模型建構在小學科學深度探究中的運用

潘利峰 劉國良

【摘? ?要】模型建構既是科學探究的方法，也是科學探究活動的內容。在小學科學教學中，針對探究問題，借助實物、文字、圖像、數學等表征方式，建構實體模型、概念過程模型、數學模型，用以表示平常難以觀察和理解的對象或規律，幫助學生體驗科學探究方法，親歷科學探究過程，領悟科學探究本質，從而實現深度探究，提升學生的科學核心素養。

【關鍵詞】小學科學;模型建構;科學探究;思維圖式

模型是人們對客觀事物及其運動規律做出簡化的描述、概括、模仿或抽象。模型建構是運用模型直觀和簡約地描述或呈現客觀世界中無法直接觀察的現象、原理或過程。通過模型建構可以把難以感知的客觀現象或變化過程抽象為簡單的模型，幫助學生理解事物的本質特征和變化規律，掌握問題的描述和解決方法，使其在頭腦中形成簡潔而形象的思維圖式，從而達到認識客觀世界的目的。

模型建構既是科學探究的方法，也是科學探究活動的內容。在科學探究的過程中，教師應針對不同的探究問題引導學生建構各種模型，借助實物、文字、圖像或數學等表征方式來呈現事件的現象和過程，或者對客觀事物進行簡化和抽象。模型建構有助于學生拓展科學探究體驗，理解科學探究本質，實現深度探究。

一、建構實體模型，體驗科學探究方法

實體模型是指根據相似性理論制造的按原系統比例縮小、放大或與原系統等大的實物。建構實體模型需要參照研究對象的運動過程、結構大小、形狀及狀態等特點，抓住研究問題的主要屬性，建立一種理想化和高度抽象化的物理過程和實體。心理學家皮亞杰在《發生認識論原理》中指出：認知還處在具體運算階段的兒童，思維仍然需要具體事物的支持，其認知的發展離不開對具體事物的操作，邏輯思維只能應用到具體的或觀察到的事物上。教學中，有很多科學現象是人們無法觸及和直觀感知的，學生無法將其與已有經驗和概念圖式有效銜接，難以找到探究的切入點。因此需要建構相應的實體模型來表達事物的主要特征，依據事物特征設計探究活動，為學生搭建有效學習的支架以拓展其探究的體驗。教師在指導學生建構實體模型的過程中，要對研究對象的主要屬性進行觀察、分析、比較和推理，以提高學生在探究過程中的行為投入，更容易產生對科學探究的直接體驗，從而同化或順應原有的認知結構，建立新的概念圖式。

以三年級上冊《把鹽放到水里》一課為例，學生在水中加入食鹽并攪拌，觀察食鹽在水中的溶解現象。由于食鹽遇水后會分解成氯離子和鈉離子，分散到周圍的水分子之間，這是用肉眼無法直接觀察的微觀現象。學生操作后發現放入水中的食鹽顆粒消失不見了，就此產生了疑惑：食鹽顆粒肯定在水中，但以什么形式存在呢？教師發現學生的疑惑后，及時引導學生思考和討論，達成結論：食鹽在水中變成了肉眼看不見的微小粒子。為了進一步幫助學生直觀感知溶解后食鹽水的狀態，教師分別用三種大小、顏色不同的小球代表氯離子、鈉離子和水分子（忽略其具體的分子結構），將它們放入透明的玻璃瓶中均勻混合在一起，借助小球模型把溶解后的微觀現象與可直接觀察的宏觀狀態對應起來，幫助學生建構食鹽溶解的科學概念。

如六年級上冊《太陽系大家族》一課，需要指導學生認識各個行星在體積和距離上的差距。教師在課前組織學生收集有關行星直徑和與太陽距離的數據，在課堂上引導學生把這些數據按一定比例縮小，得到制作實體模型的數據（忽略行星的其余特征）。通過觀察和對比這些利用數據建構的行星實體模型，學生直觀體驗了各個行星在體積和距離上的巨大差距，使這些不便觀察的宇宙天體以模型的形式直觀呈現，幫助學生建立起行星體積及距離比例的概念圖式，有效地體驗科學探究的方法。

二、建構概念過程模型，親歷科學探究過程

概念過程模型是指利用科學的歸納方法，以對研究對象的觀察、抽象形成的概念為基礎，呈現概念之間的關系和影響方式的模型。皮亞杰認為：學習并不是個體獲得越來越多的外部信息的過程，而是學到越來越多有關自身認識事物的程序，即建構新的認知圖式。概念過程模型呈現了關聯知識之間的邏輯關系，形象直觀地表達知識概念的結構和形成過程，有助于學生整體把握概念內涵的各個要素，演繹和推理概念的探究過程，形成結構化的認知模型。

如六年級下冊《有趣的食物鏈》一課，要探究自然界生物群落中存在的食物鏈現象。教師指導學生從綠色植物開始，尋找生物之間的食物關系，并按照“誰吃誰”或“誰被誰吃”的關系把生物連接起來。學生通過繪制食物關系圖（見圖1），發現自然界生物間存在著鏈狀的食物關系，這種關系涉及綠色植物、草食性動物、肉食性動物等多種生物。每種生物都是這種鏈狀食物關系中的重要一環，從而形成食物鏈的科學概念。通過建構多條食物鏈模型，學生發現一種生物會同時處于多條食物鏈中，多條食物鏈構成了網狀食物關系，每種生物都是網狀食物關系中的一環，相互影響，彼此制衡，進而形成關于自然界生態平衡關系的科學認知。

