基于真實任務的科學建模教學策略研究

施婷華

2022年版義務教育科學課程方案和課程標準確立了科學課程的核心素養，科學思維是其中最為重要的一項。具有良好科學思維的個體大多能認識到科學事物的本質屬性、內在規律及其間的相互聯系。教育學家普遍認為，運用科學模型可以實現對自然現象的解釋或預測。

模型建構是個體將實際問題抽象、簡化為模型，而后用公式、圖形、圖像、圖表等符號加以表征的過程，培養學生的模型建構能力是發展其科學思維的重要環節。日常教學中，學生常常難以把握建模的要點、構建出有效的模型，更難以由模型理解科學事件的本質、處理實際的科學問題、實現模型的應用和拓展。

科學建模的“真實”需要

以原教科版科學五年級《生物與環境》單元“設計和制作生態瓶”一課的教學為例，為使學生更好地理解、掌握“生態系統”這一抽象概念，筆者結合學校正在建設的“躬耕園”，特意開發了以建模為主要環節的科學STEM項目。在第三課時“校園農場生態系統”建模的教學中，筆者試圖幫助學生通過建模認識生態系統與動植物間的關系，以便打造一個校園生態農場，在實踐中，筆者遇到了諸多難題。一是模型理解脫離實際：學生因之前不了解生態系統的主要組成，無法分析出構建校園農場生態模型的基本要素。二是模型建構缺乏過程指導：由于未能抓住建構模型的核心要素，學生在討論環節表現隨意，未緊扣“模型是否為好的生態系統”展開。三是模型應用難推廣：由于建立的是偽模型，學生后續評價和改進的模型也難以達到預期，課堂教學價值不高。

創設真實情境，促進模型理解

基于以上問題，筆者重新審視建模教學。小學階段涉及的模型主要是概念模型和物理模型，后者又可分為實物模型和圖形模型。所有的模型建構都要基于真實情境，幫助學生理清模型與原型的關系。筆者以“空氣的熱脹冷縮”一課為例——

原型情境，感知現象。根據教學內容，展示相關的原型情境，引導學生對產生認識矛盾的事實進行再認識，簡化復雜的研究對象，在原型中提煉其本質特征，以便學生聚焦核心問題。例如，展示一個癟掉的乒乓球，詢問學生如何讓它鼓起來。有學生提出放入熱水，筆者通過實驗展示這一過程，并利用投屏技術讓學生仔細觀察乒乓球由冷到熱、由癟到鼓的轉變過程。這有助于學生深入理解矛盾原型的本質，并有可能生發出新的認知，提高觀察力和思考力。

表達理解，外顯心智。建模教學注重學生個人對模型的獨立建構，以形成個人的心智模型，并通過解決問題，讓個體的心智逐漸走向理性。上述課程的教學中，筆者繼續拋出問題：癟掉的乒乓球，放在熱水中為什么重新鼓了起來？不同學生給出的答案是不同的。建立模型是為了幫助他們更好地認知、理解和闡釋問題，基于真實情境展開思考，并能夠用文字或圖像等符號呈現出自己的思考方式。

搭建橋梁，構建聯系。學生對乒乓球恢復原狀的解釋主要有兩種：一是球內空氣受熱膨脹，二是球的表面材質受熱膨脹。教師需指導學生選擇合適的模型加以驗證，而后通過實驗證偽，篩選出正確的解釋模式。當然，無論學生選擇實物建模還是圖形建模，均應先理解建模的意義，而后針對性地收集建模證據。實驗能幫助學生在認知上建立起原型和模型間的聯系，實驗所得也為其選擇合理的模型提供了支撐。學生可以采取的實驗包括觀察試管氣球在熱水和冷水中的變化，或用帶玻璃管的橡膠塞封住燒瓶并涂上泡泡液，觀察這一器材在熱水和冷水中的變化。

參與真實過程，增強建模體驗

初步構建模型，尋知識之源。學生必須明確自己的解釋理論（心智）的模型，并根據多次實驗的數據完善自己的模型。這樣的建模過程一方面能夠使學生借助符號表達思維過程，將自己的心智模型合理化為外顯的模型；另一方面能夠促使他們升級自己的心智模式，因為學生往往要經過復雜的思維過程才能實現有效建模。教師一定要引導學生基于演示實驗（學生演示微粒受冷、受熱的運動）和探究實驗，發現科學現象背后的本質。

全面分析模型，探知識之本。以大多數學生建構的圖形模型為例，模型建好后（如圖a、圖b、圖c，其中黑點象征重量，圓圈范圍表示體積），教師要指導學生審視圖形，討論、分析該模型能否包含各種現象和證據，檢驗學生的解析能力，并糾正模型中不合理的部分。如分析圖a的模型后會發現，它只能解釋密封玻璃瓶的受熱情況，但不適合解釋癟掉的乒乓球為何恢復原狀。分析圖b的模型后會發現它是不合理的，因為空氣受熱后重量不會發生改變。相較之下，圖c中的模型更適合解釋癟掉的乒乓球內空氣受熱膨脹的現象。學生在各種分類討論中逐漸明白，模型應準確反映科學現象，真實體現科學原理。

深度遷移模型，挖知識之聯。圖形模型有助于學習者深入理解因果關系和事件機理，是一種可以用符號解釋其他同類科學現象的模型。學生在充分地分析、討論之后，可以形成相對準確而科學的模型，運用這一模型可以實現對科學現象的理解和預測。利用抽象和類比等方法，能夠明確掌握空氣熱脹冷縮的性質。

關注真實生活，拓展模型應用

同一問題，模型適度發散。在處理同一問題時，模型應有適度的靈活性。若學習時間允許，教師應指導學生深入反思圖形構建過程，讓他們明白模型應依據實際而調整。如為幫助學生加深對圖形模型的認知，教師可援引生活實例：“我們已經能合理解釋乒乓球為何會凹陷，明白為何加熱后它能恢復原狀。請繼續思考為何建立模型時應繪制封閉圖形？”同時，教師可以將另一個有缺口且凹陷的乒乓球放進開水中加熱，然后繼續發問：“為什么這個乒乓球沒有鼓起來？”教師可以在板書的原有模型上擦出一個口子，繼續啟發學生：這樣的乒乓球受熱后，球內空氣會有什么變化？最后使學生了解：若空氣受熱后有出口，則無法將乒乓球恢復至原樣。

不同問題，模型適度調整。以“空氣的熱脹冷縮”為例，此類涉及微觀事物的圖形建模課程均可采用該教學模式，但“校園農場生態系統”的建模過程則更為復雜。生態系統中的生物與非生物之間存在多重關系，包括但不限于：生產者與消費者對非生物環境的影響，以及非生物對分解者的影響。通過建構模型過程中的逐步討論，學生能夠深入了解校園農場生態系統的循環特性，總結出構建校園農場生態系統模型的兩個主要階段，一是從具體事物中抽象出模型，二是將抽象概念應用于實際情境。為滿足學生的探究需求，校園生態農場應提供一些特定的觀察與探究場所，同時需確保物種配比的合理性。教師在建模教學過程中，可靈活運用教學模式，即使整個流程不完整，也應使學生明確各環節的作用。

實踐應用是科學模型教學的核心內容，學生建模能力的提升也須依賴實踐中的反饋，教師要注意在學生遷移應用模型的過程中，對其進行個性化輔導。需要強調的是，無論是對“空氣的熱脹冷縮”建模，還是對“校園農場生態系統”建模，問題情境都是模型學習的根本，科學建模一定要基于真實的任務場景，才能最大程度地幫助學習者在解決實際問題的過程中發展科學思維。