新課標背景下小學科學模型建構的教學理解與實踐

史加祥

【摘 要】《義務教育科學課程標準（2022年版）》首次明確地將模型建構作為科學思維核心素養的重要組成部分。模型經常被應用于小學科學教學中，但存在對小學科學模型建構的研究與教學重視程度不夠的情況。文章在對模型建構內涵理解的基礎上，明確了科學模型建構教學的過程與水平，在具體化和細化模型建構教學過程的基礎上進行了教學實踐，為培養學生的科學思維提供了方向。

【關鍵詞】科學課程;核心素養;模型建構;科學思維

《義務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）明確了科學課程核心素養的內涵與組成[1]4，模型建構作為科學思維核心素養的重要組成部分被首次直接表述，意味著模型建構教學對于學生的科學學習有著重要的意義及價值。模型在科學的歷史發展與當前實踐中普遍存在，離開模型的科學是難以想象的。科學教育中的模型建構是科學的關鍵特征，也是科學素養的重要組成部分[2]。還有研究將科學直接定義為科學建模的過程，認為科學學習過程中的觀察、描述、解釋、預測、推理微觀和宏觀自然事物、自然現象的實質就是建構和應用科學模型的過程[3]。由此可見，模型建構在科學教學中至關重要，教師需要在深刻理解其內涵的基礎上開展扎實的教學實踐。

一、模型建構教學的現狀與發展要求

目前，針對小學科學模型建構的教學實踐整體偏少，主要原因是研究者對小學階段科學模型建構的理解存在差異，沒有厘清模型建構與學生科學素養之間的關系。

1.小學科學模型建構教學的現實理解

模型對于小學科學教學來說并不陌生，教師在科學教學中經常會使用各種標本、裝置或模型進行教學，也會采用模擬活動來幫助學生認識和理解科學現象。在很多科學教師的理解中，模型必須是實體、可觸摸的。有研究者在模型的實物特點上對其含義進行了擴展，認為模型還可以用觀念、數學符號將自然世界中的現象和事物表達出來[4]。也有研究者將模型分為實體模型、概念過程模型和數學模型三種類型。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，概念過程模型指呈現概念之間的關系和影響方式的模型，數學模型則指利用數理邏輯方法和數學語言符號建構的模型。[5]在小學科學中，采用模型建構方法進行教學以地球與宇宙科學領域內容居多。如賀子聰，高曉燕在“月相”的教學中使用模型幫助學生理解月相何時可見、朔月為何不易見以及月相變化規律等[6]。錢星星則在認識月球環形山內容的教學中，引導學生通過動手“造”環形山，對月球環形山形成的可能原因進行了探究[7]。從已有文獻可以看出，教師對小學科學模型建構的研究與教學重視程度不夠，對其內涵的認識與理解不足，究其原因主要是原有課程標準中對模型建構的要求不夠清晰和明確。

《義務教育小學科學課程標準》中，模型建構并沒有作為科學探究的重要組成部分，相關要求出現在“地球與宇宙科學領域”中，讓學生通過實地觀察、長期觀測、建構模型、模擬實驗、邏輯推理等方法對地球與宇宙中的有關現象、事物和規律有一定的了解[8]。由此可見，教師在地球與宇宙科學領域對模型建構的實踐較多也在情理之中，也充分說明模型建構教學的價值還未得到應有的認可與重視。

2.模型建構的科學課程核心素養要求

新課標將科學課程核心素養分為科學觀念、科學思維、探究實踐、態度責任等，模型建構作為科學思維的重要組成部分被明確提出，并指出模型建構體現在：以經驗事實為基礎，對客觀事物進行抽象與概括，進而建構模型;運用模型分析、解釋現象和數據，描述系統的結構、關系及變化過程[1]4-5。新課標不僅指出了模型建構的路徑，還明確了如何運用與分析模型。筆者對新課標中課程總目標和學段目標的模型建構要求進行了梳理（見表1）。模型建構的過程可分為模型意識、模型理解、模型建構、模型運用等不同階段和水平。

