小学科学课堂中有效建模的策略研究

摘"要：模型建构是小学科学课程要培养的科学技能之一，在小学科学教学中占有重要地位，一般包括引模、建模、释模、拓模等阶段。为了实现科学课程良好的教育效果，培养学生的科学素质，小学科学教师可以采用创设真实问题情境、提供学习支架和可视化工具等策略，让学生亲历科学建模的过程，增强学生的科学探究精神，让科学探究实践往深处发展。关键词：科学思维;模型建构;核心素养一、科学模型的内涵与外延模型是对系统的理解和清晰的表达，可以是列表、简单草图、功能原型等形式。《义务教育科学课程标准（2022年版）》将系统与模型作为科学课程的跨学科概念之一。所谓跨学科概念，是指在所有领域都有所运用的主要概念，它提供了沟通所有学科的方法，在说明事物、创造理论、观察和设计时发挥着重要作用。从跨学科概念视角而言，由于很多事物受到限制，不能被直接观察利用，因而需要使用模型将不可见的、抽象的现象形象化，以反映系统的结构、各部分的相互作用以及系统与外部作用的关系。模型在科学研究中能发挥重要作用，包括解释和预测系统现象，因而构建模型的过程可以增加对系统的认识。通常，人们会依据系统特征提出可能的模型，在利用模型进行解释、检测、预测等活动时，可能会发现最初模型存在的不合理之处，进而根据新的线索修正模型，这也体现了科学逐步发展的路径，彰显科学本质。模型建构，旨在将复杂事物的本质提炼出来，简化为能解释原事物的概括化模型，是根据研究目的对系统进行必要的假设和近似，以突出系统的本质特征。《义务教育科学课程标准（2022年版）》将模型建构列为小学科学课程要培养的科学思维之一，其内涵包括以经验事实为基础，对客观事物进行抽象和概括，进而进行模型建构;运用模型分析、解释现象和数据，描述系统的结构、关系及变化过程。模型建构活动在小学科学教学中广泛存在，例如物质科学领域的受力图、杠杆，生命科学领域的细胞结构图、消化系统模型图，地球与宇宙科学领域的太阳系模型、地球模型，技术与工程实践领域的住宅系统、降落伞设计图等。这些科学模型是真实世界的简化，是一套研究问题的方法论，具有简化性、差异性、相似性与超越性。在小学科学课堂中，模型是知识传递的工具，学生在课堂中亲历模型建构的过程，不会因想象造成认知误差，也有利于思想和语言的传递;模型也是个体认知发展的工具，学生利用模型来解释、推理、修正，用可视化的方式来表达自己的观点，能够让学生体会到做思共生的乐趣、成功的喜悦，养成动手动脑的习惯，形成积极思维，提高解决实际问题的能力。二、小学科学课堂中有效建模的策略建模对学生学习过程有着重要意义，学生只有亲历模型建构的各个过程，才能体会模型建构的特点，才能得到科学思维的锻炼，进而提升科学素养。一个完整的模型教学至少要经过4个阶段，即引模、建模、释模、拓模。在引导学生构建模型的过程中，教师要以培养学生核心素养为目标，让学生通过模型建构增强对问题的理解和研究，提高同伴间沟通与交流的质量。（一）引模：真实的问题情境知识不是通过教师传授的方式获得的，而是学生在一定的教学情境下，利用必要的学习材料，通过师生、生生之间的合作与交流，以意义建构的方式获得的。真实的问题情境可以激发学生的非认知因素，例如动机、情绪等，也可以发展认知因素，如感觉、知觉、思维等。因而，教师在模型建构活动中，要根据教学目标和学情，创设隐含真实问题或项目的教学情境，引出建模的对象，为建模打下坚实的基础。例如，在《四季循环》一课的教学中，学生需要用地球模型、牙签等材料模拟四季交替。学生在实际操作之前必须明白构建四季循环模型的目的是什么、是为了解决什么问题。