【摘" 要】 增強(qiáng)建模能力是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的重要途徑。文章針對以建?？梢暬癁檩d體的初中科學(xué)教學(xué)，提出了四項(xiàng)實(shí)踐操作策略。具體為：以史為鑒，梳理知識發(fā)展脈絡(luò)，深化建模觀念;以實(shí)為基，搭建知識進(jìn)階橋梁，活化建模過程;化虛為實(shí)，鞏固知識應(yīng)用基礎(chǔ)，強(qiáng)化建模技巧;以創(chuàng)為翼，引領(lǐng)知識創(chuàng)新飛躍，拓展建模思維。文章旨在探索如何在教學(xué)實(shí)踐中應(yīng)用這些策略，并通過案例分析來討論提升學(xué)生建模關(guān)鍵能力的具體路徑。

【關(guān)鍵詞】 模型;建模方法;可視化;初中科學(xué)

一、初中科學(xué)教學(xué)建模需求分析

當(dāng)前，在追求“全面發(fā)展的人”這一學(xué)生科學(xué)素質(zhì)發(fā)展的核心理念下，科學(xué)教育尤為重要。這一理念涵蓋了文化根基、自我成長和社會參與三大支柱，為教育者指明了科學(xué)教育的方向。其中，“科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)”是社會所倡導(dǎo)的，它包括科學(xué)觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究以及科學(xué)態(tài)度和責(zé)任這四個核心要素。

經(jīng)過深入研究可知，模型建構(gòu)不僅是科學(xué)思維中不可或缺的一部分，更是形成科學(xué)觀念、塑造科學(xué)態(tài)度的有力工具。然而，當(dāng)前中小學(xué)生對模型的認(rèn)識和理解程度卻不容樂觀。這主要?dú)w咎于我國教育體系中課堂建模實(shí)踐對學(xué)生抽象轉(zhuǎn)化能力不足、體驗(yàn)感不強(qiáng)、評測可視度不夠以及相關(guān)教學(xué)資源的匱乏。

特級教師吳加澍曾深刻指出科學(xué)教育的真諦，他認(rèn)為，科學(xué)教育應(yīng)該以基礎(chǔ)問題為出發(fā)點(diǎn)，以實(shí)際現(xiàn)象為引導(dǎo)，借助模型這一強(qiáng)大工具來訓(xùn)練學(xué)生提取模型、分析問題、歸納規(guī)律的能力。因此，對初中科學(xué)教師而言，在教學(xué)實(shí)踐中積極思考與探索提升學(xué)生模型建構(gòu)能力的方法和策略尤為重要。

二、初中科學(xué)教學(xué)建模實(shí)踐案例與策略分析

所謂模型，就是根據(jù)相似原理設(shè)計(jì)的，能夠簡化并幫助人們理解對象的科學(xué)抽象。而建模則是科學(xué)學(xué)習(xí)中獨(dú)特的思維方式和研究方法?？茖W(xué)的發(fā)展歷程可以說是一部不斷構(gòu)建模型、應(yīng)用模型、完善修正模型，甚至在科學(xué)革命中徹底更新模型的壯麗史詩。物理模型在實(shí)踐中便于可視化教學(xué)，其道理簡單、清晰，易于操作。

（一）以史為鑒，梳理知識發(fā)展脈絡(luò)，深化建模觀念

科學(xué)史研究對科學(xué)進(jìn)程有深入探索，能揭示其發(fā)展規(guī)律和趨勢，幫助人們理解科學(xué)本質(zhì)和價值，推動知識普及和應(yīng)用。歷史上，如伽利略、麥克斯韋、愛因斯坦等科學(xué)家通過建模推動了科學(xué)研究。這些科學(xué)史是建模教學(xué)的寶貴資源，應(yīng)被充分發(fā)掘和利用，為解決科學(xué)問題提供參考。

以科學(xué)史中的“原子結(jié)構(gòu)模型”為例。

在HPS教育視野下，以“原子結(jié)構(gòu)模型”建構(gòu)的歷程作為課堂設(shè)計(jì)主線。按時間線及科技進(jìn)步順序，從道爾頓的“實(shí)心球式”模型，到湯姆森的“棗糕式”模型，再到盧瑟福的“行星式”模型、玻爾的“分層式”模型，直到現(xiàn)代的“電子云式”模型，以及夸克的發(fā)現(xiàn)。通過層層設(shè)問、步步引導(dǎo)，以科學(xué)史實(shí)為參照，使學(xué)生體驗(yàn)到科學(xué)的本質(zhì)是不斷向事實(shí)靠攏，而這一過程往往是以“一種模型去取代另一種模型”，從而樹立學(xué)生不斷修正和完善模型的意識。

