基于模型建構(gòu)促進(jìn)科學(xué)概念發(fā)展

模型建構(gòu)作為科學(xué)學(xué)習(xí)中必備的、關(guān)鍵的科學(xué)思維能力之一，在小學(xué)科學(xué)課程中有大量的體現(xiàn)。科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)指出，科學(xué)思維主要包括模型建構(gòu)、推理論證、創(chuàng)新思維等。其中，模型建構(gòu)體現(xiàn)在：以經(jīng)驗事實(shí)為基礎(chǔ)，對客觀事物進(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)系及變化過程。

課程標(biāo)準(zhǔn)在總目標(biāo)中明確要求，具有初步的模型理解和模型建構(gòu)能力。從模型建構(gòu)的價值出發(fā)，現(xiàn)以人教鄂教版《科學(xué)》教材的《生物棲息地》一課為例，分析科學(xué)教學(xué)中通過模型建構(gòu)、運(yùn)用模型建構(gòu)的思維能力對科學(xué)概念發(fā)展的促進(jìn)作用。

一、模型建構(gòu)在科學(xué)教學(xué)中的價值

模型是人們按照特定的科學(xué)研究目的，在一定的假設(shè)條件下，再現(xiàn)原型客體某種本質(zhì)特征（結(jié)構(gòu)特性、功能、關(guān)系、過程等）的物質(zhì)形式或思維形式的類似物。[1]簡單來說，模型就是對原型簡化、純化的產(chǎn)物，和大眾的想象不同，模型不一定是具象化的物質(zhì)，也可以是非物質(zhì)的，一般分為物理模型、概念模型和數(shù)學(xué)模型。無論哪種模型，在不同的學(xué)習(xí)內(nèi)容和階段，都會對科學(xué)教學(xué)起到至關(guān)重要的作用。

1.有助于科學(xué)概念的建構(gòu)

有學(xué)者認(rèn)為，通過（模型的）實(shí)驗探求學(xué)生的前概念，讓他們對實(shí)驗現(xiàn)象進(jìn)行深入分析，修正前概念，生成基本概念，并利用核心概念解決現(xiàn)實(shí)問題，可以促使他們形成對核心概念全面而深刻的理解，提高他們對復(fù)雜問題全面而準(zhǔn)確的判斷。[2]在科學(xué)概念學(xué)習(xí)中，模型作為學(xué)習(xí)對象，使學(xué)生的認(rèn)知過程顯化、思維方式內(nèi)化，主動進(jìn)行知識建構(gòu)；學(xué)生合作建模，共建共構(gòu)，實(shí)現(xiàn)深度思考和思維外化；教師通過合理評價與監(jiān)控，及時反饋與調(diào)整，促進(jìn)學(xué)生重構(gòu)科學(xué)概念。[3]

科學(xué)概念是客觀事物的共同屬性和本質(zhì)特征在人腦中的反映，是客觀事物的抽象概括。模型是思維的產(chǎn)物，相比原型更簡潔直觀，可以幫助學(xué)習(xí)者更好地理解原型。課堂上，教師可以引導(dǎo)學(xué)生抓住原型的典型特征，建構(gòu)模型理解進(jìn)而有效地掌握科學(xué)概念，并舉一反三，提高學(xué)習(xí)效率。例如，地日月三球關(guān)系的實(shí)物模型，可以幫助學(xué)生理解晝夜交替、月相變化、四季成因等。

2.有助于形成跨學(xué)科概念

模型能更清晰地反映系統(tǒng)的特征，[4]根據(jù)理解和解釋的需要，系統(tǒng)可以用不同形式的模型來解釋。

模型的一個基本功能就是有助于厘清系統(tǒng)中的復(fù)雜概念、變量等之間的關(guān)系，便于幫助學(xué)生建立對系統(tǒng)的認(rèn)識，發(fā)展他們的系統(tǒng)思維。[5]模型建構(gòu)可以幫助學(xué)生從更上位的跨學(xué)科概念“系統(tǒng)與模型”去重新認(rèn)識世界，讓他們在學(xué)習(xí)科學(xué)概念時，將復(fù)雜問題簡化、典型化為模型，進(jìn)而理解、解釋自然界中的系統(tǒng)。例如，在研究簡單電路時，建構(gòu)在閉合回路中電器工作的概念模型，可以促進(jìn)學(xué)生分析和理解斷路、短路等現(xiàn)象。

