以模型建構(gòu)為核心的小學(xué)科學(xué)教學(xué)實(shí)踐

【摘 " 要】科學(xué)學(xué)習(xí)中的模型建構(gòu)是一種將抽象概念具象化的思維方式，能夠促進(jìn)學(xué)生深入理解科學(xué)概念，提升科學(xué)思維能力。通過(guò)模型建構(gòu)活動(dòng)可以促進(jìn)學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)和不斷進(jìn)步，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和問(wèn)題解決能力。在教科版《科學(xué)》四年級(jí)下冊(cè)《莖和葉》一課的“觀察莖的運(yùn)輸作用”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師立足學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展，帶領(lǐng)學(xué)生聚焦原型、開(kāi)展模擬、運(yùn)用模型，讓學(xué)生初探概念本質(zhì)，有效建構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)深化遷移。

【關(guān)鍵詞】小學(xué)科學(xué)；模型建構(gòu)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；核心素養(yǎng)

科學(xué)學(xué)習(xí)中的模型建構(gòu)是一種將抽象概念具象化的思維方式，能夠促進(jìn)學(xué)生深入理解科學(xué)概念，提升科學(xué)思維能力。《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）要求學(xué)生基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)抽象概括出理想模型，具備初步的模型理解和模型建構(gòu)能力。然而，在當(dāng)前的課堂中，由于“模型材料選擇不當(dāng)，模型建構(gòu)淺嘗輒止，模型遷移不夠到位”等問(wèn)題，很多教師未能很好地達(dá)成上述教學(xué)目標(biāo)。以教科版《科學(xué)》四年級(jí)下冊(cè)《莖和葉》一課中的“觀察莖的運(yùn)輸作用”實(shí)驗(yàn)為例，為了打破教學(xué)桎梏，教師從問(wèn)題情境出發(fā)，推進(jìn)模型建構(gòu)教學(xué)，以此提高學(xué)生的模型認(rèn)知、模型建構(gòu)、模型應(yīng)用能力。

一、聚焦原型，初探概念本質(zhì)

模型建構(gòu)是科學(xué)思維在實(shí)踐中的具體呈現(xiàn)。教師要站在兒童的視角，尋找一個(gè)合適的切入點(diǎn)，挖掘原型的本質(zhì)，并創(chuàng)設(shè)具體的情境，暴露學(xué)生的錯(cuò)誤經(jīng)驗(yàn)，引發(fā)認(rèn)知沖突，撬動(dòng)思維的杠桿。教師還要對(duì)原型內(nèi)在的規(guī)律和特征進(jìn)行顯性處理，幫助學(xué)生有效梳理建模的思想方法，促使學(xué)生獲取建模知識(shí)。

（一）創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，使學(xué)生暴露前概念

教師結(jié)合學(xué)習(xí)主題，呈現(xiàn)含有原型的問(wèn)題情境，采用任務(wù)導(dǎo)向的教學(xué)方式，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)生活中的科學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行再認(rèn)識(shí)，充分暴露學(xué)生的已有概念和生活經(jīng)驗(yàn)。在“觀察莖的運(yùn)輸作用”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生通過(guò)前一課的學(xué)習(xí)已經(jīng)知道了根有吸收水分的作用，但對(duì)“吸收的水分去了哪里”“水分是怎么運(yùn)輸?shù)摹钡葐?wèn)題存在疑惑。部分學(xué)生模糊地知道莖有運(yùn)輸?shù)淖饔茫珜?duì)莖的認(rèn)識(shí)是存在偏差的。因此，教師通過(guò)“鳳仙花的莖是怎樣運(yùn)輸水分的”這一問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生猜測(cè)莖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，借助“畫(huà)一畫(huà)莖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)”這一活動(dòng)，將學(xué)生的前概念可視化。學(xué)生的部分作品如圖1、圖2所示。

