核心素養下培養學生模型建構能力的實踐

模型是人們對客觀事物及其運動規律做出的簡化描述、概括、模仿或抽象。[1]科學課程標準中共計出現“模型”208次，且首次明確地將模型建構作為科學思維的重要組成部分。模型建構是運用模型直觀和簡約地描述或呈現客觀世界中無法直接觀察的對象、原理或過程，[2]它既是科學探究的重要方法，又是認識事物的重要手段。模型建構體現在：以經驗事實為基礎，對客觀事物進行抽象和概括，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。在小學科學教學中培養學生的模型建構能力，是提升他們核心素養的重要環節。

一、核心素養下模型建構能力的內涵

模型建構能力是指通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及相互關系，建立認知模型，或借助類比、想象等方法，得出切合實際的、有助于理想問題解決的理想模型，并能運用模型解釋科學現象，揭示現象的本質和規律的能力。[3]課程標準將科學學科核心素養劃分為四個學段，其中關于模型建構的具體描述見表1。

根據小學科學模型的教學經驗和科學思維的學段劃分，模型建構能力可以細分為模型理解能力、實體模型體驗、模型建構能力三個層次（見表2）。這三個層次相輔相成，都是培養學生科學思維的重要環節。學生通過學習和實踐，可以加深對科學模型的理解，提高使用模型的能力，進而提升科學素養和創新能力。

二、模型建構能力培養的教學實踐

六年級《太陽系》一課的內容有其特殊性。在地球與宇宙領域中，有關現象、規律的知識往往是抽象、復雜的，這部分內容對學生來說存在一定的認知難度。而模型作為科學研究中認識事物的一種特殊工具，正是架在學生主體認識與原型客體之間的“橋梁”，它將不可見的、抽象的事物和現象形象化，便于學生理解和研究。課程標準在核心概念“宇宙中的地球”中對5～6年級的建議是：制作以太陽為中心、由八顆行星組成的太陽系模型， 呈現太陽系的大致結構，了解恒星、行星與衛星的區別。“能根據證據改進實物模型的設計和制作”是該學段學生在探究實踐中應達成的學習目標。

1.審辨思考，喚醒建模認知

教師向學生展示兩張關于太陽系的圖片（如圖1），一幅源自科學教材，一幅源自科普網站。兩幅圖片在天體之間的大小比例、相鄰天體之間的距離關系等方面都存在著差異。那么，哪幅圖片能夠反映太陽系的真實情況呢？學生一時難以判斷。

師：要想知道太陽系中八顆行星真實的大小與位置關系，我們需要知道哪些數據？

生：太陽系中各天體的大小和到太陽的距離。

師：課前，我們收集了太陽與八顆行星的直徑以及八顆行星到太陽的距離等數據。利用這些數據，我們可以建構一個太陽系的模型，幫助我們更加準確地認識太陽系。

學生對太陽系的認識往往源于曾經閱讀過的圖片資料，但圖片資料上的太陽系是準確的嗎？為了說明這一點，教師呈現了兩幅關于太陽系的圖片，引導學生通過對比發現兩幅圖片呈現的太陽系中天體的大小和位置關系并不一致，由此引發他們思考，進而意識到要收集和分析太陽系的相關數據，并利用數據建構模型。此環節中，教師通過引導學生批判性地審視資料，讓他們產生認知沖突，激發他們認識太陽系的興趣，為建構模型活動的開展奠定情感基礎。

2.軟件模擬，構建整體圖景

課程標準建議，教師應利用信息技術，如虛擬仿真實驗、數字化實驗等輔助手段，讓學生比較直觀、便捷地學習相關知識。利用虛擬現實技術，人們可以在虛擬的數字空間中模擬真實世界中的事物，建立起一個逼真的、虛擬的、交互式的三維空間環境，從而更好地理解和解決復雜的問題。

在浩瀚的宇宙中，人類已經觀察到的星系數以億計。銀河系中有幾千億顆恒星，太陽就是銀河系中具有代表性的一顆恒星，在太陽的周圍，又有眾多的天體圍繞它運轉。這個以太陽為中心的天體系統就是太陽系，它與人類的生存有著密切的關系。宇宙之宏大使其難以在學生的頭腦中形成清晰的圖景，而虛擬仿真軟件建構的三維立體模型可以多角度、全方位地呈現研究對象，是重要的認識工具，對學生認識和學習宇宙、星系、天體等宏觀對象起到重要作用。了解組成太陽系的天體是本課的教學目標之一，部分學生雖然對它有一定的認識，但認識不夠完整，而虛擬仿真軟件“太陽系3D：太陽系的地圖集和模擬器”可以讓他們生動直觀地觀察人類所觀測到的宇宙面貌。通過軟件構建的模型，學生的注意力一步一步從浩瀚的宇宙聚焦到太陽系，從而對組成太陽系的天體有更直觀的認識，了解到太陽系由太陽、八顆行星、冥王星、衛星、慧星以及數量龐大的小行星組成。這樣既讓學生對宇宙的整體情況有了初步的認識，又激發了他們研究太陽系的濃厚興趣。

3.聯系生活，建構實物模型

為了了解太陽與八顆行星之間的大小關系，教師可以引導學生根據天體的直徑建立太陽與八顆行星的大小關系模型。于是，教師在課前組織學生收集了太陽與八顆行星的直徑的數據，培養了他們收集、整理信息的能力。但直接用天體的直徑建構等比例模型是無法操作的，學生意識到需要先縮小，再建模。

