引入模型建構(gòu)使科學(xué)探究可視化

徐春明

小學(xué)生理解與思維正由具象逐漸向抽象過渡，這一階段適合他們的信息表征方式應(yīng)該是具體、直觀的。在探究實驗教學(xué)中，恰當運用模型建構(gòu)，更符合小學(xué)生的認知特點，更有利于他們自主性、主動性的發(fā)揮，從而促進他們對知識的深層次理解，提升其科學(xué)素養(yǎng)與學(xué)科關(guān)鍵能力。

數(shù)據(jù)模型建構(gòu)：讓探究數(shù)據(jù)可視化

科學(xué)探究經(jīng)常需要進行基于數(shù)據(jù)的實證研究，即通過實驗獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上概括、提煉出科學(xué)規(guī)律，建構(gòu)科學(xué)概念。科學(xué)探究中的數(shù)據(jù)是學(xué)生通過觀察、實驗等得到的相關(guān)實驗數(shù)字，實驗數(shù)字并不意味著得出科學(xué)結(jié)論，這中間必須經(jīng)過數(shù)據(jù)分析的過程。建構(gòu)數(shù)據(jù)模型，將探究實驗數(shù)據(jù)用圖形、圖表等更直觀的方式可視化，更符合小學(xué)生具體形象思維的特點。

1.靜態(tài)數(shù)據(jù)模型建構(gòu)

在科學(xué)探究過程中，為了減少實驗數(shù)據(jù)的誤差，學(xué)生往往需要收集盡可能多的數(shù)據(jù)，提高實驗的準確性。教師可以借助數(shù)字技術(shù)，快速、便捷地搜集以班級為單位的實驗大數(shù)據(jù)，并以圖表的方式直觀呈現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生進行分析。

如探究“冷熱與溫度”內(nèi)容時，教師可以創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生親身參與測量、記錄熱水的降溫變化過程，10分鐘內(nèi)每隔兩分鐘測量的溫度變化數(shù)值一共6個。利用自主開發(fā)的基于asp的網(wǎng)絡(luò)實驗數(shù)據(jù)收集平臺（如圖1），由學(xué)生通過平板電腦登錄系統(tǒng)在線上傳實驗數(shù)據(jù)，服務(wù)器端自動收集匯總?cè)嗟膶嶒灁?shù)據(jù)，教師下載數(shù)據(jù)，并通過Excle軟件生成水溫變化曲線圖或條形統(tǒng)計圖（如圖2），即形成數(shù)學(xué)模型。根據(jù)這個熱水溫度變化數(shù)學(xué)模型，學(xué)生不僅容易發(fā)現(xiàn)水溫變化的規(guī)律，而且從曲線圖中很容易發(fā)現(xiàn)水溫在哪個時段變化快，哪個時段變化慢。教師通過將一杯熱水變涼過程中的水溫變化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，將原本抽象的、不易直接觀察的水溫變化規(guī)律可視化，以圖形的方式更便于學(xué)生發(fā)現(xiàn)與理解。

2.動態(tài)數(shù)據(jù)模型建構(gòu)

動態(tài)數(shù)據(jù)模型建構(gòu)一般是針對有多個因素相互關(guān)聯(lián)、相互影響的研究內(nèi)容。學(xué)生在聚焦問題的基礎(chǔ)上，討論、交流提出合理的假設(shè)，再輸入初始的數(shù)據(jù)，依靠相應(yīng)的平臺或技術(shù)，自動生成動態(tài)數(shù)據(jù)，并將隱含的數(shù)據(jù)用直觀模型呈現(xiàn)，以研究初始條件會產(chǎn)生怎樣的后續(xù)結(jié)果，檢驗初始條件的合理性、正確性;也可以預(yù)設(shè)結(jié)果而倒推需要怎樣的原始數(shù)據(jù)，以幫助形成合理的建議和正確的方案。

如探究“生態(tài)平衡”內(nèi)容時，由于生態(tài)變化是一個宏觀的、變化周期長的自然現(xiàn)象，因此無法直接開展探究活動，而傳統(tǒng)的圖片與視頻講解相結(jié)合的學(xué)習(xí)方式互動性差。“NetLogo”是一個用來對自然現(xiàn)象進行仿真的建模環(huán)境，特別適合對隨著時間演化的復(fù)雜系統(tǒng)進行建模。我們可以利用這一優(yōu)勢構(gòu)建一個包含“草、狼、羊”等要素在內(nèi)的草原生態(tài)系統(tǒng)模型，用互動、可視化的方式研究有關(guān)生態(tài)平衡的問題。具體的過程為：學(xué)生圍繞“消滅狼是否能更好地保護羊群”“多種草能讓羊生活得更好嗎”等問題，依據(jù)自己原有經(jīng)驗設(shè)置“草、狼、羊”等要素的初始數(shù)值，隨著時間的推移，“草、狼、羊”等要素進行著動態(tài)變化，學(xué)生通過觀察實時呈現(xiàn)的直觀動態(tài)圖形和數(shù)據(jù)曲線圖表，研究“草、狼、羊”等要素之間的動態(tài)平衡關(guān)系，從而認識到生態(tài)系統(tǒng)中的各個要素都非常重要。學(xué)生也可以根據(jù)自己的需求，加快或減慢模型的推演速度，或改變研究要素，以滿足個性化的探究需求。

