“直觀模型”在科學推理中的應用
——例談飽和鹽溶液能否溶解糖的創意研究

江蘇省常熟市碧溪中心小學 俞維軍

“模型是指通過主觀意識借助實體或者虛擬表現構成客觀闡述形態結構的一種表達目的的物件（物件并不等于物體，不局限于實體與虛擬、不限于平面與立體）。”本文中闡述的“直觀模型”是更狹義的，指借助圖片、視頻、實物、場景等工具，將學生頭腦中形成的對事物原理解釋予以直觀展示。“直觀模型”可使理論知識具體化，簡化科學解釋的邏輯過程，有效激發學生的直覺力和思維創造力。

小學科學課程是一門綜合性課程，觀察和實驗是學習科學最基本的方法。科學課應從學生的認知特點和生活經驗出發，通過“直觀模型”的介入，指導學生將抽象的思維具體化來開展科學推理，可以很好地幫助學生系統建構科學概念，逐步學會分析和解決與科學有關的實際問題。

一、“直觀模型”應用到科學學習中的必要性

1.一些自然現象和原理的認知必須借助“直觀模型”

科學學科涉及物質科學、生命科學、地球與宇宙科學、技術與工程四個領域，研究的對象包羅萬象，大到無限宇宙，小到微分子結構。很多自然現象和原理，不能直接觀察到內部結構特征，需要學生基于對事物表象的觀察，開展抽象推理，才能明白科學道理，從而應用和解決生活中的問題。

例如在“研究空氣受熱體積膨脹、受冷體積縮小”的實驗中，學生很難理解“空氣是由微粒組成的，微粒在不斷運動著，微粒之間是有距離的。受熱后微粒加快運動，微粒之間距離增大，物體就膨脹；受冷后微粒減慢運動，微粒之間距離縮小，物體就收縮。”教學這個內容時，教師可以組織五名學生模擬空氣微粒，外圍一圈學生手拉手模擬氣球，然后喊口號“受熱”，中間五名學生就手舞足蹈散開，學生觀察到圍住他們五人的圈子（模擬的氣球）要變大，再喊口號“受冷”，中間五名學生就安靜地緊緊擠在一起，圍住他們的圈子（模擬的氣球）就變小。通過這樣的“直觀模型”演示，很形象地解釋了空氣的熱脹冷縮原理，容易幫助學生建立科學的概念。

2.一些事實性知識發展到概念性知識必須借助“直觀模型”

看到簡單的表象僅是掌握了事實性的知識，這樣的知識具有“點滴性和孤立性”的特征。從表象中抽象出事物本質的特征，形成了概念性的知識，就能夠遷移和應用解決同類問題或相關問題，這樣的知識具有“概括性和組織性”的特征。從事實性知識（孤立的）發展到概念性知識（概括的），思維經歷了一個質的飛躍，才算真正學會。而中年級學生的思維特征決定了他們很難跨越這個思維的“鴻溝”，于是，模型的介入就起到了“橋梁”的作用。

如組織中年級學生學習“溶解”這一內容時，要求學生通過觀察高錳酸鉀固體在水中變化的過程，引導學生抓住“高錳酸鉀在水中變成肉眼看不見的微粒，均勻分布在水中，無沉淀，不可以過濾”這四個方面的性質特征，建立溶解的概念。“無沉淀、不可以過濾”這兩個性質特征可以通過實驗和肉眼觀察即可獲取。而“物體變成肉眼看不見的微粒，均勻分布在水中”這兩個性質特征需要學生在觀察表象獲取信息后，經過嚴密的科學推理得出，一般學生是很難完成。如果有了視聽媒體、圖像說明等“直觀模型”作為媒介，他們就很容易理解了。

二、“直觀模型”應用到科學推理中的策略

偉大科學家愛因斯坦曾說過：“提出問題往往比解決問題更重要。”“研究一杯水能溶解多少鹽”是教科版小學科學四年級上冊中一個有趣的探究活動。它是在學生已經掌握了溶解概念的基礎上開展的。學生經過細致的實驗探究，發現了100毫升的水大概只能溶解35克左右的鹽。按理一個階段的探究可以告一段落，有學生忽然提問，這些再也不能溶解鹽的鹽溶液（飽和鹽溶液）還能繼續溶解糖嗎？這是一個高質量的創意研究課題，是學生全身心投入探究溶解實驗，水到渠成自然而生成的問題。