師：直接用這些數據建立太陽系模型可以嗎？

生：不可以，太大了，要縮小。

師：我們先來考慮太陽。如果我們希望太陽模型能夠放進教室里面，縮小10倍行嗎？

（編者注：本文保留了課中“縮小10倍”的說法，下同。）

生：不行。

師：縮小100倍呢？

生：不行。

師：如果我們把太陽縮小到這么大（在黑板上貼上太陽的圖片，直徑是140厘米），知道我縮小了多少倍嗎？這個太陽模型是我們在真實太陽的基礎上縮小了10億倍。如果我們把操場縮小1000倍，操場就只有手機屏幕那么大，如果再縮小1000倍，就只有一粒鹽那么大。把太陽縮小10億倍后，它的直徑就只有140厘米。接下來，我們繼續想想，要建構太陽系模型，只縮小太陽行嗎？

生：不行，八顆行星的大小及其到太陽的距離都要縮小10億倍。

師：八顆行星的直徑以及它們到太陽系的距離縮小10億倍之后是多大呢？大家可以算一算。老師給大家提供了一些生活中常見的物體：胡椒、豌豆、彈珠、椰子、臺球、皮球。請大家根據縮小后的數據，選擇合適的物體模擬各行星，并按照與太陽的距離從近到遠的關系排序。

太陽系中的天體距離學生的日常生活過于遙遠，這將導致學生出現認知困難。因此，在建構模型時，教師要充分喚醒學生的生活經驗，創設情境，引導他們主動觀察和研究。怎樣將八顆行星與學生的生活聯系起來，幫助他們建構對行星之間大小關系的認識呢？教師可以選擇生活中常見的球狀物，如用臺球、椰子等模擬縮小10億倍之后的行星，這樣做能有效幫助學生建構對太陽系中天體大小關系的認識，更能夠培養他們用身邊的物體建構模型的意識和能力，讓他們在今后研究或解決太陽系的相關問題時，能立即與身邊的物體產生聯系。反之，當學生看到身邊的這些物體時，也能立即聯想到太陽系中天體的大小關系。

建構模型可以分步驟完成。學生基于八顆行星的大小數據，利用身邊常見的球狀物體建立了描述八顆行星大小關系的實物模型之后，教師就可以引導他們在此基礎上繼續建立八顆行星與太陽之間的距離關系模型了。

師：通過數據處理，我們把太陽系的主要成員都集中在了我們的課桌上。請問，太陽系模型建構完成了嗎？

生：沒有，盡管縮小了10億倍，但它們到太陽的距離還是太遠，根本沒辦法按縮小后的距離在教室里擺出來。

師：既然教室里面擺不出來，我們可以考慮在哪兒擺呢？

生：操場！

（教師出示學校衛星地圖，如圖2。）

師：如果我們把太陽放在操場中央，水星應該放在哪兒呢？

生：距太陽模型58米遠的地方。

師：將太陽系縮小10億倍之后，代表水星的胡椒應該放在距離太陽58米遠的地方，也就是在操場外面的工地上。

（隨后，教師在衛星地圖上依次展示太陽系縮小10億倍之后各天體模型相對于太陽模型的位置如圖3所示。例如，太陽系縮小10億倍之后，代表海王星的臺球距離太陽模型4504米，應該放在四川大學校園里面。）

學生在對太陽系進行建模時，盡管縮小了10億倍，八顆行星模型到太陽模型的距離依然太遠，在校園里根本無法建立完整的太陽系模型。因此，教師運用地圖軟件，通過在衛星地圖上標注天體模型位置完成建模，將八顆行星與太陽的距離關系在地圖上模擬展現。一個宏大的圖景展現在學生的眼前，最終在他們頭腦中建構出一個令人震撼的思想模型，使他們對太陽系的認識更加完整。

4.綜合思考，完善整體認識

本課的教學目標不局限于讓學生了解太陽系的相關知識，還關注對他們科學態度的培養。教師在引導學生批判思考的基礎上重點關注對科學方法的滲透，通過建構模型幫助他們建構認知。

師：通過剛剛的學習，你們有什么體會？

生：太陽系太大了。

師：是的，太陽系確實很大。所以我們在研究太陽系時，用到的一個重要的方法是什么？

生：建構模型。

生：太陽系的天體之間大小差異很大，它們之間的距離也很遠。

師：那么，我們在書籍、網站上看到的圖片資料能反映真實的太陽系中的天體關系嗎？

生：不能。

師：對，通過建模我們發現，太陽系中的天體很難按照真實的比例關系在圖片中展示出來，我們在書籍、網站上看到的太陽系圖片只是太陽系中各天體的示意圖。所以，我們在閱讀資料的時候要采取科學的方法，理性地判斷和分析，建構模型就是幫助我們認識事物的重要手段。

對科學模型建構教學的實踐是落實課程目標的重要探索。[4]本課中，教師引導學生利用身邊的物體建構實物模型，形成對太陽系天體大小關系的認識；利用地圖建構思想模型，形成對太陽系天體距離關系的認識。至此，學生對太陽系整體圖景的建構才得以進一步完善。綜合運用虛擬現實、實物模型和思想模型，可以幫助學生在學習和研究“地球與宇宙”單元時，掌握事物和模型間的聯系和區別，有助于他們形成系統與模型的跨學科概念，實現深度理解，發展科學思維，提升探究能力。

參考文獻

[1]江光華.低年級學生模型建構能力培養探析[J].湖北教育（科學課），2022（10）.

[2]潘利峰，劉國良.模型建構在小學科學深度探究中的運用——以蘇教版科學為例[J].教學月刊小學版（綜合），2020（12）.

[3]張嬌珍，張秀琴.核心素養下“物理模型建構能力”培養策略——以“運用‘質心法’分析水平圓盤連接體模型”為例[J].福建基礎教育研究，2023（07）.

[4]史加祥.新課標背景下小學科學模型建構的教學理解與實踐[J].中小學課堂教學研究，2022（07）.