建構科學模型，提升學生科學思維能力

王芳

摘要：湘科班五年級下冊教材中的《地球的運動》一單元屬于地球與宇宙科學領域。本領域的學習，有助于激發學生對地球和宇宙的探究熱情，發展空間想象，模型思維。本單元按照有結果及現象追溯原因的思路，以人類探索地球及其運動的科技史為線索，編排了《晝夜的交替》《四季的變化》《四季的形成》3課內容。其中《四季的形成》位于第三課時。在第一課時中學生認識到地球與太陽位于同一水平面內，地球自轉以及地軸的相關知識;第二課時中學生認識到一年四季中的不同現象及這些現象的規律。學生通過前兩課時的學習，為《四季的形成》一課進行了鋪墊。

關鍵詞：科學模型;思維;四季變化;地球

杜威認為：“思維是教學的基礎和目的，教學成功的關鍵是要激發、培養并發展兒童的思維。”

對于本單元中《四季的形成》一課筆者有以下幾點思考：

一、科學模型的定義

科學模型是按照科學研究的特定目的，用物質形式或思維形式對原型客體本質關系的再現。學生在學習《地球的運動》這一單元的知識時，如果想要準確、透徹地掌握本單元知識，肯定要借助模型的幫助。但是有些學生沒有對地球運動的初始認知，或是對地球運動的認知不太清晰。所以就需要先經歷建構模型的這個過程，然后根據建構的模型進行實驗研究。

二、科學模型與原型的關系

在科學課堂中建構的科學模型，不一定在各個方面都與原型一一相似，但是必須按照所要研究的問題和目的，與原型在所研究的方面有相似性，只有這樣的模型才具有研究的價值。

例如有的學生知道“公轉”這個詞語，但不清楚地球到底是怎樣公轉的，甚至有些學生不知道地球一直在圍繞著太陽公轉。這時，在《四季的變化》這一課的學習中，就需要建構地球公轉的模型，可以更直觀地讓學生理解地球公轉，從而理解一年中的四季變化是由于地球公轉導致的。但建構模型還需要做前期的準備，例如建構的模型中要與原型有怎么的聯系，建構的模型中要呈現出原型中出現的哪些現象等。有了聯系之后，才能夠有建構模型的方向。

三、建構科學模型

觀察原型運行中的現象、分析現象，得到初步的結論，提出假設，有依據地進行模擬，和原型進行匹配，如果現象能夠重現，解釋假設，那么就能把模擬的結構、要素、出現的規律等呈現出來，就建構了模型。

（一）觀察、分析現象

在《四季的變化》這一課中，老師提問四季中都有哪些現象是不同的，學生就會想到了在一年四季中溫度不同、晝夜長短不同、影子長短不同等。這些現象都是學生在日常生活中容易觀測到的，也有些是需要加以注意才能夠發現的現象。例如一年四季中影子長度不同這個現象就是學生不容易發現的，但通過老師引導學生自己親自對每天中午12點時對同一個物體的影子長度進行觀察和記錄，以及結合學生的生活經驗，學生就不難發現在每天的中午12點時，物體的影子長度是不斷變化的。由于這些不同的現象要為后邊的教學內容做準備，所以需要學生對一年四季中會出現這些不同的現象有認同感，這時就需要對現象加以分析，老師便追問：“你通過哪些生活經驗或是做過的哪些事情能夠說明四季中會出現這些不同的現象？”學生便通過感覺、觀察、實驗等方面進行分析，最后對這些不同的現象加以認同。

（二）提出假設

在《四季的變化》一課中，學生已經對四季中可能出現的不同現象進行了分析、整理，并認可。但對于老師提出的更加深入的問題“地球怎樣運動就能夠出現四季中這些不同的現象”陷入了沉思。有的同學對形成現象的原因沒有任何頭緒，有的學生便聯想到在《晝夜的交替》一課中學習過的地球自轉是產生晝夜變化的原因等知識，又在其他課外書中學習到地球除了在自轉，還在不停地公轉。所以就進行猜測，四季中這些不同的現象可能是因為地球公轉導致的。對于地球公轉，學生可能只知道地球有公轉這種運動方式，但是到底地球是怎樣公轉的呢？緊接著讓學生用道具模擬地球公轉，這樣老師既可以了解學生對公轉的了解程度，又為下邊制作地球公轉模型的教學活動做鋪墊。

（三）模擬并制作科學模型

科學模型是按照科學研究的特定目的，用物質形式或思維形式對原型客體本質關系的再現。而建造科學模型的過程中會用到模擬的方法。模擬就是要表現出選定的物理系統或抽象系統的關鍵特征。模擬的關鍵是有效信息的獲取、關鍵特征的選定、假設的應用，以及模擬的重現度和有效性。模擬實驗與各因素又是什么樣的關系呢？首先，直觀、關鍵因素為模擬實驗搭建了模型框架，有了直觀、關鍵條件，模擬實驗就可以進行，但是精確性還要尚待檢驗。外部條件的限制可以使模擬實驗更加的準確化。有了直觀、關鍵因素和外部因素的共同約束，模擬實驗就會更加接近現實，再探究規律或其他問題時，就會比較精準。

