從模擬走向真實的科學概念建構(gòu)之路

吳小兵+俞靈

摘 要：模擬是根據(jù)研究對象的本質(zhì)特性，建立或選擇一種與研究對象類似的模型，借助模型進行實驗研究，不僅可以把學生陌生的、抽象的事物轉(zhuǎn)化為學生熟悉的、直觀的模型，使概念具體化、形象化，也可以幫助學生更直觀、更深刻地把握研究對象的本質(zhì)和特征。以《風的形成》為例，針對實際教學中模擬實驗存在的問題，引領(lǐng)學生從模擬走向真實，主動建構(gòu)起風的形成的科學概念。

關(guān)鍵詞：模擬實驗；科學概念；風的形成

小學科學課堂的一些探究活動受到時間、空間以及其他條件的制約，學生無法對研究對象進行直觀的研究，這就需要教師和學生一起為研究對象建立模型，并進行模擬實驗。用模擬實驗建立的認知去解釋研究的對象，從而達到課堂教學的目的。

《風的形成》教學內(nèi)容主要分為兩大塊，一是學生觀察熱空氣上升，二是實驗?zāi)M風的形成。由于風生來無形的特質(zhì)，學生在實驗的模型設(shè)計和實驗現(xiàn)象的觀察方面存在一定的困難，加之他們對自然現(xiàn)象的關(guān)注只知其然，不知其所以然，對風真正的成因也就遙不可及了。

一、課前定位——建科學概念之基

建構(gòu)主義認為，科學概念的學習是將前概念轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W概念的一個過程，因此教師要注意了解學生的前概念水平，幫助摒棄已經(jīng)形成的錯誤認識，在學生原有的知識經(jīng)驗基礎(chǔ)上確定教學目標，設(shè)計教學環(huán)節(jié)，從而讓學生通過探究建構(gòu)起完整的科學概念。

1.《風的形成》目標定位首度設(shè)計

第一次試教目標定位：知道熱空氣會上升，冷空氣會下降；知道風是在空氣有冷熱差別的條件下產(chǎn)生的，理解季風的成因。

相應(yīng)的教學環(huán)節(jié)如下：（1）導入：轉(zhuǎn)動風車；（2）觀察熱空氣上升；（3）模擬風的形成；（4）解釋季風的成因。

試教后反思：如此的環(huán)節(jié)設(shè)計和目標確立脫離了學生前概念的認識，因為小學生還沒有系統(tǒng)地學過地理、物理等方面的知識，加之日常生活中很難并且很少關(guān)注不同季節(jié)不同地點的風，導致學生在模擬建構(gòu)了風的形成概念后，卻難以過渡到現(xiàn)實生活中來。

2.《風的形成》目標定位再度設(shè)計

目標定位改進為：知道熱空氣會上升，冷空氣會下降；知道風是在空氣有冷熱差別的條件下產(chǎn)生的，理解北風的成因。

相應(yīng)教學環(huán)節(jié)修改如下：（1）導入：北風從哪來；（2）觀察熱空氣上升；（3）模擬風的形成；（4）解釋北風的成因。

試教后反思：在四年級學生學習了風向的概念基礎(chǔ)之上拋出疑問：北風為什么從北方來，又吹向南方去呢？符合學生當下的認知水平，能夠幫助學生主動從前概念向科學概念進行過渡，建構(gòu)起熱空氣會上升，冷空氣會下降補充的知識理論，最終來解釋風的形成是因為風吹來的方向冷，吹去的方向熱，熱空氣上升，冷空氣補充，在地表就形成了從冷吹向熱的風，進而能順理成章地將科學概念融于生活，解釋各種風向的成因。

二、擇器善用——揀以假亂真之材

在小學科學課堂教學中，運用模型探究是幫助學生構(gòu)建科學概念的一種重要途徑和方法。但是，選擇怎樣的材料建立足以亂真的模型，才能讓學生在模擬實驗的過程中感受到科學概念的特點，促使前概念向科學的概念轉(zhuǎn)變。

1.教師揀材，取之有道

教師要提供更為有效的科學實驗材料，提高模擬實驗的真實度，幫助學生去想象、推理、類比，找到與真實現(xiàn)象的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)事物的本質(zhì)和規(guī)律，從而建構(gòu)起自己的概念。

（1）加熱空氣——沖上云霄顯威“風”

在觀察熱空氣上升的環(huán)節(jié)，我設(shè)計了一個簡單的實驗裝置：在一個倒置的塑料袋口子上對稱地粘上幾段細鐵絲，穩(wěn)定袋口，然后用酒精燈加熱袋里的空氣，放手后，塑料袋飛上高空。實驗材料也簡單易得，又充滿趣味，實驗效果非常明顯，讓學生的直觀體驗達到興奮點，自然地接受了熱空氣會上升的科學概念。