在科學(xué)教學(xué)中，教師可在課堂上介紹科學(xué)史中典型的建模實(shí)例，通過可視化的方法使學(xué)生對建模形成具體的感性認(rèn)識，進(jìn)而減少學(xué)生與建模實(shí)踐活動間的疏離感，在頭腦中逐步樹立起“科學(xué)問題的解決離不開建模”的意識。一旦學(xué)生有了建模解決問題的自覺，將來用建模作為學(xué)習(xí)科學(xué)的一種重要方法就是水到渠成的事情。將建模意識貫穿于教學(xué)中，不斷用前人的建模經(jīng)驗(yàn)來豐富學(xué)生的閱歷，從而幫助學(xué)生建構(gòu)新觀念。

（二）以實(shí)為基，搭建知識進(jìn)階橋梁，活化建模過程

初中學(xué)生的思維正從具象性向抽象性過渡，往往需要借助具體事物或?qū)嶋H生活中的直觀印象進(jìn)行思維活動。因此，與抽象的思維建模相比，學(xué)生更喜歡用實(shí)物建模的方式進(jìn)行課堂推演。實(shí)物模型簡易生動，通俗易懂易操作，借助豐富的肢體語言或生活化的實(shí)物，通過演繹動態(tài)的變化過程，使微觀結(jié)構(gòu)的抽象變化變得可視化、可感可知、可描述。

以“氣孔之舞”模型建構(gòu)為例。

在植物葉片氣孔調(diào)節(jié)的教學(xué)中，學(xué)生較難理解“保衛(wèi)細(xì)胞吸水或失水造成氣孔張開或閉合”的原理。

方法一：形體建模。雙手模擬兩個保衛(wèi)細(xì)胞，雙手相合時中間的縫隙模擬氣孔。當(dāng)雙手緊貼在一起時，表示保衛(wèi)細(xì)胞處于失水狀態(tài)，此時氣孔關(guān)閉。這種狀態(tài)下，水分無法從葉面蒸發(fā)出去，有助于減少水分散失，適應(yīng)干旱環(huán)境。當(dāng)雙手中間分開形成一個孔時，表示保衛(wèi)細(xì)胞吸收了水分而膨脹，導(dǎo)致氣孔打開。打開的氣孔允許氣體交換（如二氧化碳進(jìn)入和氧氣排出），同時也有助于蒸騰作用的發(fā)生，促進(jìn)水分和無機(jī)鹽的運(yùn)輸。運(yùn)用這種簡單的形體建模方式，可以幫助學(xué)生直觀理解氣孔的開閉機(jī)制及其在保衛(wèi)細(xì)胞中的重要作用。該模型強(qiáng)調(diào)了水分對氣孔功能的重要性，同時也反映了植物如何在不同的環(huán)境中調(diào)整其生理過程以維持生存。

方法二：實(shí)物建模。使用長條狀氣球來模擬保衛(wèi)細(xì)胞，用透明膠粘貼在氣球的內(nèi)部以模擬保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)壁的厚度，使其難以過度伸展。

在建模教學(xué)中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生明確模型的適用條件和基礎(chǔ)，討論模型的理想化特點(diǎn)和局限性。例如，保衛(wèi)細(xì)胞氣球模型雖然能增加課堂趣味性和科學(xué)原理的可視性，但不能完全呈現(xiàn)原型的所有特征。因此，教師應(yīng)著重強(qiáng)調(diào)建模過程的實(shí)際性，搭建知識進(jìn)階的橋梁，活化建模過程。同時，教師應(yīng)以身作則，示范并鼓勵學(xué)生積極參與建模實(shí)踐，讓他們在實(shí)踐中體驗(yàn)建模的樂趣，為未來的靈活運(yùn)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（三）化虛為實(shí)，鞏固知識應(yīng)用基礎(chǔ)，強(qiáng)化建模技巧