因而在教学一开始，教师出示了同一时间南半球和北半球的不同情境：一边炎炎夏日，人们海边嬉戏;一边凛凛寒冬，行人裹上了厚厚的棉衣。这一真实的情境激发了学生的学习动机，引发了学生的认知冲突，启发了学生的积极思维：同一时间南半球和北半球处在不同的季节，原因是什么？为了解决这个真实的问题，学生要解释南北半球气温差距的原因，进入建模阶段。这一环节中，教师如果采用开门见山的方式问学生“四季形成的原因是什么”，学生不会产生如此大的学习兴趣，因而提出隐含真实问题的教学情境在引模环节尤为重要。（二）建模：3个特征+1个要素学生在建模的阶段需要用模型来描述和表征个人想法。教师可以采用“3个特征+1个要素”的教学策略使学习活动逐级深入。其中，“3个特征”指的是把握学段特征，进阶设计;把握思维特征，提供必要支架;把握学习特征，提供可视化工具。“1个要素”指的是积极的学习环境。1.把握学段特征，进阶设计小学处在不同年段的学生有不同的身心发展特征，低年段儿童善于借助感性的方式认识周围的世界，需要教师提供大量的感性材料，供儿童观察和描述;中年段学生能够建立和修正简单的模型，用模型表示事件、设计解决方案;高年段学生可以开发或修改基于证据的模型，描绘、检验和预测更抽象的现象与系统。这要求教师根据不同年段学生的特点，设计符合学生发展水平的学习任务。例如，在《今天天气怎么样》一课的教学中，学生设计简单的符号表示天气情况，其实就是建模的过程。在建模之前，为了给低年段的学生提供丰富的感性材料，教材安排学生在课前出门观察一天的天气，根据观察到的天气特征绘制天气符号。学生在本课中用自己绘制的天气符号描述天气情况，实质就是利用模型描述事物的外部特征，符合低年段学生以感性方式认识世界的特征。在《弹力》一课的教学中，学生玩不同的弹性玩具，将施加力和撤去力以后玩具变化的情况画下来，这也是建模的过程。学生不仅在描述事物的外部特征，更是在描述事物的变化过程。在《云和雾》一课中，学生构建云和雾的形成模型图，展示对云和雾形成过程的理解，解释自然现象及其发生、发展和变化的过程，是更高层次的要求。可见，科学教师要以《义务教育科学课程标准（2022年版）》中的学段要求为指导，在各年段创设合适的学习任务。2.把握思维特征，提供必要支架思维支架是教师在课堂上用来提高学生基于问题的学习技能的有用工具，是对学生学习过程有针对性的提示和支持，以帮助学生完成建模活动。小学科学课堂中的学习体验是对科学家探究科学世界的简化，要将科学家长期的研究过程浓缩在一节课中，教师需要提供相应的思维支架，尤其对教材中抽象的学习内容，更需要教师提供线索。例如，在《热空气和冷空气》一课的教学中，教师做了创新设计，将自然界中风的形成原因作为课堂主线，为学生提供一系列的支架，帮助学生理解自然界中空气循环流动的模型。其一，请学生用吹、扇等不同的方法制造风，启发学生思考“这些方法怎么就能制造风”，引导学生说出“这些方法都能让空气流动起来”。“那么自然界中空气在流动吗？是什么导致的”，引导学生关注自然风形成的动力问题。其二，在风箱中放一支蜡烛，请学生用手体会蜡烛点燃前后，两个风口有什么感觉。学生发现只有蜡烛点燃，风口才会形成风，并且侧边风口是向内的冷风，上面的风口是向上的热风。接着，在侧边的风口点燃一支线香，观察到线香的白烟从侧边风口进入，从上面的风口出去，进一步验证学生的想法，继而提出关键问题，“为什么蜡烛点燃之后，空气是这样流动的”，学生提出冷热空气的流动规律不同;其三，将白烟充入冷热空气对流教具，观察白烟的流动轨迹，总结出冷热空气的运动规律。