以建模實驗為基礎推進科學概念學習

〔摘" "要〕" 以建模實驗為基礎，推進科學概念學習。結合學生認知水平、思維能力等特點，從形成心智模型、心智模型外顯、測試模型效果、遷移應用模型的建模能力出發，促進前概念向科學觀念的轉化。從科學探究到科學實踐，有利于提升學生分析和解決問題的能力，這樣的模型建構方式才具有價值。

〔關鍵詞〕" 小學科學；建模實驗；科學概念

〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻標識碼〕" A" " " " 〔文章編號〕" 1674-6317" " （2025）12" " 0016-03

一、問題的提出

《義務教育科學課程標準（2022年版）》要求教師在教學中注重大概念的落實，即需要把大概念作為課堂教學的主要目標之一?？茖W概念的落實一直是課堂教學中的重難點。然而在日常教學中學生往往難以理解科學知識，究其原因，是對概念的建構過程邏輯不清、認知模糊，最終難以形成系統性的理解和靈活應用。

現象一：《用種子繁殖》這一課中有這樣一個教學環節：觀察種子，猜測種子的傳播方式并驗證。這樣設計的意圖在于指導學生在已知生活經驗的基礎上，通過先觀察、做出猜想，然后模擬其在自然狀態下的傳播情況來驗證。但是在實際教學中發現雖然學生在教師的引導下，經歷了探究過程，鍛煉了觀察、分析、總結的能力，但是難以明確本課的科學概念，難以建立種子結構的多樣性是為了適應環境變化的概念，科學目標與概念之間的互相滲透微乎其微。

現象二：《太陽系大家族》這一課要求學生知道太陽系中有八顆行星，并描述它們在太陽系中的相對位置。全班絕大部分學生可以直接說出標準答案，這是他們已經具備的基礎宇宙知識。但若是需要更詳細地向別人介紹，將抽象概念轉換為具象的事物則有了難度。

如果一個問題拋下去，學生可以非常輕松地回答出來，這說明學生有著豐富的前概念，對他們而言這個問題不具備任何挑戰性。那么學生真的理解概念了嗎？顯然，在拓展延伸中，他們不會運用已學知識分析解決新的問題，也就說明科學概念的框架在學生知識體系中沒有完整的建構。因此，為了更好地幫助學生進行概念的建構，有效促進學生抽象邏輯思維能力的發展，建立模型的教學策略成了重要的紐帶。

二、問題的分析

（一）科學課堂教學現狀的分析

由于教學環境的限制，大部分學校資源有限，通常在教室進行教學活動。由于課程內容的復雜性和多樣性，有限的課堂時間都被安排得滿滿當當毫無間隙。而建?；顒铀枰牟牧稀r間、場地較之一般的探究實驗，要求更多，因此難以讓學生在課堂上進行直接觀察和深入研究。這樣的教學難接地氣，稍不留神就會使得理論與實際脫節或者是知識灌輸較多的情況，難以達到讓學生保持興趣、能知其然還能知其所以然的效果。

（二）學生認知水平現狀的分析

在皮亞杰認知發展四個階段中，小學四年級的學生正處于具體運算階段，此階段的兒童認知結構已經較前運算階段發生了重組和改變，具備一定的思維邏輯能力，但是這階段的兒童思維尚需具體事物的支持，抽象邏輯思維能力不成熟。而有些科學概念又比較抽象，相關知識較難，容易造成學習乏味枯燥，妨礙學生學習的興趣和效率的提高。

三、以建模實驗為基礎，落實學生科學概念的建構

2011年，美國國家研究理事會發布的《K-12科學教育框架》（以下簡稱《框架》）報告中，核心關鍵詞由“科學探究”轉變為“科學實踐”，這表明科學教育界正在努力扭轉當前課堂探究教學的模式化傾向，突出強調科學“知行合一”的實踐觀。在《框架》中，“建立和使用模型”被認為是學習真正的科學的最為重要的實踐活動。

科學建模能力是主體意識對客體現象復雜加工過程中表現出來的個性化心理品質，建模從原有認知、觀察和分析物理現象中形成初步的心智模型，然后通過推理、論證等復雜的認知行為對心智模型進行修正，最后形成概念模型。科學建模能力是一種主動的內隱的心智行為能力，是一種外顯的科學探究能力。培養和提升學生的科學建模能力可以參考如圖1的教學流程圖。

用科學建模的方式建構科學概念。引入情境為學生提供推測依據，暴露學生的前概念，初步形成心智模型，激發學生的探究欲和好奇心，進一步引導學生，根據環境和實物在大腦中的形象通過表征表述的方式使心智模型外顯，在這個環節中，學生會出現偏差、不完整甚至是錯誤的認知。隨著實踐深入，經歷分析、比較、綜合、概括等過程逐步搭建出較為完整正確的科學模型。最后利用其與外部因素相聯系得出的相應規律，遷移到較為復雜的真實生活中去，形成對科學概念完整清晰的建構。

（一）暴露科學前概念，形成心智模型

美國著名教育心理學家奧蘇貝爾說：假如我把全部教育心理學僅僅歸納為一條原理的話，影響學生唯一最重要的因素就是學生已經知道了什么，要探明這一點，并應據此進行教學。生活處處有科學，學生通過日常生活中的各種見聞和學習經歷，腦中不再是一片空白，早已對各種事物建構起了自己的認知框架，在此基礎上初步形成了自己的思維方式，存在著豐富的科學前概念。

