動手操作：甲生拿手電筒照射大頭娃娃，模擬太陽照射地球；乙生頭戴地球模樣的大頭娃娃眼望手電筒，模擬地球上的觀察者；丙生舉足球逆時針繞觀察者作圓周運動，模擬月球的公轉運動。這樣，當丙生緩慢地走過甲生和乙生之間時，乙生就會直觀地觀察到手電筒光從右到左逐漸遮掩又逐漸恢復的全過程。這時所創設的模擬實驗的情景，就是基于靜態建模基礎之上的動態建模。面對這個動態建立的關于日食的模型，無論是直接參與實驗的甲、乙、丙學生，還是旁觀實驗的學生，對于日食發生的條件、原因、經過和特點等，都會有充分的感受，留下深刻的印象。

動態“建模”的關鍵是動態模型形成的縱向的“序”和橫向的“法”，模擬實驗必須有目的、有計劃地進行，還應有記錄。

3.綜合（抽象）建模

其實靜態、動態的“建模”都屬于操作層面的客觀性的模型，學生在這個過程中獲得感受與體驗，建立感性認識。而整理事實、形成證據，分析推理、歸納表述，建立理論模型的過程，稱為綜合“建模”，又由于在“建模”過程中更多地運用抽象思維，因此，也可稱作抽象“建模”。

在綜合“建模”活動中，教師應該引導學生對動態建立的模型先進行比較、分析、抽象、歸納，然后啟發學生作必要的聯想，聯系原型形成科學概念。日食的動態“建模”完成后，教師繼續組織學生思考、交流：①在以上模擬實驗中你有什么發現？②你發現了什么現象才說日食發生了？③日食發生時，哪邊的太陽光先被擋住，哪邊的太陽光先復原？④從日食發生時日、月、地三個天體的位置排列來看，日食一般發生在農歷的哪一天？通過以上具體的綜合分析，教師要求學生抽象并表述“日食”的科學概念：解釋日食的成因。

抽象建立的模型其實是一個有關科學概念的理論模型。理論模型可以是定義式（描述、解釋），也可以是表式和圖式等。學生在這個過程中所獲得的是理性認識，也就是對事物本質的認識。