浙江省宁波市初中科学教育教学评比获奖论文 科学教学中应加强建模能力的培养.docVIP

科学教学中应加强建模能力的培养内容摘要：模型是一种重要的研究方法，研究问题时可忽略一些次要因素的干扰，将客观事物的本质抽象成一定的模型，便于得出科学结论。教学时可以借助实物、图片、挂图、动画、实验、习题等建立模型，也可以采用虚拟、类比的方法建立模型。建模能力的培养需要贯穿在整个教学中，通过实验、探究以及一些开放性的思维训练，结合课内外教学，分层次地推进。关键字： 模型 建模方法 建模能力一、 问题的提出“模型”是一种很重要的研究方法。它是分析研究问题的主要手段。无论试题情景多么新颖多变、与日常生活联系多么紧密融合，大都可以归结为学生熟悉的模型。教师要善于指导学生运用已知的科学原理、规律、熟悉的解题方法、经验去分析、寻找事物间的本质联系，寻求解决问题的途径和方法，从而不断提高他们解决实际问题的能力。但学生在应用时往往就事论事，就题论题，缺乏处理实际问题的思维策略和技巧，不善于运用“模型”的巧妙沟通。现行中考的命题趋向，要求在教学中体现“从生活走向科学，从科学走向生活”的思想。即要引导学生在研究问题时建立最简单的、最贴切的模型。 所以，在科学教学中加强学生建模能力的培养，显得尤其重要和迫切。本文将从模型的概念、建模的方法和途径、建模能力的培养等方面作以下阐述。二、 问题的研究1、什么是模型通俗地说，如果被研究的对象（现象或过程等）跟已知的事务（现象或过程等）中的一部分相似，则后者可称作是前者的模型。但是这种表述是粗略的，还可做进一步的表述：“模型”是事物或过程的内在特性及其相互关系的简洁性、仿真性的表述，是众多事物或过程的典型代表，是抽象思维的形象化表示，是理论的基本框架。例如：船闸、茶壶是一个连通器模型；盘山公路、螺丝、斧子是一个斜面模型；抽水机抽水、人爬楼梯是一个做功模型等。2、 什么要引入模型引入模型的目的在于简化复杂的条件，突出解决研究对象的本质因素，准确而简明地得出科学结论。例如，简单机械的许多结论，就是在忽略机械的自重、摩擦、形变等条件下，即在“理想机械”的条件下得出的。如将上述因素一概予以考虑，则无法得到一个普遍的结论。分析和解答科学问题的过程，就是建立模型，使用科学规律的过程。引入了模型，就可以用模型来解释某些运动规律、实验现象，进行严格地计算；有时还能根据模型作出科学预言。模型法是一种重要的科学思维方法，能培养学生的抽象思维能力和解决实际问题的能力。那么怎样在实际问题中建立正确的模型呢？3、 建立模型的方法、途径从模型的形成和运用来看，有如下的特点：“问题 建模 扩展完善模型 应用 新的问题和更广泛的模型 ”。用式子概括为：理论 模型 实践。建模的主要程序是：按照研究对象的运动规律和研究目的，舍去或忽略其余的诸因素，将客观事物的原型抽象为认识论上的模型；通过对模型的研究，获得对客观事物原型的更本质、更深刻的认识。建立模型的主要途径有：（1）借助实物、图片、挂图、动画等多媒体直观演示，建立模型心理学研究表明，人脑对事物的认识是从表象开始的。初中学生正处在形象思维偏强，抽象思维相对偏弱的阶段，在教学中，应尽量多地借助实物、图片、挂图、动画等多媒体直观手段，演示抽象问题，为模型的建立形成表象基础；而且色彩鲜艳的画面、具体生动、活动多变的事物、奇异罕见的现象最容易引起学生的兴趣和注意。（2）列举生活实例、开展模拟实验和学生亲身体验，建立模型科学来源于生活，取之于生活，生活中的自然现象，既是科学教学的良好素材，又是学生运用科学知识解决问题的“廉价实验田”。例如：我在复习电路故障的检测方法时，先展示一个真实的台灯故障，让学生猜测、尝试检测，之后让学生小组之间互设故障，互相检测，由学生自行分析故障，介绍检测方法，教师进行汇总，抽象概括出常见电路故障的检测方法。由于亲身体验，解决的又是接近真实生活的问题，学生既兴奋又快捷地投入活动，并积极主动地建构模型。又如，在速度教学时引入刘翔跨栏实例，根据观众和裁判判断物体运动快慢的方法对比建立速度概念，使速度模型建立得顺理成章，同时又极大地激发了学生的学习热情。生活素材真实、可靠，实验现象直观、生动、事实结果令人信服，亲身体验使概念赋予了具体意义，这些经历都为今后解题提供认识基础。经后遇到类似比较陌生、复杂的问题只要加以认真分析，抓住其本质，建立正确的模型，就可以迎刃而解。