物理模型建構(gòu)：讓探究對象可視化

以證據(jù)為基礎(chǔ)，運用各種信息分析和邏輯推理方法得出結(jié)論，公開研究結(jié)果，接受質(zhì)疑，不斷更新和深入，是科學(xué)探究的主要特點。小學(xué)科學(xué)課程中關(guān)于物質(zhì)科學(xué)、地球和宇宙科學(xué)等領(lǐng)域中的現(xiàn)象、事物和規(guī)律，具有時間和空間的復(fù)雜性，如晝夜交替、地球表面地形、電路等，這些內(nèi)容是宏觀的，或是抽象的。如何組織探究實驗活動？我們可以通過物理模型建構(gòu)的方式，培養(yǎng)學(xué)生的實證意識。

1.平面模型建構(gòu)

平面模型建構(gòu)是將相對復(fù)雜的，或不易被觀察的具體現(xiàn)象、實驗，進行簡單化、可視化處理，以平面圖例、模型設(shè)計圖等形式直觀地表達認識對象的特征。學(xué)生在原有知識結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，利用可視化的平面模型，有針對性地展開分析，交流自己的認識和觀點，從而完成科學(xué)概念的建構(gòu)。

如探究“簡單電路”相關(guān)內(nèi)容時，在學(xué)生用材料連接電路的同時，教師幫助學(xué)生畫出電流從電池出發(fā)，在電路中流動，經(jīng)過燈泡，又回到電池形成回路的過程，完成平面圖示模型建構(gòu)（如圖3）。學(xué)生不僅連接一個簡單電路，同時還清楚地知道在這個電路中電的流動路線，這樣的平面模型還可以延伸，幫助學(xué)生理解斷路、短路的現(xiàn)象（如圖4），同時可以讓學(xué)生在修改平面模型的基礎(chǔ)上進一步探究點亮多個小燈泡。

2.實物模型建構(gòu)

實物模型建構(gòu)是指對自然現(xiàn)象或規(guī)律的一種模仿、模擬，主要應(yīng)用于模擬實驗，可以是宏觀場景的微縮，可以是微觀結(jié)構(gòu)的放大，也可以是“暗箱”內(nèi)容的類比外顯等。通過替代的實物物品的結(jié)構(gòu)性，使一系列的探究活動得以實施與呈現(xiàn)，使難以直接觀察的自然現(xiàn)象在課堂上得以重現(xiàn)，有時甚至可以是對所要探究的對象的有意識凸顯。

如探究“月相”相關(guān)內(nèi)容時，在學(xué)生經(jīng)過一段時間實際觀察月相并了解了月相變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)實物模型（如圖5），進一步認識月相的成因：

第一環(huán)節(jié)，明確替代物品與真實事物之間的類比關(guān)系：用圓形塑料圈模擬月球圍繞地球運行的公轉(zhuǎn)軌道，用一半涂黑的乒乓球模擬月球在太陽的照射下一半是亮的，一半是暗的，用掛著太陽圖形的一面模擬陽光的照射方向;

第二環(huán)節(jié)，依據(jù)自然規(guī)律模擬觀察月相：首先站到圈外從模擬太陽的一面看月球，將乒乓球白色的一面全部對準太陽的方向，然后保持塑料圈不動，人站到圈子中間，觀察各個位置上月球的月相并畫下來。

通過月相實物模型建構(gòu)，再現(xiàn)一個月內(nèi)的月相變化現(xiàn)象，方便學(xué)生尋找月相變化過程的證據(jù)，培養(yǎng)實證意識。

3.虛擬模型建構(gòu)

小學(xué)科學(xué)探究活動的對象是真實的物質(zhì)世界，其中有一些內(nèi)容由于客觀原因無法通過操作實物器材展開研究活動，或者說用動手操作的方法直接研究反而不真實，達不到尊重證據(jù)、嚴謹求證的效果。如涉及地球?qū)嵕坝^察的內(nèi)容，地球上的地形和地貌、地表的變遷、水資源的分布等，教師可以借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬軟件等建構(gòu)虛擬模型，創(chuàng)設(shè)類似真實環(huán)境的情境，讓學(xué)生根據(jù)探究需要，搜集證據(jù)，進行實證。

