推進(jìn)模型建構(gòu)能力螺旋上升的策略

科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)指出，模型建構(gòu)能力作為科學(xué)思維的重要組成部分，強(qiáng)調(diào)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；強(qiáng)調(diào)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。模型建構(gòu)能力的培養(yǎng)是螺旋上升的，對(duì)學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)非常重要。基于學(xué)習(xí)進(jìn)階，不同年級(jí)有不同的具體培養(yǎng)要求，教師可以基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的思想，從模型分析、模型建構(gòu)、模型運(yùn)用三個(gè)維度，對(duì)低、中、高年級(jí)提出不同的培養(yǎng)要求，推進(jìn)學(xué)生模型建構(gòu)能力的螺旋上升。

一、模型分析

模型分析主要是指分析模型與原型之間的關(guān)系，是培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)能力的第一步。從區(qū)分異同到比對(duì)要素，再到分析要素，體現(xiàn)了學(xué)生在不同年級(jí)模型分析能力不斷螺旋上升的發(fā)展過程。

1.低年級(jí)：區(qū)分異同，明確特征

低年級(jí)學(xué)生通過觀察能夠大致比較模型和原型的異同點(diǎn)，明確特征。教師可通過驅(qū)動(dòng)問題引導(dǎo)學(xué)生尋找證據(jù)，呈現(xiàn)他們模型分析的自我認(rèn)知過程。

例如，教科版教材（下文均指該教材）一年級(jí)“動(dòng)物”單元第1課《我們知道的動(dòng)物》，教師展示玩具熊，提問：“玩具熊是動(dòng)物嗎？”并引導(dǎo)學(xué)生說出玩具熊不是動(dòng)物的理由。有的學(xué)生從是否有運(yùn)動(dòng)能力、是否吃食物、能否繁殖等方面思考，認(rèn)為玩具熊不是活的，通過多維度比較模型和原型之間的異同點(diǎn)，他們發(fā)現(xiàn)動(dòng)物的一些共同特征，初步發(fā)展模型建構(gòu)能力。

2.中年級(jí)：比對(duì)要素，尋找方法

教師可通過驅(qū)動(dòng)問題促使學(xué)生觀察，比對(duì)模型與原型之間的核心要素，尋找實(shí)驗(yàn)的方法，以此來提升他們的模型構(gòu)建能力。與低年級(jí)學(xué)生相比，中年級(jí)學(xué)生的比較能力有了明顯提高，從大致能區(qū)分模型和原型，到能夠?qū)δＰ秃驮偷暮诵囊匾灰粚?duì)比，從而更好地分析模型。

例如，四年級(jí)“聲音”單元第4課《我們是怎樣聽到聲音的》，教師出示耳朵的結(jié)構(gòu)圖，讓學(xué)生推測(cè)鼓膜的作用。

教學(xué)片段

師：用什么材料來模擬能更接近真實(shí)的鼓膜呢？

生：我覺得可以借助氣球皮、保鮮膜等，因?yàn)樗鼈兒凸哪さ奶攸c(diǎn)很像，很薄、有彈性。

生：我覺得還要用上小紙屑等輕、小的物體幫助我們觀察鼓膜的振動(dòng)。

生：我覺得用氣球皮好，因?yàn)槲矣^察了耳朵的結(jié)構(gòu)，猜測(cè)了它的作用，發(fā)現(xiàn)鼓膜應(yīng)該是很薄的，容易振動(dòng)的。

學(xué)生在設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，先對(duì)鼓膜的特點(diǎn)進(jìn)行歸納，然后基于材料特點(diǎn)的相似性，用氣球皮來模擬鼓膜，并用輕小物體來放大鼓膜的振動(dòng)，為理解鼓膜的作用奠定基礎(chǔ)。

3.高年級(jí)：分析因素，歸納概念

隨著學(xué)生能力的提升，高年級(jí)教材上不僅有實(shí)物模型，還會(huì)有小部分思維模型。教師可通過驅(qū)動(dòng)問題，讓學(xué)生逐一分析實(shí)物模型或思維模型與原型之間的核心要素，一步一步地理解模型，歸納概念。

