科學(xué)課如何幫助學(xué)生建構(gòu)模型

1、201牟201學(xué)年度第一學(xué)期專題培訓(xùn)課堂教學(xué)中如何幫助學(xué)生構(gòu)建模型孝義市教研室王永麗美國國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)把模型和科學(xué)事實(shí)、概念、原理、定 理及理論并列為科學(xué)知識(shí)的重點(diǎn)，并將構(gòu)建、修改、分析、評價(jià)模型 作為中小學(xué)生的基本科學(xué)探究能力。我國的科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中也有“要求學(xué)生能制作簡易模型”和“能 選擇自己擅長的方式（語言、文字、圖表、模型等）表述研究過程和 結(jié)果”等與模型方法相關(guān)的要求表述。蘇教版五年級(jí)上冊教材第五單 元第二節(jié)就編排了科學(xué)探究的過程與方法一一建立模型的內(nèi)容。因 此，我們要重視模型方法在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用， 在課堂教學(xué)中幫 助學(xué)生構(gòu)建模型。一、模型及其作用一提到“模型”，大家可能頭腦中

2、想到的是樓盤模型、飛機(jī)模型、 火箭模型、汽車模型、橋梁模型、地球儀模型、三球儀模型、人體模 型、簡單機(jī)械模型這些模型是根據(jù)相似原理， 把真實(shí)實(shí)物按比例 大小放大或縮小制成的模型，其狀態(tài)變量和原事物基本相同，可以模 擬客觀事物的某些功能和性質(zhì)，稱為物理形態(tài)模型也叫實(shí)體形態(tài)模 型。除了物理形態(tài)的模型，我們常見的模型還有：圖示模型 植物細(xì)胞模型、水的循環(huán)模型、火山結(jié)構(gòu)示意圖、“男 生身高統(tǒng)計(jì)圖” “一杯水降溫變化曲線圖”這些模型將發(fā)現(xiàn)的科 學(xué)知識(shí)以圖示的方式解釋出來，直觀、一目了然，稱為圖示模型。數(shù)學(xué)模型圓的周長公式、成人后身高計(jì)算方法（男孩成人后身 高=（父親身高十母親身高）+ 2X1.08）這些

3、模型運(yùn)用適當(dāng)?shù)?數(shù)學(xué)工具，得到一個(gè)數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)可以是數(shù)學(xué)公式、算法等， 稱為數(shù)學(xué)模型?？茖W(xué)家利用模型來解釋他們的思想和發(fā)現(xiàn)。 模型將我們看不見的 變成能看見的，不能觸摸的變成能夠觸摸的。（教學(xué)參考書中寫到：模型解釋了宏觀世界的物體關(guān)系、模型解釋了微觀世界的物質(zhì)形態(tài)、模型將靜態(tài)的形狀動(dòng)態(tài)化、模型用靜態(tài)結(jié)果解釋了不同事物和現(xiàn)象的 動(dòng)態(tài)關(guān)系。）我們課堂中是幫助學(xué)生構(gòu)建模型， 也稱為“思維建?！?，即引導(dǎo) 學(xué)生根據(jù)自己先前的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，使用所給與的工具（軟工具和硬工 具），將學(xué)習(xí)的思維過程、對知識(shí)的理解、對知識(shí)的內(nèi)化過程通過模 型表達(dá)出來，從而促進(jìn)學(xué)生對知識(shí)的深層理解， 還可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng) 造思維。

4、【例】蘇教版科學(xué)五年級(jí)（下冊）第二單元建橋梁1、教師利用橋梁的圖片模型激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，引發(fā) 學(xué)生對橋梁的已有認(rèn)知。學(xué)生按照不同標(biāo)準(zhǔn)給橋梁分類的同時(shí)， 在頭 腦中初步形成了橋梁的模型。2、教師可以讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)橋梁的形狀，將自己組內(nèi)設(shè)計(jì)的橋 梁畫下來（思維建模一圖示模型）。然后學(xué)生通過模擬搭建橋梁實(shí) 物模型、測量、記錄、統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法，對橋梁的承重力與橋梁 的形狀之間關(guān)系的認(rèn)知逐步深入，在腦中形成各種形狀橋梁的承受力 模型。3、隨著知識(shí)的增多、見識(shí)的增長，學(xué)生頭腦中的橋梁模型會(huì)逐 漸豐滿，學(xué)生綜合橋梁的承受力、美觀、實(shí)用（位置、用途）等各種 因素，在頭腦中形成新的橋梁思想模型，也許