在初中科學(xué)幾何光學(xué)的教學(xué)中，把光抽象為模型，即光線，在作圖中用帶箭頭的直線來表示。雖然初中生已經(jīng)具備了一定的抽象能力，但根據(jù)生活常理和生活體驗(yàn)進(jìn)行抽象與加工時，有時會讓學(xué)生感到困難甚至無從下手。此時，一個恰到好處的化虛為實(shí)方法能立即將抽象難懂的問題直觀化，從而抓住本質(zhì)建立科學(xué)模型，找到理解問題的關(guān)鍵。

以“三線共面”模型建構(gòu)（如圖1）為例。

1. 感知真實(shí)情境模型：如何在一個漆黑的井底放置一塊鏡子以照亮井底？請模擬說明。

2. 解構(gòu)初步模型：用橡皮泥作為基座，捏成水平面表示反射面，兩根牙簽（粘上紅色箭頭表示傳播方向）分別代表入射光線和反射光線。小組根據(jù)已知的入射光線，在模型中猜測并表示出反射光線的位置。

3. 實(shí)踐修正模型：探究幾個有代表性的作品，引導(dǎo)學(xué)生觀察比較這些模型并說出它們的區(qū)別。由于沒有法線，學(xué)生一時難以用語言描述。此時，教師在模型上插一根彩棒作為“輔助線”，引入“法線”“入射角”和“反射角”的概念，并借助硬紙板演示：“三線”是否共平面，兩角是否相等。教師通過四個不同的模型進(jìn)行展示，每個模型上都垂直插一根彩棒作為法線。在第一個模型中，法線垂直，左邊的牙簽代表入射光線，右邊的牙簽代表反射光線，反射角大于入射角。在第二個模型中，法線同樣垂直（第三、四個模型與此相同），此時入射光線與反射光線位于法線的左邊，并且入射角小于反射角。在第三個模型中，入射光線位于法線的左邊，反射光線位于法線的右邊，并且入射角等于反射角。在第四個模型中，入射光線位于法線的左邊，反射光線位于法線的右邊，并且入射角大于反射角。

4. 理解構(gòu)建模型：“三線”的位置關(guān)系和“兩角”的大小關(guān)系。在這個實(shí)驗(yàn)中，使用一張半圓刻度紙、一塊泡沫底板和兩根牙簽。一根藍(lán)色的棍子垂直插入泡沫底板中代表法線，一根牙簽從左邊傾斜插入代表入射光線（方向用紅色箭頭標(biāo)示），右邊插入另一根牙簽代表反射光線。通過這個實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生理解入射光線、法線和反射光線必須在同一平面內(nèi)，并且反射光線與入射光線分居法線兩側(cè)，反射角等于入射角。

5. 評估完善模型：兩塊紙板并排放置是同一平面，那么怎樣放置才是不同平面呢？請學(xué)生演示翻折為不同平面，如果這個平面內(nèi)有一條入射光線及其法線，你能否設(shè)計(jì)一組對比實(shí)驗(yàn)證明它的反射光線是否就在這個平面內(nèi)呢？

驗(yàn)證“三線共面”是本節(jié)課的難點(diǎn)，利用紙板模型幫助學(xué)生理解“共面問題”。按模型自制演示的實(shí)驗(yàn)裝置：以法線為軸，使右側(cè)背景板向后翻轉(zhuǎn)。將兩塊紙板并排放置，讓它們保持在同一平面內(nèi)。在這種情況下，如果有了入射光線和法線，根據(jù)反射定律，反射光線也應(yīng)該在同一平面內(nèi)。同時，還可以通過翻折一塊紙板來創(chuàng)建不同的平面。在這個實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以演示將左側(cè)的紙板向后翻折，從而不與右側(cè)紙板在一個平面內(nèi)。這個步驟是為了展示如果紙板不在同一平面內(nèi)，反射光線將不會在原始平面內(nèi)。如果入射光線和法線在翻折前的平面內(nèi)，那么反射光線將不會在翻折后的平面內(nèi)，從而證明反射光線必須與入射光線和法線在同一平面內(nèi)。

