小學科學課基于建模的實驗教學策略

小學階段的實驗活動要與具體事物的研究、真實問題的解決相結合，在探尋最佳解釋或方案的過程中建構對科學概念的理解。因此，小學階段的實驗活動不僅僅是動手操作，還需要思維的參與，是手與腦有機結合的過程?；诮５膶嶒灲虒W可以有效將動手與動腦有機結合。學生在建立、使用模型的過程中建構對自然現象的理解，完善自己的思維模型，建構科學概念的同時，促進學習者對知識的深層理解和靈活應用。

一、小學階段建模活動的特點

（一）建?；顒拥某晒詫嶓w模型為主

一方面，建構實體模型可以為學生創造更多參與動手實踐的機會，為他們認識自然現象、理解科學概念提供更為豐富的感性素材。另一方面，實體模型可以為學生完善思維模型提供真實的證據，檢驗自己對原型事物的理解是否符合事實。例如：學生在解釋“圓頂形結構為什么可以承受很大壓力”這一問題時，可以用“可拼插拱形紙條”搭建一個圓頂形模型，并通過觀察模型受壓后形狀的變化解釋圓頂形結構承受更大壓力的原因。紙條、氣球、木板……作為建模材料成為表征學生思維的工具。學生用這種可視化的方式表達、驗證、反思自己的思維過程，促進思維模型的完善，逐步建構他們對大自然、對科學現象的認知。

（二）建?；顒拥男问揭员磉_性建模為主

北京師范大學教授劉儒德依據建模材料的原始程度，將建?；顒臃譃樘骄啃越：捅磉_性建模兩種形式。

在探究性建模活動中，提供給學生的是比較成熟的模型。學生通過預測、驗證、解釋等一系列與模型的交互活動發展思維模型，建構對概念的理解。例如：河流侵蝕實驗箱、小電動機模型……都是由教師根據研究對象建構的模型，再由學生通過一系列探究過程，建構相關科學概念。

而在表達性建?；顒又?，提供給學生的建模材料更加原始。需要學生對原型事物進行觀察，分析其中變量，并利用這些材料表達自己的理解，外化自己的思想，對自己的假設建構模型。由于小學階段的科學概念大多來自對日常生活、自然現象的觀察，概念的建構基于學生的日常經驗和已有概念，因此小學階段主要以表達性建模為主。但是這類建模活動的難度較大，需要教師的精心設計，提供必要的支持。

二、基于建模的實驗教學策略

模型并不是對自然現象的1：1復制，而是為了研究某種性質而抽象過的事物。因此，建?；顒訉τ谛W生而言是比較復雜的科學實踐活動。如何在小學科學實驗教學中有效實施建?；顒?，可以從以下幾個方面入手：

（一）選擇恰當的建模形式

恰當的建模形式，可以幫助學生更加高效地參與到實驗活動中，建構科學概念。依據建模工具的原始程度，可以將建?；顒臃譃樘骄啃越：捅磉_性建模兩種形式。采用哪種形式進行選擇需要結合“建構概念的難易程度”以及“學生的認知水平”兩個方面進行考慮。

1.探究性建模活動。

對于建構與學生日常生活較遠。學生難以理解的科學概念，應該選擇探究性建?；顒印Ｈ缌私狻昂恿鞯那治g作用”這一科學概念，小學生對于這一自然現象并不十分了解，缺乏基本的認知，難于利用建模材料表達自己的猜測與理解。因此，更為有效的建模形式是探究性建模：由教師對“河流侵蝕作用”這一自然現象進行抽象、簡化，分析關鍵變量建構河水侵蝕河岸的模型，再由學生對模型進行操作，觀察“河流”自上游至下游流動過程中對河兩岸的影響，沖刷下來的泥沙堆積在河流下游的現象，通過觀察模型顯現的各種現象認識“河流的侵蝕作用”這一科學概念。

2.表達性建?；顒印?/p>

像“身體運動是由骨、關節和肌肉協同完成的”這一概念，學生雖然不能直接看到骨、肌肉、關節配合完成運動的過程，但是可以通過“舉啞鈴”時手臂不同部位的外部變化推測其內部的狀態。這是思維建模的基礎，此時教師再提供一些具有肌肉、骨骼、關節相似特性的材料：氣球、木條、合頁……學生便可以嘗試利用這些材料以表達性建模的形式，建構自己對“肌肉、骨骼以及關節協同完成運動”的猜測與理解。