（3）用虚拟法建立模型有些模型是看不见、摸不着的， 甚至是不存在的。但为了研究问题方便，我们通常形象地引入一虚拟的物质结构或过程。典型的例子有：为了便于描述光的传播，我们引入了光线；为了便于描述磁场的方向，我们引入了磁感应线。（4）用类比法建立模型有些模型建立起来有些抽象，较难理解，或者不便于展示，这时可以选一些已知的、较形象的事物作类比，帮助学生建立新的合理的模型。例如：电压和电流的概念很抽象很陌生，也无法通过实验来展示研究，但水压和水流学生是比较熟悉的，通过合理的类比，可以帮助学生建立电压、电流的模型。又如讲到几种基本化学反应类型时，把置换反应类比于“第三者插足”，魅力强的单身金属甲抢走了魅力弱的金属乙的伴侣，金属乙变为单身；（开个玩笑）复分解反应则类比于交换同桌。串、并联电路类比于臭豆腐串、幼儿园排队等直观事物，嬉笑的同时建立起正确的模型。（5）在习题中引导学生认真审题，建立模型解题时的审题就是通过阅读题文和题图，理解题意，弄清题目中所涉及的科学过程，想象科学图景，明确已知条件与所求问题之间的关系等而进行的分析与综合相结合的思维活动。审题的质量将直接决定解题的成败。有些题目看起来复杂、隐晦，无从下手，这时需要认真审题，充分挖掘隐含条件，紧扣关键词句，抓住题目的本质特征，把题中描述的实例情景转化成我们熟悉的模型，运用相应的科学规律确定解题思路，正确解题。下面通过一典型例题，探讨如何正确审题及建立模型。水的沸点与水面上方气体的压强有关，气体压强越大，水的沸点越高，下表给出了水面上方气体压强与沸点的对应关系。技术员小陈利用这一关系，设计了如下图所示的锅炉水温控制装置，图中oc为一可绕o点旋转的横杆(质量不计)， 在横杆上的b点下方连接着阀门s，阀门的底面积为3 cm2，ob长度为20 cm， 横杆上a点处挂着重物g，oa长度为60 cm.对水加热时，随着水温升高，水面上方气体压强增大.当压强增大到一定值时，阀门s被打开，使锅炉内气体压强减小，水开始沸腾。当重物g挂在不同位置时，锅炉内水面上方气体压强可达到的最大值不同 ，从而控制锅炉内水的最高温度. (1)当锅炉内水的温度达到120沸腾时，锅炉内气体压强是少?(2)当大气压强为1.0105pa时，将g挂在a位置，锅内水沸腾时的温度为120 ，求此时阀门底部受到的气体压力和上部受到的大气压力差是多少?所挂物体的重g为多少？ (3)当大气压强为1.0105pa时，要使锅炉内水的温度达到110沸腾，应将g挂在离 o点多远处?气压（pa）1*10514*1052*10527*105沸点（）100110120130该问题初看繁杂冗长，建模之后又柳暗花明之感。舍去次要因素，透过现象分析，这根横杆本质上就是一根在动力作用下能绕着固定点转动的硬棒，此即为杠杆。模型建立后，找到杠杆的五要素（支点、动力、阻力、动力臂、阻力臂），动力可看作活塞通过b点作用在横杆上向上的内外大气压力差，阻力为物体g通过绳子作用在a点的拉力。求出已知力臂，第（2）(3)小题分别运用杠杆平衡原理把已知要素代入，即可解题。所以教师在教学中要重视对学生迁移能力的培养，使学生逐渐积累起一些处理问题的思维策略和技巧，借助模型的建立，对同类、相似的问题进行比较、概括、总结，使学生触类旁通，举一反三。综上所述，在教学中，引导学生合理建立、灵活应用模型，有利于处理和解决实际问题。熟悉并掌握这种科学研究的思维方法，养成良好的思维习惯，不仅能加深学生对科学概念和规律的理解，化繁为简，提高解题技巧，而且对开发学生智力，发展创造性思维，将起到积极作用。三、问题的解决-科学教学中建模能力的培养学生建模能力的培养，主要经过如下阶段：培养建模意识激发建模欲望实施建模行为形成建模能力。具体的建模教学任务要细化到各个层次(各章、节)的教学目标中去。1、重视科学概念和规律形成的过程教学从科学的发展史来看，“建模”起着推动其前进的作用。每一条科学规律和定理都与一定的模型有对应的联系。在教学中有意识地向学生展示科学概念和规律的发生、形成和发展的物理情境和过程，对提高学生的分析概括能力、培养学生的建模意识和能力起到潜移默化的作用。2、重视理论联系实际，由模型走向生活平时教学主要是把自然现象和其发生过程进行抽象化、理想化，这样利于学生学习和掌握科学的研究方法和思维。但也容易使学生只会利用公式、理论解决些直观的、简单的理想问题，而面对实际问题时则束手无策。