核心素養立意下的初中生建模能力的培養

楊火江 孔明德

【內容摘要】建立模型是為了研究科學問題方便和易于探究事物的本質，從復雜的科學現象或過程中抽象出研究對象的簡化描述或模型，幫助人們抓住問題的主因，使科學問題簡化。筆者重點是根據現行的科學教材以及通過觀摩課堂教學，歸納總結在教學中可以實施的初中科學建模教學：情境建模、實驗建模、圖像建模、歷史建模、數理建模。并對這五種建模方式進行了方法論述然后選擇了相對應的教學設計片段作為教學案例進行案例證明，通過五種建模的方法教學，提高學生對初中科學建模多樣性的認識，增強學生將所學到的理論聯系到實際中去的意識，在建模的過程中，培養和提升學生解決復雜問題的能力。

【關鍵詞】建模能力? 模型教學

一、一道杭州中考題引起的思考

2016年杭州中考題：測量杠桿的機械效率。學生對于科學核心知識了然于心：杠桿平衡方程、有用功與總功的比值即機械效率。然而解題時并不順利，因為無法建立“相似三角形”對應邊成比例的數學模型，最后功虧一簣。

二、學生建模能力不高現象的分析

許多初中學生在學習科學的過程中，常常在遇到一些實際問題時一籌莫展，最終不得不請教老師。有的學生在老師念題后，問題就已經解決;有的學生則在老師畫出示意圖后，問題也能解決;對于有些相對較抽象復雜的問題，在教師指導下建立模型后，也能順利解決。由此可知，學生解決實際問題的能力差異，實際上多數是科學建模能力的差異。學生缺乏建模意識，課堂教學重知識輕方法;缺乏建模體驗，科學探究重形式輕體驗;缺乏建模思維，習題教學重結果輕過程。這個現象應引起我們的重視與思考。

三、建模能力培養的課堂教學設計與實施

科學課程本身是充滿了觀察與猜想、探究與建模的活動，學生學習科學的目的，不僅僅是獲得科學知識等基本能力，更重要的是獲得自己探索自然界中科學知識的體驗和利用科學知識解決實際問題的能力，獲得對客觀事實尊重的精神及對科學執著追求的態度。學生學習科學的過程即是學習模型的過程，因此，我們要努力挖掘教材，再現科學建模情境，讓學生體驗前輩們科學建模過程。

（一）情境建模

情境建模是指教師緊扣教材，創設情境，引導學生根據情境所描述，提出需要解決的問題，根據情境提煉出所需解決問題的主要特征而建立簡化后的科學模型，解析模型，然后推廣交流。學生在教師引導下，在教師創設的情境中，建立模型的過程中培養學生發現問題，收集有效信息，解決實際問題的等多種能力。

例如：可根據“神州”系列飛船發射的新聞，創設情境，引導學生根據情境建立模型。首先利用圖片，視頻報道，文字報道等多種教學手段介紹中國航天事業發展的新聞。引導學生融入所創設的情境中，學生一方面為中華民族而感到自豪，另一方面會思考關于神州升空、入軌、對接等與剛學知識有何種聯系，激發學生將所學的知識與教師所創設的情境結合起來的探究欲。所學的知識直接與情境結合比較困難，需要一個中間的過渡，而這個過渡便是建立物理模型過程。根據目標出發，提出問題，再根據需解答的問題。情境創設可以細化延伸到：三態變化、聲和光、運動和力、能量守恒與轉化、大氣壓、失重（浮力、壓強、杠桿、滑輪、對流、測量等）、化學反應、太空實驗（育種、光合作用、呼吸作用等）、生命保障系統等，在初中不同的學習階段有規劃、有層次的創設情境，發現問題，建立模型，解決問題。

作為初中科學課堂的情境建模，教師首先緊扣書本創設情境，引導學生自主在情境中發現問題，進而建立模型，求解模型，最后遷移交流。整個情境建模的過程可以用下面的流程圖表示：情景—問題—建模—遷移。

