江蘇省蘇州工業(yè)園區(qū)方洲小學(xué) 鮑峰

模型與解釋：科學(xué)抽象問題的解決之道
——以“輪軸”一課教學(xué)為例

江蘇省蘇州工業(yè)園區(qū)方洲小學(xué) 鮑峰

2013年美國最新發(fā)布的《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》把“科學(xué)探究”更新為“科學(xué)與實踐”，其中將開發(fā)和利用模型列入“科學(xué)與實踐”。由此，模型被提到了重要的位置。因此，教師在引導(dǎo)學(xué)生解決科學(xué)問題時應(yīng)重視對模型的運用，將其作為提高學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的重要手段。本文以教科版六年級上冊“輪軸”一課為例，談?wù)勥\用模型與解釋解決科學(xué)抽象問題。

一、情境導(dǎo)入，聚焦問題

筆者在課件中出示生活中的水井和桶，向?qū)W生提問：你有什么辦法能把一桶水從井里提起來？學(xué)生會想到用繩子系住桶，放入井中，打滿水后，再用繩子把桶拉起來。老師介紹桌上的工具，線的一端掛著重物，另一端固定在塑料管上。追問學(xué)生：你能用桌上的這個工具把水桶提起來嗎？先自己動手操作，再交流。學(xué)生很快會想到轉(zhuǎn)動塑料管，水桶就能提起來，經(jīng)過嘗試發(fā)現(xiàn)這種方式是可行的?？墒巧钪幸煌八闹亓勘冗@重多了，再用這個塑料管轉(zhuǎn)會怎樣呢？答案肯定是不省力的。由此，本節(jié)課的任務(wù)就落在了如何設(shè)計方案和改進裝置，以便能省力地把水提上來。

二、親歷實踐，建構(gòu)模型

1.提出方案。提出本節(jié)課的任務(wù)后，學(xué)生紛紛思考如何改進現(xiàn)有的這個裝置。其中有一種方法得到了很多同學(xué)的認同，那就是在塑料管上打個洞，然后插一根竹棒，借助竹棒轉(zhuǎn)塑料管，這樣會感覺到省力很多。于是我演示如何用測力計測量直接提重物和借助短竹棍提重物的方法。接著學(xué)生小組合作改進新裝置并測試用力情況。

2.實驗取證。通過實驗，證明借助竹棒轉(zhuǎn)動塑料管可以省力。有一個小組測得的數(shù)據(jù)是：直接提重物的力是2.0N；借助小竹棒用的力測了三次，都是0.3N，另一小組測得的數(shù)據(jù)有些“奇怪”：直接提重物的力是2.1N；借助小竹棒用的力測了三次，分別是0.5N、0.3N和0.1N。兩個組測得直接提重物的力相差0.1N，在誤差范圍內(nèi)，在小竹棒上所用的力為何測出來相差很大呢？我馬上請這個小組的同學(xué)來解釋一下，原來這個小組在測量的時候，測力計勾住小竹棒的位置發(fā)生了變化，導(dǎo)致了三次結(jié)果都不一樣。誤打誤撞下，學(xué)生發(fā)現(xiàn)借助小竹棒不僅省力，而且還發(fā)現(xiàn)用力的位置越遠離塑料管所用的力就越小，即越省力。

3.論證質(zhì)疑。我組織學(xué)生選擇同一個竹棒在不同位置進行測試。經(jīng)過多次測試，發(fā)現(xiàn)用力的位置距離塑料管越遠越省力。那么我們還想再省力些，如何改進現(xiàn)有的裝置呢？有學(xué)生不假思索，脫口而出道：“選用更長的竹棒呀！”“好的，那你來試一試吧?！崩蠋熑〕鲆桓?米多長的“加長版”竹棒，交到學(xué)生手中。剛開始使用起來還方便，可是當(dāng)竹棒轉(zhuǎn)到最高處時，學(xué)生的手夠不著了，當(dāng)竹棒轉(zhuǎn)到最低處時，竹棒碰到桌子，轉(zhuǎn)不過去了?？磥碇癜粢膊荒芴L啊，太長了反而不方便了。所以在選擇竹棒的長度時不但要考慮能否省力，還要考慮是否方便。

4.修改方案?！凹热恢癜舻拈L度不宜過長，那么還有別的辦法嗎？”我引導(dǎo)學(xué)生換個角度思考問題。有學(xué)生想到了增加竹棒的數(shù)量，比如在塑料管上插上3根竹棒。于是我再次組織學(xué)生討論。經(jīng)過討論，學(xué)生得出了這樣的解釋：（1）增加竹棒后，塑料管轉(zhuǎn)1圈，每根竹棒只要轉(zhuǎn)動三分之一圈就可以了。（2）原來在一根竹棒上用力，現(xiàn)在可以在三根竹棒上用力，相當(dāng)于每根竹棒只要承擔(dān)原來三分之一的力。（3）當(dāng)竹棒轉(zhuǎn)到離我們手最遠的時候，可以在另外的竹棒上用力。

5.完善模型。假如繼續(xù)插上更多的竹棒，就更方便更省力了。竹棒太多了，老師干脆用線把這些竹棒連起來，并轉(zhuǎn)動裝置。同學(xué)們看，像什么？像蜘蛛網(wǎng)、像紡織車、像方向盤……“同學(xué)們的想象力真豐富，其實，科學(xué)上專門給這樣的工具取了個名字，叫輪軸。顧名思義，它是由‘輪’和‘軸’組成的。”水到渠成，我抓住時機揭示輪軸概念。借助輪軸模型的建立，輪軸概念在學(xué)生大腦中順利建構(gòu)起來。

三、應(yīng)用生活，形成解釋

輪軸模型建構(gòu)是這節(jié)課的重要環(huán)節(jié)，如果學(xué)生只是沉浸在成功建模的喜悅中，不運用模型去描述、解釋或預(yù)測客觀世界，那這樣的科學(xué)探究是淺層次、低思維的。因此我讓學(xué)生說說除了老師介紹的生活中的輪軸外，還有哪些是輪軸？學(xué)生說有螺絲刀、門把手、水龍頭、卷筆機的搖柄、拉桿書包的輪子，等等。為了讓學(xué)生對輪軸有更深刻的認識和理解，于是我組織學(xué)生對他們提出來的輪軸進行判斷。這引起了大家的激烈爭論，除了螺絲刀大家一致認為是輪軸外，其他幾個大家都提出了不同的觀點。如卷筆機的搖柄，一開始很多學(xué)生保持沉默，同學(xué)拿出自己的卷筆機立刻解釋說：“現(xiàn)在雖然看不見‘輪’，但大家看，轉(zhuǎn)動時就有‘輪’了！”再如水龍頭，有些學(xué)生認為以前老式的水龍頭是輪軸，因為它是靠輪帶動軸的；而現(xiàn)在常用的水龍頭不是輪軸，因為它沒有“輪”。有些學(xué)生認為現(xiàn)在常用的水龍頭是上下掰動或左右轉(zhuǎn)動的，上下掰動時是杠桿，左右轉(zhuǎn)動時是輪軸。

綜上所述，模型作為一種重要的認知手段和思維方式，在解決科學(xué)抽象問題時發(fā)揮了重要作用。在構(gòu)建模型時，一方面，我們可以從原型出發(fā)，抓住原型的本質(zhì)特征，對原型進行抽象和簡化，以促進學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的認識；另一方面，我們可以借助模型將高度抽象的科學(xué)概念和理論具體化，以提高學(xué)生運用科學(xué)知識解決實際問題的能力。