◇韓 慧（北京：北京市大興區(qū)教師進修學(xué)校）

小學(xué)科學(xué)模型實驗具有發(fā)展學(xué)生建構(gòu)模型意識和能力的重要作用。在2022 版《義務(wù)教育科學(xué)課程標準》中，模型建構(gòu)是科學(xué)課程要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)之科學(xué)思維的重要內(nèi)容。在目前常態(tài)化的小學(xué)科學(xué)模型實驗教學(xué)中，存在教師用模型講知識、忽視學(xué)生主動建構(gòu)模型過程的現(xiàn)象。教師需要深入理解模型實驗研究方法的本質(zhì)和內(nèi)涵，結(jié)合小學(xué)生的認知特點，梳理模型實驗教學(xué)設(shè)計的思路。

一、小學(xué)科學(xué)模型實驗內(nèi)涵及育人功能

（一）小學(xué)科學(xué)模型實驗內(nèi)涵

模型實驗是科學(xué)實驗的一個重要類型，是小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)中經(jīng)常引導(dǎo)學(xué)生采用的探究問題的方法。模型實驗不是對某些客體或自然現(xiàn)象本身進行實驗觀察，而是先設(shè)計與該客體或自然現(xiàn)象相似的模型，用它們模擬原型，再通過對模型的實驗觀察來間接研究原型的性質(zhì)和特點。

小學(xué)科學(xué)課中包含大量的模型實驗。在小學(xué)科學(xué)實驗中遇到因受客觀條件限制而無法對某些自然現(xiàn)象進行直接實驗時，便尋求間接實驗的方法，設(shè)計與該自然現(xiàn)象或過程（稱作原型）相似的模型，然后通過模型間接地研究原型的規(guī)律性。模型實驗在小學(xué)科學(xué)課不同領(lǐng)域均有涉及，尤其是地球與宇宙科學(xué)領(lǐng)域，因其研究對象時空范圍較大，生命科學(xué)領(lǐng)域研究對象復(fù)雜，難以對實際的研究對象進行實驗，所以只能先建立模型，然后在模型的基礎(chǔ)上進行實驗。比如，日食、晝夜交替、四季變化、消化系統(tǒng)工作過程等實驗內(nèi)容。

（二）小學(xué)科學(xué)模型實驗的育人功能

模型實驗學(xué)習(xí)過程需要學(xué)生經(jīng)歷建構(gòu)模型的過程，因此小學(xué)科學(xué)模型實驗具有發(fā)展學(xué)生建構(gòu)模型意識和能力的重要作用，利于學(xué)生用科學(xué)觀點系統(tǒng)認識世界，具有獨特的育人功能。模型建構(gòu)體現(xiàn)在以經(jīng)驗事實為基礎(chǔ)，對客觀事物進行抽象和概括，進而建構(gòu)模型。因此模型實驗需對客觀事物進行抽象和概括，但是小學(xué)生處于具體運算認知階段，學(xué)生抽象邏輯思維需要實物支撐，所以模型實驗時必須建構(gòu)實體模型，支撐學(xué)生進行抽象和概括等思維活動。

學(xué)生自主選擇材料建構(gòu)實體模型的過程，就是鍛煉建構(gòu)模型能力的過程。這個過程需要學(xué)生提前在自己的大腦中形成抽象的模型，明確模型要素的本質(zhì)特征及要素之間的關(guān)聯(lián)，然后物化為實體模型。學(xué)生自主選擇材料，搭建實體模型，能體現(xiàn)學(xué)生自己對問題或現(xiàn)象本質(zhì)特征及要素關(guān)聯(lián)的理解。

二、小學(xué)科學(xué)模型實驗教學(xué)現(xiàn)狀

在目前小學(xué)科學(xué)模型實驗課上，大部分教師直接利用實體模型講解知識，忽視學(xué)生積極主動思考，未能開展促進學(xué)生積極思考的思維型探究和實踐，錯過了培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)和應(yīng)用模型的機會，學(xué)生建構(gòu)模型的意識和能力水平較低。

（一）教師的模型實驗教學(xué)

為調(diào)研小學(xué)科學(xué)模型實驗教學(xué)現(xiàn)狀，我觀看了本區(qū)《風(fēng)的形成》《晝夜交替》《呼吸》《日食》等二十余節(jié)常態(tài)課例，發(fā)現(xiàn)目前小學(xué)科學(xué)教師面對模型實驗教學(xué)內(nèi)容，更多的是直接利用實體模型給學(xué)生講解原型，而忽略了指導(dǎo)或引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)模型、應(yīng)用模型的過程。課堂中缺乏從模型研究結(jié)論回歸原型問題的類比推理分析過程，學(xué)生缺乏利用建構(gòu)模型解決問題的意識。

大部分教師對于模型實驗教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)理念及教學(xué)方法不恰當(dāng)，沒站在學(xué)生學(xué)習(xí)主體的立場進行設(shè)計，學(xué)生不能親身經(jīng)歷建構(gòu)模型及應(yīng)用模型的過程，所以學(xué)生建構(gòu)模型的意識和能力不能得到有效培養(yǎng)。