下面以是七年級上冊第三章第四節《地殼變動和火山地震》第二課時（片段）這一堂課的教學設計為例，來探討如何進行情境建模教學。

A.緊扣課本，創設情境

情景：以“情感共鳴”導入

設計流程：教師播放汶川地震錄像。

教師啟發預設：你能用恰當詞語描述此時此刻你的感受嗎？

學生觀看并組織語言發表感言。

教師過渡：地震給我們帶來了無比的傷痛，今天我們就來認識一下它。

教學設計說明：創設情境，激發學生的學習興趣，直擊主題，為學習本課知識奠定心理準備和知識準備。

B.簡化問題，建立模型

學生活動1：模擬地震小實驗

設計流程：你對地震震源、震中距、震中、震源深度理解嗎？你能用實驗來模擬這些因素與地震破壞程度之間的關系嗎？

學生活動2：地震大演習

設計流程：教師播放地震來時的聲音，看每一位學生的反應，從而來討論分析地震來臨時自我保護的動作。

模型呈現：

在課桌上用木制積木搭建一建筑物，用小錘從下向上敲擊實驗臺臺面底部中心（適當控制力度），模擬地震發生。

實驗臺臺面中心為圓心，分別以10厘米、20厘米、30厘米為半徑畫圓（同一圓上的地點震中距相同）。

C.橫向交流，模型遷移

設計流程：假如將來的你是一名建筑師，為了抗震，你會將房子設計成什么樣呢？

教學設計說明：根據所呈現的情境提出問題，旨在培養學生的提問能力，根據所提的問題，篩選和收集所需要的數據，鍛煉了信息獲取的能力，根據情境建立過程模型，培養學生歸納綜合能力，結合數據，整合模型，回歸教材，緊扣教學內容，激發學習興趣，培養了解決實際問題的能力。

（二）實驗建模

實驗建模過程首先需分析實際情境，然后根據情境抓住主要的分析對象，利用常見的實驗器材建立與之相類似的實驗模型，再通過實驗操作模擬研究模型，然后對模型進行分析，最終解決問題。

例如：在學習牛頓第一定律時，教師可以讓小車從斜面的同一高度滑下，分別進入棉布、粗糙木板、玻璃板上，讓學生獲取感性材料進行分析判斷，然后在此實驗基礎上讓學生進行歸納并構建出絕對光滑的理想實驗模型。這樣建立科學模型，不僅幫助學生更好地掌握牛頓第一運動規律，而且對學生抽象思維能力的提高有一定的促進作用，使他們的思考更加具有活力，無形激發他們對科學研究的熱愛。

實驗，既可以培養學生激發學生的學習興趣和積極性又能培養學生的動手能力，在利用簡單的實驗重現建構復雜實際情境的過程中，加深了學生的分析問題能力和遷移能力的訓練。實驗建模的過程可用下面的流程圖表示：問題—建模—實驗—遷移。

在解決現實問題時，首先進行理論抽象，抓住實際問題的特征后利用實驗儀器，經由學生設計實驗、操作儀器、結論論證，將現實問題以一種簡潔的實驗模型來解決，通過分析實驗模型，解決實驗模型的問題后得到相應的知識，最后解決現實問題。在分析現實問題時，學生的發現問題能力以及分析問題能力得到了鍛煉，在利用實驗建構模型的過程中，首先是設計實驗，鍛煉了學生的設計實驗的能力，然后是通過實驗操作建立類似模型，鍛煉了學生的操作能力，最后通過解決所建立的實驗模型后將所得結論遷移推廣，鍛煉了學生的遷移能力。

下面以《物質的構成》的教學片段為例，展示如何在課堂中建立實驗模型，解決實際問題，培養學生的分析能力與操作能力。

A.仔細觀察，提出問題

任務一：觀察方糖

1.蔗糖是由什么構成的呢？

請從老師準備的器材中選擇合適的器材，小組合作完成任務，按下列步驟觀察蔗糖，思考后填寫空格。

（1）用放大鏡觀察糖塊看到什么？

（2）把方糖碾碎，再用放大鏡觀察，又看到了什么？現在你看到的顆粒是不是最小的？

（3）將這些研碎的蔗糖溶入水中，再用放大鏡觀察，看到蔗糖了嗎？蔗糖是否消失了？

（4）蔗糖在哪里了？如何證明？為什么看不見了？

B.理論抽象，構建模型

2.試著畫出糖水中水分子和蔗糖分子的微觀分布圖。（用不同的圖示符號或顏色表示水分子和蔗糖分子）

C.實驗模擬

任務二：分子間存在空隙嗎？

我動手我發現：先在玻璃管中加入半管左右的水，約到標線1處（注意擠出膠頭內空氣），再小心加入酒精，約到標線2處（加好后，微調標線2與液面向平），用手指按住管口，來回倒著反復幾次，觀察液面位置。有何發現？

