設(shè)計(jì)、診斷初中科學(xué)建模作業(yè)的實(shí)踐和思考

張學(xué)娟

【摘 要】通過分析學(xué)生的作業(yè)表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的錯(cuò)誤源于學(xué)生頭腦中錯(cuò)誤的模型。本文提出在教學(xué)實(shí)踐中，通過設(shè)計(jì)和診斷學(xué)生的建模作業(yè)，幫助學(xué)生正確理解科學(xué)概念，實(shí)現(xiàn)問題的解決，需要教師在診斷學(xué)生錯(cuò)誤模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的重難點(diǎn)、易錯(cuò)點(diǎn)和容易混淆的概念，耐心地展開指導(dǎo)，使學(xué)生頭腦中原始的模型不斷向科學(xué)模型的方向發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】建模作業(yè);設(shè)計(jì);診斷

有過初中電路教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的老師一定會(huì)記得，初學(xué)電路圖時(shí)，班里總有那么幾個(gè)學(xué)生作圖不用尺，有時(shí)候還會(huì)有學(xué)生把電路元件畫在拐角上（見圖1）。

圖1：學(xué)生根據(jù)實(shí)物圖所畫的電路圖

分析學(xué)生的作業(yè)表現(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)除了不懂得怎樣使用電壓表外，這份作業(yè)其實(shí)還是很認(rèn)真的。在電路圖中，各元件的連接順序與實(shí)物圖是一致的，在實(shí)物圖中還有鉛筆描畫的痕跡，想必是解題時(shí)對(duì)電流回到負(fù)極的路徑有點(diǎn)糾結(jié)吧。可是為什么會(huì)把小燈泡和電流表置于“三岔路口”的中央呢？訪談學(xué)生才知道，學(xué)生認(rèn)為電流經(jīng)過小燈泡后，有兩條支路，一個(gè)支路通向電壓表，而另一個(gè)支路則通向電流表。

明明是滑動(dòng)變阻器與小燈泡串聯(lián)，電壓表應(yīng)該并聯(lián)在被測(cè)電路的兩端，這些基本的知識(shí)和技能已經(jīng)講解和示范了好幾遍，可是這個(gè)學(xué)生卻始終不能接受。對(duì)實(shí)物圖的描畫，說明解題時(shí)學(xué)生還是動(dòng)了腦筋，可是畫電路圖時(shí)，卻不用尺。這恰恰說明了人的頭腦不會(huì)是一張白紙，在很多情況下，簡(jiǎn)單的灌輸和說教對(duì)于人的學(xué)習(xí)而言大都會(huì)是蒼白無力的。

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，個(gè)體在學(xué)習(xí)過程中，通過與外界環(huán)境的相互作用，不斷建構(gòu)新的認(rèn)知圖式。模型是所研究的系統(tǒng)、過程、事物或概念的一種表達(dá)形式，它舍去原型次要的細(xì)節(jié)和非本質(zhì)的聯(lián)系，以簡(jiǎn)化和理想化的形式去再現(xiàn)原型的各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)、功能和聯(lián)系，是連接理論和應(yīng)用的橋梁。科學(xué)教學(xué)中的建模作業(yè)，是幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)和理解知識(shí)的手段并能夠反映學(xué)生的思維過程。

一、設(shè)計(jì)、診斷初中生建模作業(yè)的實(shí)踐案例和建模作業(yè)在教學(xué)中的作用

在初中科學(xué)教學(xué)中，地球儀、各種結(jié)構(gòu)圖、化學(xué)方程式、光路圖、電路圖、磁感線、各種圖像等都可被視為模型。翻閱教材，除了反映生活現(xiàn)象的圖片、科學(xué)家的照片外，絕大部分的插圖也大都可以視為模型。教學(xué)中，教師們運(yùn)用的PPT、Flash動(dòng)畫也大都是運(yùn)用了模型揭示生物的結(jié)構(gòu)、描述科學(xué)規(guī)律、解釋事物的相互聯(lián)系和因果關(guān)系等。問題是這些模型雖然經(jīng)過了專家的檢驗(yàn)，也符合科學(xué)學(xué)科的知識(shí)體系，但是學(xué)生沒有經(jīng)歷自主建模和修正的學(xué)習(xí)過程，一味地簡(jiǎn)單的灌輸，卻容易造成學(xué)生被動(dòng)接受和死記硬背的結(jié)果，出現(xiàn)圖1這樣的作業(yè)成果，也就不足為奇了。

