基于模型建構的小學科學概念教學

模型建構是科學核心素養中科學思維的重要組成部分，培養學生模型建構能力是科學課程的目標之一。有關研究指出，科學學習就是科學建模的過程，科學學習過程中的觀察、描述、解釋、預測、推理微觀和宏觀自然事物、自然現象的實質就是建構和應用科學模型的過程。[1]建構模型需要抓住事物的主要特征，舍棄一些次要的因素，將復雜問題簡化為更易于理解的形式，起到化繁為簡的作用。教師要引導學生觀察、描述科學現象，提煉共性元素，將其簡化建構模型并應用模型解決問題，從而促進學生對科學概念的深入理解。

電學內容屬于物理范疇，具有抽象性的特點。《點亮小燈泡》一課是學生在小學階段初次接觸電學知識的一節課，旨在幫助他們建構清晰的科學概念模型，從而更直觀地理解電路知識，形成具象化的認識。教學時，我遵循外顯原始模型、歸納過渡模型、精細修正模型、可視表征模型、鞏固運用模型的教學路徑優化本課教學，引導學生逐步建構電路的概念模型，實現對概念的深度理解。

一、嘗試點亮，外顯原始模型

在小學科學學習中，學生的原有認識主要源自他們積累的生活經驗，這些經驗被稱為前概念。對于點亮小燈泡的連接方式，學生也會基于前概念形成一定的初始理解，這可以視為他們對電路概念理解的原始模型。然而，這些原始模型通常是基于生活經驗的感性認識或者是想象，缺乏科學性和準確性。因此，在學生建構概念模型的過程中，教師應引導他們充分描述自己的原始想法。這樣不僅能夠幫助學生更好地認識自己，還能促進其產生認知沖突，從而進行自我反思和自我修正，這是實現概念轉變的重要前提。

教學片段

師：同學們，實驗室里有許多手電筒壞了，你們能幫老師解決這個問題嗎？修理手電筒可不是一件簡單的事，首先我們要明白，如何才能點亮小燈泡？需要哪些材料？說說你的理由。

生：需要有小燈泡，要有電池來提供電能，還需要導線來連接它們傳輸電能。

師：老師給大家提供這些材料，請你們先仔細觀察它們的結構，再嘗試點亮小燈泡，并記錄連接方法。如果不成功，可以進行改進，并記錄改進后的連接方法。

（學生嘗試點亮小燈泡并記錄。）

師：老師收集了一些不能點亮和能點亮小燈泡的連接方式（如圖1），說一說你們這樣連接的理由。

生：我覺得只要一根導線，把電池和小燈泡連起來，小燈泡就能亮了。因為我平時看到家里的電器都只有一根電線，只要插上插頭，就能工作了。

生：我認為要兩根導線分別連接電池的兩個端點，然后將導線連接到小燈泡底部，電流會從電池兩端出發，在小燈泡的底部相遇，使小燈泡發光。

生：我不贊同他說的，我在書上看到過電池有正負極，電流是從正極流出，經過小燈泡再回到負極，所以我覺得電流不是從電池的兩端同時出發的。

對記錄單和課堂發言的分析發現，學生對電路概念的理解，主要存在三種典型的原始模型。[2]第一種為單極模型，學生認為電路只需要從電池的一端出發，直接連接到小燈泡，將電能單方面消耗就能使小燈泡亮起來；第二種是兩極碰撞模型，學生認為電流要從電池的兩端出發，再匯聚流入小燈泡的底端，為小燈泡輸送電能；第三種是兩極流動模型，學生認為電流就像水流一樣從電池的一端流出，經過小燈泡內部后被消耗，剩下的再流回到電池的另一端，流入小燈泡與流出小燈泡的端口是同一個部位。

進一步深入分析發現，持單極模型理解的學生是基于生活中的用電器都是用一根電線直接插到插座上就能通電的生活經驗得出，即圖1中①⑤⑥這樣的原始模型。這種想法在學生中占絕大多數，其原因是，他們缺乏對電池工作原理的了解，沒有意識到電池有正負極的區別。持兩極碰撞和兩極流動模型的學生是基于已有經驗和自己的想象得出，即圖1中②③④這樣的原始模型。盡管他們對電池的正負極有所認識，但對電流的流向及燈泡內部電流的具體流動路徑比較模糊。

這一環節中，學生充分外顯頭腦中的原始模型，發現其并不能解決目前的問題，從而激起繼續深入研究的熱情，這也為教師在后續引導學生修正和完善科學概念模型提供了明確的方向。