（2）模擬生風——幻化無形為有形

模擬風的形成是本節(jié)課的重點實驗，而風生來本無形，如何化無形為有形，讓學生真實地觀察到空氣流動的路徑，成為此實驗的重中之重。我也重新設(shè)計了一個實驗裝置：主體為一底部被裁的大油桶，罩在一個裝水的淺盤中。在大瓶口上方安裝了一枚小風扇，在其一側(cè)開孔插入小瓶口作為進風口。實驗中點燃蠟燭，通過觀察火苗的擺動以及小瓶口風扇轉(zhuǎn)動的情況，能十分直觀明顯地觀察到風的形成，而當捂住小瓶口，火苗立即回正、風車立即停止，更容易幫助學生理解熱空氣上升后，有冷空氣進行補充，從而在腦海中構(gòu)建出空氣對流的概念。

2.學生用材，彰顯思維

在模擬實驗教學中，我們指導學生運用模擬實驗方法去探究事物時，并不僅僅是為了獲得研究的結(jié)果，同時也應(yīng)該引導學生認識模擬實驗的過程，培養(yǎng)學生自主設(shè)計、運用模擬實驗方法的能力。

在模擬風的形成這一教學環(huán)節(jié)中，我出示完整油桶嘗試讓學生親自設(shè)計，為降低難度，選擇兩步走，一是顯化風的流動路徑——安裝風扇，二是打破瓶子的密閉性——瓶身開孔。

案例：

師（手持油桶）：按照大家熱空氣上升的理論，瓶口的空氣會向哪流動？

生：向上。

師：能看到向上的風嗎？

生：不行，因為它是無形的。

師：誰能幻化無形為有形，讓我們看到呢？

生1：將手置于大瓶口上方來感受一下。

生2：在瓶口套輕薄塑料袋，塑料袋會飛。

生3：在瓶口飄紙，紙會抖動或向上飄動。

生4：在瓶口傾倒少許面粉，面粉會向上撒開。

生5：在瓶口安裝螺旋槳，槳會轉(zhuǎn)動。

在教師的提問中學生產(chǎn)生頭腦風暴，自由回答想出了各種方法，設(shè)計效果雖未能一一求證，也不一定是個個可行，但他們在經(jīng)歷設(shè)計的過程中相信已經(jīng)牢牢地構(gòu)建起瓶內(nèi)熱空氣會上升的概念，接下去只是求證而已。

師在瓶口安裝一枚小風扇，并通過視頻展示設(shè)計效果。

師：大家發(fā)現(xiàn)了什么？

生：紙槳沒轉(zhuǎn)。

師：怎么和我們的設(shè)想有出入呢？問題在哪？我們小組討論一下，看看有沒有辦法解決。

通過兩步走實驗設(shè)計，能有效降低學生的理解難度，幫助概念的梯度接受，實現(xiàn)瓶身開孔的設(shè)計創(chuàng)造。

生1：選擇大蠟燭，使空氣更熱，小風扇也許就能轉(zhuǎn)動了。

生2：小風扇可能太重了，可以嘗試用更輕的材質(zhì)。

生3：可以在瓶身打孔，因為現(xiàn)在瓶子是密閉的，空氣向上之后就無法流動了。

當五花八門的方法呈現(xiàn)在他們面前時，學生毅然選擇了開孔，相信在經(jīng)歷設(shè)計、失敗、選擇過程中將初步幫學生認識到冷空氣會向內(nèi)補充的概念。

三、梯級研討——顯科學思維之形

在良好的實驗習慣中，科學研究的記錄是一項非常重要的內(nèi)容，它既是學生親歷科學過程的印記，又是培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)的重要載體，而研討交流則是對探究活動后的信息進行處理加工的過程。因此以學習單為載體，在探究過程中與同伴和老師交流，使個人的思維、同伴的思維在老師的引導下碰撞出智慧的火花。

1.觀察記錄，引發(fā)思維

為了使每個學生都參與到實驗記錄的過程中來，我要求人手一張記錄單，第一步，采用填空的方式抓住關(guān)鍵點，記錄觀察到的現(xiàn)象：捂住和不捂住小瓶口時風扇轉(zhuǎn)動和火苗擺動的情況；第二步用箭頭繪制瓶內(nèi)空氣流動的路徑，在直觀體驗的基礎(chǔ)上進行初步分析和推理；第三步組內(nèi)研討思考空氣流動的原因。通過如此梯度分層的記錄，基本上學生都能在有效的交流后正確認識到熱空氣上升后，冷空氣會從小瓶口補充進來，幫助學生初步建立起空氣在受熱情況下會流動起來。