如探究“地球的表面”相關(guān)內(nèi)容時，由于現(xiàn)場觀察受時空限制不能開展，借助圖片或者視頻，又不能給學(xué)生實時、真實的體驗，因此很多問題需要學(xué)生通過想象解決，教師借助“谷歌地球”這一虛擬地球模型，可以很好地彌補以上不足。該軟件能將全球的各種地形通過虛擬的方式呈現(xiàn)出來，學(xué)生可以足不出戶進行瀏覽，通過放大、俯視、平視、旋轉(zhuǎn)觀察角度甚至全立體景觀虛擬漫游的方式，模擬現(xiàn)場觀察高山峽谷、海洋島嶼、高原盆地等地形，詳細研究特定地貌特征。有了這樣近乎現(xiàn)場的觀察，就有了更真實的體驗，也就更利于學(xué)生建構(gòu)對地球表面的認知。學(xué)生還可以對特定的問題進行系列探究，如“長江入海口島嶼的成因”研究（如圖6），從河流的上游到中下游進行“實景考察”，從中觀察地形變化、水流變化、島嶼分布等信息，從中尋找更真實的證據(jù)，驗證自己的猜想：地勢平坦、河道寬的地方水流變緩，泥沙容易沉降堆積，易形成沖積島。

概念模型建構(gòu)：讓探究思維可視化

1.思維導(dǎo)圖建構(gòu)

思維導(dǎo)圖是一個簡單、高效、放射性、形象化的思維工具，它運用圖文并重的方法，把各級主題的關(guān)系，用相互隸屬的層級圖表現(xiàn)出來，把主題關(guān)鍵詞與圖像、顏色等建立鏈接。建構(gòu)思維導(dǎo)圖模型，形象直觀，符合小學(xué)生樂于涂一涂、畫一畫、喜歡用圖畫來表達想法的認知規(guī)律和表達特點。探究實驗，不僅是培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，更重要的是發(fā)展他們的思維能力，所以，學(xué)生在探究過程中經(jīng)常需要互動設(shè)計、討論交流、觀點碰撞;教師要引導(dǎo)學(xué)生用不同的顏色、關(guān)鍵詞、圖畫，建構(gòu)、繪制思維導(dǎo)圖模型，讓思維可視化，一方面有利于清晰、直觀地表達觀點，另一方面也有利于小組聚集問題，并在比較、反思中發(fā)現(xiàn)問題，并不斷相互補充與完善，從而獲得更大的收獲。

如探究“擺”相關(guān)內(nèi)容時，教師可以引導(dǎo)學(xué)生用思維導(dǎo)圖的方式，邊思考邊畫圖（如圖7），猜測擺的快慢與哪些因素有關(guān)，每一個可能的因素可以用哪些方式進行探究驗證。在個體思考的基礎(chǔ)上，借助思維導(dǎo)圖直觀、清晰地表達自我觀點，與小組成員進行交流、討論，在相互啟發(fā)、不斷完善的過程中形成比較成熟的研究方案。

2.概念圖建構(gòu)

概念圖是將基本概念網(wǎng)絡(luò)化，并以結(jié)構(gòu)圖的形式呈現(xiàn)出來的一種組織和表征知識的教學(xué)方式。合理運用概念圖的優(yōu)勢，可以直觀形象地表達知識結(jié)構(gòu)，有效呈現(xiàn)思考的過程及知識的關(guān)聯(lián)，并引導(dǎo)學(xué)生進行意義建構(gòu)，既能引導(dǎo)學(xué)生自主探究，又能形成整體思維能力。通常可以用氣泡圖、維恩圖、網(wǎng)狀圖等形式呈現(xiàn)。

如探究“校園里的植物”相關(guān)內(nèi)容時，學(xué)生要研究樟樹與鳳仙花的相同點與不同點，由于樟樹和鳳仙花之間形態(tài)特征差異較大，因此獲取的知識點既多又零散。在觀察活動中，教師可以引入維恩圖，幫助學(xué)生收集、分類、記錄觀察到的樟樹和鳳仙花的特點，再引導(dǎo)學(xué)生梳理觀察比較結(jié)果，將兩個圈內(nèi)相同的特點并入交叉圈內(nèi)，交叉圈外保留各自獨有的特點。在概念圖的幫助下，學(xué)生能把這些多而零散的知識點集合為兩類，梳理出草、木的概念，并從共同信息中找尋內(nèi)在聯(lián)系，理解和建構(gòu)植物的概念。

3.魚骨圖建構(gòu)

魚骨圖是一種發(fā)現(xiàn)問題“根本原因”的方法，它也可以稱之為“因果圖”。教師可以利用魚骨圖簡捷實用、深入直觀的特點，圍繞核心概念問題，引導(dǎo)學(xué)生列出與概念問題有關(guān)的可能原因，來說明各個原因之間的關(guān)系。如學(xué)生圍繞“蘋果壞了的原因”進行頭腦風(fēng)暴（如圖8），發(fā)揮小組的智慧，集思廣益，把通過摸、看、聞、測量等方式得到的信息呈現(xiàn)在上方，把經(jīng)過分析、比較等思考后得到的信息呈現(xiàn)在下方，引導(dǎo)學(xué)生區(qū)分事實和解釋，并認識到在解釋一種現(xiàn)象或問題的時候，要通過觀察、分析、思考并不斷完善。

模型是一種理想化的形態(tài)，在科學(xué)探究實驗中正確建構(gòu)與使用模型，能使抽象科學(xué)原理、不易直接探究的自然現(xiàn)象、復(fù)雜的探究問題等可視化，以更直觀、具體、形象、鮮明的方式，提高探究實驗的效率，從而有效提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。