初中科學模型法教學實踐中模型構建策略探究

浙江省杭州市余杭區海辰中學 邰倫軍

追溯科學發展歷史，很多重要的結論與規律都是科學家經過猜想，構建理想模型，并通過實驗驗證，在模型與現實相符的基礎上獲得的。因而，在科學學科教與學的過程當中，建模思想的滲透、建模型能力的培養可以使學生進行體驗性探索，并能領悟知識的形成過程。而在傳統課堂中，因課時有限，教師為了追趕教學進度，會將重點放在課本理論知識的傳授上，對培養學生建模思想存在點到即止的情況，使學生建模能力有所缺失。新課程背景下的課堂強調科學學科的教與學應以科學探究為核心，以科學知識為載體，以科學方法為手段。那么，如何才能將模型構建與課堂教學巧妙融合，達到課堂教學的有效落實和拓展學生思維的目標，結合多年的教學實踐，本文對此進行了探析。

一、實驗建模

教學中，一些較為抽象的科學理論若通過模型方式來呈現，會變得更加容易理解。教師作為課堂預設者，構建適當的科學模型展開教學，可以將原本看不到、摸不著的抽象內容直觀地呈現在學生面前，增強學生的感性認識，幫助學生落實學習重點。學習者在認識科學對象時，通過一定的觀察實驗對所獲得的科學事實進行初步概括后，利用想象、抽象、類比等方法建立適當的模型來反映代替客觀對象，以揭示客觀對象的形態、特征和本質，這個過程就是科學建模。學習者建構的科學模型可以是實物模型，也可以是思維模型。在科學學科教與學的過程當中，教師可以引導學生從已有的知識基礎出發，通過親身體驗將從身邊發現的現象和遇到的問題轉化為科學模型。同時借助建構模型的平臺，適時滲透其他科學方法，達到發展學生的創新思維、提升學生科學素養的目的。

浙教版八上教材“氣體和液體的流速與壓強的關系”是教學重點，教師在教學中除了通過實驗向學生展示流體流速與壓強的關系外，同時也介紹了該知識點在生活中的應用。但對于學生來說，此內容還是較為抽象，只能通過肉眼觀察到的現象推理得出氣體流速與壓強的關系，很難透過現象抓住與理論知識相契合的點。如果通過模型構建，將其中的物理原理直觀動態地展示給學生，讓學生可以清晰地觀察到液體流過內徑變細的三通管時，杯中紅色液體在大氣壓作用下被壓入三通管下端的玻璃管中，這樣的模型構建有利于學生透過現象理解科學本質，從而落實教學重點。

二、活動建模

新課程背景下的科學課堂強調將課堂還給學生，提高學生的自主學習能力，因而教師可以改變傳統“邊教邊學”的講授式的教學模式，對教材中的部分內容采取“先學后教”的方式。在開展課堂教學活動前，讓學生對教材內容進行預先學習，學生對學習內容有了初步認識，然后通過教師引導使學生以獨立或者小組合作的方式自主構建模型，在活動中尋找問題答案或者產生新的問題。教師根據學生的建模探究活動有針對性地開展教學活動，將課本理論知識與生活實際案例，以及學生構建的模型相融合，幫助學生在活動中拓展思維并突破學習難點。

如學習水的浮力時，學生對“影響浮力大小因素”雖有感性知識，但教材內容比較抽象，學生難以順利建立浮力大小與液體密度和物體排開液體體積之間的知識框架。因此，教師可以在課堂教學開展之前從模型本身的特點先給予定義，引導學生用一張A4紙通過折疊自主建構紙船承幣模型，在運用中進一步體會紙船浮力模型的內涵。在不斷建構模型的實踐過程中，學生圍繞紙船這一研究對象，觀察分析不同的船體結構圖片模型并展開模型設計，通過親身體驗獲得實驗事實或證據來理解這一知識難點。這樣的建模過程不僅激發了學生的探究欲望和創新思維，也鍛煉了學生的動手操作能力，提升了學生建構模型解決實際問題的能力。

三、情境建模

科學教材整合性的特點決定了其中包含的很多知識點是相互聯系和緊密結合的。教師若能在教學中預設一定的教學情境，與學生一起利用已學科學知識建立適當的模型，將相關聯的知識通過活動有機融合，能夠有效促進學生知識框架的建立和思維的拓展。