（二）學(xué)生在模型實驗方面的表現(xiàn)

在對全區(qū)進行學(xué)生科學(xué)實驗探究能力調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生建構(gòu)實體模型解決問題的意識較弱，存在動手不動腦的問題，不會思考。學(xué)生的模型思維水平較低，會操作，但是不知道為什么這樣做，在實驗學(xué)習(xí)中沒有學(xué)習(xí)到建構(gòu)模型的思維方法。調(diào)研中，在模型實驗探究實踐時，大部分學(xué)生只是在介紹模型的結(jié)構(gòu)，沒有關(guān)注模型結(jié)構(gòu)元素之間的關(guān)系，未能利用模型結(jié)論解釋原型現(xiàn)象或過程，缺乏利用模型探究原型問題的意識。

三、小學(xué)科學(xué)模型實驗教學(xué)建議

為了增強學(xué)生在模型實驗中的思維能力，促使學(xué)生在科學(xué)實驗學(xué)習(xí)中手腦并用，開展思維型探究實踐，提出如下教學(xué)建議。

（一）在真實情境中激發(fā)解決問題的需求，引導(dǎo)學(xué)生主動建構(gòu)模型

教師引導(dǎo)學(xué)生深入分析原型中的問題，基于真實的問題情境，引發(fā)認知沖突，激發(fā)學(xué)生主動建構(gòu)模型的需求。比如，在《八顆行星》一課中，教師首先給學(xué)生原型的相關(guān)資料，學(xué)生在認識原型的過程中，即對八顆行星的資料進行分析時，發(fā)現(xiàn)資料中的圖并不能真實反映八顆行星的相對位置，引發(fā)了學(xué)生建構(gòu)八顆行星相對位置模型的需求。

師：剛才有學(xué)生說這張圖片中的行星間距和數(shù)據(jù)不一致，就是說它不能真實地反映八顆行星相對位置關(guān)系，誰能來具體說一下呢？

生：數(shù)據(jù)表中木星距離太陽是火星距離太陽的3～4倍，與圖片展示有出入；海王星的距離是天王星的一倍還多，但是圖上并不是。

師：如果你想直觀感受八顆行星的相對位置，你可以怎么做呢？

生：根據(jù)數(shù)據(jù)制作一個模型。

師：我們將數(shù)據(jù)與圖片信息進行對比，可以看出圖片中八顆行星相對于太陽的順序是正確的，但是你們也發(fā)現(xiàn)了，圖片上的行星是等距離分布的，而科學(xué)家觀測出的數(shù)據(jù)不是這樣的，說明圖片不符合客觀事實。如果我們想真實地感受八顆行星的相對位置，需要建構(gòu)一個與事實相匹配的模型，即八顆行星的相對位置模型。

教師需要激發(fā)學(xué)生建模需求，引導(dǎo)學(xué)生主動建構(gòu)模型，不能因為小學(xué)生的抽象概括能力有限，而直接略過建構(gòu)模型的過程。比如，在一些課堂中可見教師直接出示實體模型，然后利用模型直接講解知識，沒有引導(dǎo)學(xué)生主動建構(gòu)模型，這樣就難以培養(yǎng)學(xué)生的建模意識和能力。所以教師需要激發(fā)學(xué)生主動建構(gòu)模型的意識，用以解決問題。這樣學(xué)生才能主動思考如何建構(gòu)模型解決問題，提升建構(gòu)模型的意識和能力。

（二）在小學(xué)科學(xué)模型實驗中，引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)實體模型

學(xué)生自主選擇材料，搭建實體模型的過程，能體現(xiàn)學(xué)生對問題或現(xiàn)象本質(zhì)特征及要素關(guān)聯(lián)的理解。

比如，在消化系統(tǒng)工作模型實驗中，教師給學(xué)生準備了多樣的管，供學(xué)生選擇，用以模擬消化器官。教師準備的管顏色不同，有直的和彎的、透明的和不透明的、質(zhì)地硬的和質(zhì)地軟的、比較粗的和比較細的。學(xué)生選擇材料的過程體現(xiàn)了學(xué)生是否理解問題的本質(zhì)，是否明確指向問題的結(jié)構(gòu)要素本質(zhì)特征，即指向消化器官在消化系統(tǒng)中功能的主要特征。顏色、透明度、粗細等并不是影響其功能的最主要特征，影響消化功能——蠕動的最主要特征是質(zhì)地柔軟。透明是為了方便我們觀察蠕動過程。

師：你為什么選擇這個材料模擬消化系統(tǒng)中的？

生：因為它的形狀、軟硬度與消化器官很像，這個管比較軟，所以能實現(xiàn)蠕動，利于食物往下走。

建構(gòu)實體模型的過程能夠直觀體現(xiàn)學(xué)生從原型到模型的抽象概括過程。這個過程訓(xùn)練的是學(xué)生針對原型中的問題，抓住主要因素排除次要因素的能力，然后把這些因素組成系統(tǒng)模型。比如，在上述模型實驗過程中，學(xué)生應(yīng)抓住與消化器官的蠕動功能關(guān)聯(lián)最緊密的因素，因為它指向了我們的研究問題：消化系統(tǒng)是如何工作的。所以引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)實體模型，利于培養(yǎng)學(xué)生的模型思維。