近年来的中考和竞赛题中的一些信息题，其实就是考查学生的“建模”能力，如浙江省第十届初中生科学竞赛复赛试卷的第2题是一个信息题：题为法美三位科学家荣获2005年度诺贝尔化学奖，获奖原因就是他们弄清了如何指挥烯烃分子“交换舞伴”，将分子部件重新组合成别的物质。在烯烃分子里，两个碳原子就像双人舞舞伴一样，拉着双手在跳舞。随之不同的烯烃分子间经过“交换”后生成了新物质，其过程可用下图表示：（图略）这种不同烯烃间重新组合成新物质的过程，可以认为是烯烃分子间发生了（ ）a.置换反应 b.化合反应 c.复分解反应 d.分解反应 就是考查学生对四种基本反应模型的理解。要适应这样的考试，科学教学必须加强理论联系实际，由理想模型走向生活实例，由重视解题训练转向重视理论联系实际。从浩繁的题海训练中挣脱出来，多给予学生一些实际问题，多进行一些建模训练，逐步培养学生的建模能力。当然模型都有一定的局限性，所以在解决具体问题时要学会针对实际提供的信息灵活选用和变通，还可能会综合有多种模型的运用。 3、重视开放式教学，培养学生创新思维和发散思维 传统的教学试题多为单向封闭式，解题要求过于强调整齐划一，题解一般都是唯一和固定的。长此以往会使学生形成不良思维定势，制约学生思维品质特别是发散思维的发展；也制约了学生建模能力的形成。要走出这种封闭教学，教师应该有意识地将试题从单向封闭转向多维开放（包括条件开放、过程开放、策略开放、结论开放、综合开放等），给学生选择和展示的空间，培养学生的创新精神。例如： 现有电压不变的电源、电流表、电压表、滑动变阻器（一支最大阻值为r）和待测电阻rx，设计出不同的方案测量rx，要求：每种电路图只允许任选电流表、电压表其中的一个。（条件开放）；又如（2002年扬州市中考题）展示一辆自行车图片，观察它的构造，想一想你的使用过程，请提出两个与科学有关的问题。（提出问题开放题）由于科学开放题的命题素材取自人们的现实生活，内容新颖，取材面广，利于提高学生的综合素质，促进学生建模能力的发展。 4、重视实验探索和科学探究传统的知识教学下学生只会应用，不会探究，缺乏基本的科学探究和质疑精神。新的教学大纲和教材中增设科学探究的内容，为配合和促进新课程教学改革，在教学中要正确引导科学教学由重视知识积累转向重视科学探究。例如可以通过文字表述、图表数据等提供一定的信息和建构出一种探究情境。学生从中获取有用信息，或得出正确结论，或探究新的规律，构建模型。也可选取合适的实验，提出需要解决的问题，要求学生设计并实际操作，运用模型法探索性地去解决问题。例如：有一块透镜，不知是不是凸透镜，请你设计三种确定的方法，并简要说明理由。学生在探索过程中把动手和动脑结合起来，把所学知识与现实问题结合起来，锻炼和培养自己的建模能力。 5、重视课内外活动相结合，深入实践，亲身体验现实模型课外活动是课堂教学的延伸，开展课外活动不仅可拓宽学生的知识面，活化知识，同时也可提高学生的思维能力与实践能力。教师可根据实际情况开展各类课外活动，深入生活，调查实际，亲身体验，将课堂教学与课外活动紧密结合起来，使模型教学更加完善。例如：学校有个游泳池，每次加水时工人都要跑进游泳池察看水位，到达水位线后再跑去关掉水龙头。请你设计一个自动水位控制报警装置，使得水到达水位线后工人师傅能够方便地得知信息，及时关闭水龙头。活动中鼓励学生根据实际问题提出多种不同的模型，引导他们对理想模型和现实模型进行比较，对不同模型的可行性、适用性进行比较，增强实用性，使模型教学落到实处，推动建模能力的急速形成。6、重视多种模型的比较、归类一个阶段学习结束后，教师要经常性地引导学生对所学模型进行比较、分类，形成完整的知识体系。例如，在化学复习时，对分子和原子，原子和元素，元素和物质，单质和化合物等相似而易混淆的概念进行比较、辨析。对物质的组成和构成做一总结。（如下）通过比较、总结，可以使头脑中的各个模型更加清晰，并逐步形成较完整的模型体系。四、学生建模能力培养过程中应注意的几点问题1、在建模活动中，应把学生当作解决问题的主体，而不仅仅是观众。问题情景和问题的解决过程应让学生亲自体验和经历，充分发挥学生的主动性、创造性和协作精神，让学生在经历问题、困难、挑战、挫折、取胜的各种感觉体验中；在选择、判断、协作、交流的探究实践中；活用知识，建立模型，取得培养能力、激发兴趣、