例如，五年級(jí)“生物與環(huán)境”單元第7課《設(shè)計(jì)和制作生態(tài)瓶》，教師讓學(xué)生設(shè)計(jì)和制作生態(tài)瓶，讓他們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)生物與生物之間、生物與非生物之間相互依存、相互作用的關(guān)系。

教學(xué)片段

師：綠豆苗田里和生態(tài)瓶有什么相同點(diǎn)和不同點(diǎn)呢？

生：綠豆苗田里的非生物因素有陽光、空氣、水、溫度、泥土。生態(tài)瓶里的非生物因素有陽光、空氣、水、溫度、沙子。

生：綠豆苗田里的生物因素有綠豆苗、蚜蟲、蚯蚓等，生態(tài)瓶里的生物因素有水草、小魚、螺等。

生：我發(fā)現(xiàn)無論是綠豆苗田里還是生態(tài)瓶里，植物都為動(dòng)物提供氧氣、食物、棲息的環(huán)境，動(dòng)物都為植物提供二氧化碳等。

生：我發(fā)現(xiàn)動(dòng)植物的生長(zhǎng)會(huì)改變空氣、水等非生物因素，而非生物因素會(huì)影響動(dòng)植物的生存。

師：你們覺得共同點(diǎn)是什么？

生：相互依存、相互作用。

生：相互聯(lián)系、相互影響。

學(xué)生從非生物因素、生物因素和兩者之間的聯(lián)系這3個(gè)因素出發(fā)，開展有依據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)綠豆苗所在的生態(tài)系統(tǒng)與虛擬的生態(tài)系統(tǒng)的共同因素。通過對(duì)虛擬生態(tài)系統(tǒng)和真實(shí)生態(tài)系統(tǒng)之間的核心因素進(jìn)行分析，學(xué)生發(fā)現(xiàn)各自的非生物因素和生物因素有不一致的地方，但是它們又是有聯(lián)系的，非生物因素和生物因素之間相互依存，從而一步一步歸納抽象出生態(tài)系統(tǒng)的概念，更好地理解生態(tài)系統(tǒng)模型。

二、模型建構(gòu)

學(xué)生通過細(xì)致入微的觀察，對(duì)原型進(jìn)行抽象和概括，在模型建構(gòu)過程中，呈現(xiàn)事物的主要特征和屬性。模型的修正是關(guān)鍵，學(xué)生需要根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，抓住模型與原型之間的本質(zhì)特征，經(jīng)歷分析、類比、演繹、建構(gòu)的認(rèn)知過程，把模型建構(gòu)過程中的思維外顯出來。

1.低年級(jí)：仿制簡(jiǎn)單平面模型

由于低年級(jí)學(xué)生的動(dòng)手能力較弱，他們經(jīng)過細(xì)致觀察后，一般以畫圖的方式描述原型的顯著特征，加上適當(dāng)?shù)奈淖诌M(jìn)行補(bǔ)充，以此來進(jìn)行辨析。

例如，一年級(jí)“動(dòng)物”單元第5課《觀察魚》，學(xué)生用簡(jiǎn)圖描繪魚的主要身體特征（鱗片、鰭、鰓等），通過多次的觀察，不斷地修正模型，從而使建構(gòu)的平面模型越來越接近原型。

學(xué)生第一次主要畫出了魚的紡錘形軀干，有嘴巴、鼻子、眼睛、鰭和鱗片，但是缺少鰓蓋。第二次器官畫完整了，但是鰭的數(shù)量不對(duì)。第三次學(xué)生不僅把鰭的數(shù)量畫正確了，并且從側(cè)面看還可以區(qū)分出胸鰭、腹鰭、臀鰭、背鰭和尾鰭。在觀察的基礎(chǔ)上，學(xué)生繼續(xù)完善平面模型，如標(biāo)注魚各部分器官的名稱等。

