小學(xué)科學(xué)物理模型建構(gòu)教學(xué)的實(shí)施策略

科學(xué)思維是科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容，包括模型建構(gòu)、推理論證、創(chuàng)新思維。模型建構(gòu)即以經(jīng)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ)，對(duì)客觀事物進(jìn)行抽象和概括，進(jìn)而建構(gòu)模型，運(yùn)用模型分析、解釋現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、關(guān)系及變化過(guò)程。物理模型作為科學(xué)模型中最普遍的模型之一，在小學(xué)科學(xué)學(xué)習(xí)中被運(yùn)用廣泛。有的教師往往為了建模而建模，只追求一個(gè)外形與實(shí)物基本相似的模型，存在物理模型內(nèi)涵不夠豐富，模型建構(gòu)教學(xué)不夠深入等問(wèn)題。

不同學(xué)者對(duì)物理模型有不同的界定。綜合來(lái)看，物理模型即為了方便研究和表達(dá)，對(duì)原型進(jìn)行簡(jiǎn)化或模擬，是一種體現(xiàn)科學(xué)思維的探究實(shí)踐活動(dòng)。物理模型建構(gòu)教學(xué)的內(nèi)涵決定了其類別的多樣性，主要包括物質(zhì)模型和思想模型的建構(gòu)（如圖1）。物質(zhì)模型的特點(diǎn)是用實(shí)物模型模擬客觀事物的真實(shí)特征，主要運(yùn)用形象思維，包括仿真模型、比例模型、類比模型等。思想模型則是利用圖示對(duì)事物進(jìn)行理想化處理，舍棄次要因素，突出主要因素，主要運(yùn)用抽象思維，包括理想化實(shí)體模型、理想化系統(tǒng)模型、理想化過(guò)程模型等。[1]例如，“橡皮泥細(xì)胞”是細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的仿真模型，“行星距離線段標(biāo)記”是行星到太陽(yáng)距離的比例模型，“番茄醬土豆泥火山”是火山噴發(fā)成因的類比建模，“物體上紅點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡”是一種理想化的實(shí)體模型，忽略了物體的大小和形狀；“食物網(wǎng)”是理想化系統(tǒng)模型，忽略了捕食的不確定因素；“日食的成因”是理想化過(guò)程模型，忽略了三者大小和距離的真實(shí)比例關(guān)系。

在物理模型建構(gòu)教學(xué)中，教師要充分考慮學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，不僅要通過(guò)真實(shí)簡(jiǎn)化、假想構(gòu)圖、問(wèn)題驅(qū)動(dòng)催化情境建模，還要引導(dǎo)學(xué)生用理解內(nèi)涵、突出特征、科學(xué)解釋精準(zhǔn)分析模型，讓他們通過(guò)比較、變式拓展模型，在建構(gòu)概念、遷移系統(tǒng)、科學(xué)想象中應(yīng)用模型解決問(wèn)題（如圖2）。

一、沉浸式帶入，啟動(dòng)情境建模

情境能激發(fā)學(xué)生建模的興趣并涵蓋設(shè)定的主題。[2]通過(guò)沉浸式代入情境，學(xué)生能更真切地了解建模的目的和方向，主動(dòng)完成物理建模任務(wù)。

1.原型啟發(fā)，在真實(shí)情境中簡(jiǎn)化模型

只有通過(guò)觀察、調(diào)查、實(shí)驗(yàn)等探究實(shí)踐活動(dòng)獲取原型的事實(shí)經(jīng)驗(yàn)，才能形成物理建模的初始材料。利用實(shí)物或圖像對(duì)原型進(jìn)行模擬或簡(jiǎn)化描述，這種模擬和描述必須建立在對(duì)原型的充分理解基礎(chǔ)之上。要想還原真實(shí)情境，學(xué)生必須收集更為真實(shí)的原型信息。例如，在對(duì)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)建模時(shí)，學(xué)生需要收集地殼、地幔和地核的真實(shí)厚度數(shù)據(jù)以及不同層次的主要特征，對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行等比例換算，并用不同顏色的橡皮泥表示內(nèi)部不同的溫度。

