楊火江 孔明德

【內(nèi)容摘要】建立模型是為了研究科學(xué)問題方便和易于探究事物的本質(zhì)，從復(fù)雜的科學(xué)現(xiàn)象或過程中抽象出研究對象的簡化描述或模型，幫助人們抓住問題的主因，使科學(xué)問題簡化。筆者重點是根據(jù)現(xiàn)行的科學(xué)教材以及通過觀摩課堂教學(xué)，歸納總結(jié)在教學(xué)中可以實施的初中科學(xué)建模教學(xué)：情境建模、實驗建模、圖像建模、歷史建模、數(shù)理建模。并對這五種建模方式進(jìn)行了方法論述然后選擇了相對應(yīng)的教學(xué)設(shè)計片段作為教學(xué)案例進(jìn)行案例證明，通過五種建模的方法教學(xué)，提高學(xué)生對初中科學(xué)建模多樣性的認(rèn)識，增強(qiáng)學(xué)生將所學(xué)到的理論聯(lián)系到實際中去的意識，在建模的過程中，培養(yǎng)和提升學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力。

【關(guān)鍵詞】建模能力? 模型教學(xué)

一、一道杭州中考題引起的思考

2016年杭州中考題：測量杠桿的機(jī)械效率。學(xué)生對于科學(xué)核心知識了然于心：杠桿平衡方程、有用功與總功的比值即機(jī)械效率。然而解題時并不順利，因為無法建立“相似三角形”對應(yīng)邊成比例的數(shù)學(xué)模型，最后功虧一簣。

二、學(xué)生建模能力不高現(xiàn)象的分析

許多初中學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)的過程中，常常在遇到一些實際問題時一籌莫展，最終不得不請教老師。有的學(xué)生在老師念題后，問題就已經(jīng)解決;有的學(xué)生則在老師畫出示意圖后，問題也能解決;對于有些相對較抽象復(fù)雜的問題，在教師指導(dǎo)下建立模型后，也能順利解決。由此可知，學(xué)生解決實際問題的能力差異，實際上多數(shù)是科學(xué)建模能力的差異。學(xué)生缺乏建模意識，課堂教學(xué)重知識輕方法;缺乏建模體驗，科學(xué)探究重形式輕體驗;缺乏建模思維，習(xí)題教學(xué)重結(jié)果輕過程。這個現(xiàn)象應(yīng)引起我們的重視與思考。

三、建模能力培養(yǎng)的課堂教學(xué)設(shè)計與實施

科學(xué)課程本身是充滿了觀察與猜想、探究與建模的活動，學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的目的，不僅僅是獲得科學(xué)知識等基本能力，更重要的是獲得自己探索自然界中科學(xué)知識的體驗和利用科學(xué)知識解決實際問題的能力，獲得對客觀事實尊重的精神及對科學(xué)執(zhí)著追求的態(tài)度。學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的過程即是學(xué)習(xí)模型的過程，因此，我們要努力挖掘教材，再現(xiàn)科學(xué)建模情境，讓學(xué)生體驗前輩們科學(xué)建模過程。

（一）情境建模

情境建模是指教師緊扣教材，創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)情境所描述，提出需要解決的問題，根據(jù)情境提煉出所需解決問題的主要特征而建立簡化后的科學(xué)模型，解析模型，然后推廣交流。學(xué)生在教師引導(dǎo)下，在教師創(chuàng)設(shè)的情境中，建立模型的過程中培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，收集有效信息，解決實際問題的等多種能力。

例如：可根據(jù)“神州”系列飛船發(fā)射的新聞，創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)情境建立模型。首先利用圖片，視頻報道，文字報道等多種教學(xué)手段介紹中國航天事業(yè)發(fā)展的新聞。引導(dǎo)學(xué)生融入所創(chuàng)設(shè)的情境中，學(xué)生一方面為中華民族而感到自豪，另一方面會思考關(guān)于神州升空、入軌、對接等與剛學(xué)知識有何種聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生將所學(xué)的知識與教師所創(chuàng)設(shè)的情境結(jié)合起來的探究欲。所學(xué)的知識直接與情境結(jié)合比較困難，需要一個中間的過渡，而這個過渡便是建立物理模型過程。根據(jù)目標(biāo)出發(fā)，提出問題，再根據(jù)需解答的問題。情境創(chuàng)設(shè)可以細(xì)化延伸到：三態(tài)變化、聲和光、運(yùn)動和力、能量守恒與轉(zhuǎn)化、大氣壓、失重（浮力、壓強(qiáng)、杠桿、滑輪、對流、測量等）、化學(xué)反應(yīng)、太空實驗（育種、光合作用、呼吸作用等）、生命保障系統(tǒng)等，在初中不同的學(xué)習(xí)階段有規(guī)劃、有層次的創(chuàng)設(shè)情境，發(fā)現(xiàn)問題，建立模型，解決問題。