在觀察和畫圖后的交流中，教師給予學(xué)生充分的展示時(shí)間，與鯽魚的原型進(jìn)行比較，從軀干是不是紡錘形、器官有沒有畫齊、鰭的數(shù)量是否正確等方面進(jìn)行分析，重點(diǎn)關(guān)注畫的平面模型是否突出了魚的主要特征，從而逐步修正模型。在交流的過程中凸顯學(xué)生的觀察思考過程，發(fā)展了他們的模型建構(gòu)能力。

2.中年級(jí)：制作簡(jiǎn)單實(shí)物模型

對(duì)于中年級(jí)學(xué)生來說，根據(jù)任務(wù)需求制作簡(jiǎn)單的實(shí)物模型，符合他們的認(rèn)知水平和動(dòng)手能力，能夠促進(jìn)他們思維能力的提升，同時(shí)他們?cè)谥谱鞯倪^程中可以把想法呈現(xiàn)出來，有助于建構(gòu)科學(xué)概念，發(fā)展模型建構(gòu)能力。

例如，四年級(jí)“呼吸與消化”單元第1課《感受我們的呼吸》，教師引導(dǎo)學(xué)生借助氣球、塑料瓶、吸管等材料模擬人體的呼吸，了解呼吸器官在呼吸過程中的協(xié)同合作。對(duì)于學(xué)生來說，用于呼吸的器官就像一個(gè)暗箱，他們基于實(shí)物模型，呈現(xiàn)原有想法，使思維可視化。

教學(xué)片段

師：這是人體的呼吸模擬器，你覺得各部分結(jié)構(gòu)分別模擬了人體的哪些部位呢？

生：吸管模擬氣管，氣球模擬肺，塑料瓶模擬胸廓，底部的氣球皮模擬膈肌。

（第一次模擬：嘗試，呈現(xiàn)原有想法。）

師：怎么用這個(gè)裝置來模擬吸氣和呼氣呢？

（學(xué)生分小組嘗試。）

生：我們組是這樣來模擬的，用嘴吹氣，氣球變大，模擬吸氣；用嘴吸氣，氣球變小，模擬呼氣。

生：我們組的方法不一樣，用手向下拉底部的氣球皮，氣球變大，模擬吸氣；用手向上推底部的氣球皮，氣球變小，模擬呼氣。

師：兩個(gè)方法都正確嗎？

生：我覺得都正確，因?yàn)槎寄芸吹叫夭渴湛s和舒張。

生：我覺得呼吸時(shí)沒有外力幫助我們，所以我認(rèn)為方法1錯(cuò)誤。

生：我也覺得方法2正確，因?yàn)槿梭w是自主呼吸的，膈肌就是會(huì)這樣運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)胸部舒張和收縮。

師：呼吸的“開關(guān)”是哪里呀？

生：膈肌的上下運(yùn)動(dòng)。

（第二次模擬：再次嘗試用方法2來模擬呼吸。）

師：經(jīng)過第二次模擬，現(xiàn)在你們有什么新發(fā)現(xiàn)？

生：我發(fā)現(xiàn)膈肌向下運(yùn)動(dòng)，模擬吸氣；膈肌向上運(yùn)動(dòng)，模擬呼氣。

生：膈肌向下運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，肺擴(kuò)張，吸氣；膈肌向上運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，肺收縮，呼氣。

在這個(gè)過程中，學(xué)生兩次模擬人體的呼吸。學(xué)生一開始無意識(shí)地模擬呼吸，經(jīng)過交流發(fā)現(xiàn)呼吸不可能依靠外力而是自主呼吸的，形成了科學(xué)認(rèn)識(shí)。第二次就是有目的地模擬，發(fā)現(xiàn)膈肌向下運(yùn)動(dòng)，胸腔擴(kuò)張，腹部收縮，此時(shí)吸氣；膈肌向上運(yùn)動(dòng)，胸腔收縮，腹部放松，此時(shí)呼氣。通過選擇材料、實(shí)踐操作、交流分析等一系列過程，學(xué)生的模型建構(gòu)能力得到了有效提升。

