借助模擬實驗，建構科學概念

陶怡

湘科版五年級下冊第四單元《地球的運動》屬于《義務教育小學科學課程標準中》中“地球與宇宙科學”領域。教學內容主要聚焦在課標13.1“地球每天自西向東圍繞著地球自轉，形成晝夜交替等有規律的自然現象”及13.2“地球每年自西向東圍繞太陽公轉，形成四季等有規律的自然現象?！庇捎谠擃I域內容具有時間和空間的復雜性，對于空間想象力、抽象思維能力都不夠成熟的小學生來說難以進行理解和內化。課標中明確指出要運用建構模型、模擬實驗、邏輯推理等方法進行研究。筆者將借助教學實踐、談一談如何借助有效模擬實驗幫助學生理解本單元的科學概念，建構知識體系，發展科學思維。

一、感知原型 ?推測成因

雖然我們感受不到地球的自轉和公轉，但是地球的這兩種運動卻是無時無刻不在進行著的。在模擬實驗開展前，需要盡可能得讓學生獲取關于研究對象的全面信息。這些信息幫助建立學生與研究對象的聯系，使學生對研究對象有認同感，同時也是對模擬實驗是否科學的檢驗。例如在《晝夜交替》一課中，在上課伊始，教師就提出“在生活中，你能觀察到哪些晝夜交替的現象？”在教師的引導下，學生歸納出了太陽東升西落、影子在一天中的長短、方向變化、北京與澳大利亞堪培拉、日本東京等城市同晝同夜，卻與美國紐約晝夜相反等現象。在《四季形成》一課中，教師也提出了“關于四季的變化，你能觀察到哪些現象？”的問題，學生結合自己的生活經驗，回答出了“溫度不同、同一時刻影子長短有變化冬季影子長、夏季影子短、晝夜長短不同。”這些都是學生都晝夜交替、四季形成原型的感知，對原型了解得越深入越詳細，在進行模擬實驗時就能考慮得越周密，模擬實驗就越科學有效。

在對原型進行充分感知后，就要引導學生對形成這些現象的成因進行推測。推測成因是模擬實驗順利完成的階梯，是一種重要的思維活動。如在《晝夜形成》一課中，不少學生通過網絡、科普書接受到的信息是“地球自轉導致晝夜交替”，但是這與我們日常的感知是相反的，我們感受不到自己在動，反而是能看到太陽的東升西落。這個矛盾是本節課要解決的重點，只有解決了學生表面上接受地球圍繞太陽轉，才能讓他們對地球自轉導致晝夜交替這個概念的認同。所以，在引導學生進行成因推測時，我鼓勵學生推測出兩種能看到太陽東升西落的運動形式，即地球不動，太陽自東向西運動（地心說）和太陽不動，地球自西向東轉動（日心說）兩種太陽與地球的相對運動形式。

在《四季的形成》一課中，教師也引導學生對地球和太陽怎樣運動才能形成四季的變化進行了推測，由于學生之前學習過晝夜交替，知道太陽的位置是相對不動的，地球圍繞太陽轉動才能形成四季，但運動軌道沒有準確地認識，他們認為地球離太陽的距離導致了四季的形成，離太陽距離近，溫度高，是夏季;離太陽遠，溫度低，是冬季。

二、建構模型，模擬實驗

在建構模型的過程中，應盡可能地貼近原型和學生實際，以小學生認知特點為基礎，在模型材料、結構以及形態方面要盡量與原型相似，以此來更好地幫助學生建立模型與原型之間的類比關系，從而實現對科學概念的建構。

在《晝夜交替》一課中，教師引導學生進行了兩次模擬實驗。第一次是讓學生頭戴扎有小孔的紙袋模擬地球，手電筒模擬太陽。學生在模擬實驗中發現，無論是地球（學生）不動，太陽（手電筒）自東向西運動，還是太陽（手電筒）不動，地球（學生）坐在旋轉椅上自西向東轉動，都可以感受到太陽的東升西落。在這個環節，教師意在解決這樣一個問題，即以地球的視角觀察太陽的東升西落。在以往的教學中，教師會直接讓學生用地球儀和手電筒進行模擬，在這個過程中，學生需要思考地球儀上應該看到的是什么景象，對這對于五年級的學生來說，有一定難度，它們要研究的沒有直接觀察到。而本次模擬實驗就直接解決了這個問題，在轉動中，學生能直接觀察到太陽東升西落的運動軌跡，與我們日常所見是一致的。這樣建立在實證基礎上模擬為學生理解宇宙中的地球與太陽的運動奠定了基礎。

有了第一次模擬實驗的基礎，學生借助類比思維，用地球儀模擬地球，LED燈模擬太陽再對兩種形式進行模擬實驗，完成了教學目標，發展了空間想象力和抽象思維能力。

在《四季的形成》一課中，教師抓住了不同季節同一時刻影子長短不同的典型特征，給出了經過測算的影長數值和變化趨勢讓學生將四季“轉”出來，而不是“擺”出來，幫助學生認識到地球是在近似圓的軌道上進行公轉的。

三、回到原型，明確概念

（一）有根有據 建構概念

在《晝夜交替》一課中，既然地球不動，太陽圍繞地球運動（地心說）和太陽不動，地球圍繞太陽運動（日心說）都能形成晝夜交替，那么哪種運動形式才是正確的呢？在這個環節中，教師用了出示證據的方法幫助學生明確概念。教師出示了隨著宇航技術和太空觀測技術的發展，人類得以離開地球前往宇宙去觀察太陽與地球之間的相對運動和傅科擺實驗，建構了地球圍繞太陽轉動的（日心說）的正確概念。

在《四季形成》一課中，教師也預設學生可能會擺出一條線上的“四季”，也用了出示四季星空不同，南北半球季節相反的證據進行建構地球公轉軌道近似圓形的概念。

《地球與宇宙科學》領域的內容，需要實地觀察和長期的觀測。而科學家們的研究成果就是長期觀測、研究的成果。

（二）現象檢驗 明確概念

模擬實驗的目的就是通過對實驗過程與現象的解析，形成概念或建立假說。實驗后教師還必須帶領學生對模擬實驗進行還原思考，以確定模擬實驗的科學性和準確性。

在教學中，教師采用的方法就是用生活中觀察到的現象進行檢驗，如果模擬實驗是科學的、正確的，那么生活中我們看到的現象應當能“重現”。

在《晝夜交替》一課中，當建構我們了太陽不動，地球圍繞地軸自西向東自轉這一概念后，我們用課程伊始討論到的現象來檢驗，發現這些現象均能在這個模型上有所體現，進一步驗證了模擬實驗的科學性和所建構概念的正確性。

在《四季變化》一課中，當我們，找到春分、夏至、秋分、冬至四個點確定了地球的近似圓形的公轉軌道后，我們對冬至和夏至的溫度和晝長情況進行了檢驗，發現符合生活實際，也證實了模型構建、模擬實驗的科學性。

綜上所述，小學科學中“地球與宇宙科學”的教學內容具有時間和空間的復雜性，對學生的抽象思維能力、空間想象能力要求較高。