在物理建模的過(guò)程中，如果沒(méi)有指向性的引領(lǐng)，學(xué)生往往會(huì)比較隨意，憑借自我感覺(jué)建造模型，而這種物理模型是不科學(xué)、不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹＝虒W(xué)過(guò)程中，教師要想讓學(xué)生基于原型進(jìn)行真實(shí)建模，就需要讓他們對(duì)原型有充分的了解。

2.表象奠基，在假想情境中構(gòu)建圖景

教師即便創(chuàng)設(shè)假想的情境，也要先將學(xué)生置身于“看得見(jiàn)、摸得著”的情境下，因?yàn)橐磺械募傧胛锢砟Ｐ投冀⒃谝延械恼J(rèn)知基礎(chǔ)上。教師以豐富的表象奠基，既能激發(fā)學(xué)生的情感，又能調(diào)動(dòng)他們的想象和思考，從而使他們構(gòu)建更清晰的物理圖景。

阿基米德說(shuō)，給他一個(gè)支點(diǎn)，就能撬起整個(gè)地球，愛(ài)因斯坦想象球體在完全光滑的地面運(yùn)動(dòng)，以及抱著一束光在太空中旅行，這些都是科學(xué)家在做思想實(shí)驗(yàn)時(shí)建構(gòu)的超越現(xiàn)實(shí)的假想情境。許多科學(xué)研究都建立在假想情境的基礎(chǔ)上，教師應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)生像科學(xué)家一樣進(jìn)行科學(xué)想象，引導(dǎo)他們利用假想情境建構(gòu)物理模型，抽象出科學(xué)概念，培養(yǎng)他們的科學(xué)想象力、抽象思維以及創(chuàng)新思維。

3.任務(wù)驅(qū)動(dòng)，在問(wèn)題情境中觸發(fā)建模

教師可以通過(guò)設(shè)置各種挑戰(zhàn)性任務(wù)來(lái)創(chuàng)設(shè)科學(xué)的問(wèn)題情境，培養(yǎng)學(xué)生利用物理模型解決問(wèn)題的意識(shí)。某個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、某個(gè)生活場(chǎng)景或是某個(gè)事件中引發(fā)出的問(wèn)題都可以成為建模的“觸發(fā)點(diǎn)”。例如，為了幫助管道維修工人在地面“看到”下水道的內(nèi)部情況，學(xué)生通過(guò)制作下水道潛望鏡的模型來(lái)解決問(wèn)題；在研究種子如何散播到遠(yuǎn)方時(shí)，學(xué)生通過(guò)制作有羽毛、有倒鉤、能彈射等各式種子模型來(lái)研究種子傳播。

物理建模的典型意義就是解決實(shí)際問(wèn)題，教師要?jiǎng)?chuàng)設(shè)可以建模的問(wèn)題情境，讓學(xué)生在任務(wù)驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行物理建模。而要想任務(wù)具有適切性，就需要教師選擇切近學(xué)生生活的問(wèn)題情境。

二、進(jìn)階式建模，理性分析模型

確定建模的目的之后，教師就要帶領(lǐng)學(xué)生在一系列進(jìn)階式分析活動(dòng)中完善模型。分析就是抓住最核心的東西，核心意味著在紛繁復(fù)雜的系統(tǒng)中甄別出與情境相關(guān)的本質(zhì)要素，突出核心特征，以及確立邊界條件。

1.錨定本質(zhì)，理解系統(tǒng)內(nèi)涵

根據(jù)建模的目的，尋找現(xiàn)象背后的本質(zhì)，本質(zhì)就是事物所具有的基礎(chǔ)的、核心的且相對(duì)不變的性質(zhì)。學(xué)生在建構(gòu)物理模型時(shí)，需要抽象概括出事物各種特性背后的本質(zhì)屬性，抓住事物的本質(zhì)。因此，學(xué)生需要在頭腦中把系統(tǒng)由整體分解成各個(gè)部分或不同屬性，通過(guò)復(fù)雜的表象分析本質(zhì)要素以及各要素之間的關(guān)系，并通過(guò)抽象概括提煉原型的本質(zhì)。例如，針對(duì)飛船的安全著陸進(jìn)行建模，本質(zhì)就是建造一個(gè)沖擊力小、平穩(wěn)的降落裝置。教師帶領(lǐng)學(xué)生從設(shè)計(jì)方案、材料選擇、測(cè)試效果、評(píng)估分析到迭代改進(jìn)，每一步都緊緊圍繞減小沖擊力、增加平穩(wěn)性這一核心問(wèn)題。