3.有助于解決真實(shí)問題

教育的目的之一是提升學(xué)生在真實(shí)情境中解決問題的能力。在科學(xué)學(xué)習(xí)中，學(xué)生抓住原型的典型特征，運(yùn)用模型建構(gòu)對原型進(jìn)行簡化和抽象，發(fā)現(xiàn)事物的一般規(guī)律，有助于他們應(yīng)用遷移到真實(shí)情境中，解決生活中的真實(shí)問題。例如，一年中物體正午的影長呈規(guī)律的長短變化，古人據(jù)此設(shè)計了圭表，這就是一個模型，可用于確定春分、夏至、秋分、冬至等節(jié)氣并劃分季節(jié)。

二、《生物的棲息地》一課的概念模型建構(gòu)

課程標(biāo)準(zhǔn)核心概念“生命系統(tǒng)的構(gòu)成層次”下有“生態(tài)系統(tǒng)由生物與非生物環(huán)境共同組成”這一學(xué)習(xí)內(nèi)容。《生物的棲息地》一課的學(xué)習(xí)目標(biāo)正對應(yīng)這一學(xué)習(xí)內(nèi)容的相關(guān)要求，即能夠舉例說出常見的棲息地為生物提供光、空氣、水、適應(yīng)的溫度和食物等基本條件。棲息地概念的建構(gòu)，需要有實(shí)物模型的介入，以便學(xué)生達(dá)成對更抽象概念的認(rèn)識。

1.教學(xué)分析

教材以“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的理論設(shè)計編寫，內(nèi)容由近及遠(yuǎn)、由易到難、由具體到抽象、由簡單到復(fù)雜，強(qiáng)調(diào)以科學(xué)實(shí)踐為核心的學(xué)習(xí)過程。

六年級學(xué)生已經(jīng)具備一定的學(xué)習(xí)能力和推理論證能力，可以觀察、記錄、分析和思考科學(xué)現(xiàn)象。在之前的學(xué)習(xí)中學(xué)生已經(jīng)認(rèn)識到，生物具有區(qū)別于非生物的特征，地球上存在不同的動植物，動植物都有基本的生存需要（空氣和水）等，動植物之間存在食物鏈關(guān)系。從生活經(jīng)驗來說，鄉(xiāng)村學(xué)生在生活中接觸大自然的機(jī)會較多，而城鎮(zhèn)學(xué)生缺乏對自然環(huán)境中棲息地的實(shí)地了解，但他們大都有在自然環(huán)境中的游玩體驗。教師通過聯(lián)系生活經(jīng)驗和建構(gòu)模型，有助于學(xué)生理解生物棲息地的概念。

本課作為“生物與環(huán)境”單元的第一課，是學(xué)生學(xué)習(xí)另外兩課《動物對環(huán)境的適應(yīng)》《保護(hù)生物與環(huán)境》的基礎(chǔ)。學(xué)生在理解棲息地的概念后，能夠更好地理解生物與環(huán)境的關(guān)系，對生物生存的環(huán)境，以及保護(hù)環(huán)境的意義有著更深刻的理解。

2.教學(xué)過程設(shè)計

教師設(shè)計教學(xué)時，不僅要考慮本課的概念建構(gòu)，還要考慮概念的進(jìn)階，讓課程的概念發(fā)展起到承上啟下的作用。

（1）情境引入

情境引入能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓他們產(chǎn)生共鳴，這有利于后續(xù)教學(xué)的開展。

為了讓學(xué)生理解棲息地的概念，教師提供真實(shí)情境的范例參考，讓他們認(rèn)識到棲息地是廣泛存在于自然環(huán)境中的。教師通過展示單元頁的生物棲息地場景，引導(dǎo)學(xué)生說出圖中的生物和非生物，喚醒他們已學(xué)的生命科學(xué)相關(guān)概念，提示他們思考生物和非生物的關(guān)系。

接著，教師根據(jù)課文情境頁內(nèi)容提出問題：生物的棲息地有什么不同？棲息地為生物提供了哪些生存條件？這促使學(xué)生對動植物及其生活環(huán)境的進(jìn)一步關(guān)注和思考，激發(fā)他們探究生物與棲息地之間關(guān)系的興趣，聚焦本課要研究的對象——池塘。

（2）要素提煉

池塘是一個相對容易接觸的環(huán)境，教學(xué)以池塘切入，讓學(xué)生對池塘生態(tài)進(jìn)行觀察，并討論交流相關(guān)問題：池塘棲息地中有哪些生物和非生物？以某種生物為例，說一說池塘棲息地為它提供了哪些基本的生存條件？