5、未來的一座世界著名橋 梁就誕生了。（思維建模 >圖示模型 > 實(shí)物模型）二、模型的構(gòu)建在模型建構(gòu)活動(dòng)中，往往需要進(jìn)行觀察或?qū)嶒?yàn)，需要運(yùn)用已有知 識(shí)進(jìn)行假設(shè)、模擬，需要將頭腦中抽象的概念具體化、形象化。教師 應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生用語言、畫圖或數(shù)學(xué)等方式表達(dá)自己的思想， 勾勒出學(xué)生 對整個(gè)現(xiàn)象的思想模型和整體認(rèn)識(shí)。 這些思想模型可暴露出他們存有 的各種模糊的、錯(cuò)誤的觀念，也可暴露出他們頭腦中根本性的認(rèn)識(shí)局 限。隨著學(xué)生的探究活動(dòng)，這些思想模型在它們頭腦中會(huì)逐步內(nèi)化， 形成認(rèn)知模型?！景咐?】蘇教版科學(xué)四年級(jí)（上冊）第二單元熱的傳遞 中熱在固體中傳遞方式的模型構(gòu)建過程： 書中對于傳導(dǎo)的概念作出這

6、樣的表述：熱在固體中，從溫度高的地方傳到溫度低的地方，這種傳 熱的方式稱為“傳導(dǎo)”。如果只讓學(xué)生記住這一概念，只需幾分鐘就 可以了。當(dāng)我們以后在提到傳導(dǎo)的時(shí)候，學(xué)生會(huì)盡力去在頭腦中搜索 這一概念的文字表述，而對這一概念的理解是模糊的。教學(xué)中，我們 在學(xué)生參與探究活動(dòng)時(shí)，不僅讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，思考為什么會(huì)有 這樣的現(xiàn)象，更重要的是引導(dǎo)學(xué)生畫出熱傳遞的路線，在這一過程中， 看上去是把傳遞過程畫在黑板上， 實(shí)際上同時(shí)也畫在了頭腦中，在學(xué) 生腦中形成了具體的表象，學(xué)生將抽象的概念轉(zhuǎn)化為圖示模型， 幫助 學(xué)生清晰地認(rèn)識(shí)到熱在固體中傳遞的方式一一傳導(dǎo)，獲得認(rèn)知水平上 的提升。當(dāng)我們提到傳導(dǎo)的時(shí)候，學(xué)生頭

7、腦中會(huì)自然地出現(xiàn)對傳導(dǎo)的 認(rèn)知圖式（形成的圖示模型），仿佛看到了熱從溫度高的地方傳到了 溫度低的地方，將頭腦中抽象的概念具體化、形象化。類似案例：五年級(jí)上冊簡單電路我們讓學(xué)生用材料連接電路 的同時(shí)，要幫助學(xué)生畫出電流從電池（電源）出發(fā)，在電路中流動(dòng)， 經(jīng)過燈泡，又回到電池（電源）形成回路的過程，在頭腦中建立形成 電流通路的圖示模型。學(xué)生連接一個(gè)簡單電路時(shí)，不僅會(huì)連接電路， 而且清楚地知道在這個(gè)電路中電的流動(dòng)路線。 此時(shí)，我們將小燈泡換 成其他電器，學(xué)生也容易理解了。建立這一模型，有助于學(xué)生理解導(dǎo) 體和絕緣體探測暗盒里的電路。四年級(jí)上冊熱空氣和冷空氣聲音的產(chǎn)生，五年級(jí)下冊大 腦，六年級(jí)下冊有趣的

