模型建構在小學科學技術與工程領域中的教學策略研究

湖北省武漢市恒大城學校(430040) 胡 蓉

湖北省武漢市東西湖區吳家山第一小學(430040) 王傳松

1 模型建構的概念

模型建構，旨在將復雜事物的本質提煉出來，從而簡化為能解釋原事物的概括化的模型。在教學中的模型建構亦是如此，將學生可能難以理解的或直接研究原事物存在障礙的內容，抽絲剝繭為能簡單理解的知識。一個完整的模型教學至少要經過5個階段，即觀察、建模、調查、驗證、應用、評價。學生只有親歷模型建構的各個過程，才能體會模型建構的特點，才能得到科學思維的鍛煉，進而提升科學素養。

2 在小學科學技術與工程領域開展模型建構的意義

2017年頒布的《義務教育小學科學課程標準》中明確提出，技術與工程領域的學習可以使學生有機會綜合所學的各方面知識來體驗科學技術對個人生活和社會發展的影響。技術與工程實踐活動可以使學生體會到在做中學的成功和樂趣，并養成通過動手做來解決問題的習慣。而模型建構則強調根據已知的事實建立起對研究對象簡潔仿真的表述。它從原型出發，根據某一特定目的，抓住原型的本質特征，對原型進行抽象，建構一個能反映原型本質聯系的模型。模型建構可以發展學生抽象思維、體現學生本真探究。模型本身越逼真，實驗效果就越好。在建模的過程中，學生的創新精神和科學素養將會得到一定的提升。美國的教育家杜威指出：對于科學，要求學生掌握的不僅是知識，還應該包括過程、方法，在科學探究中創建出實際問題的模型的過程和方法訓練，應該是科學探究教學的重要內容之一。

3 模型建構在小學科學技術與工程領域中的教學策略

3.1 用充足的原型啟發學生設計模型

對于低年段的小學生，他們還停留在具象思維的階段，對于抽象事物還難以把握，更不必說從事物中抽象出本質。因此，教師在低年段學生中開展模型建構的教學，需要提供大量的、豐富的原型來幫助學生找到這些原型的共同點，從而啟發他們去設計。以教科版科學教材二年級下冊“做一頂帽子”為例。該內容是小學科學技術與工程領域中典型的一課。本節內容要求學生基于對材料的認識，能根據功能和用途選擇不同材料，設計制作一頂帽子。在“設計—選材—制作—展示”的過程中進一步體會人工世界是由人設計并制造的，用不同材料制作的同種物品，它們的功能和用途可能不同。在本課中，學生首次以“設計師”的角色參與課堂活動。“設計師”不僅僅需要表達美術上的創意，更需要選擇合適的材料以滿足所需功能。學生將通過做帽子活動初步體驗工程設計的過程，其中包括簡單設計和展示交流兩個環節。這對學生來說有一定困難。因而，在學生開始進行設計前，教師需給學生提供大量的帽子實例，用充足的原型來啟發學生在模仿的基礎上進行創新。教師可以直接出示大量的帽子照片，也可以直接展示帽子的實物。比如工地上的安全帽、遮陽用的遮陽帽、冬天佩戴的氈帽、游泳使用的泳帽、廚師帶的廚師帽等等。學生通過觀察這些不同的帽子，很容易就得出帽子的材料不同，帽子的使用用途也不同的結論。接下來，教師再提出“制作一頂帽子”的建模要求，學生也就自然而然地明白該如何去設計。

3.2 使用有結構的材料支撐設計

在模型建構中，教師需要給學生提供材料來制作模型。這里的材料分為非結構材料和有結構材料兩種。非結構材料是指那些無固定玩法、無具體形象特征的材料，即結構簡單、獲取方便、可塑性強的基本簡單材料。與之對應的有結構材料則是較難獲取的，結構較為復雜，但容易理解的材料。非結構材料對學生來說，更具有挑戰性，思維難度更大，對動手能力的要求也更高。對于低中學段的學生而言，他們的動手能力還處于剛剛發展起來的階段，如果提供非結構材料，在課上他們可能面臨不會制作或多次試驗都不能取得成功的問題。而有結構的材料雖然在獲得上存在一些難度，但是在實際的課堂中能起到較好的效果。