傳統的教學方式一般是教師鼓勵設問的學生，然后馬上和學生開展實驗來研究證明。這樣做的結果，只是簡單回答了飽和鹽溶液能否再溶解糖的問題，獲取的是一個相對孤立的事實性知識。有經驗的老師會借助這個契機，深挖問題后面所蘊含的豐富的思維發展性訓練資源。在提出問題后，我們對這個創意課題開展了深入研究，借助“直觀模型”的介入，精心組織學生開展科學推理，很好地促進了他們科學思維的發展，為解決同類（微觀和宇觀世界結構）教學問題提供了借鑒。

1.“圖示式”模型介入科學推理

在正式系統學習教材上某一科學內容之前，基本上每一個學生個體都已對這一內容存在獨立的主觀認知。這些是學生通過日常生活中接觸感知事物表象，長期經驗積累形成的對事物的非本質認知。我們把它稱為“前概念認知”。學生的“前概念認知”有些是正確的，更多的是片面的，甚至是錯誤的。研究發現，前概念認知對學生學習建立科學概念的影響非常大。在充分展示學生前概念的基礎上，再通過教學活動建立科學概念是行之有效的方法。小學中年級學生的抽象思維和語言敘述能力相對較弱，我們可以通過圖示的方式，將學生的思維直觀呈現出來。

例如，在開展創意研究“不能再溶解鹽的鹽溶液（飽和鹽溶液）是否還能溶解糖”這個課題中，教師請學生結合溶解的特征，想象一下鹽的微粒在水中的分布狀態，并用圖示的方式畫出來。

通過圖示匯總分析和學生的交流發現，大部分學生都能通過觀察到的實驗表象，按自己的理解想象出水的中間是有空隙的，鹽微粒均勻分布在水中，占據著水的空隙，并認為鹽的微粒已經將水的這些空間都填滿；也有學生認為水也是由微粒構成的，水的微粒將鹽的微粒包裹起來了……可以說，這些深度思維的推測，是借助了圖示的方式可視化出來了，它幫助學生展開思維的碰撞。“圖示式”模型的展示，讓我們的教學看見了思考的力量，為實現高效能的課堂提供了可能。

“圖示式”模型介入科學推理的教學，要防止幾個誤區。一是防止教師和學生把關注的重心放在畫圖上，甚至主次不分，把畫得漂亮當成了重要內容，忽視了“通過圖示介入科學推理，促進思維發展”這個中心任務。二是防止為畫圖而畫圖，缺少相互之間的評價交流，忽視了圖的生成過程，忽視了對圖后面蘊含的學生思維的分析。

2.“實體樣”模型介入科學推理

“實體樣”模型是依據物質的基本形態或者相似性理論所做的模仿。它最大的優勢是可以三維立體式全方位展示，有效克服了“圖示式”平面兩維的局限性，使科學解釋的邏輯過程簡約化，使科學理論知識具體化。20世紀的科學家盧瑟福等人就是通過對α粒子(氦核)散射的實驗，綜合并制作了原子結構的“太陽——行星模型”向公眾予以展示，轟動了科學界。

小學生不能直接感知宇觀世界與微觀世界的結構，將“實體樣”模型介入科學推理的教學中，會有效幫助他們研究、理解并建立宇觀（微觀）世界的科學概念。

例如有學生認為不能再溶解鹽的鹽溶液（飽和鹽溶液）還能溶解糖。他們的理由是，鹽的微粒比較大，相互之間還有空間。而糖的微粒可能更小，可以占據鹽和水剩下的那些更小空間。許多學生對他的推測及闡述的理由不能理解。教師當堂和學生做了以下演示實驗。

