在小學(xué)科學(xué)教學(xué)實踐中創(chuàng)新建模教學(xué)模式

在小學(xué)科學(xué)新課標(biāo)中，首次將“模型建構(gòu)”素養(yǎng)納入科學(xué)課程的核心素養(yǎng)中，那么，如何在日常教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的建模思維以及基于此的教學(xué)流程應(yīng)該如何設(shè)計？最初，我們以美國施瓦茲教授團(tuán)隊提出的基于模型建構(gòu)思維的教學(xué)模式為基礎(chǔ)進(jìn)行實踐探索，在實踐過程中發(fā)現(xiàn)模型的不適用性并進(jìn)行調(diào)整，最終形成了新的建模教學(xué)模式。

1.構(gòu)建符合學(xué)生思維發(fā)展的建模教學(xué)模式

施瓦茲建模教學(xué)模式包括四個建模的發(fā)展層級：對現(xiàn)象的建模、對本質(zhì)的建模、對模型的運(yùn)用以及用模型解釋整個世界。建模教學(xué)活動所要建構(gòu)的模型種類是奧耐克對模型的分類中的“概念模型”，即用于解釋現(xiàn)象，將現(xiàn)象和系統(tǒng)進(jìn)行一個簡化的、理想化的外部表征；而學(xué)生建構(gòu)概念模型的過程是“心智模型”的建構(gòu)過程，具體說來，建模教學(xué)模式下，學(xué)生要完成的概念模型是科學(xué)家已經(jīng)總結(jié)出來并由課標(biāo)編寫組專家整理并呈現(xiàn)在課標(biāo)中的科學(xué)概念，所以建模教學(xué)的學(xué)習(xí)過程是學(xué)生形成最終概念模型期間“心智模型”不斷建設(shè)的過程。因此，在建模教學(xué)模式下的教學(xué)過程中，教師會持續(xù)關(guān)注學(xué)生心智（思維）的發(fā)展程度，學(xué)生也會持續(xù)對自身思維形成元認(rèn)知。

運(yùn)用施瓦茲建模教學(xué)模式設(shè)計建模課程能夠幫助學(xué)生發(fā)展思維，但實踐中我們逐漸發(fā)現(xiàn)，單純地套用施瓦茲建模教學(xué)模式設(shè)計的教學(xué)存在“模式化”與“設(shè)計思路局限性”兩個主要不足之處，使得課程設(shè)計變成千篇一律，而學(xué)生思維發(fā)展被模式化的課程結(jié)構(gòu)所牽制，這違背了學(xué)生建模思維連貫性的出發(fā)點。基于上述認(rèn)識，我們對施瓦茲建模教學(xué)模式進(jìn)行了兩次改進(jìn)。

第一次改進(jìn)。我們將施瓦茲建模教學(xué)模式中的四層進(jìn)階模型轉(zhuǎn)換為策略，這些策略包括構(gòu)建基礎(chǔ)模型、構(gòu)建假設(shè)模型、構(gòu)建現(xiàn)象模型、構(gòu)建過程性模型、構(gòu)建本質(zhì)模型、構(gòu)建實物模型等，在教學(xué)設(shè)計過程中組合使用。這打破了施瓦茲建模教學(xué)模式，變成多種建模教學(xué)策略的組合。然而，在實際教學(xué)中，這樣的改變雖然解決了課程設(shè)計模式化與思維局限性的問題，但依然不夠成熟。

第二次改進(jìn)。經(jīng)過第二次改進(jìn)形成的新的建模教學(xué)模式，更加關(guān)注學(xué)生思維連貫性。學(xué)生的學(xué)習(xí)會經(jīng)歷如下的思維歷程：第一次構(gòu)建模型之后，運(yùn)用模型來解決問題、解釋現(xiàn)象或者作出預(yù)測；在解決問題或者解釋現(xiàn)象的過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)模型的不足之處，進(jìn)而對模型進(jìn)行完善，可視為第二次構(gòu)建模型；然后，再次運(yùn)用模型解決問題或者解釋現(xiàn)象。如此循環(huán)，每一次都是對模型理解的加深、對模型合理性的確認(rèn)。在這個過程中，學(xué)生會運(yùn)用多種科學(xué)思維方式，如典型歸納等，并采用多種科學(xué)方法，如單因素變量實驗等。新的建模教學(xué)模式符合學(xué)生建模思維發(fā)展過程，便于用來指導(dǎo)教學(xué)設(shè)計。

2.基于新的建模教學(xué)模式設(shè)計教學(xué)