二、尋找共性，歸納過渡模型

電學內容具有高度的抽象性，使學生在理解的過程中有一定的挑戰性，他們可能會產生一定的畏難情緒。對此，教師可采用學習進階的教學策略，將建模過程細化為若干階段以降低學習的難度。[3]例如，教師可以先引導學生通過對比歸納，形成概念過渡模型，再對過渡模型進行精細化評估，進而建構科學模型。最近發展區理論為我們提供了重要啟示：教師應當精準把握學生的現有知識水平與潛在的發展空間，為他們提供有針對性的學習支架，幫助他們實現科學概念模型的漸進式建構與理解。在建模過程中，隨著學生觀察和理解的不斷深化，模型本身亦會相應調整。這凸顯了經由模型建構所獲得的科學知識具有動態性和可修正性，即隨著認識的深入，科學概念亦在不斷更新和完善。

教學中，我運用動態移動板書的方式，引導學生對點亮方案進行了逐一對比，為他們分析歸納形成概念模型搭建了一種可模仿的思維方式支架。

首先，我將方案③與②⑤放在一起（如圖2左），引導學生仔細觀察對比，尋找亮與不亮的連接方式的異同點。學生發現，雖然這三種方案中電池均連接了兩極，但只有小燈泡也連接兩個點時才能夠被成功點亮。

接著，我將方案③與⑥進行了對比展示（如圖2中）。學生發現，僅僅連接小燈泡的兩點而不連接電池的兩極同樣無法點亮小燈泡。

經過這兩輪的對比分析，學生初步建構模型，即要成功點亮小燈泡，必須同時滿足“連接電池兩極”和“連接小燈泡兩個點”這兩個條件。為幫助學生更好地記憶這一模型，我總結了“兩極連兩點”的點亮秘訣。需要強調的是，這一過渡模型還比較粗糙，僅為適應學生當前的認知水平而建構，有待修正和完善。

三、解構燈泡，精細修正模型

根據建模周期的教學策略，模型建構階段需經歷模型的細化、修正及補充等多個模型評估環節，以便學生能夠對概念模型有更加綜合、深入的理解。[3]之所以需要對模型進行細化和修正，是因為在建模過程中，我們會發現經簡化的過渡模型與實際情況之間存在一定的偏差，無法充分解釋現有現象。因此，教師需要引導學生對模型進行相應的調整和完善，通過更加全面、細致的觀察與描述，建構更加貼近客觀事實的科學模型。

教學片段

師：方案④同樣滿足了“兩極連兩點”的條件，為什么小燈泡不亮呢？

生：③與④兩種方案都連接了電池正負極，只是連接小燈泡的兩個點的位置不一樣，③是一底一側，而④是兩個側邊，難道是因為這兩個部位不一樣嗎？

師：從小燈泡的外部看都是一圈金屬螺紋，好像看不出有什么不一樣。

生：是不是小燈泡內部這兩個地方有什么不一樣？

師：接下來，讓我們打開小燈泡，看一看它的內部是什么樣的。

當學生掌握了成功點亮小燈泡的秘訣后，我再次移動板書聚焦方案③與④（如圖2右），并提出關鍵問題“方案④同樣滿足了‘兩極連兩點’的條件，為什么燈泡不亮呢”。這一問題的提出，旨在引導學生進一步深入思考，發現成功點亮小燈泡的更深層次的規律。經過前面兩輪的對比分析，學生已經熟練掌握了分析點亮方案的思路。通過細致的對比觀察，他們會很自然地聚焦到燈泡上的兩個點是有區別的，并不是隨意連兩個點就能成功點亮小燈泡。這進一步激起了他們深入研究的興趣，促使他們想要打開小燈泡一探究竟！

鑒于四年級學生的知識儲備尚不能理解燈泡各部件的導電性及電池中電流流動的機制，我選擇利用圖文資料閱讀和實物對照觀察相結合的形式（如圖3），為他們建構電路模型搭建必要的學習支架。在閱讀過程中，學生仔細觀察解剖后的小燈泡，并在方案③中畫出其電流流動的路徑。之后，學生用手指比畫電流從電池正極出發，經過小燈泡側邊的連接點進入小燈泡內部，再經過燈絲（鎢絲）點亮小燈泡，最后從小燈泡底部連接點流出，返回電池負極，形成完整的電流閉合回路。為幫助學生更好地記憶這一科學模型，我將“兩極連兩點”的點亮秘訣修正為“經過燈絲，形成回路”。