表1 新課標的模型建構分階段學習要求

[學段 學段目標 1～2年級 能利用材料和工具，通過口述、繪畫、畫圖等方式表達自己的想法 3～4年級 能利用模型解釋簡單的科學現象 5～6年級 能使用或建構模型，解釋有關的科學現象和過程 7～9年級 針對真實情境中的簡單問題，能基于事實與證據，利用分析、比較、抽象和概括等思維方法建構模型，能運用簡單模型解釋常見現象，解決常見問題 ]

二、模型建構教學的內涵理解

教師對模型建構的理解存在差異主要源于對課程標準的解讀以及在教學實踐中形成的認知不同。在進行模型建構教學之前，教師有必要從新課標角度對其內涵、原則等進行再理解。

1.多維視角下的模型建構

從不同的視角審視模型建構，會有不同的理解與詮釋，如有研究將模型建構的過程解釋為通過關注關鍵特征來解釋和預測科學現象，抽象、簡化并進行系統表達的過程[9]。還有研究將科學建模能力定義為針對自然現象抽象出主要特征，依據科學直覺建構關系、結構等概念模型，并用科學語言進行表征的能力[10]。不同的定義與解釋有共通之處，也有不同的視角差別。

有研究從刺激與反應的行為視角對科學模型建構進行分析，將科學建構作為操作性過程，包括建模語言、系統表征和從表征到模型的過程等[11]。行為視角觀點雖然增強了科學模型建構教學實踐的可操作性，學生在反復的行為訓練中建模能力得到提升，但對學生在建模過程中的心理認知變化無法進行科學的解釋。鑒于此，很多研究從心理與認知視角對模型建構的心理、意識的內在機理進行解讀。心理認知視角認為科學建模不是簡單的表征模型的過程，而是完整的信息輸入、接受、加工、提取和輸出的過程，也是信息抽象，理解關系及結構的過程。心理認知視角關注了科學建模過程中學生心理加工的過程，但在教學實踐中卻無法直接進行評價與探測，只能通過學生的學習表現來推測。在對科學建模的行為與認知觀點優缺點分析整合的基礎上產生了建構主義。建構主義認為科學建模的過程是學生在面對問題情境和學習任務下，主動應用和建構概念的過程。建構主義視角是將外部環境刺激、內部心智的操作性過程和模型建構過程作為統一連貫的整體進行理解，既強調建模的刺激反應的外在行為表現，也重視心理加工與內在思維活動。

不同視角對模型建構的理解不是完全隔絕和獨立的，而是在繼承的基礎上發展。筆者在綜合不同觀點并結合新課標的基礎上，將科學模型建構解釋為學生主體從經驗事實出發，對科學情境、任務和問題中涉及的科學現象、事物進行抽象和概括等建構模型，并運用模型分析、解釋、描述系統的結構與關系等復雜加工后逐漸形成科學模型的過程。科學建模能力則指在此過程中學生表現出來的穩定的、個性化的心理素質。

2.模型建構的過程與水平理解

基于不同的視角會形成不同的模型建構。筆者結合新課標中模型建構的總目標和分階段目標，將小學階段科學的模型建構教學從過程與學生表現兩個方面進行整體理解，將學生科學模型建構的過程與水平以交叉、螺旋的方式呈現，使科學建模的教學與評價達成一致（如圖1）。

由圖1可知，小學科學模型建構教學的起點是“情境、任務、問題”。教師通過創設情境、提出問題，讓學生基于原始模型進行觀察、分析、比較、抽象、概括，在心智參與后對模型進行選擇并初步形成新的模型，即過渡模型。教師讓學生在交流、解釋中通過圖畫、文字、數據等對模型進行表征，進而對模型進行認知分析。同時，教師通過實驗、模擬等活動，讓學生積極、主動地使用或調用加工形成的模型，對模型進行驗證、修正，最終形成科學模型，并能在新的情境中進行遷移。

另外，科學模型建構的教學并不是分析不同學習階段差異后簡單的線性化與流程化處理，而是從學生已有認知、經驗、心智發展水平出發，在不同的科學知識內容學習中迭代與循環。因此，在不同的學習階段，學生會有不同的表現、發展可能與空間。對學生模型建構的表現可以從“對科學現象、事物解釋與預測的生成性理解”和“模型建構生成的科學知識是暫時的、動態的、可改變的”兩個角度進行理解。兩種理解雖然角度不同，但對科學模型的多重作用，以及科學知識學習過程和科學本質具有發展性和復雜性的認識是相同的。筆者結合新課標，對科學模型建構中的學生表現進行分析，形成了科學模型建構的水平理解（見表2），將教學過程與表現水平整體設計，注重實現“教—學—評”一致性。