在《四季的變化》一課中，學生要建立地球公轉的模型，建構科學模型要與原型之間有一定的聯系，這個聯系就是學生提到的四季中的不同現象。學生建構的模型要求能夠出現現實生活中出現的四季中的不同現象。在古人剛開始研究四季變化時，也是不知道地球在圍繞著太陽公轉的，而是通過日常生活中出現的現象進行研究的。四季中有些不同現象是循環出現的，根據小學五年級學生的年齡特點和觀察思考能力，以及一年四季中出現的有規律的不同現象，老師進行了以下總結：1.晝夜長短變化：每一年都是夏季晝長夜短，冬季晝短夜長;2.溫度不同：每一年都是冬季溫度最低，夏季溫度最高，春秋季節溫度在中間變化;3.物體影子長度：在同一時間時，同一物體冬季影子較長，夏季影子較短。在這幾種不同現象中，最容易觀察、記錄、研究的就是影子長度不同。古人也是用影子長短不同這一點對四季的變化及形成進行研究。本節課中，老師設計的教學過程也是讓同學們效仿古人的樣子，從最根本的現象去研究本質。為了讓學生能夠充分感受到太陽與地球之間的位置關系和地球的運動方式，在教學過程中，老師讓學生圍坐在一圈，中間擺上一個燈泡和一個地球儀，還要營造一個黑暗的環境，使學生變成太空中的巨人，站在太空中觀察太陽和地球，讓學生有一種身臨其境的感覺。

因為要通過影子長度研究四季的形成，所以老師提前在地球儀的北京位置上固定了一根小棍，為了接近實際，小棍的長度很短，并根據實際測量和換算得到了四季中小棍在地球儀上的影子長度。學生已經提前知道并掌握了在同一時間時、同一物體冬季影子較長，夏季影子較短這個現象。根據這個現象，找到小棍影子出現最長、最短和中間值狀態的時候地球儀的位置，這樣就找到了相對應的季節的位置。在這個場地當中，學生是在挪動地球儀的過程中，找到了在地球儀上影長的位點。實際上學生是在努力重現、模擬出地球上正午影子長短的位置，重現原型當中的關鍵特征。在學生實際操作過程中，出現了兩種情況，情況一是學生找的四個點的位置在太陽的同一側，出現地球距離太陽的遠近不同這種運動方式，這種運動方式也可以出現影子長短有規律的變化。情況二是學生找的四個點的位置位于太陽的周圍，與實際的情況相似。出現了兩種情況，肯定有一種是不正確的，但是要怎樣判斷出哪種是不正確的呢？這是就需要用到其他季節中的不同現象了，通過觀察其他的四季中不同的現象，就可以判斷出情況一是不正確的。

老師又提出，如果把這幾個位置連接起來，可能會形成什么圖形呢？這個圖形是不是地球的運動軌跡呢？學生通過思考和分析，最終確定地球的運動軌跡是近似圓形，并且一直在圍繞著太陽轉動。重現的結果就是地球要圍繞太陽做一個近似圓形的軌道運動。這時學生根據地球儀上小棍影子長短初步建立了地球圍繞太陽轉動的模型。

在建構模型時，學生根據影子的數值，不停地調整地球儀的位置，在這個過程中學生通過建構模型的過程鍛煉并提升了分析、抽象、推理等思維能力。

（四）與原型進行匹配并確定模型

模型本身既是科學研究中認知階段性的成果，同時又是進一步研究原型的起點。在模型初步制作完成之后，還要與原型進行對比匹配。學生已經根據影子的長短變化，初步建立起了初始的地球圍繞太陽轉動的模型。但是這個模型是否與原型匹配呢？還需要進行驗證。老師提出問題：“我們推測出來的地球圍繞太陽做類似圓形的轉動是正確的嗎？”將問題拋給學生，并提示學生之前一共想到了幾種四季中不同的現象。這時學生根據建構模型的過程和已經知道的四季中不同的現象，想到了我們剛剛建立的初始模型是不是也能夠出現其他不同的現象呢？于是就想到了要對這個模型進行驗證。此時思考和驗證的過程充分鍛煉了學生的分析、對比等科學思維能力。通過驗證環節，發現根據影子長短變化建構出來的科學模型上，同樣也能夠滿足其他三種四季中出現的不同現象，所以可以肯定這個模型在研究四季知識這個方面是與原型相匹配的。

四、靈活使用教材，幫助學生提升科學思維

根據近幾年的教育水平的提升，老師們逐漸認識到要靈活使用教材，用教材教，而不是教教材。在《四季的形成》這節課中，教材上直接給出公轉的定義，也給出了春分、夏至、秋分、冬至時地球與太陽之間的四種位置關系。這樣的教學安排直接給出了地球公轉的模型，方便學生根據模型找出四季中不同現象的原因。在課堂上給學生足夠的探究空間。還要在教學過程中能夠讓學生體驗一下科學家探究的過程，最能夠幫助學生培養科學思維。

總之，在地球與宇宙科學領域中，有關現象、事物和規律，具有時間和空間的復雜性，需要對它們運用長期觀察、建構模型、模擬實驗、邏輯推理等方法進行研究，并幫助學生重走科學探索之路，發展學生空間想象、模型思維、邏輯推理等科學思維。

參考文獻：

[1]杜威著，姜文閔譯.我們怎樣思維·經驗與教育[M].北京：人民教育出版社，1991.