在《人的呼吸》這一課中，探究吸入的空氣與呼出的氣體有什么不同，學生普遍認為吸入的是空氣，呼出的是二氧化碳，明顯是錯誤的。學生從課外書、視頻中學習到了一些知識，但一知半解或是不完整，形成了最初的心智模型。但正因為與自己的前概念形成了強烈的認知沖突，恰好激發了學生一探究竟的熱情和決心，有了動力，后面的探究將事半功倍。此外，在日常教學備課中，備學生，備教材，其中很重要的一點便是了解學生前概念，及時了解學生當前認知水平，每個學生、班級的認知水平與家庭文化水平、父母專業、學習環境、學習途徑等參差不齊，我們進行教學時要與學生水平相適應。在前概念調查中，讓學生先畫一畫山地、盆地、高原、丘陵、平原地形的特點，我們發現學生無法清晰地區分山地丘陵，對于海拔只有基礎的簡單知識，如圖2所示。有的班級的學生，對各種地形的名稱、特點認知較為清晰，那么教師則不用在講授地形特點這一板塊花費太多時間，可以將更多的時間使用在建立模型上，繪圖、用超輕黏土建成立體模型。而有的班級則需要調查前概念后進行調整，從圖片、視頻、資料閱讀多角度觀察、描述、總結地形的特點，形成初步的心智模型。

“前概念”也稱為“迷思概念”，通常是在對日常生活現象觀察的基礎上建立的。事實上，由于我們的見識面狹窄，日常生活經驗往往比較粗淺甚至是錯誤的，因此在前概念中容易形成認知沖突。那么，在進行系統的科學探究之后，新舊概念的碰撞、重組，隨著時間、次數的增加，學生對信息處理能力越強，越有利于形成科學概念的內部結構化。

（二）心智模型外顯，初建科學概念

建構主義認為，科學概念的學習就是學生由前概念向科學概念的轉變過程。在小學科學課堂教學中，讓學生單一地學習理論知識無法實現教學目標和落實科學概念。所以教師大多會采用各種策略激發學生課堂思維的發生。構建模型使心智模型外顯，更是科學探究策略中的重要方法。它提供給學生一些邏輯思考和思路的工具，將抽象思維具象化，落實概念的建構，促進學生對概念的理解。

在《種子的旅行》一課教學中，引導學生思考種子借助周圍環境的力量，需要什么樣的本領才能傳播到更遠的地方去。設計意圖在于讓學生真正明確種子的結構多樣性其實是適應環境的結果，是生物進化史上最基礎的偉大進程。將學生置于情境中，從單一到多角度、多方面對現象做出解釋，將情境當作可以支持思考、認識各類現象的工具。將學習的主動權交于學生手中，使其自主分析該環境中種子若想實現傳播的目的，需要什么本領。學生不再局限于一些典型的種子特征，可以開放地運用已有經驗及材料，設計出種類更加豐富的模型，將環境與結構聯系得更加密切，思維得到發散，如下表所示。

（三）測試模型效果，完善概念內涵

在STEM教學理念中，設計模型是不斷迭代的過程。從問題情境到建構模型，再到分析模型、應用模型、評估模型、修正模型，再回到問題情境，是一個不斷修改、優化的動態循環過程。在實際教學中，學生對于初步建構的模型還不是很完善，在分享交流的過程中，匯報小組傾聽其他同學的評價，接納合理的建議，互相交流的過程也是對自我認知的一個進階過程。

如在《月球》一課教學中模擬隕石撞擊地球。未經處理的土壤無法模擬月球表面疏松的土壤層，研磨成細顆粒再過篩，細膩均勻地鋪在盒子中，再在表面撒上面粉，模擬松軟的土質、隕石的撞擊。通過對比隕石坑與火山口的形狀不同，判斷環形山的由來?！队^察星空》一課教學中用7個球模擬北斗七星，從正面看形成了一個標準的勺子形，但從另一個角度看，不同的球體位置引發學生思考，在不斷地取證過程中，明確不同的星體與地球的距離各不相同?！墩J識地形》一課地理概念具象化，從科學的角度，講授色彩與海拔溫度、植物類型等角度，形成科學完整的模型，多學科融合建構科學的概念，如圖3所示。

借助模型的自主探究方式，學生的思考有了更全面的視角。新的發現源自實踐。由此可見，學生不再拘泥于現有的、教師提供的有限證據之中時，思維才得以真正發生。以應用、評估模型作為表達交流環節的方式，解答別人的質疑，傾聽別人的建議，修改自己的模型，是學生對自己探究過程的認識，更是對科學概念的進一步認知。

（四）遷移應用模型，促進概念內化

以建模實驗為探究方式，將科學探究變為科學實踐，這樣的教學模式顛覆了以往的傳統教學，讓學生站在課堂中央，充分體現了學生的主體地位。在科學教學中，建模是為了解決客觀條件下不能對某些自然現象進行直接實驗的問題，不單純只是一種科學教學手段，而是希望學生內化成自己的思維方式和本領，靈活運用于其他學習領域。

通過觀察、比較的方式，再次鞏固模型的基本結構，并能夠將模型進行拓展，舉一反三，模型不斷進階，概念不斷內化成自己的思維方式，思維不斷提升，唯如此，才能彰顯“學者貴于行之，而不貴于知之”的優秀品質。

【本文系南京市教育科學“十四五”規劃2022年度課題“城鄉結合部支持教師持續性專業發展的‘項目化學習’研訓實踐研究”成果，課題編號：L/2022/029】

參考文獻

[1]袁媛，朱寧波.國外青少年科學建模能力的理論研究與實踐探索[J].外國中小學教育，2016（1）：26-32.

[2]翟小銘，郭玉英.科學建模能力評述：內涵、模型及測評[J].教育學報，2015（6）：75-77.