作為初中科學(xué)課堂的情境建模，教師首先緊扣書本創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生自主在情境中發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)而建立模型，求解模型，最后遷移交流。整個情境建模的過程可以用下面的流程圖表示：情景—問題—建?！w移。

下面以是七年級上冊第三章第四節(jié)《地殼變動和火山地震》第二課時（片段）這一堂課的教學(xué)設(shè)計為例，來探討如何進(jìn)行情境建模教學(xué)。

A.緊扣課本，創(chuàng)設(shè)情境

情景：以“情感共鳴”導(dǎo)入

設(shè)計流程：教師播放汶川地震錄像。

教師啟發(fā)預(yù)設(shè)：你能用恰當(dāng)詞語描述此時此刻你的感受嗎？

學(xué)生觀看并組織語言發(fā)表感言。

教師過渡：地震給我們帶來了無比的傷痛，今天我們就來認(rèn)識一下它。

教學(xué)設(shè)計說明：創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，直擊主題，為學(xué)習(xí)本課知識奠定心理準(zhǔn)備和知識準(zhǔn)備。

B.簡化問題，建立模型

學(xué)生活動1：模擬地震小實驗

設(shè)計流程：你對地震震源、震中距、震中、震源深度理解嗎？你能用實驗來模擬這些因素與地震破壞程度之間的關(guān)系嗎？

學(xué)生活動2：地震大演習(xí)

設(shè)計流程：教師播放地震來時的聲音，看每一位學(xué)生的反應(yīng)，從而來討論分析地震來臨時自我保護(hù)的動作。

模型呈現(xiàn)：

在課桌上用木制積木搭建一建筑物，用小錘從下向上敲擊實驗臺臺面底部中心（適當(dāng)控制力度），模擬地震發(fā)生。

實驗臺臺面中心為圓心，分別以10厘米、20厘米、30厘米為半徑畫圓（同一圓上的地點震中距相同）。

C.橫向交流，模型遷移

設(shè)計流程：假如將來的你是一名建筑師，為了抗震，你會將房子設(shè)計成什么樣呢？

教學(xué)設(shè)計說明：根據(jù)所呈現(xiàn)的情境提出問題，旨在培養(yǎng)學(xué)生的提問能力，根據(jù)所提的問題，篩選和收集所需要的數(shù)據(jù)，鍛煉了信息獲取的能力，根據(jù)情境建立過程模型，培養(yǎng)學(xué)生歸納綜合能力，結(jié)合數(shù)據(jù)，整合模型，回歸教材，緊扣教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了解決實際問題的能力。

（二）實驗建模

實驗建模過程首先需分析實際情境，然后根據(jù)情境抓住主要的分析對象，利用常見的實驗器材建立與之相類似的實驗?zāi)Ｐ?，再通過實驗操作模擬研究模型，然后對模型進(jìn)行分析，最終解決問題。

例如：在學(xué)習(xí)牛頓第一定律時，教師可以讓小車從斜面的同一高度滑下，分別進(jìn)入棉布、粗糙木板、玻璃板上，讓學(xué)生獲取感性材料進(jìn)行分析判斷，然后在此實驗基礎(chǔ)上讓學(xué)生進(jìn)行歸納并構(gòu)建出絕對光滑的理想實驗?zāi)Ｐ?。這樣建立科學(xué)模型，不僅幫助學(xué)生更好地掌握牛頓第一運(yùn)動規(guī)律，而且對學(xué)生抽象思維能力的提高有一定的促進(jìn)作用，使他們的思考更加具有活力，無形激發(fā)他們對科學(xué)研究的熱愛。

實驗，既可以培養(yǎng)學(xué)生激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性又能培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，在利用簡單的實驗重現(xiàn)建構(gòu)復(fù)雜實際情境的過程中，加深了學(xué)生的分析問題能力和遷移能力的訓(xùn)練。實驗建模的過程可用下面的流程圖表示：問題—建?！獙嶒灐w移。

