馬宏明

在小學(xué)科學(xué)“地球與宇宙”領(lǐng)域的教學(xué)中，學(xué)生通常采用動(dòng)作模型實(shí)驗(yàn)來(lái)探索地球的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。本文不僅提出了動(dòng)作模型與原型之間的三種聯(lián)系，即外顯特征一致性、內(nèi)部關(guān)聯(lián)相似性、動(dòng)作過(guò)程多元性，同時(shí)提出了動(dòng)作模型實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)流程，并以《晝夜交替現(xiàn)象》教學(xué)為例，闡述了動(dòng)作模型實(shí)驗(yàn)在探索地球運(yùn)動(dòng)規(guī)律中的環(huán)節(jié)指導(dǎo)過(guò)程。

《晝夜交替現(xiàn)象》教學(xué)的局部再現(xiàn)

老師引導(dǎo)學(xué)生從現(xiàn)象的觀(guān)察出發(fā)，對(duì)晝夜交替現(xiàn)象的成因進(jìn)行多角度的假說(shuō)及檢驗(yàn)。最終的假說(shuō)主要是四種，包括“太陽(yáng)不動(dòng)，地球自轉(zhuǎn)”“太陽(yáng)不動(dòng)，地球公轉(zhuǎn)”“太陽(yáng)不動(dòng)，地球自轉(zhuǎn)并公轉(zhuǎn)”“地球不動(dòng)，太陽(yáng)公轉(zhuǎn)”。老師為學(xué)生小組提供了手電筒和地球儀，并引導(dǎo)學(xué)生明確“地球儀上的固定位置出現(xiàn)明暗交替變化”是證明地球產(chǎn)生“晝夜交替現(xiàn)象”的證據(jù)。

上述教學(xué)案例源自教科版小學(xué)科學(xué)五年級(jí)下冊(cè)《地球的運(yùn)動(dòng)》單元第一課《晝夜交替現(xiàn)象》，反映了學(xué)生在教師引導(dǎo)下利用模型來(lái)探索地球運(yùn)動(dòng)規(guī)律的過(guò)程。其中，手電筒用來(lái)表現(xiàn)太陽(yáng)的發(fā)光現(xiàn)象，屬于太陽(yáng)的功能模型；地球儀用來(lái)表現(xiàn)地球的球體形態(tài)，屬于結(jié)構(gòu)模型；手電筒和地球儀之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，用來(lái)探索太陽(yáng)和地球之間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，屬于動(dòng)作模型。

模型實(shí)驗(yàn)及動(dòng)作模型實(shí)驗(yàn)的特征

當(dāng)人們需要了解極宏觀(guān)或極微觀(guān)、極迅速或極緩慢，或不可重現(xiàn)的事物變化規(guī)律時(shí)，除了運(yùn)用科學(xué)觀(guān)測(cè)工具進(jìn)行直接觀(guān)察以外，就是依靠對(duì)事物規(guī)律的假想所構(gòu)建出的各種模型進(jìn)行間接觀(guān)察。這種研究事物的實(shí)驗(yàn)方法稱(chēng)為“模型實(shí)驗(yàn)”，俗稱(chēng)“模擬實(shí)驗(yàn)”。小學(xué)生所從事的模型實(shí)驗(yàn)，多數(shù)是利用結(jié)構(gòu)模型或動(dòng)作模型進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。

動(dòng)作模型實(shí)驗(yàn)，就是利用與原型具有相似互動(dòng)關(guān)系的模型，來(lái)探究事物變化的規(guī)律或結(jié)果的實(shí)驗(yàn)方法。它不但改變事物的空間特性，還通過(guò)改變事物的時(shí)間特性來(lái)加快或減緩事物產(chǎn)生、發(fā)展、變化的過(guò)程。動(dòng)作模型實(shí)驗(yàn)具有以下特征：外顯特征一致性、內(nèi)部關(guān)聯(lián)相似性、動(dòng)作過(guò)程多元性。

動(dòng)作模型實(shí)驗(yàn)的教學(xué)流程范式

模型實(shí)驗(yàn)是幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)從事物表象到事物本質(zhì)的認(rèn)識(shí)發(fā)展的“腳手架”。所以在設(shè)計(jì)教學(xué)流程的時(shí)候，就要讓學(xué)生經(jīng)歷從現(xiàn)象到本質(zhì)的推導(dǎo)過(guò)程。

以《晝夜交替現(xiàn)象》這一課來(lái)看，學(xué)生們探究地球晝夜交替現(xiàn)象的成因，實(shí)際上是一種建立在日常生活經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的從現(xiàn)象到本質(zhì)的不斷推理的過(guò)程。關(guān)于晝夜交替現(xiàn)象成因的多角度假說(shuō)，學(xué)生們可以通過(guò)簡(jiǎn)單的辯論等方法排除一些不合理的假說(shuō)，而保留一些較合理的假說(shuō)。