以教科版科學教材三年級下冊“我們的‘過山車’”為例，該節課的設計要求有：①過山車總長2 m以上；②小球要跑完全程，中途不脫軌；③過山車要穩固；④過山車有曲線軌道和直線軌道；⑤過山車有斜坡。這里制作“過山車”的材料，教師一般提供橡膠管、塑料管等，這些材料生活中很容易得到。但是實際教學時發現，學生需要許多支架固定管道，時間一點一滴地浪費在搭建的過程中，學生關注的因素早已不是小球的運動狀態，而是要怎么才能固定好管道。因此，教師如果優先提供有結構的材料，比如積木，學生可以節約大量的搭建時間，集中注意力在設計要求上。當然，這里并無排斥使用非結構材料之意。教學本應循序漸進，在學生用有結構材料厘清模型的特征后，教師可以再提供非結構材料深化教學內容。

3.3 提供評價量表，提高模型的測試效果

工程設計一般會經歷“問題—設計—制作—測試—完善”等過程。測試也是是模型建構的一個重要環節。測試是檢驗模型效果的必要途徑，也是提高學生模型建構能力的重要方法。學生在不斷地測試與改進的過程中，明確建模的目的，完善模型的結構。教師使用評價量表，可以細化測試的條目，增強模型測試的針對性。以教科版科學教材五年級下冊第2單元“船的研究”為例。教師可以在設計上將模型船轉化為有實際使用價值的船，體現工程設計最終服務需求的特點。在教學過程中教師先引導學生按照設計圖進行制作，制作環節中讓學生像工程師一樣嚴格按照圖紙進行選材和制作，感受設計的重要性；制作完成后再進行測試，學生下水試航時對照教科書的三項測試標準，不斷調整、改進和優化小船。教材上給出的評價量表見表1。

表1 評價量表

3.4 回歸生活，完善模型

模型是為了解釋原型而衍生的產物，若學生只停留在設計模型、搭建模型的階段，對于他們提升模型建構能力將是非常不利的。模型制作任務下達之前，教師往往會擬定一個總的制作要求，然而這只是對于模型建構簡單的步驟要求。如果能用該模型去解釋生活中的現象，那么學生的建模能力將會得到很大提升。以教科版科學教材四年級下冊“電路中的開關”一課為例。從內容上看，該課不是嚴格的技術與工程領域的課程，但是教師稍作調整，將其設計為制作“紅綠燈”，這節課就有工程技術領域的味道了。“電路中的開關”一課，常見的教學設計是：給學生觀察開關—提供開關的材料—制作一個開關—連接到電路中檢驗開關—提出紅綠燈的問題作為拓展。這樣的教學設計也能較好地達成教學目標。但是拓展部分，由于時間關系學生并不能深入探究。這里作出調整，將電路中的開關明確為“控制紅綠燈的開關”。圍繞制作“紅綠燈”，本課的趣味性提升，且對于高學段學生而言，更能鍛煉其模型建構的能力。課程伊始，教師給學生呈現生活中的紅綠燈，提出制作紅綠燈的要求，學生的興趣一下被點燃。接著，教師帶領學生認識建模的材料，觀察并嘗試依次點亮燈泡。這也是對前面課程“點亮小燈泡”的回顧。通過認識易拉罐和絕緣膠布，學生對導體和絕緣體有進一步的認識，從而概括出開關就是一個由導體和絕緣體組成的結構。教師給予學生充分的時間去制作紅綠燈。有了現實生活做依托，學生很容易理解：①紅綠燈的順序是紅黃綠；②黃燈出現的時間最短；③每種顏色的燈必須是交替連續出現，不能出現中斷的現象。這些要求都是改進和完善的依據。回歸生活，學生有一定的認知經驗，無需教師指引，自發提出改進的要求，這無疑對學生科學素養的提升有幫助。

(《義務教育科學課程標準(2022年版)》)已經頒布，分析新課標，我們可以發現模型建構依然占據著重要的地位。而技術與工程領域雖不再作為一個單獨的內容板塊，但它依舊貫穿著每個單元的始末。研究模型建構在小學科學中的教學策略仍然有很大的價值。