这三个学习任务层层递进，为学生搭建坚实的脚手架以解释风箱中风的形成原因，继而对照教材中冷热空气流动规律图，解释自然界中风的形成原因。本课的教学设计并不要求学生能自己构建风的形成模型，这超出了学生的能力范围，但教师给学生提供了必要的实验现象作为支架和线索，让学生能够最终对风的形成作出模型解释，达到本课的教学目标。3.把握学习特征，提供可视化工具学习科学理论认为，学习是大脑神经网络的改组，导致改组的两个重要因素是有意义的实践和不间断且持续的评价、反馈、改进。在科学教学中，教师需提供必要工具，将学生内隐的建模过程显性化，以增强对建模过程的自我监控，提高模型的科学性。教师可以使用的可视化工具，如学习单、实践工具、模型、评价量表等。在使用可视化工具的同时，教师还需引导学生在完成建模任务的过程中，主动获取信息、寻求问题解决方案，反思评价、改进和合作。例如，在《地表雕刻师》一课中，学生用吸管、小石头、玉米碎粒、玉米粉建构模型，研究风对地表的影响，将实验现象记录在学习单上，依托组内和组间的交流和评价反思实践过程。其中涉及的实验材料、学习单属于实践工具，学生实验操作的过程和学习单的内容能够反映学生的思维过程，组内和组间的评价反思是对学生思维过程的评估、反馈，能够反映学生认知的发展和认知结构的变化，使学生的学习过程可视化。4.积极的学习环境学习环境影响学生的学习动机，教师在教学中应当营造激励性的学习环境，激发学生的好奇心和兴趣，为学生的合作与交流创设良好氛围，利用反馈的积极作用，提高学生的自信心和自我效能感，引导学生积极归因，将激发学生的学习动机作为重要的教学目标予以落实，培养学生的成长型思维模式。例如，《热对流》一课的教学目标之一是观察液体和气体受热流动的轨迹，归纳热对流的概念，建立热量在水中的传递路径的模型。学生开始进行液体对流的实验之前，教师要引导学生充分讨论实验中可能出现哪些现象，这些现象能够证明热量在水中是怎样传播的，最大限度鼓励学生细致观察、认真记录，激发学生的学习动机。在实验过程中，教师要不断巡视，在现象描绘和规律总结上给学生及时的指导，监控小组的分工合作，督促学生针对实验现象主动展开交流，在组内达成共识，培养友好协作的学习型小组，多维度营造积极氛围。（三）释模：批判性地评估释模是对现象的解释，说明模型构建的过程。释模的过程也是学生思维历程显性化的过程，将建模的过程用简洁、有逻辑的语言表达出来，接受其他同学合理的批判和质疑，根据反馈进一步完善模型。为达到理想效果，教师需要在常态教学中持续引导学生养成有理有据表述观点的习惯，强化组间和组内评价，批判性地评估汇报小组的探究过程、探究结果和最终的结论，与本组的探究成果进行比较，当观点不一致时，有依据地反驳并提出自己的主张。（四）拓模：与原型进行比较模型建构的目的不在建模本身，而是用模型解释科学现象，促进科学思维的发展。因而，学生在课堂上构建的模型需要与原型比较，明确其中的差异。学生在这一过程中将进一步领悟科学建模的内涵、领悟科学本质，提高高阶思维能力。以《地表雕刻师》一课为例，学生在课堂中完成了温度变化对岩石影响的模拟实验，经过交流形成观点：温度变化会使岩石开裂。此时，教师应请学生带着这样的概念理解回到大自然，比较实验环境与自然环节的差别，学生会发现，实验中冷热交替的周期是2分钟，自然界中大约为24小时;实验中酒精灯外焰与冷水的温度差高达几百摄氏度，远远高于自然界中的昼夜温度差，除此之外，自然界中的岩石各异，实验中只使用了一种岩石。因此，学生的实验结论仅能作为理想条件下的解释，实际上，自然界中温度变化对岩石的影响更为复