3.高年級(jí)：制作復(fù)雜實(shí)物模型

高年級(jí)學(xué)生的動(dòng)手能力較強(qiáng)，思維也從具體思維向邏輯思維發(fā)展，能夠根據(jù)任務(wù)需求，制作復(fù)雜的實(shí)物模型，甚至融入獨(dú)特想法，此時(shí)他們也能建構(gòu)簡(jiǎn)單的思維模型。教師可以借助真實(shí)的項(xiàng)目任務(wù)，進(jìn)一步提升學(xué)生的思維能力。

例如，五年級(jí)“熱”單元第7課《做個(gè)保溫杯》，既考查學(xué)生知識(shí)的運(yùn)用和動(dòng)手制作的能力，也檢驗(yàn)他們控制變量的能力，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理分析的能力。

保溫杯是一個(gè)復(fù)雜的實(shí)物模型，保溫的效果與材料的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)、顏色、空隙、角度等都有關(guān)。教師采用項(xiàng)目學(xué)習(xí)的方式可以提高學(xué)生的積極性，在項(xiàng)目實(shí)踐中提升模型建構(gòu)能力。教師出示不同的材料供他們選擇并設(shè)計(jì)制作一個(gè)保溫杯模型，同時(shí)將評(píng)價(jià)量規(guī)前置。在設(shè)計(jì)的過程中，學(xué)生不僅要實(shí)現(xiàn)保溫效果，也要考慮材料成本。制作完成后，學(xué)生測(cè)試保溫效果，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，培養(yǎng)了分析、類比思維，如：分析填充類材料棉花和木屑以及包裹類材料毛巾、泡棉、錫紙等的效果，對(duì)比有無蓋子的效果等，從而分析各組保溫效果不一樣的原因。保溫效果相同的小組則分析材料的成本。這樣，學(xué)生根據(jù)材料的不同性能，對(duì)材料進(jìn)行重組，并設(shè)計(jì)迭代復(fù)雜實(shí)物模型，發(fā)展科學(xué)思維。

三、模型運(yùn)用

建構(gòu)模型不是學(xué)習(xí)的終點(diǎn)，更在于運(yùn)用建構(gòu)的模型來解釋現(xiàn)象和數(shù)據(jù)以及事物間的關(guān)系。教師要加強(qiáng)模型與生活實(shí)際的聯(lián)系，分層次推進(jìn)模型運(yùn)用，突出交流等過程的豐富性，促進(jìn)成果的應(yīng)用遷移。

1.低年級(jí)：類比事物，觸類旁通

低年級(jí)學(xué)生要能利用簡(jiǎn)單的平面模型，類比與之相關(guān)的原型，找到兩者的共同點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)模型在生活中的運(yùn)用。

例如，一年級(jí)“比較與測(cè)量”單元第7課《比較測(cè)量紙帶和尺子》，學(xué)生要將第6課制作的測(cè)量紙帶（模型），與尺子（原型）進(jìn)行對(duì)比，觀察兩者的異同，把用測(cè)量紙帶的測(cè)量能力遷移到正確用尺子測(cè)量物體上來。

活動(dòng)一：比較自制測(cè)量紙帶和尺子。通過對(duì)比，學(xué)生將更深刻地認(rèn)識(shí)尺子，明白尺子的讀數(shù)方法和使用方法。標(biāo)記線的間距等長(zhǎng)遷移成同一標(biāo)準(zhǔn)物的長(zhǎng)度，標(biāo)記線重復(fù)出現(xiàn)遷移成標(biāo)準(zhǔn)物首尾相連，數(shù)字標(biāo)記遷移成標(biāo)準(zhǔn)物數(shù)量的統(tǒng)計(jì)。

活動(dòng)二：正確用尺子測(cè)量橡皮。學(xué)生在測(cè)量的過程中，自然而然地會(huì)想起自制測(cè)量紙帶的使用方法，從而更深刻地認(rèn)識(shí)尺子，明白尺子的使用方法。