演示實驗：取一個燒杯，里面裝上滿滿一杯小石子，反復搖晃壓實。教師設問，這個杯子里還能再裝小石子嗎？大家一致搖頭表示否定。教師再拿出一把細沙問學生，那這把細沙還能裝到杯子里面嗎？在得到肯定答復后，大家頓時明白了上面這學生推理的原理：可能鹽的微粒較大，占據滿水的空間后再也不能占據了，而糖的微粒可能相對較小，還能繼續占據鹽與鹽、鹽與水之間的空間。所以，這樣的鹽溶液可能還能繼續溶解糖。

將“實體樣”模型引入學生科學推理的教學過程中時，一要防止把操作“實體樣”模型變成游戲化。小學生往往對動手實驗的材料感興趣，如果沒有明確的研究目的和操作規范，課堂上就容易失控，造成表面的熱鬧而沒有思維的發展。二是借助“實體樣”模型來總結性闡述原理時，一定要講究科學性、規范性。例如在使用教具箱中提供的太陽系模型時，教師要和學生闡明模型中太陽和小行星的比例是不真實的，否則會傳遞給學生錯誤的信息，導致他們對太陽系的錯誤認知。

3.“視頻類”模型介入科學推理

隨著視頻多媒體輔助教學深入課堂，其直觀、形象、生動的優勢能一下子吸引學生的注意力。視頻媒體教學能夠在短時間內傳遞給學生更多的信息，有效提升教學效能。視頻媒體可以變抽象為具體，調動學生各種感官協同作用，很好地解決了教師難以講清、學生難以聽懂的內容，實現精講多練，突出重點，突破難點。特別是現階段，虛擬現實技術（VR）正不斷成熟和推廣，相信不久的將來就會出現在義務教育學校的課堂上。

例如，《百度字條》對溶解的定義是——當固體溶質放到水里時，固體表面的微粒(分子或離子)由于本身的振動和水分子的吸引作用，便漸漸地離開固體表面進入水分子之間，并通過擴散作用，均勻地分散到水的各個部分，這個過程叫做溶解。

對小學生來說，這些專業術語很難理解，教師可以制作FLASH動畫模擬演示全過程。學生邊看視頻邊聽講解，會很容易理解并建構起溶解的概念。在海量的網絡信息中，教師可以通過注冊會員的方式，下載合適的視頻素材應用教學中。

4.“置換式”模型介入科學推理

認知心理學研究表明，當個體作為主角參與到活動之中，所獲取的體驗才是最真實的，這種真切的感受是旁觀者體會不到的。本文所述的“置換式”模型，是指引導學生將個體置換為所研究的事物對象，將學習者本人以擬物的角色參與到科學學習中。這種“置換式”體驗的學習方式促使個人在形體、情感主動參與，會使得學習效率、知識理解程度、知識記憶持久程度都大幅度提升。

“置換式”模型介入科學推理的教學片斷如下。

師：這些再也不能溶解鹽的溶液，還能繼續溶解糖嗎？（師手持一勺糖示范）

生：我認為還能繼續溶解。

師：你是怎么想的？

生：可能糖的微粒很厲害，到了水里后把鹽的微粒從水里擠出來。就像在電梯里擠滿了人，外面的人要進去，就只能從里面出來人。

師：看來外面的人有急事，里面的人非常有禮貌地讓出來了。

生：……（大笑）

師生開展實驗：五名學生緊挨著站在一起，外面用四張桌子圍住。（單人桌圍成的空間小，里面的人很擁擠）請一名同學跳上桌子試著擠進去，原來在里面的一名同學爬上桌子讓出空間，完成交換。這是一個非常有趣的思維，與人們日常的生活相聯系了起來。學生將自己置換設想成為事物主角參與體驗，有效地幫助他們開展科學推理。

“置換式”模型的應用要在教室外開闊場地開展，如前述的模擬空氣微粒熱脹冷縮的實驗，模擬太陽、地球、月球三者相互運動關系等。開展活動之前，教師一是要加強組織紀律的教育，二是厘清學生個體被置換的角色，明白周邊模擬情景的關系。

建構主義學習理論認為：學習是引導學生從原有經驗出發，生長（建構）起新的經驗。小學科學教材涉及的宏觀和微觀世界的內容很多，通過建構“直觀模型”介入科學推理的教學方式，必能有效發展學生科學思維，掌握科學知識。