（三）在小學(xué)科學(xué)模型實驗中，利用實體模型進行實驗探究

學(xué)生建構(gòu)了實體模型后，需要利用實體模型探究自己對研究問題的預(yù)期分析，利用實體模型進行控制變量，改變影響問題的因素，觀察實驗效果，而不是搭建完了就結(jié)束，或者僅僅是展示模型，利用靜態(tài)實體模型解釋原型是什么樣子。

比如，在晝夜交替模型實驗中，學(xué)生明確了模型的結(jié)構(gòu)要素：地球和太陽；明確了要素的主要特征：地球不發(fā)光、自轉(zhuǎn)，太陽自身發(fā)光，光線基本是平行光。課堂中學(xué)生針對地球公轉(zhuǎn)這個特征是否保留，出現(xiàn)了不同意見，所以出現(xiàn)了不同的模型實驗探究。學(xué)生在實體模型的基礎(chǔ)上進行實驗，驗證自己的假設(shè)。A 組學(xué)生假設(shè)：地球自轉(zhuǎn)引起晝夜交替，學(xué)生讓地球自轉(zhuǎn)和不自轉(zhuǎn)，看看是否出現(xiàn)晝夜交替，控制變量是自轉(zhuǎn)因素。B 組學(xué)生假設(shè)：推測自轉(zhuǎn)或公轉(zhuǎn)引起晝夜交替，所以就要利用模型分別嘗試自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)，推測哪種更符合客觀事實，最終驗證自己的假設(shè)，形成合理解釋。

上面兩個組建構(gòu)的實體模型要素一樣，但是要素的特征不同，抽象的結(jié)果不同，所以建構(gòu)的模型不同。在這個模型基礎(chǔ)上進行探究，利用實體模型分別嘗試自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)，推測哪種情況更符合客觀事實。所以學(xué)生需要用建構(gòu)的實體模型來探究問題，驗證假設(shè)，形成對問題的合理解釋。

（四）利用實體模型的研究結(jié)論，解釋原型中的問題

學(xué)生用實體模型進行實驗探究后，對實體模型中的現(xiàn)象能夠進行解釋，形成結(jié)論。但這僅是針對實體模型中現(xiàn)象的解釋，教師需要引導(dǎo)學(xué)生對應(yīng)分析原型中的問題。這是類比推理的過程，學(xué)生需要明確類比的兩個情境結(jié)構(gòu)要素相似之處及區(qū)別，這樣才能對原型中的問題做出合理的解釋。

比如，《風(fēng)的成因》一課，教師創(chuàng)設(shè)了真實情境，引發(fā)學(xué)生思考大自然中風(fēng)的成因。學(xué)生在經(jīng)歷了對原型的認識和對問題的分析后，建立了抽象模型，制作了實體模型，明確了利用實體模型進行探究實驗的思路，并進行了小組探究活動。

在小組活動中，學(xué)生觀察到明顯的實驗現(xiàn)象并對現(xiàn)象做出解釋。點燃蠟燭時，蠟燭上方的風(fēng)葉輪轉(zhuǎn)動起來表明空氣向上流動，箱內(nèi)有煙霧水平方向流動，表明外面的冷空氣會向熱的地方水平方向流動，熄滅蠟燭后，箱內(nèi)的煙霧不在水平方向流動。這說明冷熱不均引起空氣流動，形成風(fēng)。有的教師在此環(huán)節(jié)后開始強化概念：空氣流動形成風(fēng)。并沒回應(yīng)本節(jié)課的起始問題：大自然中的風(fēng)是如何形成的？在實體模型實驗探究后，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生利用上述結(jié)論解釋原型中的問題。比如，教師可以出示簡單的海陸風(fēng)的圖片，引導(dǎo)學(xué)生利用結(jié)論解釋該現(xiàn)象。

模型實驗研究的問題是原型中的問題，所以利用實體模型探究結(jié)束后，需要利用探究結(jié)果類比推理解釋原型中的問題。需要注意的是，這個過程是或然性推理過程，因為實體模型和原型是不可能完全一樣的，所以并不能根據(jù)實體模型研究結(jié)果，針對原型中的問題做出必然性推理判斷。

在小學(xué)科學(xué)模型實驗教學(xué)中，教師應(yīng)創(chuàng)設(shè)真實的問題情境，激發(fā)學(xué)生建構(gòu)模型的需求，引導(dǎo)學(xué)生主動建構(gòu)實體模型，利用實體模型進行自主探究，利用結(jié)論解釋原型中的問題，促進學(xué)生開展思維型模型探究實踐，提升小學(xué)生建構(gòu)模型的意識和能力，更好地發(fā)揮模型實驗的育人功能。