以動作模型實驗探索地球的運動規(guī)律

馬宏明

在小學科學“地球與宇宙”領(lǐng)域的教學中，學生通常采用動作模型實驗來探索地球的運動規(guī)律。本文不僅提出了動作模型與原型之間的三種聯(lián)系，即外顯特征一致性、內(nèi)部關(guān)聯(lián)相似性、動作過程多元性，同時提出了動作模型實驗的課堂教學流程，并以《晝夜交替現(xiàn)象》教學為例，闡述了動作模型實驗在探索地球運動規(guī)律中的環(huán)節(jié)指導過程。

《晝夜交替現(xiàn)象》教學的局部再現(xiàn)

老師引導學生從現(xiàn)象的觀察出發(fā)，對晝夜交替現(xiàn)象的成因進行多角度的假說及檢驗。最終的假說主要是四種，包括“太陽不動，地球自轉(zhuǎn)”“太陽不動，地球公轉(zhuǎn)”“太陽不動，地球自轉(zhuǎn)并公轉(zhuǎn)”“地球不動，太陽公轉(zhuǎn)”。老師為學生小組提供了手電筒和地球儀，并引導學生明確“地球儀上的固定位置出現(xiàn)明暗交替變化”是證明地球產(chǎn)生“晝夜交替現(xiàn)象”的證據(jù)。

上述教學案例源自教科版小學科學五年級下冊《地球的運動》單元第一課《晝夜交替現(xiàn)象》，反映了學生在教師引導下利用模型來探索地球運動規(guī)律的過程。其中，手電筒用來表現(xiàn)太陽的發(fā)光現(xiàn)象，屬于太陽的功能模型；地球儀用來表現(xiàn)地球的球體形態(tài)，屬于結(jié)構(gòu)模型；手電筒和地球儀之間的動態(tài)關(guān)系，用來探索太陽和地球之間的運動規(guī)律，屬于動作模型。

模型實驗及動作模型實驗的特征

當人們需要了解極宏觀或極微觀、極迅速或極緩慢，或不可重現(xiàn)的事物變化規(guī)律時，除了運用科學觀測工具進行直接觀察以外，就是依靠對事物規(guī)律的假想所構(gòu)建出的各種模型進行間接觀察。這種研究事物的實驗方法稱為“模型實驗”，俗稱“模擬實驗”。小學生所從事的模型實驗，多數(shù)是利用結(jié)構(gòu)模型或動作模型進行的實驗。

動作模型實驗，就是利用與原型具有相似互動關(guān)系的模型，來探究事物變化的規(guī)律或結(jié)果的實驗方法。它不但改變事物的空間特性，還通過改變事物的時間特性來加快或減緩事物產(chǎn)生、發(fā)展、變化的過程。動作模型實驗具有以下特征：外顯特征一致性、內(nèi)部關(guān)聯(lián)相似性、動作過程多元性。

動作模型實驗的教學流程范式

模型實驗是幫助學生實現(xiàn)從事物表象到事物本質(zhì)的認識發(fā)展的“腳手架”。所以在設計教學流程的時候，就要讓學生經(jīng)歷從現(xiàn)象到本質(zhì)的推導過程。

以《晝夜交替現(xiàn)象》這一課來看，學生們探究地球晝夜交替現(xiàn)象的成因，實際上是一種建立在日常生活經(jīng)驗基礎上的從現(xiàn)象到本質(zhì)的不斷推理的過程。關(guān)于晝夜交替現(xiàn)象成因的多角度假說，學生們可以通過簡單的辯論等方法排除一些不合理的假說，而保留一些較合理的假說。

在晝夜交替現(xiàn)象成因的模型實驗中，學生們需要在實驗中再現(xiàn)地球晝夜交替現(xiàn)象的觀察特征，然后經(jīng)由實驗現(xiàn)象和真實現(xiàn)象的比照，推斷出模型實驗與客觀事物之間在運作過程上的關(guān)聯(lián)程度，最終學生們獲得晝夜交替現(xiàn)象成因的更高層次的認識。

動作模型實驗，主要是利用物理模型的互動過程來重現(xiàn)自然界的某些現(xiàn)象，借此研究自然現(xiàn)象的形成原因或變化規(guī)律。它的主要流程一般要經(jīng)歷：明確概念—建立假說—構(gòu)建模型—模型實驗—證據(jù)論證，通過假設與實驗論證，最終實現(xiàn)學生對此概念的充分認識過程。

動作模型實驗指導過程的環(huán)節(jié)設置

一是事實觀察環(huán)節(jié)。本環(huán)節(jié)主要是根據(jù)模型實驗探究的需要，為學生呈現(xiàn)某種自然事物或現(xiàn)象，結(jié)合生活經(jīng)驗及對事物或現(xiàn)象的仔細觀察，逐步獲得關(guān)于自然事物或現(xiàn)象的觀察特征。經(jīng)由交流和質(zhì)疑，明確該事物或現(xiàn)象的顯著特征。二是建立假說環(huán)節(jié)。本環(huán)節(jié)主要是就“自然事物或現(xiàn)象的形成原因”提出研究問題，通過小組的討論，提出各種假說后對各種猜想進行思考辯論，排除其中一些不切實際的假說，保留一些可能成立的假說。最后，引導學生利用圖示或圖解來呈現(xiàn)不同的假說。三是構(gòu)建模型環(huán)節(jié)。本環(huán)節(jié)主要引導學生根據(jù)不同的假說以及自然事物或現(xiàn)象所呈現(xiàn)的特征或變化過程來設計模型及其實驗過程。四是模型實驗環(huán)節(jié)。本環(huán)節(jié)主要引導學生根據(jù)假說及其示意圖來擺放并運作模型，觀察模型的運作方式和動作路徑，記錄模型在運作過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象。在模型運作過程中，學生們需要小心地控制模型的運動位置和速度，有時候甚至需要暫停模型的動作，從而觀察到可靠的證據(jù)。五是證據(jù)論證環(huán)節(jié)。本環(huán)節(jié)主要引導學生通過對證據(jù)及證據(jù)收集過程的交流質(zhì)疑和評價，確認其中的有用證據(jù)、無關(guān)證據(jù)以及錯誤證據(jù)，以及證據(jù)收集過程的有效程度。在證據(jù)論證過程中，學生們首先要確定證據(jù)是否支持或反駁了假說，其次要分析證據(jù)是如何支持或反駁假說的，最后要分析支持或反駁同一個假說的不同證據(jù)之間的異同關(guān)系。六是達成共識環(huán)節(jié)。本環(huán)節(jié)主要引導學生們對實驗現(xiàn)象與自然現(xiàn)象，以及實驗過程與自然現(xiàn)象的變化過程進行逐一比對，使得模型實驗與自然現(xiàn)象之間建立可靠聯(lián)系。最后，教師對課堂探究學習所獲得的科學概念、探究過程中所采用的一般方法以及所體現(xiàn)出的情感態(tài)度做出總結(jié)。

在教學中，學生們首先整理并修正那些支持假說的動作模型，并結(jié)合每種動作模型的運作方式來說明自然界中太陽和地球的互動關(guān)系。他們一致認為，關(guān)于“地球晝夜交替現(xiàn)象的成因”，可以有多種假說；利用模型實驗，可以為各種假說提供支持或反駁證據(jù)，使假說更接近真相。

（作者單位： 浙江省杭州市明德小學）