（二）提供合理的建模材料

建模材料不同于一般的實驗材料與學具，是學生表達科學思維的可視化工具。合理的建模材料可以幫助學生更加有效地進行建?；顒樱逦磉_自己對研究事物的理解。其合理性可以從兩個方面進行考量：材料特性以及其可操作性。

首先，所選材料的特性是否可以反映原型事物的基本屬性?？茖W教師對材料的特性更加了解，能夠將材料的特性與要模擬的自然事物建立聯系，要為學生選擇可以反映研究對象基本屬性的材料。比如氣球有彈性，吹鼓的氣球拉長后與肌肉的形狀也非常相似。因此，“骨骼、關節與肌肉”模型中用氣球模擬肱二頭肌和肱三頭肌。學生建模后通過操作、觀察更容易理解肌肉在運動中所發揮的作用。

其次，所選擇的材料是否便于學生操作，也是考量建模材料合理性的重要指標。小學階段以建構實物模型為主，學生建模的成果是實際的物體。使用簡單易操作的材料，學生建構模型時更容易完成建模任務。比如，圓頂形拼插模型中拱形紙條，為了便于學生操作，并體現拱足互相連接，將拱形紙條的拱足設計成上下拼插口，不但方便學生操作，建模后還能體現圓頂形的基本屬性。

（三）提供必要的認知支撐

建模是有著深度認知加工過程的科學實踐活動，對于小學階段的學生而言有一定的挑戰性，需要得到教師的幫助與支持，為他們的認知活動提供必要支撐。

1.充分觀察原型事物。

多項研究發現，兒童建立模型是從物體表面相似性入手的。因此，在建?；顒又幸獮閷W生提供了解原型事物的機會，而且是特征明顯的原型事物，便于學生抓住其特征建立思維模型來認識研究對象。例如：二年級學生需要“觀察并描述太陽每天在天空中東升西落的位置變化，初步學會根據太陽的位置辨認方向?！睘榱藥椭鷮W生在頭腦中建立四個方位的位置關系，同時引導學生制作一個關于“方位位置關系”的實物模型——方向卡。因此，教師帶領學生連續一周、在學校同一位置，觀察記錄早晨、中午和傍晚三個時間太陽在學校中的位置。通過對自然現象的觀察，學生發現：一天中，太陽位置的變化是有規律的，正是因為太陽的位置變化有規律，我們才能夠利用太陽的位置來辨認方向。這一對自然現象的認知，是學生建立方位位置關系這一模型的重要認知基礎。

2.將建模材料與原型事物建立聯系。

建模活動需要將模型與現實世界建立聯系，用模型表征自然現象。建模材料作為思維工具，是連接模型與現實世界的橋梁。學生只有理解建模材料與原型事物的聯系，才能通過建模表征研究對象，用可視化的方法來驗證自己的推測，表達自己的思想。如建構骨骼、關節與肌肉模型，學生要將氣球、木板、合頁、掛鉤等建模材料，分別與骨骼、關節、肌肉建立聯系，此時學生通過制作、操縱并觀察小模型，實現手臂“屈伸”運動，而形成他們對“骨骼、關節和肌肉配合完成各種運動”的解釋。

（四）創設修改模型的機會

建模實踐活動的重要特征：建構和修正模型。也就是說，建構模型、使用模型還要修正模型以適應新的證據，不斷完善學生頭腦中的思維模型建構理解。那么，我們在設計模型的時候就要把修改模型這一環節設計進去，給學生挖點“小陷阱”，給學生創設一些修改模型的機會。

“骨骼、關節、肌肉”模型，設計多個固定“肌肉”的連接點：“連接在哪？肌肉才能帶動手臂骨骼？”學生一開始將“肌肉”兩端都掛在同一根骨骼上。驗證模型時，發現肌肉不能帶動骨骼運動，意識到肌肉需要同時固定在兩根骨骼上才能帶動骨骼圍繞關節運動，學生在修正模型的過程中，完善了他們的思維模型，理解了骨骼、關節、肌肉在人體運動中的作用。

三、結語

綜上所述，在基于建模的實驗活動中，科學教師是關鍵因素：設計建模活動，選擇建模材料，為科學學習提供認知支撐……科學教師要在有效教學策略支撐下引導學生像科學家那樣建立和修正能夠解釋現象的模型，促進學生科學概念的有效建構，同時提升他們的科學實踐能力以及創新思維能力。

（徐德明）