8、食物鏈各種各樣的能量等。案例探討（聲音的產(chǎn)生）：出示任務(wù)（本課要幫助學(xué)生建立什 么模型，你計(jì)劃如何幫助學(xué)生建立模型？） 一分組，確定組長 f 小組討論交流 一小組選代表發(fā)言 一發(fā)言?！景咐?】蘇教版科學(xué)四年級(jí)（下冊）第二單元冷熱與溫 度中一杯熱水溫度變化模型構(gòu)建過程：如果我們將一杯熱水溫度變 化的規(guī)律（先快后慢）概括出來教給學(xué)生，學(xué)生雖然知道了，但理解 不深刻，當(dāng)我們的問法改變時(shí)學(xué)生無從下手。教學(xué)中，我們引導(dǎo)學(xué)生 在親身參與探究活動(dòng)的過程中，測量、記錄熱水降溫變化（形成數(shù)學(xué) 模型），在此基礎(chǔ)上，繪制水溫變化曲線圖，根據(jù)繪制的曲線圖學(xué)生 不僅容易發(fā)現(xiàn)水溫變化的規(guī)律，而且從曲線圖縱坐標(biāo)很容易發(fā)現(xiàn)水

9、溫 處于哪個(gè)階段時(shí)變化快，哪個(gè)階段時(shí)變化慢，從而發(fā)現(xiàn)這樣變化的原 因。這時(shí)候，學(xué)生頭腦中已經(jīng)將抽象的一杯熱水變涼過程中的水溫變 化的規(guī)律轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為圖示模型。當(dāng)我們提到熱水變 涼過程中的水溫變化的規(guī)律時(shí)，在學(xué)生頭腦中出現(xiàn)的不是我們讓學(xué)生 記錄在書上的總結(jié)性語言，而是出現(xiàn)在學(xué)生頭腦中形成的水溫變化曲 線圖。類似案例：1、五年級(jí)（上冊）第二單元光的行進(jìn)。光在空氣 或水中是沿直線行進(jìn)的這一光傳播的規(guī)律學(xué)生能記住， 但理解并不深 刻。學(xué)生通過觀察實(shí)物圖片、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，得出光在空氣或水中是沿直 線行進(jìn)的這一規(guī)律，并在頭腦中形成模型。2、五年級(jí)（上冊）第四單元測量呼吸和心跳。運(yùn)動(dòng)前后人的 呼吸

10、和心跳變化這一規(guī)律，我們同樣是要組織學(xué)生測量、記錄運(yùn)動(dòng)前、 運(yùn)動(dòng)時(shí)、運(yùn)動(dòng)后人的呼吸和心跳的次數(shù)（數(shù)學(xué)模型），引導(dǎo)學(xué)生繪制 成柱形統(tǒng)計(jì)圖（圖示模型），從而發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)前后人的呼吸和心跳變化 的規(guī)律。止匕時(shí)，運(yùn)動(dòng)前后人的呼吸和心跳變化的規(guī)律這一模型已經(jīng)深 深地印在學(xué)生的頭腦中。五年級(jí)上冊太陽和影子看月亮，五年級(jí)下冊怎樣移動(dòng)重 物等。案例探討（怎樣移動(dòng)重物）：出示任務(wù)（本課要幫助學(xué)生建立 什么模型，你計(jì)劃如何幫助學(xué)生建立模型？）小組討論交流 小組選代表發(fā)言 發(fā)言?！景咐?1蘇教版科學(xué)六年級(jí)（上冊）第二單元火山和地 震中火山模型的構(gòu)建過程：火山的成因、火山噴發(fā)離學(xué)生的生活較 遠(yuǎn)，如果只是讓學(xué)生按照教材安排

11、做火山噴發(fā)的模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生并不能真正理解火山的成因。教學(xué)中我們就應(yīng)該通過引導(dǎo)逐步幫助學(xué)生建 立火山成因的模型。通過觀看火山噴發(fā)的新聞片段，根據(jù)火山噴發(fā)時(shí) 所呈現(xiàn)的外部現(xiàn)象：濃煙冒出、石塊飛出和紅色巖漿噴出、周圍溫度 很高等，來推斷火山內(nèi)部的成因：高溫高壓。然后假設(shè)巖漿在高溫高 壓的作用下會(huì)沿著地殼的薄弱地帶噴出來。在推斷與假設(shè)的過程中， 學(xué)生頭腦中初步想象、勾勒火山形成的過程，把腦中虛擬的火山形成 過程，與生活中的某些材料進(jìn)行類比，用語言把模擬虛擬火山形成過 程的實(shí)驗(yàn)操作方法描述出來，就是制定探究方案，也就是建模（虛擬 表象）。學(xué)生勾勒的過程（建模過程）中把隱含條件也明晰了。然后 再組織學(xué)生進(jìn)