又如四年級下冊《物體改變形狀以后》一課中，教師指導學生在動手操作一系列有彈性的材料之后，歸納這些材料的共同特性：施加外力后物體形狀會改變，撤去外力后又能恢復原狀（見圖2）。對于這個特性，學生有直接的經驗，但對彈力的施力物和受力物卻分辨不清，容易混淆。于是，教師組織學生用文字或簡筆畫記錄這一特性，并加以說明和評價。學生因此厘清了概念“物體具有彈性”的產生和探究過程，并繼續探究彈力——撤去外力后，物體恢復原來形狀和體積時對外產生的力。這樣的探究過程富有邏輯性，使學生理解了彈性和彈力這兩個概念的建構過程。在此基礎上，教師繼續引導學生探究還有哪些物體也具有彈性或者能產生彈力，從而讓科學探究從典型材料向一般材料延展，從物質的顯性特征向隱性特征運動。學生親歷科學探究的過程，深刻體驗科學探究的樂趣。如此的科學探究才能走得更遠。

三、建構數學模型，領悟科學探究本質

數學模型是基于實驗數據，運用諸如符號公式、圖形、算法等數理邏輯方法和數學語言符號建構的模型，主要包括靜態函數模型和動態圖像數學模型。愛因斯坦認為：科學家必須在龐雜的經驗事實中抓住某些可用精密公式來表示的普遍特征，由此探求自然界的普遍原理。兒童的認知結構發展到具體運算的后期，就能夠逐漸擺脫對具體事物的依賴，通過實驗獲取、分析、判斷實驗數據，發現隱藏在數據中的科學規律，并用數學邏輯符號和數學方法建構相應的數學模型，以描述這些規律，促使學生的認知由操作經驗層次向理性思維深度發展，由具體形象思維向抽象思維方向過渡，最終透過表面現象發現事物的本質特征。數學模型讓學生意識到科學探究的本質不僅是為了得出數據，還要對數據進行科學的分析、判斷、概括和歸納，提煉出科學理論并重復驗證。

靜態函數模型是指系統各量之間的關系描述不會隨時間的變化而變化，數據之間變化規律一般都用函數關系式來表達，當函數關系式中的自變量發生變化，應變量也隨之改變。學生在教師的指導下，通過對數據變化情況的運算分析，找出因變量與自變量的對應關系并建立相應的函數模型，從數學角度來認識和描述客觀世界的線性變化規律。

如五年級下冊《怎樣移動重物》一課的教學中，教師引導學生探究平衡尺省力的奧秘。在重點離支點的距離和所掛鉤碼數量固定的情況下，通過小組合作的方式，學生探索平衡尺保持平衡的阻力作用點位置和鉤碼數（見表1）。

教師引導學生對數據進行分析，從數量關系的角度來觀察和描述平衡尺保持平衡的規律。經過小組合作討論和研究，學生發現了平衡規律：重點到支點距離×鉤碼數=力點到支點距離×鉤碼數。這時，教師并沒有急于下結論，而是讓學生思考如何驗證這一規律。學生進行多次分組驗證后確認了平衡規律，并在這一數理邏輯規律的指導下設計了新的平衡方案，即杠桿原理的簡化形式：阻力臂×阻力=動力臂×動力。通過建構各變量的函數模型，使學生擺脫了直覺行動性思維的限制，向著演繹推理和形式運算能力發展。

動態圖像數學模型是運用圖像描述系統各量之間隨時間變化而變化的規律，并根據圖像變化解釋已知的實驗結果，預測還未發生的事實。動態圖像數學模型不僅能描述事物的變化過程，還能反映變化趨勢，使學生形成關于事件在過去、現在、將來隨時間發展的表象系統，從而在整體上連續把握客觀現象的發展和變化規律，達到認識事物特殊性質的目的，并能有效遷移到其他非線性變化事物的觀察和研究中去。

如四年級上冊《冷熱與溫度》一課，學生需要在教師的指導下，連續測量一杯熱水停止加熱后的溫度數據（見表2），并根據測量出的水溫數據繪制成柱狀圖或曲線圖（見圖3、圖4），通過動態圖像模型使測量數據直觀顯示出水由熱變涼的非線性變化過程，使抽象事件的探究過程可視化，使復雜的變化過程形象化，從而得出相應的結論。

利用測量數據繪制了柱狀圖和曲線圖后，教師可以讓學生解釋和預測水溫的變化趨勢，培養學生利用模型進行解釋的能力，并將這一方法應用于其他探究。例如，加熱過程中，油溫上升;停止加熱后，油溫下降。動態圖像數學模型使實驗數據用數學方法分析、概括科學結論的步驟可以向不同問題遷移，促進學生對科學探究本質的深度理解。

聽過的會忘記，看過的會記住，做過的才會理解。模型建構作為一種科學探究方法和探究活動內容，可以讓學生主動愉悅地參與科學探究，親歷科學探究的過程，自主建構科學概念，產生有效的思維進階。教師在引導學生建構各種模型進行科學探究時，需要根據教學目標及探究內容，結合學生的學習特點和認知能力，選擇和運用各種類型的模型進行建構，拓展學生的探究體驗，領悟探究的過程，理解探究的本質，從而實現科學探究向深度發展。

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