經過這一環節的學習，電流回路的科學模型在學生腦海中得以清晰建構。此時，我再次讓學生解釋方案④中小燈泡不能被點亮的原因，他們能很快說出電流在進入側邊連接點時順著整圈的金屬螺紋流出了燈泡，電流沒有經過燈絲，所以小燈泡無法被點亮。

四、動態模擬，可視表征模型

在科學教學中，教師要盡可能減少問題情境中多余變量的干擾，保證學生能夠盡快關注與所學問題或概念更為緊密相關的本質內容。[3]在這一過程中，多媒體技術等工具可以將抽象的科學概念可視化表征出來，以滿足簡化和具象的雙重需求。

學生在觀察小燈泡的內部結構后，頭腦中關于電流流動的路徑已經有了雛形，但這種模型仍然是割裂的，不夠整體和具象。這時教師出示動態圖示，以小紅點模擬電路中的電流（如圖4），動態模擬電流在整個電路中流動的路徑。值得強調的是，電流在燈泡內部和電池內部也需要流動起來，這樣才是完整的電流回路的科學模型。通過這一直觀方式，學生更清晰地認識了電流在電路中是如何流動的，進而鞏固和完善了頭腦中的電路模型。

當學生在頭腦中形成了這種動態的電路模型后，我引導他們再次分析之前的幾種失敗電路。

教學片段

師：利用手指比畫電流流動路徑的方法，你能分析這些電路為什么不能被點亮嗎？

生：②④⑤這三種連接方案中，電流都從電池正極流出，但是沒有進入小燈泡經過燈絲，而是直接回到了電池負極。

師：是的，電流沒有經過用電器，直接回到電池的這種電路叫作短路。它有一個很明顯的特征，你們發現了嗎？

生：我們在嘗試這些連接方法時，發現電池都很燙。

師：短路電路雖然也形成了回路，但是因為電流沒有被用電器消耗，而快速在電池中消耗且產生的電流很大，所以電池會發燙，我們要盡量避免這種情況。

生：方案①的電路中，電流從電池正極流出后，沒有再回到電池負極，就像這條路斷了一樣。

師：我們把這種中間電流斷開，沒有回到電池負極的電路叫作斷路。

通過利用多媒體技術，我將原本無形的電流以具象化的動態小紅點的形式進行展示，引導學生使用箭頭來表征電流流動的方向，并在其腦海中形成了電流的動態模型。這不僅實現了連線成面的知識串聯效果，更對先前零散的過渡模型進行了有效的整合與完善，建構了一個動態整體的科學模型，使學生對電路概念有了更深入的理解。

五、升級點亮，鞏固運用模型

新建構的概念模型，只有被學生自主表達時，才表明被他們真正理解并接受了。教師可以創設新的富有挑戰性的問題情境，引導學生利用新建構的概念模型完成挑戰任務，鼓勵他們用畫圖或語言的方式把電路表達出來，以此助力他們應用遷移概念。

在本課的最后環節，我創設“手電筒內部空間有限，如何用一根導線點亮小燈泡”的問題情境（如圖5）。在點亮小燈泡的方案中，我們發現用一根導線點亮比用兩根導線點亮小燈泡更具挑戰性。用一根導線點亮時，燈泡的側邊金屬螺紋與電池的一極直接相連，由于這兩者之間沒有導線的連接，學生對于此處的電流流動路徑又會變得模糊起來，這對他們分析電路提出了更高的要求。根據學習進階的策略，在剛開始嘗試點亮的活動中，我沒有要求學生只能用一根導線，而是不限導線根數，讓他們自由嘗試，這是符合他們思維進階特點的。在實際教學中，我也發現學生用兩根導線成功點亮的情況較多，而在還沒有完全建構電路科學模型的情況下，直接用一根導線成功點亮的情況較少。這也體現了概念模型的建構需要經歷一個難度逐漸升級的過程。

在挑戰一根導線點亮小燈泡活動中，能夠正確判斷現象的學生不一定能畫出正確的電流模型圖，而那些能畫出正確的電流流動模型圖的學生一定能夠判斷正確的現象。因此，在模型建構的最后階段，我鼓勵學生運用模型表達，這是基于他們對科學概念的正確掌握才能實現的。

（作者單位：浙江省杭州市余杭區云會中心小學）

參考文獻

[1]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）.

[2]邵鋒星.科學素養怎樣教[M].北京：教育科學出版社，2021.

[3]黃楠虹.小學科學教育中促進學生科學建模能力發展的教學策略研究[D].武漢：華中師范大學，2023.