在解決現(xiàn)實問題時，首先進(jìn)行理論抽象，抓住實際問題的特征后利用實驗儀器，經(jīng)由學(xué)生設(shè)計實驗、操作儀器、結(jié)論論證，將現(xiàn)實問題以一種簡潔的實驗?zāi)Ｐ蛠斫鉀Q，通過分析實驗?zāi)Ｐ?，解決實驗?zāi)Ｐ偷膯栴}后得到相應(yīng)的知識，最后解決現(xiàn)實問題。在分析現(xiàn)實問題時，學(xué)生的發(fā)現(xiàn)問題能力以及分析問題能力得到了鍛煉，在利用實驗建構(gòu)模型的過程中，首先是設(shè)計實驗，鍛煉了學(xué)生的設(shè)計實驗的能力，然后是通過實驗操作建立類似模型，鍛煉了學(xué)生的操作能力，最后通過解決所建立的實驗?zāi)Ｐ秃髮⑺媒Y(jié)論遷移推廣，鍛煉了學(xué)生的遷移能力。

下面以《物質(zhì)的構(gòu)成》的教學(xué)片段為例，展示如何在課堂中建立實驗?zāi)Ｐ?，解決實際問題，培養(yǎng)學(xué)生的分析能力與操作能力。

A.仔細(xì)觀察，提出問題

任務(wù)一：觀察方糖

1.蔗糖是由什么構(gòu)成的呢？

請從老師準(zhǔn)備的器材中選擇合適的器材，小組合作完成任務(wù)，按下列步驟觀察蔗糖，思考后填寫空格。

（1）用放大鏡觀察糖塊看到什么？

（2）把方糖碾碎，再用放大鏡觀察，又看到了什么？現(xiàn)在你看到的顆粒是不是最小的？

（3）將這些研碎的蔗糖溶入水中，再用放大鏡觀察，看到蔗糖了嗎？蔗糖是否消失了？

（4）蔗糖在哪里了？如何證明？為什么看不見了？

B.理論抽象，構(gòu)建模型

2.試著畫出糖水中水分子和蔗糖分子的微觀分布圖。（用不同的圖示符號或顏色表示水分子和蔗糖分子）

C.實驗?zāi)M

任務(wù)二：分子間存在空隙嗎？

我動手我發(fā)現(xiàn)：先在玻璃管中加入半管左右的水，約到標(biāo)線1處（注意擠出膠頭內(nèi)空氣），再小心加入酒精，約到標(biāo)線2處（加好后，微調(diào)標(biāo)線2與液面向平），用手指按住管口，來回倒著反復(fù)幾次，觀察液面位置。有何發(fā)現(xiàn)？

我類比：在量筒中倒入約半量筒的黃豆，再倒入大米，記下黃豆與大米的總體積_____毫升。將量筒反復(fù)搖晃幾次，使黃豆和大米混合，比較混合后的總體積變化，分析為什么。

我推測：酒精和水混合總體積減小是因為_____

我總結(jié)我構(gòu)建：畫出搖勻前后，玻璃管內(nèi)酒精和水的微觀分布圖。

任務(wù)三：探究哪種物質(zhì)的空隙大？（氣體、液體）

提出問題：氣體和液體哪種物質(zhì)的間隙大？

建立假設(shè)—設(shè)計實驗方案—獲取事實與證據(jù)：實驗現(xiàn)象。

得出結(jié)論并構(gòu)建模型：氣態(tài)分布;液態(tài)分布。

D.推廣遷移

思考并討論：用微粒的觀點解釋生活中的現(xiàn)象

（1）裝滿水的碗里，為什么還能繼續(xù)加糖？

（2）燒水時，水開了，鍋蓋會被頂起，因為水變成水蒸氣，體積變化，分子間的間隙變化。

（3）癟了的乒乓球放在熱水中為何會回復(fù)原樣？

（三）圖像建模

科學(xué)的發(fā)展歷程中，有著許多利用圖像進(jìn)行思考，建立模型的研究案例，通過案例研究過程的重現(xiàn)，既能對科學(xué)歷史發(fā)展有著清晰的認(rèn)識，也能提升對科學(xué)研究者們的思維認(rèn)識的程度。

作為可視化模型的圖像建模，在課堂中通過呈現(xiàn)圖形、圖片、實驗結(jié)果、視頻、多媒體課件等多種方式引導(dǎo)學(xué)生在視覺感悟中進(jìn)行研討探究、綜合歸納，最終獲得知識和能力。在教學(xué)中利用圖像建立模型，是一種感知型教學(xué)模式，圖像建模的過程可以用下面的流程圖進(jìn)行表示：問題—感知—研討—綜合。