案例1：在學習“科學測量”有關溫度計內容時，教師可以通過演示溫度計的使用，引導學生細心觀察溫度計的結構和原理，進而組織學生利用玻璃藥劑瓶和吸管等生活材料自制溫度計。在構建溫度計模型過程中，學生的動手實踐能力和創新思維得到進一步發展。在此基礎上，教師還可以進一步利用溫度計模型進行知識拓展，結合氣壓計原理嘗試建構氣壓計模型：用吸管向瓶中吹氣，增大瓶內氣壓，吸管內形成一段液柱，得到氣壓計模型，以此激發學生對溫度和壓強知識之間的聯系，以及兩種測量儀器工作原理的更深層次思考，達到拓展思維的目的。

案例2：學習浮力知識應用時，教師可以利用引發諸多網友評論的某省高考語文作文題引導學生構建思維模型——小鳥僅靠一截樹枝飛越太平洋，飛行時銜著樹枝，休息時將其扔到海面上，并落到上面休息。這是真的嗎？通個這樣的生活背景，激發學生的探究欲望，師生結合學習過的浮力概念及物體沉浮條件，共同探討建構基于物理公式的抽象模型。最后，通過分析推理得出數據：80g的小鳥至少需要銜起133—400立方厘米的樹枝，120g的小鳥至少需要銜起200—600立方厘米的樹枝……從而推翻了“小鳥銜枝飛越太平洋”故事的真實性。

四、趣味建模

科學對于部分學生來說，難在其抽象性，難在其本質之深藏不露的特點。透過現象將其本質挖掘出來，學生會有“恍然大悟”之感。因此，教師要善于挖掘，將教材中的內容分類歸納，引導學生去其抽象外表，將知識點形象直觀地表現出來，激發學生的學習興趣。

如七年級上冊“地形與地形圖”教學中，教材介紹篇幅比較簡短，但要求學生記住并能說出地形類型和特點，內容較為枯燥乏味。教師可以結合《最強大腦》第四季“南海風云”比賽中，選手在空中用手迅速建構簡單圖形模型來強化記憶的方式激發學生興趣，進而引導學生通過觀察實景圖或實物模型抓住地形的關鍵特點，用簡單筆畫勾勒出地形模型。這種簡單而直觀的表達方式，比語言和文字更形象，比實物和標本更靈活，借助簡單描繪能使靈動場景從呆板概念中抽象而出，不僅能使學生的神經系統處于興奮狀態，有利于知識在大腦中的儲存，也為學生搭建了具體事物與抽象模型之間的探究平臺。這種簡易立體的模型可以降低學習難度，使學生產生興趣，開發學生的記憶功能，培養學生的創新思維，從而使學生對科學學科從被動接受到主動探索，從消極聽課到積極動手動腦，為學生創造出良好輕松的學習氛圍。

五、形象建模

以圖像或具體物品形式展示研究對象，最顯著的特征就是形象直觀。在教學中，教師在展示模型和引導學生建構模型的過程中均要體現這種思想，以促進學生對知識點的理解，引導學生拓展思維，領會科學方法。同時，教師在引導學生建構科學模型的過程中，還要強調構建模型必須建立在以客觀事實為依據的基礎上，去繁化簡，刪偽留真。在建模之前，首先要通過觀察、實驗、統計數據、查閱資料等方法了解研究對象的特點，然后選擇合適的材料，討論恰當的展示形式。在建模過程中，要凸顯由簡到繁、由大而小、由外及內、由輪廓至細節的規律，逐步建構。初步建立模型之后，對模型的科學性要進一步審核，并進行相應完善，以達到能形象客觀地反映研究對象特點的目標。

八年級下冊“氣體交換內容”教學，需要以推理、聯想、分析、判斷等思維過程作為基礎，而八年級學生的心理特點以形象思維為主，對氣體交換原理難以理解。若取部分礦泉水瓶模擬胸腔壁，以吸管模擬氣管和支氣管，氣球模擬左右肺，橡皮膜模擬橫膈膜建構呼吸結構模型，通過牽拉橡皮膜模擬橫膈膜的運動，使研究對象更加生動形象，便于學生理解人體呼吸與胸腔容積之間的關系。這樣既鍛煉了學生動手實踐建模的能力，也達到了引導學生靈活應用模型方法積聚知識的目的，從而提升學生的綜合科學素養。