我類比：在量筒中倒入約半量筒的黃豆，再倒入大米，記下黃豆與大米的總體積_____毫升。將量筒反復搖晃幾次，使黃豆和大米混合，比較混合后的總體積變化，分析為什么。

我推測：酒精和水混合總體積減小是因為_____

我總結我構建：畫出搖勻前后，玻璃管內酒精和水的微觀分布圖。

任務三：探究哪種物質的空隙大？（氣體、液體）

提出問題：氣體和液體哪種物質的間隙大？

建立假設—設計實驗方案—獲取事實與證據：實驗現象。

得出結論并構建模型：氣態分布;液態分布。

D.推廣遷移

思考并討論：用微粒的觀點解釋生活中的現象

（1）裝滿水的碗里，為什么還能繼續加糖？

（2）燒水時，水開了，鍋蓋會被頂起，因為水變成水蒸氣，體積變化，分子間的間隙變化。

（3）癟了的乒乓球放在熱水中為何會回復原樣？

（三）圖像建模

科學的發展歷程中，有著許多利用圖像進行思考，建立模型的研究案例，通過案例研究過程的重現，既能對科學歷史發展有著清晰的認識，也能提升對科學研究者們的思維認識的程度。

作為可視化模型的圖像建模，在課堂中通過呈現圖形、圖片、實驗結果、視頻、多媒體課件等多種方式引導學生在視覺感悟中進行研討探究、綜合歸納，最終獲得知識和能力。在教學中利用圖像建立模型，是一種感知型教學模式，圖像建模的過程可以用下面的流程圖進行表示：問題—感知—研討—綜合。

圖像建模的流程主要是由現實情境引入課堂，在新課導入過程中引導學生發現問題，為了解決問題，通過各種方式方法提供圖像感知的對象，然后依據呈現的資料進行探究和研討，最后綜合掌握知識點。在這個探究過程中，學生參與了課堂中的思考，獲得了分析問題的能力，這便是感知型教學模式。

例1：植物的光合作用是一個復雜的過程，而我們在研究先將問題簡化為：第一，光合作用的原料是什么;第二，光合作用的場所在哪里;第三，光合作用的條件是什么;第四，光合作用的產物是什么。從而建立了光合作用的方程模型。可見，過程模型的建立，不但可以使問題得到簡化，還可以加深學生對有關概念、規律的理解，有利于培養學生思維靈活性。

例2：對于不準溫度計的有關計算，我們用下例圖像建模，直觀明了。

（四）歷史建模

歷史建模課堂強調的是在科學發展歷史中，對科學家所建立模型的理解，根據所建立的模型，理解知識發展的脈絡。

例如：牛頓第一定律的課堂，首先從亞里士多德關于運動與力的關系著手，建立力是維持物體運動的結論模型，再從伽利略著名的理想實驗研究方法著手，建立力不是維持物體運動的結論模型，緊接著牛頓在他們的基礎上得到了牛頓第一定律的結論模型。根據物體運動與力關系的歷史脈絡，理清在科學發展歷史中，運動與力的發展的結論模型，掌握知識的同時對科學的發展有著更深的認識。

歷史的發展作為物理建模教學過程的線索，那就需要學生對物理歷史知識的多角度了解，了解科學工作者研究方法，研究過程以及所得的結論。在教學中，通過歷史材料的把握，對物理模型建立過程的重新認識，重演理論的發展過程。歷史建模教學可以用下面的流程圖進行表示：問題—歷史—研討—評價。

以下是《原子結構的模型》教學片段，展示如何在課堂中利用歷史模型進行建模教學。

科學史上對原子結構的分析認識過程，其實就是不斷建立新的模型的過程。原子結構的各種模型是科學家們根據一定事實和自己的認識，對原子的結構進行形象描繪，一種模型代表了人類對原子結構認識的一個階段，人類認識原子的歷史是漫長的，也是無止境的。教師在講解過程中，輔以簡單模型圖，引導學生科學家們的建模過程，讓學生充分理解原子的概念。對某一事物結果的預測與猜想是進行科學創新的思想前提，大膽地對問題的預測建構是打開科學大門的鑰匙，原子結構模型的建立，正有力地證明了這一點。