2.篩選信息，突出主要特征

物理模型并不需要面面俱到，學(xué)生可根據(jù)建模的需要，抓住對(duì)象的關(guān)鍵要素，突出其主要特征。物理模型可以根據(jù)突出要點(diǎn)的需求進(jìn)行單方面的呈現(xiàn)，不同模型突出的重點(diǎn)不同，不同模型對(duì)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化程度也不同。

例如，學(xué)生在對(duì)太陽(yáng)系八顆行星的大小進(jìn)行建模時(shí)，需要等比例縮小模型，突出比例關(guān)系（如圖3）；對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)建模時(shí)，只需突出細(xì)胞基本結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵特征（如圖4），不需要考慮內(nèi)部成分；在對(duì)人體系統(tǒng)建模時(shí)，突出的是各系統(tǒng)的內(nèi)部關(guān)聯(lián)（如圖5）。

在對(duì)行星大小建模時(shí)，突出的是行星的比例關(guān)系，但是太陽(yáng)系行星在教科書(shū)中的圖片卻不是按比例呈現(xiàn)的，因?yàn)槿绻凑站嚯x的真實(shí)比例呈現(xiàn)，這些行星將會(huì)小到看不見(jiàn)。低年級(jí)學(xué)生只需要了解細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)，而高年級(jí)學(xué)生要了解細(xì)胞內(nèi)部的更多成分，這表明建模是可以分步驟，逐步細(xì)化的。所以，學(xué)生建模時(shí)需要根據(jù)目的篩選合適的信息，突出主要特征。

3.確立邊界，科學(xué)解釋模型

物理模型往往適用于需要明確邊界條件，在合理的條件范圍內(nèi)進(jìn)行科學(xué)解釋的情境。學(xué)生要在建造、評(píng)估、修正、完善物理模型的過(guò)程中理性分析，明確模型的適用條件，并通過(guò)解說(shuō)、推理、反證進(jìn)一步科學(xué)理解物理模型。例如，在構(gòu)建太陽(yáng)系八顆行星真實(shí)距離比例的模型時(shí)，學(xué)生需要等比例縮小行星與太陽(yáng)的距離，用小圓點(diǎn)在線段中標(biāo)出八顆行星的位置，在試錯(cuò)中確立模型的邊界。學(xué)生一開(kāi)始將水星標(biāo)注在線段5的位置，發(fā)現(xiàn)如果這樣，最遠(yuǎn)的海王星就無(wú)法標(biāo)記，所以修正模型比例，將水星標(biāo)注在線段0.5的位置。最終，學(xué)生根據(jù)線段的格子數(shù)明確模型的邊界條件，在修正中解釋物理模型的比例選擇（如圖6）。

建模除了應(yīng)用于宏觀解釋，同樣適用于微觀解釋。例如，學(xué)生可以把空氣分子想象成一個(gè)個(gè)游離的小球模型，小球的大小、數(shù)量不會(huì)發(fā)生變化，但距離會(huì)發(fā)生改變，這樣就可以解釋為什么空氣占據(jù)的空間容易改變，也更容易理解為什么空氣雖然容易被壓縮，但是只能壓縮到一定的程度（如圖7）。

三、多變式比較，科學(xué)拓展模型

模型變式重在引導(dǎo)學(xué)生深度理解模型的架構(gòu)。具體可分為三類：外形相似模型，對(duì)比相異模型，拓展模型模式。

1.觸類旁通，外延相似模型

小學(xué)科學(xué)中的很多物理模型是有相似性的，在對(duì)一個(gè)自然現(xiàn)象建模的過(guò)程中，概括出的方法是可以遷移到具有相同本質(zhì)的其他問(wèn)題中的。在外延模型的過(guò)程中，教師要培養(yǎng)學(xué)生舉一反三的思維能力，讓他們驗(yàn)證模型的正確性，拓展模型的意義。