2.交流研討，深化思維

實驗后的匯報交流不僅僅是學生對現(xiàn)象記錄的簡單闡述，而應(yīng)該激勵學生勇于糾錯補充，并在教師的引導下逐步完善腦海中形成的科學概念。如：

生1：點燃蠟燭時，我們觀察到小風扇轉(zhuǎn)動，說明空氣向上流動，還觀察到蠟燭火焰向右飄動，說明空氣向瓶內(nèi)流動。用手捂住小瓶口，小風扇停止轉(zhuǎn)動，蠟燭火焰恢復原狀，說明空氣停止了流動。我們認為瓶內(nèi)空氣流動是因為冷空氣和熱空氣相互碰撞引起的。

師：有不同意見嗎？

生2補充：我覺得空氣流動不是冷熱空氣的互相碰撞，而是熱的空氣上升后，冷的空氣從瓶口補充進來。

師：大家同意誰的想法？

生：后者。

師：如果老師將蠟燭換成一個很熱很熱的燈泡，你覺得會產(chǎn)生相同的效果嗎？

在老師的引導下進行類比推理，深度思考空氣流動的原因。

生1：不會，燈泡不會像蠟燭火焰一樣冒熱氣。

生2：我覺得會，熱空氣不是火焰冒出來的，只要是熱源都可以加熱產(chǎn)生熱空氣，并且熱空氣上升后，冷空氣就會自動補充進來。

在學生的糾錯補充中逐步歸納總結(jié)出空氣流動的真正原因：溫差。

師：大家覺得有道理嗎？

生：有。

師：也就是瓶子內(nèi)外只要存在冷熱溫差，便會造成瓶內(nèi)空氣的流動。

師：熱空氣上升有冷空氣進行補充，那么冷空氣會不會用完呢？

生1：不會，冷空氣就是周圍的空氣，太多了。

生2：冷空氣進入瓶內(nèi)較多，熱空氣向上出來后根本無法及時補充，最后會用完。

師：所以最后周圍的空氣都變成了熱空氣？

生：不是的，我覺得不會用完，熱空氣上升后會變成冷空氣，和周圍的冷空氣一起進行補充，如此循環(huán)起來，就會有源源不斷的風。

引導學生對形成的新概念進行深入思考，逐步邁向完整的科學概念。

3.比對原型，突破思維

教師的板書是開展于空間、表現(xiàn)為靜態(tài)、感之于視覺，以展知識的“核”而存在于黑板上的一種藝術(shù)。它是整個教學思路和內(nèi)容的濃縮，也是課堂教學的重要環(huán)節(jié)，在風的形成這一課，我通過四次板書，及時捕捉學生生成的科學概念，將之突出標記來展現(xiàn)學生梯度形成的思維發(fā)展。第一步：通過演示熱氣球上升，形成熱空氣會上升的概念；第二步：模擬風的形成，蠟燭點燃后，發(fā)現(xiàn)瓶內(nèi)熱空氣上升，冷空氣會補充；第三步：組間深入研討交流瓶外空氣流動的情況，發(fā)現(xiàn)熱空氣上升后會成為冷空氣下降補充，從而循環(huán)往復造成空氣流動形成風；第四步：把蠟燭換成太陽，從模擬逐步過渡到真實，引出自然風的形成。在四部曲的板書整理中，展現(xiàn)了學生思維梯度的發(fā)展軌跡，同樣在記錄、交流、梳理的整個過程中也幫助學生逐步構(gòu)建起了完整的風形成的科學概念。

四、微課模擬——筑科學概念之城

通過風的模擬實驗，學生初步感知了風形成的過程，而要將其類比推移到自然界中，說出自然界的風是怎么形成的，卻并不那么容易。因此我在完成風的形成模擬實驗之后，設(shè)計加入了一段解釋自然風的微課視頻，簡單直觀。該微課的制作立足于學生的前概念，在他們掌握了風向概念的基礎(chǔ)上，結(jié)合本堂課所學的知識概念，讓學生能夠在腦海中建構(gòu)起較為真實的空氣對流模型，從而輕而易舉地幫助學生解釋各種風向的成因，逐步從模擬走向真實。

總之，當用常規(guī)實驗探究的方法不能作用于研究對象時，當研究對象陌生、不直觀時，可以嘗試采用建立模型、模擬實驗的方法進行研究。學生在課堂中親歷模擬實驗的過程，在教師的引導下，通過分析、比較、歸納、判斷和推理，凸顯學生的科學思維，從而促成科學概念的建構(gòu)，提升學生的科學素養(yǎng)。

參考文獻：

[1]楊志炎.小學科學模擬實驗教學策略[J].基礎(chǔ)教育研究，2016（18）.

[2]喻國鳳.談小學科學模擬實驗的七環(huán)指導[J].中小學教材教學，2015（11）.

[3]楊曉鵬.小學科學建構(gòu)科學概念的策略研究[J].教育教學論壇，2013（7）.

編輯 李建軍