（五）數理建模

在模型建構過程中，由于學生所學科學知識的局限及數學能力的局限，使一些科學情境不能直接抽象成學生熟悉的模型，這就需要我們用一種已知的模型去替代陌生的模型，通過對模型的轉換培養學生的建模能力。

數理建模教學可以用下面的流程圖進行表示：問題—轉換—建模—綜合。

例3：數軸是化科學教學另一個比較常用的數學模型，從數軸上可以比較由小到大，或由大到下的一個變化過程的對應關系。酸堿度、溶解度、金屬活動性等都可以呈現。

例4：在初中科學教學中，特別是概念、物質類別等之間的關系，如果用集合來講解說明學生十分易懂。我們采用如右圖，利用數學中的集合概念交集、并集、真子集等來講解“置換反應一定是氧化還原反應，部分化合反應和部分分解反應屬于氧化還原反應，復分解反應一定不是氧化還原反應”，學生一目了然，十分清晰。

還有坐標系、方程組、三角形與四邊型性質等在科學教學中的建模應用非常廣泛。在科學教學中，建立和正確使用模型，重視模型思想的運用，能將復雜問題簡單化、明細化，使抽象問題直觀、具體、形象、鮮明，對問題的解決起到事半功倍的效果，能大大激發學生學習科學的興趣，提高學生的學習水平。

四、成效與反思

（一）研究的成效

1.學生學習能力得到提升

科學建模意識培養的教學，發揮了學生的參與意識，體現了學生的主體性。學生獲得了建模成功的機會，享受建模成功的喜悅，培養了學生發現問題、轉化問題的能力，使學生學會用科學的思維方式去觀察、解決日常生活中的科學問題，逐步激發了他們的建模意識，有了建模體驗，進而培養他們的建模思維和能力。

2.教師的個人素質得到發展

在建模能力培養的教學過程中，教師不是旁觀者，也不是局外人。教師在學生建模學習中是組織者、引導者、參與者。教師深入到學生個人及學生小組中去，認真傾聽大家的發言，適時地與他們進行交流，及時了解學生學習建模中的問題，讓學生“百花怒放”，為教師的教奠定基礎。同時，創建各種模型的過程都將給老師帶來不小的困惑。然而，無形中教師會隨著學生一同成長。

（二）研究的反思

要真正培養學生的建模能力，需要充分挖掘學生的主動參與和積極思維的意識，讓學生自覺地在學習過程中構建科學模型，利用“科學模型”培養正確的思維方法。當然，科學建模要注意防止由于思維定勢而盲目的套用科學模型，需要教師正確引導學生品味科學建摸、領悟其中的思維過程，培養學生的科學思維。

例如：七上教材使用了比較直觀的“金三角”圖像模型。建立模型：物質通常共有三種狀態，即固態、液態和氣態;三種狀態之間有六種物態變化。

在學習酸堿鹽時，我們通過遷移，建立了模型：常見的酸、堿、鹽互相之間都可以發生應，在一定的條件下可以相互發生轉化。圖像模型的建立是不是一勞永逸呢？顯然不是。因為，在不同的科學概念應用過程中，總會有不同的問題與解釋。學生對糖類、蛋白質和脂肪三類營養素的相互轉化建立了圖像模型（見上圖）。錯誤就顯而易見：脂肪是不能直接轉化成蛋白質的。

教師需要充分科學地用足用活科學模型，不要因學生建構的意識或形態有缺陷而打擊扼殺學生的學習積極性，給學生一個寬松的充分體現以“學生為主”的學習環境，在不斷總結和使用中逐步培養其學生的建模能力，提高他們分析科學問題、解決科學問題的能力，最終提高他們的學習效率。誠然，在實際教學中還需要用到其他方法，培養學生其他方面的能力，還是那句話“路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索”，教學的路很長，本文作一塊墊腳石供大家參考。

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（作者單位：浙江省杭州市蕭山區臨浦鎮初級中學;浙江省杭州市蕭山區浦陽鎮初級中學）