在晝夜交替現(xiàn)象成因的模型實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生們需要在實(shí)驗(yàn)中再現(xiàn)地球晝夜交替現(xiàn)象的觀(guān)察特征，然后經(jīng)由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和真實(shí)現(xiàn)象的比照，推斷出模型實(shí)驗(yàn)與客觀(guān)事物之間在運(yùn)作過(guò)程上的關(guān)聯(lián)程度，最終學(xué)生們獲得晝夜交替現(xiàn)象成因的更高層次的認(rèn)識(shí)。

動(dòng)作模型實(shí)驗(yàn)，主要是利用物理模型的互動(dòng)過(guò)程來(lái)重現(xiàn)自然界的某些現(xiàn)象，借此研究自然現(xiàn)象的形成原因或變化規(guī)律。它的主要流程一般要經(jīng)歷：明確概念—建立假說(shuō)—構(gòu)建模型—模型實(shí)驗(yàn)—證據(jù)論證，通過(guò)假設(shè)與實(shí)驗(yàn)論證，最終實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)此概念的充分認(rèn)識(shí)過(guò)程。

動(dòng)作模型實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)過(guò)程的環(huán)節(jié)設(shè)置

一是事實(shí)觀(guān)察環(huán)節(jié)。本環(huán)節(jié)主要是根據(jù)模型實(shí)驗(yàn)探究的需要，為學(xué)生呈現(xiàn)某種自然事物或現(xiàn)象，結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)及對(duì)事物或現(xiàn)象的仔細(xì)觀(guān)察，逐步獲得關(guān)于自然事物或現(xiàn)象的觀(guān)察特征。經(jīng)由交流和質(zhì)疑，明確該事物或現(xiàn)象的顯著特征。二是建立假說(shuō)環(huán)節(jié)。本環(huán)節(jié)主要是就“自然事物或現(xiàn)象的形成原因”提出研究問(wèn)題，通過(guò)小組的討論，提出各種假說(shuō)后對(duì)各種猜想進(jìn)行思考辯論，排除其中一些不切實(shí)際的假說(shuō)，保留一些可能成立的假說(shuō)。最后，引導(dǎo)學(xué)生利用圖示或圖解來(lái)呈現(xiàn)不同的假說(shuō)。三是構(gòu)建模型環(huán)節(jié)。本環(huán)節(jié)主要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)不同的假說(shuō)以及自然事物或現(xiàn)象所呈現(xiàn)的特征或變化過(guò)程來(lái)設(shè)計(jì)模型及其實(shí)驗(yàn)過(guò)程。四是模型實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。本環(huán)節(jié)主要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)假說(shuō)及其示意圖來(lái)擺放并運(yùn)作模型，觀(guān)察模型的運(yùn)作方式和動(dòng)作路徑，記錄模型在運(yùn)作過(guò)程中出現(xiàn)的現(xiàn)象。在模型運(yùn)作過(guò)程中，學(xué)生們需要小心地控制模型的運(yùn)動(dòng)位置和速度，有時(shí)候甚至需要暫停模型的動(dòng)作，從而觀(guān)察到可靠的證據(jù)。五是證據(jù)論證環(huán)節(jié)。本環(huán)節(jié)主要引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)對(duì)證據(jù)及證據(jù)收集過(guò)程的交流質(zhì)疑和評(píng)價(jià)，確認(rèn)其中的有用證據(jù)、無(wú)關(guān)證據(jù)以及錯(cuò)誤證據(jù)，以及證據(jù)收集過(guò)程的有效程度。在證據(jù)論證過(guò)程中，學(xué)生們首先要確定證據(jù)是否支持或反駁了假說(shuō)，其次要分析證據(jù)是如何支持或反駁假說(shuō)的，最后要分析支持或反駁同一個(gè)假說(shuō)的不同證據(jù)之間的異同關(guān)系。六是達(dá)成共識(shí)環(huán)節(jié)。本環(huán)節(jié)主要引導(dǎo)學(xué)生們對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與自然現(xiàn)象，以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程與自然現(xiàn)象的變化過(guò)程進(jìn)行逐一比對(duì)，使得模型實(shí)驗(yàn)與自然現(xiàn)象之間建立可靠聯(lián)系。最后，教師對(duì)課堂探究學(xué)習(xí)所獲得的科學(xué)概念、探究過(guò)程中所采用的一般方法以及所體現(xiàn)出的情感態(tài)度做出總結(jié)。

在教學(xué)中，學(xué)生們首先整理并修正那些支持假說(shuō)的動(dòng)作模型，并結(jié)合每種動(dòng)作模型的運(yùn)作方式來(lái)說(shuō)明自然界中太陽(yáng)和地球的互動(dòng)關(guān)系。他們一致認(rèn)為，關(guān)于“地球晝夜交替現(xiàn)象的成因”，可以有多種假說(shuō)；利用模型實(shí)驗(yàn)，可以為各種假說(shuō)提供支持或反駁證據(jù)，使假說(shuō)更接近真相。

（作者單位： 浙江省杭州市明德小學(xué)）