在建模教學(xué)中，學(xué)生通過使用帶箭頭的竹簽等實(shí)物，將抽象的光現(xiàn)象具象化，構(gòu)建初始模型來表達(dá)對反射光線位置的猜想。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，學(xué)生不斷調(diào)整和完善模型，特別是利用量角器和背景板確?！皟山恰毕嗟群汀叭€”共面，這一過程實(shí)現(xiàn)了理論和實(shí)踐的緊密結(jié)合。通過這種化虛為實(shí)的方法，學(xué)生鞏固了知識基礎(chǔ)，強(qiáng)化了建模技巧，為后續(xù)模型的深化和創(chuàng)新打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（四）以創(chuàng)為翼，引領(lǐng)知識創(chuàng)新飛躍，拓展建模思維

創(chuàng)新思維的關(guān)鍵在于運(yùn)用創(chuàng)造性思維和方法，打破傳統(tǒng)思維模式，探索新的解決方案和方法。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是將不同學(xué)科和領(lǐng)域的知識進(jìn)行融合，是突破科學(xué)學(xué)習(xí)重難點(diǎn)的有效途徑。一個有創(chuàng)意的實(shí)驗(yàn)不僅能為學(xué)生提供手腦并用、拓展思維的機(jī)會，還能幫助學(xué)生有效建構(gòu)知識模型，促進(jìn)建模思維的發(fā)展。

以探索法線的由來為例。

在教學(xué)過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)入射光線、反射光線與鏡面的夾角相等，這一現(xiàn)象通過測量和計(jì)算均可驗(yàn)證。那么，為什么還要引入法線呢？為了給學(xué)生建立必要的空間模型，由現(xiàn)象深入本質(zhì)，教師可以設(shè)計(jì)一個創(chuàng)意十足的實(shí)驗(yàn)，使用竹棒、泡沫、紙板等實(shí)物來模擬法線的建立過程。

首先，打開一束激光，引導(dǎo)學(xué)生觀察入射光線和反射光線所在的平面（用紙板演示）是否與鏡面垂直。接著，同時按順序啟動三束光，產(chǎn)生三個與鏡面垂直的立面，分別用紙板進(jìn)行模擬演示。這三個立面恰好相交于同一條直線。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，所有入射到O點(diǎn)的光線和反射光線都會經(jīng)過這條直線并相交?？茖W(xué)家通過這條共享直線，成功地提取出了這條公共的直線，并測量其與鏡面的夾角為90°，于是將其命名為“法線”。

在教學(xué)中，教師應(yīng)鼓勵學(xué)生不僅學(xué)習(xí)理論知識，還要動手實(shí)驗(yàn)，親身體驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒌娜^程。例如，通過建立“法線”模型，學(xué)生能夠在空間中直觀感知法線的作用，從而更準(zhǔn)確地作圖并理解入射角、反射角等概念?？茖W(xué)理論的推理和解釋常常需要借助模型的構(gòu)建與完善，這體現(xiàn)了建模活動的創(chuàng)造性。因此，教師應(yīng)以創(chuàng)新為引領(lǐng)，通過建模教學(xué)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，推動知識創(chuàng)新飛躍，拓展其建模思維。

三、初中科學(xué)教學(xué)中建模的價值

建模這一理念如一條紅線貫穿中學(xué)科學(xué)教育始終，它巧妙融合了科學(xué)思維方法。教師在課堂中妥善運(yùn)用模型，可以產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

（一）可視化模型建構(gòu)錘煉學(xué)生的歸納概括能力

在構(gòu)建簡潔模型的過程中，學(xué)生充分參與體驗(yàn)，從錯綜復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)情境中識別出核心要素和根本現(xiàn)象。這一步驟要求他們具備敏銳的觀察力，并能夠運(yùn)用聯(lián)想、歸納等思維技巧，剔除無關(guān)信息，直擊問題的要害。

（二）可視化模型建構(gòu)助力邏輯推理能力的培養(yǎng)

在梳理知識、構(gòu)建模型的過程中，學(xué)生不斷地探尋知識之間的內(nèi)在聯(lián)系，進(jìn)行合理的邏輯推演與評估可行性。這一過程初步錘煉了他們的邏輯推理和批判性思維能力，也為他們解決真實(shí)世界問題奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（三）可視化模型建構(gòu)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新想象能力

構(gòu)建模型是一個從抽象到具體的思維轉(zhuǎn)化過程。通過模型的具象表達(dá)，學(xué)生將抽象的概念、微觀的現(xiàn)象以直觀、生動的方式呈現(xiàn)出來。在這個過程中，學(xué)生的想象力、創(chuàng)造力以及人文素養(yǎng)和自我表達(dá)能力得到全面提升。

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