童建鶴

[摘要]模型法是初中科學(xué)教學(xué)中用于簡化問題、解決問題的常見方法。科學(xué)課程中涉及大量抽象的概念和理論，模型法的運用有利于將隱藏在復(fù)雜現(xiàn)象中的規(guī)律以更加直觀的方式呈現(xiàn)出來，能夠有效加深學(xué)生的理解。在初中科學(xué)教學(xué)中，教師應(yīng)將模型法應(yīng)用到科學(xué)教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中，以不斷提高科學(xué)教學(xué)的質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]模型法；初中科學(xué)教學(xué)；概念模型；物理模型；數(shù)學(xué)模型

[中圖分類號]G633.98[文獻標識碼]A[文章編號]16746058（2018）08008702

錢學(xué)森先生曾經(jīng)說過：“人認識世界的過程像小孩子一樣，是從形象思維開始的，而不是抽象思維。”由此可見，人更容易接受形象的、直觀的東西。初中階段，學(xué)生大腦處于發(fā)育的關(guān)鍵時期，也是形象思維向抽象思維發(fā)展的過渡時期。如果在科學(xué)教學(xué)的過程中，為學(xué)生搭建一個形象思維和抽象思維互相轉(zhuǎn)換的橋梁，則能更有利于學(xué)生厘清知識脈絡(luò)，探尋知識的內(nèi)在規(guī)律。在初中科學(xué)課堂上，教師經(jīng)常會用到模型，如牛頓第一定律如果忽略外力作用就是一個相對理想的模型；光線、杠桿、磁感線等內(nèi)容的學(xué)習(xí)也會經(jīng)常將研究對象設(shè)置為直觀模型。因此，在初中科學(xué)課堂教學(xué)中，教師更應(yīng)重視建模，將模型法應(yīng)用到教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中。

一、模型的分類

所謂模型，通常有概念模型、數(shù)學(xué)模型和物理模型三種形式。概念模型，就是以文字的形式來表述事物之間的聯(lián)系與本質(zhì)的模型。概念模型的構(gòu)建能夠促進學(xué)生對所學(xué)知識進行結(jié)構(gòu)化整理和歸納總結(jié)，提高學(xué)生的語言表述和綜合概括能力。

例如，八年級下冊《原子結(jié)構(gòu)模型》中的盧瑟福模型，我們的目標是了解黑箱方法，并依據(jù)輸出信息構(gòu)建原子結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

具體的教學(xué)步驟為：先讓紅外線水平射入空箱，觀察箱壁上光斑的數(shù)量，再在箱內(nèi)懸掛實體的大小球，讓紅外線光束射向黑箱，再觀察光斑數(shù)量并測算內(nèi)球的大小。在這一過程中，教師可以借助微視頻向?qū)W生介紹盧瑟福粒子散射實驗的操作流程，幫助學(xué)生分辨輸入信息和輸出信息，并推斷金原子中有一個帶正電的極小極重的中心體原子核，從而建立概念模型。這一過程不僅能讓學(xué)生將實驗與模型相結(jié)合，還能使學(xué)生成為模型的主動構(gòu)建者，有效提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

數(shù)學(xué)模型指的是用來描述一個系統(tǒng)及其性質(zhì)的數(shù)學(xué)形式，多應(yīng)用于速度計算、歐姆定律、血糖變化以及阿基米德原理等內(nèi)容中。初中科學(xué)教學(xué)中的數(shù)學(xué)模型一般分為兩類，一是坐標系模型，二是數(shù)學(xué)公式類模型。前者多用于表示某因素與某個量之間的變化關(guān)系。

例如，溶解度教學(xué)中，坐標系表示的是溫度變化對物質(zhì)溶解度的影響，如圖2所示。

從圖2中，我們可以清楚地看到，較之氯化鈉，碳酸鈉的溶解度受溫度的影響比較大，結(jié)晶時氯化鈉只能用蒸發(fā)溶劑的方法，而碳酸鈉除此之外還可以用冷卻熱飽和溶液的方法。這也是人們?yōu)槭裁炊鞊茐A夏天曬鹽的原因。建立數(shù)學(xué)模型的一般步驟為：觀察研究對象，提出問題—做出合理假設(shè)—根據(jù)實驗數(shù)據(jù)用數(shù)學(xué)形式對事物性質(zhì)進行描述—通過進一步實驗或觀察等對模型進行檢驗和修正。

物理模型就是在解決問題的過程中，忽視非本質(zhì)的因素，強調(diào)本質(zhì)的特征，從而對物理過程進行簡化的模型。具體步驟為：明確研究對象—分析環(huán)境，建立物理環(huán)境—分析對象在物理環(huán)境中的運動規(guī)律。同時，也可以建立類比或等效變換模型，這樣有利于學(xué)生求同思維的發(fā)展。學(xué)生理解模型后就會在以后的學(xué)習(xí)中靈活運用，進而達到舉一反三、觸類旁通的目的。

二、模型法的應(yīng)用

下面，我們以具體的教學(xué)環(huán)節(jié)為例，對模型法在初中科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用進行分析。

1.概念模型的應(yīng)用

科學(xué)教學(xué)中，概念是一個較為抽象的屬性，能夠反映客觀的、本質(zhì)的內(nèi)容，如果學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中沒有感性認知做基礎(chǔ)，則可能會導(dǎo)致理解錯誤或思維障礙。建立概念模型則很好地解決了這一問題，它能抓住影響事物發(fā)展的主要因素，加入對比、分析、綜合、實驗等方式，將抽象的概念與人腦中存在的事物聯(lián)系起來，使學(xué)生的理解更加清晰和透徹。