圖像建模的流程主要是由現(xiàn)實情境引入課堂，在新課導(dǎo)入過程中引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，為了解決問題，通過各種方式方法提供圖像感知的對象，然后依據(jù)呈現(xiàn)的資料進(jìn)行探究和研討，最后綜合掌握知識點。在這個探究過程中，學(xué)生參與了課堂中的思考，獲得了分析問題的能力，這便是感知型教學(xué)模式。

例1：植物的光合作用是一個復(fù)雜的過程，而我們在研究先將問題簡化為：第一，光合作用的原料是什么;第二，光合作用的場所在哪里;第三，光合作用的條件是什么;第四，光合作用的產(chǎn)物是什么。從而建立了光合作用的方程模型?？梢?，過程模型的建立，不但可以使問題得到簡化，還可以加深學(xué)生對有關(guān)概念、規(guī)律的理解，有利于培養(yǎng)學(xué)生思維靈活性。

例2：對于不準(zhǔn)溫度計的有關(guān)計算，我們用下例圖像建模，直觀明了。

（四）歷史建模

歷史建模課堂強(qiáng)調(diào)的是在科學(xué)發(fā)展歷史中，對科學(xué)家所建立模型的理解，根據(jù)所建立的模型，理解知識發(fā)展的脈絡(luò)。

例如：牛頓第一定律的課堂，首先從亞里士多德關(guān)于運(yùn)動與力的關(guān)系著手，建立力是維持物體運(yùn)動的結(jié)論模型，再從伽利略著名的理想實驗研究方法著手，建立力不是維持物體運(yùn)動的結(jié)論模型，緊接著牛頓在他們的基礎(chǔ)上得到了牛頓第一定律的結(jié)論模型。根據(jù)物體運(yùn)動與力關(guān)系的歷史脈絡(luò)，理清在科學(xué)發(fā)展歷史中，運(yùn)動與力的發(fā)展的結(jié)論模型，掌握知識的同時對科學(xué)的發(fā)展有著更深的認(rèn)識。

歷史的發(fā)展作為物理建模教學(xué)過程的線索，那就需要學(xué)生對物理歷史知識的多角度了解，了解科學(xué)工作者研究方法，研究過程以及所得的結(jié)論。在教學(xué)中，通過歷史材料的把握，對物理模型建立過程的重新認(rèn)識，重演理論的發(fā)展過程。歷史建模教學(xué)可以用下面的流程圖進(jìn)行表示：問題—?dú)v史—研討—評價。

以下是《原子結(jié)構(gòu)的模型》教學(xué)片段，展示如何在課堂中利用歷史模型進(jìn)行建模教學(xué)。

科學(xué)史上對原子結(jié)構(gòu)的分析認(rèn)識過程，其實就是不斷建立新的模型的過程。原子結(jié)構(gòu)的各種模型是科學(xué)家們根據(jù)一定事實和自己的認(rèn)識，對原子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行形象描繪，一種模型代表了人類對原子結(jié)構(gòu)認(rèn)識的一個階段，人類認(rèn)識原子的歷史是漫長的，也是無止境的。教師在講解過程中，輔以簡單模型圖，引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)家們的建模過程，讓學(xué)生充分理解原子的概念。對某一事物結(jié)果的預(yù)測與猜想是進(jìn)行科學(xué)創(chuàng)新的思想前提，大膽地對問題的預(yù)測建構(gòu)是打開科學(xué)大門的鑰匙，原子結(jié)構(gòu)模型的建立，正有力地證明了這一點。

（五）數(shù)理建模

在模型建構(gòu)過程中，由于學(xué)生所學(xué)科學(xué)知識的局限及數(shù)學(xué)能力的局限，使一些科學(xué)情境不能直接抽象成學(xué)生熟悉的模型，這就需要我們用一種已知的模型去替代陌生的模型，通過對模型的轉(zhuǎn)換培養(yǎng)學(xué)生的建模能力。

數(shù)理建模教學(xué)可以用下面的流程圖進(jìn)行表示：問題—轉(zhuǎn)換—建?！C合。

例3：數(shù)軸是化科學(xué)教學(xué)另一個比較常用的數(shù)學(xué)模型，從數(shù)軸上可以比較由小到大，或由大到下的一個變化過程的對應(yīng)關(guān)系。酸堿度、溶解度、金屬活動性等都可以呈現(xiàn)。