六、結構建模

在科學探究過程中，所研究的對象往往呈現出多層次、多要素、多變化為一體的特點，因此可以對它進行合理簡化，抓住其關鍵特點，也可以通過歸納的方法體現對象本質完成建模。用語言表述或文本描述的形式，歸納研究對象實質特點的概念模型就是比較典型的代表之一，例如科學知識的相關概念、由相互聯系的不同概念形成的概念圖、對某一復雜過程的示意圖等都屬于概念模型的類型。建立概念模型，可以使學生對基礎知識的理解進一步深化，并能清晰地建立各知識點之間的區別聯系，使知識結構化，從而促使學生的歸納和表達能力得到提升。如人體免疫反應是一個比較抽象的教學內容，教師可以將生活現象和課本知識融合，建立過敏反應機理概念模型，直觀呈現知識概要，從而解決教學難點。

七、材料建模

構建科學模型其實質是一種創新活動，一般流程可以概括如下：觀察研究對象，大膽猜想；選擇合適材料，精準測量；修正優化模型，開展探究。

（一）生活材料建模

生活中的很多物品都是建構模型的理想材料，好作品是靈感與生活的結合。在建構科學模型時，可以開發利用學生身邊熟悉的材料，展開探究活動，這樣更能激發學生的積極性和主動性，如蔬菜、水果、玩具、廢舊物品等生活材料都可以加以利用。如在學習杠桿內容時，學生難以將生活實際問題與杠桿平衡條件建立聯系，遇到“分簪問題”：“老嫗留一金簪，二女分爭，阿舅用線平懸，懸處分簪兩不怨。”這樣的分法真的公平嗎？教師可以在課前結合生活情境，布置探究任務，讓學生利用生活材料——胡蘿卜、細線等代替簪子來構建模型展開探究，激發學生的學習興趣。

學生通過小組合作的形式展開活動，嘗試將粗細不均的胡蘿卜用細線拴住不同部位并懸掛，直至胡蘿卜能在水平方向靜止懸掛。此時，沿豎直方向將胡蘿卜在系線點分割成AB兩部分，并用托盤天平稱量驗證，在充分調動學生的積極性之后提出杠桿平衡原理，進而通過杠桿平衡的學生實驗進一步鞏固落實，引導學生開展探究活動，歸納得出結論：杠桿平衡的前提條件是——“F1×L1=F2×L2”。這種結合生活材料的建?；顒?，能夠讓學生感受到科學的神奇，原來生活中信手拈來的材料也可以是研究科學的素材。同時，這樣的課堂設計環節具有層進性，將生活場景引入課堂，連接了課堂內外，讓學生感受到來自生活的科學，是學生玩得轉的科學，也讓整個活動環環相扣，節奏緊湊，讓學生體會到科學嚴謹性的實質。

（二）身體材料為模

身體對于學生來說是最為熟悉的部分，對處于青春期的中學生來說，無論是從生理上還是心理上，身體器官對于學生來說，都是神奇而急于探索的。如在學習人體構造知識時，我們可以引導學生通過學習、觀察身體內部結構圖，然后通過小組合作，以團隊的形式在其上繪制肌肉、骨骼、內臟器官。實際上就是模仿自己的身體建模，展開科學研究。整個活動中，我們還可以引導學生通過比較所繪制的器官位置、形狀、大小的準確性，并不斷修正，通過這樣的建?；顒幼寣W生領悟建模不能憑主觀臆斷隨意建構，而是要真實客觀地反映對象，并且模型需要不斷完善，最終向真實科學靠近的建模思想。

總而言之，注重引導學生養成建構科學模型開展科學探究的良好習慣，不僅能使學生真實地了解自己內心的需求，產生積極的動力，促進對科學概念的理解，養成主動發現、思考和處理生活中出現的科學問題的良好習慣。教師還可以在建模過程當中，潛移默化地滲透和整合其他科學方法，讓學生擺脫傳統教育思想的束縛，學會用腦思考、用身體探索，愿意主動尋求答案，嘗試合作，不斷創新，從而提高學生的綜合科學素養。