通過兩個(gè)有層次的實(shí)踐活動(dòng)，學(xué)生在觀察中比較，在實(shí)踐中測(cè)試。這既達(dá)到了模型運(yùn)用的目的，又使學(xué)生體會(huì)到統(tǒng)一測(cè)量工具和計(jì)量單位給生產(chǎn)、生活帶來的便利，引導(dǎo)他們關(guān)注生活中的測(cè)量工具。

2.中年級(jí)：描述現(xiàn)象，深度遷移

中年級(jí)學(xué)生要能用簡(jiǎn)單的實(shí)物模型描述原型，嘗試解釋相關(guān)現(xiàn)象，把科學(xué)學(xué)習(xí)成果應(yīng)用遷移到生活中，意識(shí)到科學(xué)與生活的密切關(guān)系。

例如，五年級(jí)“健康生活”單元第2課《身體的運(yùn)動(dòng)》，學(xué)生通過制作上肢運(yùn)動(dòng)模型，進(jìn)一步理解四肢完成運(yùn)動(dòng)的過程，充分認(rèn)識(shí)骨、關(guān)節(jié)、肌肉的協(xié)同工作，為逐步建構(gòu)“人體是由多個(gè)系統(tǒng)組成”的科學(xué)概念搭建“腳手架”，提升用系統(tǒng)的、聯(lián)系的思維方式認(rèn)識(shí)世界的能力。

學(xué)生借助木棒套件、軟金屬、組合網(wǎng)袋制作模擬上肢運(yùn)動(dòng)的模型。

環(huán)節(jié)一：全班演示自制的上肢運(yùn)動(dòng)模型及運(yùn)動(dòng)過程。多組學(xué)生上臺(tái)演示，發(fā)現(xiàn)：①模擬曲臂時(shí)，上面的組合網(wǎng)袋鼓起來變短、變粗，下面的組合網(wǎng)袋變細(xì)、變長(zhǎng)。②模擬伸臂時(shí)，上面的組合網(wǎng)袋變細(xì)、變長(zhǎng)，下面的組合網(wǎng)袋鼓起來變短、變粗。

環(huán)節(jié)二：思考肢體是怎樣運(yùn)動(dòng)的。學(xué)生發(fā)現(xiàn)：骨骼起支撐作用，肌肉提供動(dòng)力，關(guān)節(jié)能靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，它們分工協(xié)作，使肢體運(yùn)動(dòng)起來。

環(huán)節(jié)三：尋找生活中的類似結(jié)構(gòu)（起重機(jī)等）。將科學(xué)建模拓展到豐富多彩的生活中，讓學(xué)生意識(shí)到科學(xué)與生活的密切聯(lián)系及提高建模能力的重要性。

學(xué)生展示上肢模型時(shí)，明白了肌肉的作用，引發(fā)對(duì)身體運(yùn)動(dòng)機(jī)制的思考和推測(cè)，總結(jié)并理解它們的協(xié)同作用。然而教學(xué)只到這里是不夠的，教師還需要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度遷移，尋找生活中與我們身體運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)相似的物體，讓他們認(rèn)識(shí)到這就是人體仿生學(xué)，它能更好地為生活服務(wù)。

3.高年級(jí)：解釋關(guān)系，逆向理解

高年級(jí)學(xué)生的動(dòng)手能力和思維能力都有了大幅度提升，能用復(fù)雜的實(shí)物模型或簡(jiǎn)單的思維模型，初步解釋模型與原型之間的關(guān)系，并借助模型逆向理解運(yùn)用。

例如，六年級(jí)“地球的運(yùn)動(dòng)”單元第6課《地球的公轉(zhuǎn)與四季變化》，學(xué)生嘗試通過4個(gè)層次的模型建構(gòu)探究地球公轉(zhuǎn)與四季變化的關(guān)系，并了解地球公轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，為后續(xù)學(xué)習(xí)二十四節(jié)氣作鋪墊。