在交流匯報(bào)時(shí)，教師鼓勵(lì)學(xué)生大膽表達(dá)觀點(diǎn)和假設(shè)，并引導(dǎo)其利用圖畫(huà)、文字表述及口頭交流等形式，將內(nèi)在的思想和理解清晰地展現(xiàn)出來(lái)。例如，在全班交流對(duì)莖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)時(shí)，要盡可能多地呈現(xiàn)學(xué)生的觀點(diǎn)。學(xué)生猜測(cè)的種類越豐富，后期產(chǎn)生的沖突感就越強(qiáng)烈。同時(shí)，要引導(dǎo)學(xué)生對(duì)自己的猜測(cè)進(jìn)行解讀和分析，提煉出關(guān)鍵詞，比如“中間的管道將水分運(yùn)輸上去”“均勻分布的管道能夠輸送水分”“交錯(cuò)分布的管道可以輸送水分”等等，促使學(xué)生用凝練、清晰、完整的語(yǔ)言表達(dá)自己的觀點(diǎn)。

（二）巧設(shè)學(xué)習(xí)支架，使學(xué)生獲取關(guān)鍵證據(jù)

對(duì)于比較復(fù)雜的研究對(duì)象，教師要進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。具體而言，教師應(yīng)聚焦原型中的關(guān)鍵特征，設(shè)計(jì)具體的探究方法并帶領(lǐng)學(xué)生展開(kāi)實(shí)踐，使學(xué)生不斷獲取證據(jù)，糾正錯(cuò)誤概念，形成正確的科學(xué)觀念。教師提前準(zhǔn)備好浸過(guò)紅墨水的鳳仙花的莖，在任務(wù)單中放上了橫切與縱切的操作示意圖，并設(shè)計(jì)了三條提示。

1.做一做：按操作指導(dǎo)，科學(xué)解剖鳳仙花的莖。

2.畫(huà)一畫(huà)：用簡(jiǎn)圖描述從橫切面、縱切面上觀察到的現(xiàn)象。

3.寫(xiě)一寫(xiě)：組內(nèi)討論，把自己的發(fā)現(xiàn)記錄下來(lái)。

四年級(jí)的學(xué)生已經(jīng)具備一定的實(shí)踐探究能力。基于此，教師遵循循序漸進(jìn)的原則，幫助學(xué)生把握探究活動(dòng)的大方向，并為學(xué)生提供了充足的自主學(xué)習(xí)空間。學(xué)生的記錄呈現(xiàn)出了不同的思維層次：有的小組只描述了從莖的橫切面、縱切面觀察到的現(xiàn)象，停留在觀察與記錄的層次；有的小組基于觀察到的現(xiàn)象，進(jìn)行了合理的推測(cè)，達(dá)到了發(fā)現(xiàn)與表達(dá)的層次；有的小組用圖文結(jié)合的方式描述觀察到的現(xiàn)象，而后用概括性的語(yǔ)言進(jìn)行了總結(jié)——“莖有運(yùn)輸水分的作用，運(yùn)輸?shù)墓茏臃植荚谒膫€(gè)角上”，表明其思維達(dá)到了分析與概括的層次。針對(duì)不同的記錄方式和思維層次，教師通過(guò)追問(wèn)的方式鼓勵(lì)學(xué)生持續(xù)探討，并與同學(xué)進(jìn)行互動(dòng)，獲取關(guān)鍵性證據(jù)。

二、開(kāi)展模擬，有效建構(gòu)模型

教師需要設(shè)計(jì)有效的建模方法和步驟，開(kāi)發(fā)恰當(dāng)?shù)慕叹撸偈箤W(xué)生完成建模活動(dòng)。學(xué)生基于凸顯原型本質(zhì)特征的實(shí)驗(yàn)材料，建立原型和模型之間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)科學(xué)概念的自主建構(gòu)。