模型方法，作為一種現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)識(shí)手段和思維方法，所提供的觀念和印象，不僅是人們獲取知識(shí)的條件，而且是認(rèn)知結(jié)構(gòu)的重要組成部分。初中科學(xué)教學(xué)中，設(shè)計(jì)建模作業(yè)，促使學(xué)生主動(dòng)運(yùn)用模型方法描述科學(xué)概念、分析生活現(xiàn)象、研究物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和變化規(guī)律，不僅有助于學(xué)生思維的發(fā)展，也會(huì)有利于教師診斷學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的理解， 了解不同層次學(xué)生的認(rèn)知水平，厘清教學(xué)的起點(diǎn)、重點(diǎn)、難點(diǎn)和易錯(cuò)點(diǎn)，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)適合學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)活動(dòng)。

1.厘清教學(xué)的重點(diǎn)：以學(xué)生運(yùn)用原子的實(shí)心球模型建構(gòu)反應(yīng)關(guān)系為例

圖2：學(xué)生運(yùn)用原子的實(shí)心球模型建立的關(guān)于磷在氧氣中燃燒的模型

從兩位學(xué)生的表現(xiàn)看，一個(gè)班級(jí)學(xué)生的個(gè)體差異是十分明顯的。左圖中學(xué)生對(duì)氧氣的微觀表達(dá)，說明在進(jìn)入質(zhì)量守恒單元教學(xué)的時(shí)候，個(gè)別學(xué)生對(duì)于物質(zhì)的微觀構(gòu)成還沒有形成很好地理解。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，37%的學(xué)生不重視反應(yīng)的條件，16%的學(xué)生不能正確地運(yùn)用微粒模型表示相關(guān)物質(zhì)，建模作業(yè)中，反應(yīng)前后原子個(gè)數(shù)不相等的學(xué)生很少，僅占6.2%，但有較多的學(xué)生出現(xiàn)了多余的原子或分子。作業(yè)中，缺少“分子拆分成原子，原子重新組合成新的分子”環(huán)節(jié)的現(xiàn)象相當(dāng)普遍。倘若教師不能夠促使學(xué)生從微觀層次上理解化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生和本質(zhì)，那么對(duì)于學(xué)生來說，化學(xué)方程式的配平也就演變成了一種湊數(shù)的技巧，根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算也就只是一種按比例計(jì)算的技能了。

2.發(fā)現(xiàn)教學(xué)的難點(diǎn)：以學(xué)生建立測(cè)電筆檢查電路故障模型為例

從知識(shí)的獲得角度看，家庭電路的組成和用電安全單元教學(xué)看上去很容易，但是當(dāng)學(xué)生面對(duì)運(yùn)用測(cè)電筆檢查家庭電路故障問題的時(shí)候，卻往往束手無策。

建模案例：在家庭電路中，正常發(fā)光的三盞燈突然全部熄滅，經(jīng)檢查保險(xiǎn)絲完好，用測(cè)電筆插進(jìn)插座的兩孔，氖管均發(fā)光。有經(jīng)驗(yàn)的電工根據(jù)以上現(xiàn)象，認(rèn)為是零線斷路造成的，請(qǐng)運(yùn)用電路說明當(dāng)零線斷路時(shí)，為什么測(cè)電筆接觸零線孔時(shí)，氖管也會(huì)發(fā)光。

圖3：學(xué)生解釋零線斷路時(shí)測(cè)電筆接觸零線孔氖管發(fā)光的模型

統(tǒng)計(jì)表明，54.9%的學(xué)生能夠認(rèn)識(shí)到當(dāng)零線斷路時(shí)，測(cè)電筆通過燈與火線接觸，火線、燈、零線孔、測(cè)電筆、人和大地之間形成回路，所以氖管發(fā)光。但是分析圖3中兩位學(xué)生建立的模型，可以發(fā)現(xiàn)還有不少學(xué)生并不理解在家庭電路中插座與用電器之間的連接關(guān)系，兩位學(xué)生不約而同地認(rèn)為零線孔與火線孔是通過導(dǎo)線直接接通的。右圖學(xué)生的表現(xiàn)表明，雖然學(xué)生知道可以用測(cè)電筆區(qū)別零線和火線，但事實(shí)上并不會(huì)使用測(cè)電筆，當(dāng)然也就很難理解火線、測(cè)電筆、人、大地之間能構(gòu)成的回路，測(cè)電筆中的大電阻所起到的保護(hù)作用。由此可見，通過指導(dǎo)學(xué)生的實(shí)踐和建模，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)火線和零線之間、火線和大地之間有220伏電壓，理清各種觸電事故發(fā)生時(shí)電流通過人體的路徑乃至大小，是家庭電路和用電安全單元教學(xué)的重點(diǎn)。