層次一：簡(jiǎn)單思維模型。教師出示公轉(zhuǎn)示意圖，讓學(xué)生通過閱讀，找到公轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，這是簡(jiǎn)單的思維模型。考慮到學(xué)生的思維能力還是不夠強(qiáng)，教師出示了公轉(zhuǎn)的視頻。

層次二：簡(jiǎn)單的實(shí)物模型。教師引導(dǎo)學(xué)生用一個(gè)餅干蓋子和一個(gè)小球來制作模型（如圖1），這個(gè)實(shí)物模型可以把地球自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)組合成一個(gè)整體，并呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)具象的模型。在這里教師做了一個(gè)小修改，在小球上加了“地軸”，然后用手轉(zhuǎn)動(dòng)使“地球”運(yùn)動(dòng)起來，理由是如果只有一個(gè)球和一個(gè)圓盤，讓小球運(yùn)動(dòng)起來的唯一方法就是轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤，但事實(shí)上公轉(zhuǎn)軌道是不動(dòng)的，而且依靠軌道轉(zhuǎn)起來的方向也是有問題的。學(xué)生通過親自體驗(yàn)、觀察，對(duì)地球運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)認(rèn)識(shí)得更加深刻，其實(shí)運(yùn)用這個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)物模型是無法真正模擬地球運(yùn)動(dòng)的所有特點(diǎn)的，但是越難模擬，學(xué)生越會(huì)想辦法了解并盡可能模擬地球運(yùn)動(dòng)的特征。

層次三：復(fù)雜的實(shí)物模型。學(xué)生在反思中提出，簡(jiǎn)單的實(shí)物模型最難模擬的是公轉(zhuǎn)1周，自轉(zhuǎn)需要365周，提出的解決辦法是最好有一個(gè)機(jī)械裝置來控制速度，于是自然而然地遷移到運(yùn)用復(fù)雜的三球儀來幫助理解地球運(yùn)動(dòng)的特征，解釋地球公轉(zhuǎn)與四季變化的關(guān)系。

層次四：思維模型。學(xué)生的一個(gè)普遍前概念是四季變化與地球和太陽之間的距離有關(guān)，為了糾正這個(gè)錯(cuò)誤的前概念，教師借助兩張思維模型圖（地球公轉(zhuǎn)軌道距離與時(shí)間，同一時(shí)間地球南北半球的季節(jié)），引導(dǎo)學(xué)生找到四季變化與日地距離無關(guān)的證據(jù)——地球距離太陽近時(shí)北半球是冬季，距離遠(yuǎn)時(shí)北半球是夏季；同一時(shí)間，地球的南北半球恰好是相反的季節(jié)。這就是運(yùn)用思維模型來糾正錯(cuò)誤的前概念。

在本環(huán)節(jié)中，地球公轉(zhuǎn)示意圖就是簡(jiǎn)單的思維模型，但考慮到學(xué)生的思維能力有限，教師借助實(shí)物模型加深他們對(duì)地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)特點(diǎn)的理解。當(dāng)學(xué)生經(jīng)過體驗(yàn)意識(shí)到無法借助簡(jiǎn)單實(shí)物模型解決問題時(shí)，教師出示復(fù)雜的實(shí)物模型（三球儀），沿著他們的思維發(fā)展來推進(jìn)課堂教學(xué)，最后借助兩張思維模型圖使他們認(rèn)識(shí)到四季變化與日地距離遠(yuǎn)近無關(guān)，從而糾正其錯(cuò)誤的前概念。建構(gòu)模型的目的不僅僅是建立實(shí)物模型和思維模型，更重要的是對(duì)模型的應(yīng)用遷移。學(xué)生通過分析和研討，將模型（日地運(yùn)動(dòng)模型和示意圖）和原型（地球公轉(zhuǎn)引起四季變化）進(jìn)行對(duì)比，從而逆向理解模型對(duì)原型的運(yùn)用。

（作者單位：浙江省慈溪市實(shí)驗(yàn)小學(xué)教育集團(tuán)）

參考文獻(xiàn)

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