三、小學科學模型建構的教學實踐

1.科學模型建構教學的具體流程

模型建構教學是科學思維與方法培養的重要手段，教師需要在分析學生已有經驗和模型認知水平的基礎上，結合新課標要求和教材內容，對教學目標進行重點梳理與分析，在扎實的課堂教學實踐中培養與發展學生的模型建構能力。基于此，筆者總結了科學模型建構教學過程的具體流程如下（如圖2）。

由圖2可知，科學模型建構教學實踐最開始是“現象、問題錨定”，在此過程中，教師創設情境引出某個現象或提出問題，學生在對現象分析和問題界定的基礎上形成想法、觀點或假設。“呈現原始模型”是指學生利用文字、圖畫、表格等構建和呈現一個包含他們自己想法與觀點的原始模型。“觀察、調查、實踐”指學生在分組和合作學習的基礎上進行觀察、調查，為解決核心問題及修改模型收集資料和證據，在分析、分享中利用模型解釋、發現存在的矛盾與沖突。“形成過渡模型”是指學生在矛盾與沖突的基礎上評估并修改原始模型，形成與觀察、調查較為契合的模型。“探究、實驗應用”是指學生運用過渡模型設計科學的實驗并實施，輸入與實驗結果相關的科學概念、理論，在結合實驗與理論的基礎上形成較為科學的認識。隨后學生利用形成的科學思想與觀念對模型進行“修正、改進、完善”，在交流中介紹和展示，討論并判斷模型，在小組或整個班級中形成共識的基礎上“構建科學模型”。最后是使用模型“預測、解釋、遷移”其他相關現象，對模型的優勢和局限性進行再思考，以便進一步的修正。

當然，科學模型建構教學并沒有固定和統一的方法，教師在實踐中并不需要嚴格按照以上步驟進行教學，可以結合不同的學習內容，尤其是學生已形成的模型情況進行分析后靈活組合與運用。

2.“光的反射”模型建構教學實踐

光是學生生活中最常見的科學現象，也是物質科學的重要組成部分。新課標對“光的反射”的學習要求是識別來自物體反射的光（如月光）（3～4年級）和知道來自物體的反射光進入眼睛，能使人們看到光源或該物體（5～6年級）[8]36。筆者在教學中發現，學生對月相是月球反射太陽光的知識建構較為牢固，主要源于學生的閱讀和科普視頻等。但學生對于人為什么能看到身邊的物體卻難以理解，即使在“光的反射”學習結束后，很多學生對光反射過程的模型建構依然不完整、不科學。為此，筆者從模型建構的過程出發，設計了“光的反射”一課，具體教學過程如下（如圖3）。

由圖3可以看出，學生對“光的反射”模型建構過程經歷了從清晰到模糊，再到清晰的過程。學生對于月相形成的特定反射現象能夠理解，但遇到生活中如何看到其他物體的問題時，學生的原始模型無法進行解釋，很多學生形成的過渡模型存在科學性錯誤。因此，教師設計了暗盒實驗。學生在反復對比后，對模型的理解逐步清晰起來。從學生的描述和表達中可以看出，學生建構的模型具有一定的科學性，學生在對現象進行解釋、應用和遷移后不僅能對特殊的反射現象進行解釋，還能對生活中常見的反射現象進行科學解釋，建構的“光的反射”模型逐步穩定。在此基礎上，教師可以提出新的問題，如“為什么我們能看到有顏色的物體，不同顏色的光照射同樣的物體會出現什么現象”等，引導學生進一步探究與實踐，對建構形成的科學模型進行持續的補充與完善，從而全面、整體地理解“光的反射”。

綜上所述，對科學模型建構發展的梳理和內涵的理解是對新課標的解讀，而對科學模型建構教學的實踐則是將新課標課程目標落實的探索。筆者認為，在后續的教學中，教師還需要持續深入的實踐，形成適合不同年級、不同學習內容的模型建構的教學方法，為學生科學思維的發展提供抓手。

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（責任編輯：羅小熒）