3.明晰教學(xué)的易錯(cuò)點(diǎn)：以學(xué)生解題時(shí)建構(gòu)的受力分析圖為例

圖4：解題時(shí)學(xué)生分析各力關(guān)系時(shí)建構(gòu)的受力分析圖

在解決壓力和壓強(qiáng)、功和能、機(jī)械效率等綜合性力學(xué)問題時(shí)，完整而且細(xì)致的受力分析是解決問題的起點(diǎn)。但觀察學(xué)生解題時(shí)的表現(xiàn)卻發(fā)現(xiàn)，很少有學(xué)生會(huì)在計(jì)算之前，對(duì)物體受到的力作出分析。要求學(xué)生在作業(yè)中，運(yùn)用力的示意圖建立模型，分析各力之間的大小關(guān)系，其中左圖要求分析拉力、彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)、物重與滑動(dòng)摩擦力之間的關(guān)系，右圖要求分析各股繩所受的拉力、人的重力、物體的重力、動(dòng)滑輪的重力以及物體與人對(duì)地面的壓力之間的關(guān)系。endprint

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，有34.1%的學(xué)生只是在圖中標(biāo)注力的大小（見圖4），而不是用帶箭頭的線段表示力的三要素。生活中，物體的微小形變不容易被學(xué)生察覺，對(duì)各種力展開基礎(chǔ)教學(xué)的過程中，學(xué)生對(duì)于施力物體、受力物體、作用點(diǎn)和方向等基本要素的體驗(yàn)不夠充分，進(jìn)入初三后，導(dǎo)致學(xué)生難以在綜合性問題中通過受力分析解決力學(xué)問題，有一些落后的學(xué)生甚至連做功的概念都難以建立。分析學(xué)生在建模作業(yè)中的表現(xiàn)，不難看出沒有明確各力的方向，是導(dǎo)致學(xué)生各種受力分析錯(cuò)誤發(fā)生的關(guān)鍵點(diǎn)。

4.澄清容易混淆的概念：以學(xué)生利用微觀模型比較物體內(nèi)能的大小為例。

在初中物理中，內(nèi)能是指物體內(nèi)部大量做熱運(yùn)動(dòng)的粒子具有的能，初學(xué)者常常會(huì)把溫度、內(nèi)能和熱量概念混為一談。學(xué)生在學(xué)習(xí)內(nèi)能的過程中，到底是如何理解微粒的熱運(yùn)動(dòng)，又是如何分析判斷物體內(nèi)能的大小及其變化的？

實(shí)踐案例：用實(shí)心球表示水分子，用帶箭頭的直線表示水分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的方向和快慢，建立微觀模型解釋：①0℃等質(zhì)量的水和冰，水的內(nèi)能大;②40℃的水，質(zhì)量大的內(nèi)能大;③等質(zhì)量80℃和40℃的水，80℃的水內(nèi)能大。

圖5：學(xué)生運(yùn)用微觀模型比較和解釋物體內(nèi)能的大小

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在正式學(xué)習(xí)內(nèi)能知識(shí)之前，45.1%的學(xué)生能夠通過自主閱讀課本，聯(lián)系已有的知識(shí)，從微粒的排列方式、多少和熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度角度完整而且清楚地完成三個(gè)項(xiàng)目的解釋和比較。但是從圖5中兩位學(xué)生的表現(xiàn)可以看出，一些學(xué)生不能很好地建立起微粒個(gè)數(shù)與宏觀質(zhì)量之間的聯(lián)系。左圖學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)一步說明了有些學(xué)生對(duì)不同狀態(tài)下微粒的排列方式缺乏正確的認(rèn)識(shí)，而右圖學(xué)生的解釋和分析，說明學(xué)生混淆了內(nèi)能和質(zhì)量，當(dāng)學(xué)生不能從模型中得到解釋的時(shí)候，錯(cuò)誤地運(yùn)用了熱量的計(jì)算公式做出了牽強(qiáng)附會(huì)的分析。

學(xué)生建立的模型反映了學(xué)生頭腦中對(duì)相關(guān)概念的理解，錯(cuò)誤的模型導(dǎo)致他們?cè)诮忸}過程中一次次地做出錯(cuò)誤的判斷。唯有教師指導(dǎo)他們修正頭腦中的錯(cuò)誤模型，類似的錯(cuò)誤才有可能得到減少，直至徹底地訂正。