例如，在教學(xué)液體浮力相關(guān)內(nèi)容時，由于液體浮力大小的測量、沉浮條件等概念理解起來較為抽象，無形中增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。因此，教師引導(dǎo)學(xué)生建立液體浮力概念模型顯得十分必要。

在教學(xué)中

教師可精心設(shè)置問題，通過提問建立相關(guān)科學(xué)圖景，還可利用相關(guān)容器和材料進行引題，通過鹽水和雞蛋來演示浮力實驗，引導(dǎo)學(xué)生通過多種方法計算浮力大小。通過實際操作，小組討論，構(gòu)建相應(yīng)的概念模型，最終學(xué)生深刻理解了“浸入液體中的物體所受到的浮力等于它排開液體受到的重力”這一本質(zhì)內(nèi)涵。

2.數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用

初中科學(xué)課程中涉及很多定律、原理、假說以及法則等，這些內(nèi)容都比較抽象，學(xué)生理解起來有些困難，建立數(shù)學(xué)模型能夠有效降低學(xué)習(xí)難度。

例如，在學(xué)習(xí)“質(zhì)量守恒定律”時，需要構(gòu)建數(shù)學(xué)等式模型進行解題，如“某有機物R在足量氧氣中完全燃燒后的化學(xué)方程式如下：2R+13O2=8CO2+10H2O，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，求R的化學(xué)式?！辟|(zhì)量守恒定律是指參加化學(xué)反應(yīng)的各物質(zhì)的原子，重新組合形成其他物質(zhì)，反應(yīng)前后物質(zhì)的原子種類和數(shù)目沒有改變。因此，在解答上述例題時，考慮到等式右邊O原子為26個，C原子為8個，H原子為20個，而等式左邊需要同樣數(shù)量的相同原子，結(jié)合數(shù)學(xué)模型計算可知，R為C4H10。

又如，學(xué)習(xí)金屬與酸反應(yīng)的相關(guān)知識時，往往需要構(gòu)建數(shù)學(xué)坐標模型，研究相關(guān)圖像，進而發(fā)現(xiàn)規(guī)律解決問題，如“等質(zhì)量的鎂、鐵、鋅與相同質(zhì)量分數(shù)的足量的稀硫酸反應(yīng)，請在圖像的曲線上標出鎂、鐵、鋅?！痹谶M行解題時，需要考慮到每條曲線中，斜線越陡，說明單位時間內(nèi)產(chǎn)生的氫氣多，反應(yīng)快，金屬活動性越強。等質(zhì)量的不同金屬與足量酸反應(yīng)，化合價相同時，“人小志氣大”。在明確相關(guān)知識的后，結(jié)合數(shù)學(xué)模型，可明確圖像揭示的規(guī)律，如圖3所示。

再如，學(xué)習(xí)有關(guān)溶液的pH值與溶液的關(guān)系時，往往涉及數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，此時必須明確數(shù)學(xué)模型的相關(guān)特點。如NaOH溶液中不斷加入稀硫酸，請判斷溶液pH隨加入試劑的體積變化而變化的關(guān)系。由于NaOH為

堿性溶液，稀硫酸為酸性溶液，隨著稀硫酸的加入，溶液的酸堿性由堿性逐漸轉(zhuǎn)向酸性，pH值逐漸下降。以橫軸表示加入試劑的體積，縱坐標表示溶液的pH值，建立坐標系?？梢?，圖像應(yīng)呈下降的趨勢，開始時pH值逐漸趨向7，并且在稀硫酸加到一定體積后，pH值小于7，由此便可以確定圖像，如圖4所示。

3.物理模型的應(yīng)用

物理模型的建立蘊含著豐富的內(nèi)涵。在科學(xué)教學(xué)中，我們不僅要讓學(xué)生理解基本概念和基本規(guī)律，更重要的是引導(dǎo)他們分析問題，善于從材料中提取信息，實現(xiàn)對已有知識的遷移。

例如，一根勁度系數(shù)為k的彈簧，將其一端固定在墻面，而另一端連著質(zhì)量為m的物體，該物體靜止于光滑水平面的O點上，現(xiàn)有一個質(zhì)量為M的子彈以水平速度v射入且留在物體中，那么最少需要多久物體達到O點？在此過程中，我們要忽視子彈的轉(zhuǎn)動，將子彈視為平行射入，從而建立質(zhì)點系統(tǒng)模型。然后，選取子彈、物體和彈簧為研究對象，忽略空氣阻力等因素，建立彈簧振子模型，根據(jù)機械能守恒，可求得研究對象的動能，進而解決問題。至此，模型得以建立，所有問題也就迎刃而解。

綜上所述，模型法對于初中科學(xué)教學(xué)來說，是一種較為高效的教學(xué)方法，有利于學(xué)生提取主要信息進行對比、假設(shè)和分析，從而化抽象為具體，促進學(xué)生理解知識，解決問題。要想使初中科學(xué)教學(xué)取得理想的效果，教師要引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建各種各樣的模型。學(xué)生通過構(gòu)建模型能更加清晰直觀地了解事物的本質(zhì)，從而提高學(xué)習(xí)效率。

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（特約編輯安平）