例如，針對(duì)日食的形成原因進(jìn)行建模時(shí)，學(xué)生了解了當(dāng)三個(gè)天體在一條直線上且月球居中時(shí)，月球就會(huì)擋住太陽(yáng)照到地球的光，在地球上形成日食。有了這一知識(shí)基礎(chǔ)，他們就能順勢(shì)遷移建立月食模型。

教師通過(guò)日食模型啟發(fā)學(xué)生建立月食模型，讓他們發(fā)現(xiàn)日食、月食都是在太陽(yáng)、地球和月球三者之間的位置關(guān)系滿足一定條件時(shí)，引發(fā)遮擋的天文現(xiàn)象。同樣的觸類旁通還可用于讓學(xué)生對(duì)比蒼蠅、蠶蛾、蝴蝶、蜻蜓等動(dòng)物并概括它們的共同特征，最終由同類的模型抽象概括出昆蟲(chóng)的結(jié)構(gòu)特征。

2.不拘一格，對(duì)比相異模型

同一事物的不同模型可以表達(dá)事物的不同方面，教師要引導(dǎo)學(xué)生選擇恰當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行合理表征。對(duì)比同一事物不同方面的物理模型，感受建模方式多樣化，能讓學(xué)生多維度地了解該系統(tǒng)，充分理解物理模型的意義。

例如，六年級(jí)《我們的地球模型》一課展現(xiàn)了不同種類的地球模型：地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型強(qiáng)調(diào)比例關(guān)系；海陸分布模型強(qiáng)調(diào)地球表面的海陸分布特征；自轉(zhuǎn)模型強(qiáng)調(diào)地球繞傾斜的地軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)的不同角度或不同層次，建立系統(tǒng)不同維度的物理模型，既便于他們溝通與交流，又能讓他們?cè)诔浞终J(rèn)識(shí)系統(tǒng)多個(gè)層次的同時(shí)，更全面地了解系統(tǒng)。

3.控制變量，拓展模型模式

在建構(gòu)物理模型時(shí)，當(dāng)影響某一物理量變化的因素較多，要研究某一個(gè)因素變化對(duì)該物理量的影響時(shí)，必須保持其他因素不變，否則就無(wú)法知道該物理量的變化是由哪個(gè)因素的變化引起的。在控制變量中拓展模型的多種模式，可以促進(jìn)物理模型的科學(xué)建構(gòu)。例如，研究影子的大小與什么有關(guān)時(shí)，教師設(shè)計(jì)的模型是光源、遮擋物、屏三者中的兩個(gè)物體不動(dòng)，只改變一個(gè)物體的位置，探究讓影子變大的多種方式；在種子發(fā)芽與什么有關(guān)的實(shí)驗(yàn)中，教師要讓學(xué)生從水分、陽(yáng)光、空氣等條件中選擇一個(gè)變量進(jìn)行建模研究。

簡(jiǎn)言之，教師在拓展模型的過(guò)程中，將原型的存在條件、屬性、狀態(tài)等做控制變量的處理，其實(shí)質(zhì)就是把復(fù)雜的系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為理想化的、簡(jiǎn)化的物理模型來(lái)研究和處理。

四、啟發(fā)式教學(xué)，多元應(yīng)用建模

物理模型可以幫助我們直觀演繹系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制，有效遷移研究相近系統(tǒng)，并對(duì)未知進(jìn)行科學(xué)想象。學(xué)生通過(guò)演繹、遷移、想象等多種方式應(yīng)用模型，可以解決各種科學(xué)問(wèn)題。

1.直觀演繹，建構(gòu)科學(xué)概念

物理模型能幫人們克服時(shí)間、空間的限制以及外部條件的干擾。教師通過(guò)物理模型快速演繹出科學(xué)過(guò)程，將系統(tǒng)直觀地展現(xiàn)出來(lái)，有助于學(xué)生的觀察和理解。

例如，學(xué)生在探究陽(yáng)光下物體影子的變化規(guī)律時(shí)，可以通過(guò)物理模型，觀察一天中影子的長(zhǎng)短和方向的變化；月相模型能幫學(xué)生在幾分鐘內(nèi)觀察到一個(gè)月的月相變化。