（一）設(shè)計(jì)問(wèn)題鏈，推動(dòng)學(xué)生充分思考

基于模型的學(xué)習(xí)能夠使學(xué)習(xí)者在深入理解概念的同時(shí)，獲得科學(xué)思維能力的發(fā)展。教師從學(xué)生熟悉的日常物品入手，選擇類似材料，激發(fā)學(xué)生對(duì)原型本質(zhì)的思考。在一系列緊密相連、層層遞進(jìn)的問(wèn)題的引導(dǎo)下，學(xué)生能夠理解選擇這些材料的原因。在建模的過(guò)程中，學(xué)生依據(jù)問(wèn)題支架展開(kāi)研討，提升語(yǔ)言表達(dá)能力和思維能力。

在“觀察莖的運(yùn)輸作用”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師用注射器模擬莖內(nèi)部運(yùn)輸水分的管道、用木質(zhì)圓柱體模擬莖內(nèi)部的實(shí)心部分、用塑料片模擬莖的表皮（如圖3）。在“制作莖運(yùn)輸水分的模型”記錄單上，教師設(shè)計(jì)了啟發(fā)式問(wèn)題鏈，具體如下。

1.想一想：結(jié)合莖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，思考這些材料分別可以用來(lái)模擬什么。

2.做一做：利用這些材料，制作莖運(yùn)輸水分的模型。

3.說(shuō)一說(shuō)：展示小組制作的模型，說(shuō)說(shuō)這樣制作的依據(jù)是什么。

教師通過(guò)問(wèn)題“這些材料分別可以用來(lái)模擬什么”，引導(dǎo)學(xué)生聚焦模擬材料與原型本質(zhì)之間的相似點(diǎn)，為制作模型打下基礎(chǔ)；借助問(wèn)題“這樣制作的依據(jù)是什么”，引導(dǎo)學(xué)生反思模型的建構(gòu)是否科學(xué)合理，是否達(dá)到了對(duì)原型的真實(shí)表征。這是一種測(cè)試模型科學(xué)性的方式，也是一種自我評(píng)價(jià)的方式。學(xué)生在對(duì)比中加深了對(duì)原型的理解。

（二）分解建模過(guò)程，實(shí)現(xiàn)思維方式可視化

建模過(guò)程也是培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)素養(yǎng)、操作技能、合作交流能力的過(guò)程。通過(guò)建模，可以豐富學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)自主的思維加工提供事實(shí)基礎(chǔ)。需要注意的是，不同年齡階段學(xué)生的建模能力不同，應(yīng)有針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)。教師將“制作莖運(yùn)輸水分的模型”設(shè)計(jì)為以下兩個(gè)環(huán)節(jié)。

環(huán)節(jié)1：“制作莖的結(jié)構(gòu)模型”——在模仿原型結(jié)構(gòu)的過(guò)程中加深對(duì)莖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，并對(duì)莖運(yùn)輸水分的方式提出質(zhì)疑。

環(huán)節(jié)2：“改進(jìn)莖的結(jié)構(gòu)模型”——給模型增加動(dòng)力，模擬莖運(yùn)輸水分的過(guò)程，進(jìn)一步思考運(yùn)輸動(dòng)力的來(lái)源，形成問(wèn)題意識(shí)。

作為引導(dǎo)者、觀察者、合作者，教師要關(guān)注學(xué)生行為和語(yǔ)言的表達(dá)，鼓勵(lì)學(xué)生用圖文結(jié)合的方式表征自己的模型，并利用交流展示環(huán)節(jié)使學(xué)生的思維過(guò)程和思維方式可視化。

三、運(yùn)用模型，實(shí)現(xiàn)深化遷移

建模是一項(xiàng)完整的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，但建模的完成并不意味著活動(dòng)的結(jié)束。之后，學(xué)生還要對(duì)模型進(jìn)行分析驗(yàn)證、表達(dá)使用、評(píng)估修正和拓展運(yùn)用等。例如，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)觀察模型是否與原型相符，模型能否預(yù)測(cè)原型的運(yùn)作機(jī)制，能否有效地用于遷移，等等。隨著模型的不斷修正和運(yùn)用，概念也在不斷深化。