通過交流，學(xué)生形成認(rèn)知沖突，教師引導(dǎo)他們分析與歸納，并進(jìn)一步提出問題：棲息地的基本要素有哪些？它們?nèi)绾斡绊懼鴹⒌氐哪撤N生物？這些問題激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步探究池塘棲息地與動植物的關(guān)系，初步建構(gòu)棲息地的概念，并為下一步建構(gòu)模型、深入探究搭建學(xué)習(xí)支架。教師通過問題引導(dǎo)，開啟學(xué)生的探究實(shí)踐活動，讓他們從已有經(jīng)驗中進(jìn)行要素提煉。

（3）建構(gòu)實(shí)物模型

由于自然環(huán)境的復(fù)雜性和課堂教學(xué)的局限性，探究活動無法讓每一位學(xué)生直接參與到自然的實(shí)踐中，這時就需要模型建構(gòu)（建構(gòu)池塘棲息地模型——生態(tài)瓶）的介入，引導(dǎo)學(xué)生將認(rèn)知沖突變成研討，最終通過自主探究解決認(rèn)知沖突。

通過生態(tài)瓶的設(shè)計和制作，學(xué)生對池塘中各種生物與非生物因素建立更直觀的聯(lián)系的關(guān)系，并認(rèn)識生態(tài)瓶中各要素之間。教師可以提示動植物放入生態(tài)瓶中的順序，提醒學(xué)生動植物的生存習(xí)性，并讓他們在觀察前做出預(yù)測，觀察中撰寫觀察筆記或拍攝照片，觀察后交流研討。

生態(tài)瓶制作完成后，便進(jìn)入了本課的教學(xué)難點(diǎn)：觀察記錄各變量之間的關(guān)系。這個環(huán)節(jié)需要學(xué)生觀察生態(tài)瓶，將生態(tài)瓶放置一段時間，通過簡單對比實(shí)驗、改變單一變量理解變量之間的關(guān)系，對前述認(rèn)知沖突進(jìn)行思考，歸納總結(jié)棲息地的概念。

本課也可以建構(gòu)其他棲息地模型——沙盤模型，即從某一種自然環(huán)境（森林、草原、沙漠等）出發(fā)，讓學(xué)生選擇匹配自然環(huán)境的生物，自主探究影響這種生物生存的生物與非生物因素，繪制生物與棲息地相關(guān)因素關(guān)系圖。在這個過程中，教師可以事先給出自然環(huán)境中生物與非生物的模型，且有干擾項，并提醒學(xué)生注意，棲息地是某些生物的生存環(huán)境，是一個相對穩(wěn)定的自然環(huán)境，要圍繞已選擇的生物展開探究。沙盤模型的建構(gòu)，讓學(xué)生從對池塘棲息地的初步認(rèn)識，到自主探究生物棲息地的相關(guān)因素，促進(jìn)了他們對棲息地概念的理解。

（4）建構(gòu)概念模型

棲息地概念的建構(gòu)，需要學(xué)生理解環(huán)境中的某一因素變化后對其他生物的生存影響。在生態(tài)瓶制作完成后，教師可以引導(dǎo)學(xué)生通過改變水的多少、某種動物的多少、某種植物的多少等，進(jìn)行簡單的對比實(shí)驗，觀察這種變化在一定時間段內(nèi)對某種生物的影響。

以對生態(tài)瓶（沙盤模型）探究為基礎(chǔ)，學(xué)生理解自然界其他類型環(huán)境中生物的棲息地，并在認(rèn)識多個棲息地的基礎(chǔ)上建構(gòu)棲息地的相關(guān)概念：棲息地中都有生物和非生物，生物因素有植物、動物；非生物因素有陽光、空氣、水、適宜的溫度和生物生存的空間；非生物因素的變化對其中的生物會產(chǎn)生影響。

教學(xué)中，教師也可以通過對棲息地的破壞行為、后果等反例分析，結(jié)合社會化議題，在應(yīng)用遷移概念的過程中，深化學(xué)生對棲息地概念的認(rèn)識，還可以鼓勵他們課后查閱感興趣的相關(guān)資料，下一堂課與同學(xué)們分享。

三、從“系統(tǒng)與模型”的視角促進(jìn)概念的建構(gòu)

