基于心智模型进阶的探究式建模教学

科学建模已成为全球科学教育领域改革的焦点，众多国家将培养学生的模型构建能力列为科学教育的关键目标。在小学科学教育中，科学建模是连接学生主观认知与客观科学现象的桥梁，有助于学生理解抽象概念，提升科学素养，因此其重要性越发凸显。然而，当前小学科学中的建模教学面临着许多挑战。以教科版《科学》六年级下册《八颗行星》的教学为例，后测发现，很多学生学过该内容后依然缺乏对太阳系大小的感性认识，难以建立起太阳系的认知模型。例如，学生仅能零散地说出部分天体，对行星特征及其关系的认识较为模糊。为了突破这样的困境，本文尝试从心智模型进阶与科学思维发展的角度出发，有效培养学生的建模能力及科学探究精神。一、心智模型进阶与科学思维发展心智模型这一概念源于认知心理学，指的是学生在长时记忆中形成的内部表征和认知结构。这些内部表征与认知结构通过与外部情境或刺激相互作用，帮助学习者加深对新知识的理解。在小学科学教学中，学生学习和理解科学概念的过程就是构建心智模型的过程。研究表明，学生在学习过程中会形成不同层次的心智模型。在小学科学课堂中，可以将学生的心智模型分为四个层级：无模型、非科学模型、科学瑕疵模型、科学模型。随着学生对知识及其相互关系的理解逐渐深人，其心智模型也会不断丰富和完善。具体如图1所示。图1（一）无模型学生的知识零散且缺乏联系，未能围绕核心概念形成系统的知识结构。在这一阶段，学生通常对科学现象存在误解。如学生对于太阳系中的八颗行星的认知非常有限且零散。他们可能仅仅知道地球是一颗行星，或许还听说过火星或金星等个别行星的名字，但对于行星的定义、特征以及八颗行星之间的关系缺乏基本认识。（二）非科学模型学生虽然能将知识组织成一个系统，但对核心概念的认识仍存在错误或不全面，且未能在知识间建立科学的联系。这一阶段对应学生科学思维的初步发展。如学生开始尝试探讨八颗行星间的联系，但存在较多错误，或无法建立完整的认识。部分学生可能认为行星的大小相差不大，或者认为离地球越近的行星温度越高。可见他们没有正确理解行星大小、与恒星的距离和温度之间的关系。学生虽然意识到需要对这些知识进行整理，但由于缺乏科学指导，他们构建出的模型也缺乏科学性。（三）科学瑕疵模型学生围绕核心要素组建知识结构，但仍可能存在偏差或不够完整。此时，学生已经能理解事物的基本特征，但其科学思维仍不够成熟。如学生对八颗行星的大小和距离等都有一定的了解，但将这两种特征纳入一个模型时，他们仍无法建立正确的关系。换言之，学生已经能把握事物的基本特征，但其科学思维尚不成熟，需要进一步深化和完善。（四）科学模型在这一层级，学生围绕核心要素组建知识结构，且各要素之间的关系与科学概念相符，表明其科学思维已经达到较高水平。学生能够运用科学知识解释现象并解决问题，如能够准确理解和描述八大行星各个方面的特点，包括在太阳系中的相对位置以及它们之间的大小关系等。且学生能够运用这些知识解释相关的天文现象，如“为什么在晴朗的清晨，能在地球上看到水星\"等等。通过《八颗行星》这一课的学习，可以看到学生在不同心智模型层级的表现以及其心智模型逐步从低级向高级发展的过程。学生不断构建更为科学和系统的心智模型，提升自身的科学思维能力。这也为教师实施差异化教学提供了重要依据。二、基于心智模型进阶的探究式建模在小学科学教育领域，如何将抽象的科学概念转化为学生可理解、可操作的模型，是教师需要思考的问题。基于心智模型进阶的探究式建模旨在通过引导学生主动探究并建构科学模型，实现从直观经验向科学概念的过渡。该模式借鉴了国际上的建模教学理念，并针对我国小学科学教育的实际情况进行了本土化调整。考虑到小学生的认知特点和班级规模，教师设计了以下四个教学要素一一模型的引入与建构、验证与修正、分析与深化、应用与拓展（如图2），从而将教学要素和心智模型联系起来，支持学生的心智模型进阶。图2（一）模型的引入与建构在教学的起始阶段，学生通常依赖直观的生活经验。该阶段与心智模型的初步构建紧密相关，教师可以设计贴近学生生活的实验，激发学生构建新模型的兴趣。对于处于无模型阶段的学生而言，其知识零散且缺乏联系，教师需要从熟悉的事物入手加以引导。例如，在八天行星的模型引入与建构阶段，教师充分考虑学生的特点，向学生呈现了距地面10米处拍摄的操场照片。这是学生日常可见的事物，符合他们的认知水平。此时，学生处于无模型状态，仅能感知眼前熟悉的事物。接着，教师呈现了1000米高处拍摄的城市照片，学生十分感兴趣。他们对处于不同范围的事物有了直观的对比，初步构建起事物间的简单联系，但仍未触及科学概念。随着教师逐步出示10千米上空拍摄的市域照片、1000千米上空拍摄的省域照片、1万千米上空拍摄的地球照片及100亿千米上空拍摄的太阳系的照片，学生不断拓展视野，开始从无模型阶段向非科学模型阶段过渡。此时，教师展示了两幅在大小、相邻天体的距离等方面存在差异的太阳系图片，一幅源自科学教材，另一幅源自科普网站。学生一时难以判断哪幅图片反映的是真实情况，这正暴露了他们在非科学模型阶段对核心概念的理解不够到位的情况。