12、行火山噴發(fā)的模擬實(shí)驗(yàn)，就可以深化學(xué)生對火山成因、 火山噴發(fā)的理解。類似案例：1、六年級(jí)（上冊）第二單元地球的內(nèi)部2、蘇教版科學(xué)六年級(jí)（上冊）第四單元太陽系大家族的 構(gòu)建模型活動(dòng)：太陽系大家族一課，重點(diǎn)活動(dòng)是讓學(xué)生根據(jù)八顆 行星距太陽的平均距離及各行星赤道直徑數(shù)據(jù)表建立太陽系模型。這一活動(dòng)，不僅可以加深太陽系中的組成天體在學(xué)生頭腦中的印象，更重要的是可以培養(yǎng)學(xué)生的空間想象力和理解力， 建立有關(guān)宇宙空間的 概念。然而在教學(xué)中，有些教師不是純粹地引領(lǐng)學(xué)生分析太陽系的行 星數(shù)據(jù)，讓學(xué)生理解太陽系，就是脫離數(shù)據(jù)地建構(gòu)模型，使學(xué)生對太 陽系的認(rèn)知仍是一知半解。我曾經(jīng)見過這樣一個(gè)案例：教學(xué)開始，教師先讓學(xué)生

13、談?wù)剬μ栂档恼J(rèn)識(shí)，學(xué)生說到了九星連珠、世界末日、 行星大沖撞等“天文事件”。教師不置可否，而是讓學(xué)生參考數(shù)據(jù)表， 用橡皮泥捏捏八顆行星，擺一擺八顆行星，來認(rèn)識(shí)了解太陽系。學(xué)生小組間互相評價(jià)模型后，提出了行星大小和距離的問題。教 師給出了縮小20億倍后的行星距離、直徑的數(shù)據(jù)表和塑料行星球模 型，讓學(xué)生再次進(jìn)行模型建構(gòu)。學(xué)生在建構(gòu)過程中提出需要再次縮小 數(shù)據(jù)。教師給出縮小500億倍的數(shù)據(jù)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)在校園內(nèi)根本無法按 比例縮小來建構(gòu)太陽系模型。教師在學(xué)生由此認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生談?wù)剬μ栂涤惺裁葱碌?認(rèn)識(shí)。學(xué)生說到了太陽系的范圍很廣大、行星間的大小差異很大。教 師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生到操場上擺一擺塑料模

14、型球，再看一看太陽系，看有什么新的發(fā)現(xiàn)。學(xué)生通過找、擺、看后，在進(jìn)一步的交流中體會(huì)到 了太陽系中行星的渺小，行星間的距離不均等，對九星連珠、世界末 日、行星大沖撞等“天文事件”提出了自己新的看法。這樣教學(xué)，體現(xiàn)了教師主導(dǎo)下的建模，以學(xué)生的已知概念為出發(fā) 點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生以數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，有效地指導(dǎo)學(xué)生處理數(shù)據(jù)，根據(jù)處理后 的數(shù)據(jù)建立太陽系的空間模型。學(xué)生模擬建造太陽系模型經(jīng)歷了三個(gè) 階段：階段一，用橡皮泥模擬建造太陽系；階段二，用塑料球模型模 擬建造太陽系；階段三，到操場上模擬建造太陽系。三次建模的過程， 是基于學(xué)生三個(gè)逐級(jí)提升的認(rèn)識(shí)層次展開的。學(xué)生在一次次模擬建構(gòu) 過程中，不斷地交流、探討、模擬，不斷地反思，形成新的認(rèn)識(shí)，修 正自己原有的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。學(xué)生在建模過程中逐漸對太陽系的真實(shí)情 景：八顆行星的大小差異很大，在太陽系中八顆行星十分渺小有了清 晰而深刻的認(rèn)識(shí)。學(xué)生有了模型建構(gòu)下的太陽系的新認(rèn)識(shí)， 也對教材 中的太陽系的新認(rèn)識(shí)，也對教材中的太陽系插圖提出了質(zhì)疑： 行星