觀察陽(yáng)光下物體影子的變化規(guī)律，常常受到天氣、時(shí)間、空間的限制，為了解決這一問(wèn)題，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生自制日晷模型。月相的觀察記錄同樣也是受到各方面因素的影響，學(xué)生在實(shí)踐觀察的基礎(chǔ)上可以利用暗室、手電筒和塑料球建構(gòu)模型輔助學(xué)習(xí)，建立科學(xué)概念，發(fā)展抽象思維。

2.有效遷移，研究相近系統(tǒng)

模型可以幫助我們解釋觀測(cè)到的科學(xué)現(xiàn)象。基于現(xiàn)象、原因或者是事物發(fā)展規(guī)律等諸多方面的相似性，教師可以利用已知物理模型的現(xiàn)象和機(jī)理，為新物理模型的建立提供依據(jù)。

例如，教師讓學(xué)生觀看凌日視頻，回憶該現(xiàn)象與什么模型相似，猜測(cè)小黑點(diǎn)是哪顆行星。有的學(xué)生認(rèn)為黑點(diǎn)略過(guò)太陽(yáng)和日食模型相似，但日食發(fā)生時(shí)，太陽(yáng)被遮擋得更多一些。還有學(xué)生認(rèn)為黑點(diǎn)可能是水星和金星，因?yàn)樗鼈儑@太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)運(yùn)動(dòng)到太陽(yáng)和地球之間，這就像日食發(fā)生時(shí)的位置關(guān)系。

學(xué)生觀察凌日天文現(xiàn)象時(shí)，會(huì)遷移到日食模型（如圖8）或月食模型。這時(shí)，教師就要引導(dǎo)學(xué)生辨析，明確這個(gè)天體應(yīng)該是像日食中的月亮那樣，出現(xiàn)在太陽(yáng)和地球中間，擋住了一部分太陽(yáng)光。由此，學(xué)生猜測(cè)可能是介于地球和太陽(yáng)之間的水星或金星。

3.科學(xué)想象，探秘未知世界

模型具有系統(tǒng)的本質(zhì)特征，可以幫助我們預(yù)測(cè)未被發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象、規(guī)律和變化趨勢(shì)。通過(guò)假設(shè)、計(jì)算、推理等方式建立模型并開(kāi)展模型實(shí)驗(yàn)，我們可以從中尋找規(guī)律，利用科學(xué)想象探秘未知世界。例如，提丟斯在1766年提出一組數(shù)列，預(yù)示在距太陽(yáng)2.8天文單位處可能存在著天體，促使科學(xué)家在這個(gè)距離上進(jìn)行觀測(cè)。直到1801年，意大利天文學(xué)家皮亞齊果然在這個(gè)距離上發(fā)現(xiàn)了谷神星，此后確認(rèn)在火星和木星之間存在小行星帶。

提丟斯數(shù)列促使人們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)太陽(yáng)系里的秘密——小行星帶。而在天王星被發(fā)現(xiàn)后，人們發(fā)現(xiàn)它的運(yùn)動(dòng)軌跡與當(dāng)時(shí)的太陽(yáng)系模型預(yù)測(cè)情況有差異，猜測(cè)天王星周圍還存在另一顆當(dāng)時(shí)未知的行星。科學(xué)家經(jīng)過(guò)計(jì)算，算出了新行星的位置，發(fā)現(xiàn)了海王星。在科學(xué)史上，人們屢屢通過(guò)模型的預(yù)測(cè)功能將想象變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。教師將物理模型建構(gòu)運(yùn)用于科學(xué)想象，可以開(kāi)闊學(xué)生視野，深化建模意義。

小結(jié)

物理模型建構(gòu)是對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行抽象、簡(jiǎn)化和表征的工具，通過(guò)分析、概括和運(yùn)用可以使原型的核心特征清晰可見(jiàn)。物理模型可以是復(fù)雜事物的簡(jiǎn)化，也可以是抽象現(xiàn)象的形象化。在小學(xué)科學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)情境建模、分析模型、拓展模型和運(yùn)用模型掌握相應(yīng)的科學(xué)概念、原理與規(guī)律，同時(shí)將探究科學(xué)知識(shí)的過(guò)程內(nèi)化為科學(xué)方法的習(xí)得和有意義的思維鍛煉，既強(qiáng)化了探究實(shí)踐，又發(fā)展了科學(xué)思維。

參考文獻(xiàn)

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