系統(tǒng)與模型是課程標(biāo)準(zhǔn)提出的4個跨學(xué)科概念之一。跨學(xué)科概念是學(xué)科核心概念的上位概念，是科學(xué)課程核心概念的提煉和升華。系統(tǒng)是根據(jù)研究目的人為界定的，是由一些有關(guān)聯(lián)的物體或元素（成分）組成的有序整體。模型是經(jīng)過處理的簡化系統(tǒng)，但能體現(xiàn)原系統(tǒng)的本質(zhì)特征，是描述和理解系統(tǒng)的有效工具。真實(shí)世界很復(fù)雜，但可以用簡化的模型來描述。[4]

1.立足系統(tǒng)與模型理解棲息地概念

立足系統(tǒng)與模型去看待模型建構(gòu)對科學(xué)概念發(fā)展的促進(jìn)作用，可以更好地理解為什么建構(gòu)模型。模型的建構(gòu)不在于其與原型的外形相像、結(jié)構(gòu)類似或者其他表征特點(diǎn)，而在于核心要素和規(guī)律的一致性。同一個系統(tǒng)，為了滿足不同的研究需要，可以建構(gòu)不同的模型。模型建構(gòu)之初，需要明確探究的目的，抽象出系統(tǒng)的規(guī)律性、典型性特征，從而建構(gòu)對某個科學(xué)概念的正確理解。

生態(tài)系統(tǒng)可以很大，也可以很小。整個地球其實(shí)就是一個生態(tài)系統(tǒng)，而一棵樹甚至一個巖洞，也可以是一個生態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)系統(tǒng)包括了生物和非生物兩大部分，它們相互影響、相互依賴，穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)需要各個因素達(dá)到微妙的平衡。棲息地與生活在其中的生物就構(gòu)成了一個生態(tài)系統(tǒng)，不同的棲息地雖然生活著不同的動植物，存在著不同的非生物因素，但都有生物和非生物。學(xué)生利用生態(tài)瓶（沙盤模型）來模擬棲息地，可以探究生態(tài)系統(tǒng)中的各個要素對棲息地環(huán)境和生活在其中的生物的影響，從而加深對棲息地概念的理解。

2.建構(gòu)生命科學(xué)領(lǐng)域的系統(tǒng)與模型概念

將不同棲息地視為一個系統(tǒng)建構(gòu)模型，有利于學(xué)生理解棲息地的概念。除了生物與生物、生物與環(huán)境的關(guān)系外，在生命科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)中，還要觀察生物的外部形態(tài)結(jié)構(gòu)、生活習(xí)性、繁殖方式以及生物的內(nèi)部組織等，這些都可以利用相關(guān)模型（動植物結(jié)構(gòu)模型、人體組織模型、細(xì)胞模型等）來模擬系統(tǒng)，促進(jìn)從跨學(xué)科概念“系統(tǒng)與模型”的高度建構(gòu)概念。

對于小學(xué)階段的生命科學(xué)領(lǐng)域而言，建構(gòu)跨學(xué)科概念“系統(tǒng)與模型”，有助于學(xué)生直觀地理解相關(guān)概念，讓繁雜的生態(tài)系統(tǒng)、多變的生命活動和難以觀測的生命組織、器官等，能夠以模型展現(xiàn)出來。學(xué)生利用模型來研究系統(tǒng)，不僅可以降低認(rèn)知難度，還可以減少對生命體實(shí)驗和儀器的依賴，有助于更便捷、更有效地研究生命系統(tǒng)，理解生命的本質(zhì)。

（作者單位：人民教育出版社科學(xué)編輯室）

參考文獻(xiàn)

[1]譚永平.高中生物學(xué)新課程中的模型、模型方法及模型建構(gòu)[J].生物學(xué)教學(xué)，2009（01）.

[2]高芳.在“設(shè)計并制作生態(tài)瓶”活動中構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)核心概念[J].生物學(xué)通報，2018（03）.

[3]陳美卿.基于模型建構(gòu)深化科學(xué)概念的理解——以“地球的表面”一課為例[J].實(shí)驗教學(xué)與儀器，2023（03）.

[4]高云峰.科學(xué)教育中的跨學(xué)科概念：系統(tǒng)與模型[J].湖北教育（科學(xué)課），2022（08）.

[5]姜言霞，王磊，支瑤，等.基于模型建構(gòu)促進(jìn)學(xué)生“化學(xué)反應(yīng)速率”認(rèn)識發(fā)展的教學(xué)研究[J].化學(xué)教育，2013（03）.