在五年級“沉與浮”一課中，學(xué)生在日常生活中已經(jīng)有了“什么物體會沉到水中，什么物體會浮在水面”的認(rèn)識，這便是學(xué)生基于生活經(jīng)驗無意識形成的概念模型。在課上，教師幫助學(xué)生將概念模型梳理、總結(jié)出來，即學(xué)生普遍認(rèn)為，“重的物體會下沉，輕的物體會浮在水面上”。這便可以看作學(xué)生第一次構(gòu)建出來的概念模型。

接下來，運(yùn)用模型解決問題、解釋現(xiàn)象或者作出預(yù)測。在本課中，教師請學(xué)生運(yùn)用模型進(jìn)行預(yù)測，即請學(xué)生從身邊收集各種各樣的物品，分別預(yù)測它們是沉還是浮。學(xué)生掂量石塊、蘋果和鴨梨，認(rèn)為它們比較重，會沉入水底；學(xué)生掂量筆帽、小塊橡皮泥，認(rèn)為它們比較輕，會漂浮在水面上。而當(dāng)將這些物體放入水中的時候，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)，結(jié)果與自己的預(yù)測有所不同，發(fā)現(xiàn)蘋果是漂浮的，筆帽和小橡皮泥是下沉的，這與最初形成的概念模型預(yù)測的結(jié)果不一致。由此引發(fā)學(xué)生思考，質(zhì)疑概念模型，并修改與完善模型。

學(xué)生需要思考模型哪里出了問題，是完全錯誤還是有一些限制性的條件沒有想到導(dǎo)致的模型不完整？通過交流討論，學(xué)生發(fā)現(xiàn)物體的沉浮可能不僅與物體的質(zhì)量有關(guān)，還與物體的大小有關(guān)。找出模型可能存在的問題，接下來進(jìn)一步進(jìn)行驗證，即在固定物體大小之后再進(jìn)行物體沉浮的測試，也就是采用了課本上的實驗，使用同樣大小的塑料泡沫、木塊、蠟燭板，在上面不斷放置墊圈，比較誰的漂浮能力更強(qiáng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最輕的塑料泡沫的漂浮能力最強(qiáng)，最重的蠟燭板的漂浮能力最弱。由此得出結(jié)論：相同體積的物體，越重的漂浮能力越差，越輕的漂浮能力越強(qiáng)。通過對原先模型進(jìn)行修改后形成新的概念模型，可以看作是第二次建模。

之后，再一次運(yùn)用模型解決問題，繼續(xù)進(jìn)行本單元第二課時的教學(xué)任務(wù)，也就是改變物體的浮沉，想辦法讓沉在水底的物體浮上來，讓浮在水面的物體沉下去：對于浮在水面的空水瓶，學(xué)生通過向瓶中注滿水增加其重量，讓物體下沉；對于沉在水底的橡皮泥，不容易改變其重量的情況下，可以改變其體積大小，將橡皮泥捏成扁平狀或者小船狀，讓橡皮泥浮在水面上。利用模型解決了實際問題，就可以證實模型的合理性。

由此可見，學(xué)生學(xué)習(xí)的過程其實就是頭腦中不斷建模的過程。學(xué)生最初建構(gòu)起來的概念模型，在運(yùn)用中被檢驗，又在重新建模的過程中不斷完善對于某個概念模型的認(rèn)識，加深對某個概念模型的理解。這便是新的建模教學(xué)模式在教學(xué)設(shè)計過程中的運(yùn)用。

綜上所述，對某一個概念模型進(jìn)行模型建構(gòu)的過程，是一個運(yùn)用模型并對模型反復(fù)完善的循環(huán)過程。各種思維方式與科學(xué)方法都是為了學(xué)生自主構(gòu)建概念模型服務(wù)的，教師在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中扮演了為學(xué)生搭建腳手架或者啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生的角色。在形成概念模型的時候，學(xué)生會采用歸納、推理、判斷、綜合、分析等多種學(xué)科思維方式，是學(xué)科學(xué)的過程；在運(yùn)用概念模型的時候，學(xué)生會運(yùn)用演繹、推理、分析、對比、比較、判斷等多種思維方式以及運(yùn)用單一變量實驗等多種科學(xué)方法，是用科學(xué)的過程。通過新的建模模式進(jìn)行課程設(shè)計，可以幫助學(xué)生維持思維發(fā)展的連貫性、提高用科學(xué)解決問題的能力、培養(yǎng)實事求是和辯證的品質(zhì)、提升科學(xué)素養(yǎng)與核心素養(yǎng)。

本文系北京市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度課題“基于建模教學(xué)策略提升學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)的研究”（課題編號：CDDB21217）階段性研究成果

編輯 _ 李剛剛