二、實(shí)踐中領(lǐng)悟到的設(shè)計(jì)、診斷初中生建模作業(yè)的一般原則

建模作為一種認(rèn)識(shí)世界、領(lǐng)悟科學(xué)概念、實(shí)現(xiàn)問題解決的科學(xué)方法，對(duì)于落實(shí)雙基、發(fā)展初中生的邏輯思維能力來說有著重要的作用。人的學(xué)習(xí)不是被動(dòng)的接受，而是學(xué)習(xí)主體的領(lǐng)悟。因此，設(shè)計(jì)建模作業(yè)，促使學(xué)生體驗(yàn)建模的過程，并在修正的過程中，使學(xué)生頭腦中原始的模型不斷向科學(xué)模型的方向發(fā)展，要比教師直接呈現(xiàn)和示范科學(xué)模型重要得多。通過教學(xué)的實(shí)踐和思考發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)、診斷初中生的建模作業(yè)，應(yīng)遵循以下三個(gè)基本原則。

1.建模作業(yè)應(yīng)尊重科學(xué)事實(shí)，遵循科學(xué)規(guī)范，強(qiáng)調(diào)基本技能

建模作為一種科學(xué)思維方式，并不是異想天開。科學(xué)史上，科學(xué)模型的建立都是建立在無數(shù)次實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，如：盧瑟福原子核模型、磁感線模型等。建模作業(yè)追求的是學(xué)生對(duì)科學(xué)原理的理解和問題的解決，美觀漂亮雖然不是建模作業(yè)的主要目標(biāo)，但設(shè)計(jì)和診斷初中生的建模作業(yè)，也應(yīng)該有規(guī)范和技能的要求，如：光路圖中對(duì)于虛像的規(guī)定、力的圖示中對(duì)于力的三要素的規(guī)定等。事實(shí)上，在科學(xué)規(guī)范的背后，恰恰蘊(yùn)藏著科學(xué)家們對(duì)科學(xué)概念的理解。

2.建模作業(yè)會(huì)經(jīng)歷一個(gè)不斷修正的過程，教師對(duì)待學(xué)生的建模作業(yè)要付出足夠的時(shí)間和耐心

建立科學(xué)模型需要大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)的支持，學(xué)生運(yùn)用已有的科學(xué)知識(shí)建立模型同樣會(huì)經(jīng)歷一個(gè)不斷修正的過程。初中生認(rèn)知水平?jīng)Q定了教師會(huì)從學(xué)生的建模作業(yè)中發(fā)現(xiàn)各種各樣的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，正是這些錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)幫助教師找準(zhǔn)教學(xué)的出發(fā)點(diǎn)，因此教師應(yīng)當(dāng)珍視學(xué)生的建模作業(yè)，不斷鼓勵(lì)和幫助學(xué)生修正原始的模型。初中生正處于學(xué)習(xí)的持續(xù)性和邏輯思維的發(fā)展階段，對(duì)于學(xué)生在建模作業(yè)中暴露出來的種種問題，教師要付出足夠的時(shí)間和耐心做出指導(dǎo)，學(xué)生頭腦中的模型才有可能不斷接近科學(xué)理論所揭示的事實(shí)。

3.建模作業(yè)的修正需要學(xué)生間的交流與合作

班級(jí)授課制度下的大班教學(xué)，一位初中科學(xué)教師一般面對(duì)幾十乃至上百位學(xué)生，一一個(gè)別指導(dǎo)學(xué)生修正建模作業(yè)很難做到。學(xué)生間的交流與合作可以擴(kuò)大交流的渠道和范圍，在學(xué)生完成建模作業(yè)之后，課堂上給予學(xué)生一定的時(shí)間，促使學(xué)生通過相互交流，解釋和修正自己的模型，不僅有助于促進(jìn)學(xué)生對(duì)概念的理解，也會(huì)有助于學(xué)生評(píng)價(jià)和反思能力的發(fā)展。

教學(xué)實(shí)踐中，常常為學(xué)生解題時(shí)一會(huì)兒對(duì)、一會(huì)兒錯(cuò)，甚至一錯(cuò)再錯(cuò)現(xiàn)象而感到苦惱，直到嘗試把一些選擇題改造為建模作業(yè)之后，才算是發(fā)現(xiàn)了一點(diǎn)端倪。查閱一些關(guān)于模型、模型方法、建模的文獻(xiàn)資料后，才知道建模對(duì)于初中科學(xué)的教學(xué)來說是如此的重要。模型有物理模型、概念模型和數(shù)學(xué)模型等不同類型，診斷學(xué)生建模能力的發(fā)展水平也有各種各樣的方法和手段。因此，設(shè)計(jì)和診斷學(xué)生的建模作業(yè)還需要教師們做更多的實(shí)踐、探索和思考！

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