例4：在初中科學(xué)教學(xué)中，特別是概念、物質(zhì)類別等之間的關(guān)系，如果用集合來講解說明學(xué)生十分易懂。我們采用如右圖，利用數(shù)學(xué)中的集合概念交集、并集、真子集等來講解“置換反應(yīng)一定是氧化還原反應(yīng)，部分化合反應(yīng)和部分分解反應(yīng)屬于氧化還原反應(yīng)，復(fù)分解反應(yīng)一定不是氧化還原反應(yīng)”，學(xué)生一目了然，十分清晰。

還有坐標(biāo)系、方程組、三角形與四邊型性質(zhì)等在科學(xué)教學(xué)中的建模應(yīng)用非常廣泛。在科學(xué)教學(xué)中，建立和正確使用模型，重視模型思想的運(yùn)用，能將復(fù)雜問題簡單化、明細(xì)化，使抽象問題直觀、具體、形象、鮮明，對問題的解決起到事半功倍的效果，能大大激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)水平。

四、成效與反思

（一）研究的成效

1.學(xué)生學(xué)習(xí)能力得到提升

科學(xué)建模意識培養(yǎng)的教學(xué)，發(fā)揮了學(xué)生的參與意識，體現(xiàn)了學(xué)生的主體性。學(xué)生獲得了建模成功的機(jī)會，享受建模成功的喜悅，培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、轉(zhuǎn)化問題的能力，使學(xué)生學(xué)會用科學(xué)的思維方式去觀察、解決日常生活中的科學(xué)問題，逐步激發(fā)了他們的建模意識，有了建模體驗，進(jìn)而培養(yǎng)他們的建模思維和能力。

2.教師的個人素質(zhì)得到發(fā)展

在建模能力培養(yǎng)的教學(xué)過程中，教師不是旁觀者，也不是局外人。教師在學(xué)生建模學(xué)習(xí)中是組織者、引導(dǎo)者、參與者。教師深入到學(xué)生個人及學(xué)生小組中去，認(rèn)真傾聽大家的發(fā)言，適時地與他們進(jìn)行交流，及時了解學(xué)生學(xué)習(xí)建模中的問題，讓學(xué)生“百花怒放”，為教師的教奠定基礎(chǔ)。同時，創(chuàng)建各種模型的過程都將給老師帶來不小的困惑。然而，無形中教師會隨著學(xué)生一同成長。

（二）研究的反思

要真正培養(yǎng)學(xué)生的建模能力，需要充分挖掘?qū)W生的主動參與和積極思維的意識，讓學(xué)生自覺地在學(xué)習(xí)過程中構(gòu)建科學(xué)模型，利用“科學(xué)模型”培養(yǎng)正確的思維方法。當(dāng)然，科學(xué)建模要注意防止由于思維定勢而盲目的套用科學(xué)模型，需要教師正確引導(dǎo)學(xué)生品味科學(xué)建摸、領(lǐng)悟其中的思維過程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

例如：七上教材使用了比較直觀的“金三角”圖像模型。建立模型：物質(zhì)通常共有三種狀態(tài)，即固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài);三種狀態(tài)之間有六種物態(tài)變化。

在學(xué)習(xí)酸堿鹽時，我們通過遷移，建立了模型：常見的酸、堿、鹽互相之間都可以發(fā)生應(yīng)，在一定的條件下可以相互發(fā)生轉(zhuǎn)化。圖像模型的建立是不是一勞永逸呢？顯然不是。因為，在不同的科學(xué)概念應(yīng)用過程中，總會有不同的問題與解釋。學(xué)生對糖類、蛋白質(zhì)和脂肪三類營養(yǎng)素的相互轉(zhuǎn)化建立了圖像模型（見上圖）。錯誤就顯而易見：脂肪是不能直接轉(zhuǎn)化成蛋白質(zhì)的。

教師需要充分科學(xué)地用足用活科學(xué)模型，不要因?qū)W生建構(gòu)的意識或形態(tài)有缺陷而打擊扼殺學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，給學(xué)生一個寬松的充分體現(xiàn)以“學(xué)生為主”的學(xué)習(xí)環(huán)境，在不斷總結(jié)和使用中逐步培養(yǎng)其學(xué)生的建模能力，提高他們分析科學(xué)問題、解決科學(xué)問題的能力，最終提高他們的學(xué)習(xí)效率。誠然，在實際教學(xué)中還需要用到其他方法，培養(yǎng)學(xué)生其他方面的能力，還是那句話“路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索”，教學(xué)的路很長，本文作一塊墊腳石供大家參考。

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（作者單位：浙江省杭州市蕭山區(qū)臨浦鎮(zhèn)初級中學(xué);浙江省杭州市蕭山區(qū)浦陽鎮(zhèn)初級中學(xué)）