（一）從自評(píng)到互評(píng)，促進(jìn)概念深化

建模的重點(diǎn)不在于模型本身，而在于對(duì)模型進(jìn)行修正和運(yùn)用，并對(duì)模型與原型進(jìn)行對(duì)比，促進(jìn)學(xué)生加深對(duì)原型的理解。教師不僅要關(guān)注模型制作成果，還要關(guān)注學(xué)生在建模過(guò)程中能否運(yùn)用模型分析、解釋現(xiàn)象，能否描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特征。“制作莖運(yùn)輸水分的模型”評(píng)價(jià)單如表1所示。

評(píng)價(jià)單中設(shè)計(jì)的四項(xiàng)評(píng)價(jià)內(nèi)容分別指向“能否聚焦原型本質(zhì)特征，能否建立模型基本結(jié)構(gòu)，能否發(fā)揮模型基本功能，能否與他人合作且樂(lè)于分享”。這些評(píng)價(jià)內(nèi)容與《課程標(biāo)準(zhǔn)》中的科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐、態(tài)度責(zé)任四個(gè)維度的目標(biāo)相匹配。教師要合理運(yùn)用評(píng)價(jià)單，使評(píng)價(jià)深入模型制作和概念建構(gòu)的全過(guò)程。

本節(jié)課的探究過(guò)程中，絕大多數(shù)小組都將教師提供的六支注射器用完了，而某小組只用了四支（從原型中觀察到四根運(yùn)輸管道）。教師將這個(gè)“特別”的模型展示出來(lái)，同時(shí)呈現(xiàn)該組的活動(dòng)記錄單，其他小組的學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)。學(xué)生深入思考，將模型與原型的特征進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步理解模型是以事實(shí)為基礎(chǔ)的，是對(duì)原型的客觀表征，是用來(lái)解釋觀察到的現(xiàn)象的。

（二）從活動(dòng)到方法，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)遷移

概念學(xué)習(xí)初步完成后，教師應(yīng)設(shè)計(jì)新的問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行遷移應(yīng)用。本課教學(xué)中，教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)如何基于模型學(xué)習(xí)形成科學(xué)概念，促使學(xué)生在其他情境中自主運(yùn)用“提出問(wèn)題—作出假設(shè)—觀察驗(yàn)證—建模研究”的學(xué)習(xí)方法，為未來(lái)的科學(xué)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

在“觀察莖的運(yùn)輸作用”實(shí)驗(yàn)教學(xué)后，教師提出新的探究問(wèn)題：其他植物的莖與鳳仙花的莖相比，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一樣嗎？引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行橫向遷移。學(xué)生在課外利用學(xué)過(guò)的科學(xué)方法進(jìn)行建模學(xué)習(xí)，從一種植物拓展到多種植物，最終形成體系化的概念。教師也可以引導(dǎo)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行縱向延展，回顧模型演示中通過(guò)拉動(dòng)活塞將水分運(yùn)輸上去這一現(xiàn)象，聚焦“是什么提供了向上運(yùn)輸水分的力量”，引發(fā)學(xué)生對(duì)動(dòng)力的思考。這樣，學(xué)生就能從探究活動(dòng)中提煉學(xué)習(xí)方法，將觀察、解構(gòu)、建立模型、實(shí)驗(yàn)對(duì)比等科學(xué)方法應(yīng)用于課外學(xué)習(xí)。

建構(gòu)概念時(shí)，教師要引導(dǎo)學(xué)生使用元認(rèn)知策略，以監(jiān)控學(xué)習(xí)是否到位，并提供恰當(dāng)?shù)男虑榫常膭?lì)學(xué)生進(jìn)行遷移應(yīng)用，深化對(duì)概念的理解，最終實(shí)現(xiàn)概念建構(gòu)與概念應(yīng)用、科學(xué)思維發(fā)展與科學(xué)方法遷移。

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（浙江省海寧市紫微小學(xué)）