这种认知缺陷推动学生用模型开展研究，标志着学生向更高级的心智模型进阶。教师通过层层递进的引导，使教学与学生的心智模型发展阶段相适应，为学生的成长奠定了基础。（二）模型的验证与修正学生在初步构建模型后，需要通过实验和观察来验证其有效性，这一环节对促进学生从非科学模型阶段或科学瑕疵模型阶段向科学模型阶段进阶至关重要。当学生处于非科学模型阶段时，其知识虽有所组织，但对核心概念的理解仍不够到位。此时教师引导学生进行模型验证，可帮助他们发现并解决这些问题。例如在《八颗行星》的教学中，当学生提出想要研究八大行星的大小后，教师出示八天行星的直径数据。此时学生凭借已有的知识尝试建立模型，但可能会出现各种不准确的判断。教师提供事先准备好的实物模型，引导学生感受八大行星的大小，同时引出太阳模型，让学生直观感受太阳的“巨大”。学生重新审视之前的认知。处于非科学模型阶段的学生能够发现自己原有认知中的错误；处于科学瑕疵模型阶段的学生能够清晰地发现自己建构的模型中不完整或不准确的部分。接着，教师引导学生思考所构建模型与事实的接近程度，促使学生主动进行批判性思考，从单纯的模型构建转向对模型准确性的评估。这就是心智模型进阶过程中的思维转变。随后，教师带领学生在纸带上建立太阳系行星的距离模型。学生进一步深人探究，认识到八大行星在太阳系中并不是等距离均匀分布的。两次建模的过程中，学生不断将自己预测的结果与实际数据进行比较，并积极地调整自己的认知结构，纠正错误的概念。这一过程培养了学生的批判性思维能力和科学探究能力，使他们的心智模型逐步向科学模型进阶。（三）模型的分析与深化在模型验证与修正的基础上，教师利用图像、视频等多媒体工具开展教学活动，帮助学生从科学瑕疵模型阶段向科学模型阶段进阶。当学生处于科学瑕疵模型阶段时，他们已能够围绕核心要素组织知识结构，但仍存在部分错误或不完整之处，需要进一步完善模型，强化对科学概念的理解。在《八颗行星》一课的教学中，当学生研究了八天行星的大小模型和距离模型后，教师引导他们思考如何建立真实比例的太阳系模型。这一问题促使学生运用已有的知识和经验，对现有模型进行更加深人的剖析。学生分析后认为要把大小模型和距离模型合二为一，并积极探讨建立真实比例模型的方案，对知识进行重整。教师适时播放相关视频，让学生获取准确的科学信息，并从中提炼方法。这种从具体模型到抽象概念的跨越过程也是学生填补知识漏洞，纠正错误认知的过程。由此，学生逐步构建起与科学知识一致的心智模型，实现了从科学瑕疵模型阶段向科学模型阶段的进阶，为今后运用科学概念解释和解决相关问题奠定了坚实基础。（四）模型的应用与拓展完成了模型的分析与深化后，教师创设包含多个模型的综合情境，引导学生应用模型解决实际问题。此环节有利于推动学生心智模型的持续发展与深度整合，助力学生巩固科学模型并灵活运用。在《八颗行星》一课的教学应用与拓展环节，教师要求学生解释课文插图中的注释“本图不代表天体大小和距离的实际比例关系”。学生运用之前构建的太阳系模型，深入分析插图与真实模型之间的差异，从而进一步明晰模型的关键特征及适用范围，深化对科学概念的理解。学生能够依据所学知识准确指出插图中可能存在的误导性信息，如天体大小或距离比例的不准确之处，体现了对模型的精准把握。接着，教师创设如下情境：“探索火星是国家航天局的重要任务。请你作为未来航天员规划前往火星的方案。\"这一情境包含了多个复杂要素和模型的综合运用。学生要考虑火星与地球的位置关系，这涉及对行星轨道模型、相对位置模型等的整合应用。在设计飞行路线时，学生必须综合运用所学的行星运动规律、行星间的距离等知识。经过尝试，学生能够从整体视角出发解决实际问题，提升了灵活运用知识和模型的能力。在实际教学中，模型的引入与建构、模型的验证与修正、模型的分析与深化、模型的应用与拓展这四个要素并非线性推进，而是相互交织。教师要根据具体的教学内容和学生的实际情况，灵活地选择和组织这些教学要素，提升教学质量。三、反思与展望探究式建模教学作为一种创新的教学方法，已在小学科学教育中展现出独特的价值和潜力。实践证明，该教学模式能够有效提升学生的学习兴趣，并促使他们进一步理解科学概念。以下是对该教学模式的反思与展望。（一）关注心智模型与思维的协同发展学习进阶的研究在教育领域日益受到重视。在小学科学教学中，如何从多维度促进学生的发展，是一个重要的研究方向。《义务教育科学课程标准（2022年版）》强调了核心素养的培养，包括科学观念、科学思维、探究实践和科学态度。探究式建模教学不仅关注心智模型的进阶，也关注学生科学思维的发展。教师需要在明确学生所处心智模型阶段和建模能力的基础上，结合具体的教学内容和学生的实际需求，进行连贯的教学设计，促进学生思维、能力的全面发展。（二）探索学科知识与实践技能的整合方式随着科学课程改革的深入，整合化视角在教学实践中的应用越来越广泛。探究式建模需要教师整合不同学科的知识和技能，以及不同的认知和发展要素。这样，学生能在一个连贯的学习过程中掌握科学知识