科学课如何帮助学生建构模型

1、20142015学年度第一学期专题培训 课堂教学中如何帮助学生构建模型 孝义市教研室 王永丽美国国家科学教育标准把模型和科学事实、概念、原理、定 理及理论并列为科学知识的重点，并将构建、修改、分析、评价模型 作为中小学生的基本科学探究能力。我国的科学课程标准中也有“要求学生能制作简易模型”和“能 选择自己擅长的方式（语言、文字、图表、模型等）表述研究过程和 结果”等与模型方法相关的要求表述。 苏教版五年级上册教材第五单 元第二节就编排了科学探究的过程与方法建立模型的内容。因 此，我们要重视模型方法在小学科学教学中的应用， 在课堂教学中帮 助学生构建模型。一、模型及其作用 一提到“模型”，大家可

2、能头脑中想到的是楼盘模型、飞机模型、 火箭模型、汽车模型、桥梁模型、地球仪模型、三球仪模型、人体模 型、简单机械模型这些模型是根据相似原理，把真实实物按比例大小放大或缩小制成的模型， 其状态变量和原事物基本相同， 可以模 拟客观事物的某些功能和性质，称为物理形态模型也叫实体形态模 型。除了物理形态的模型，我们常见的模型还有：图示模型 植物细胞模型、 水的循环模型、 火山结构示意图、“男 生身高统计图”“一杯水降温变化曲线图”这些模型将发现的科 学知识以图示的方式解释出来，直观、一目了然，称为图示模型。数学模型 圆的周长公式、 成人后身高计算方法 （男孩成人后身 高=（父亲身高+母亲身高）宁2X

3、1.08 ）这些模型运用适当的 数学工具，得到一个数学结构。数学结构可以是数学公式、算法等， 称为数学模型。科学家利用模型来解释他们的思想和发现。 模型将我们看不见的 变成能看见的，不能触摸的变成能够触摸的。 （教学参考书中写到： 模型解释了宏观世界的物体关系、模型解释了微观世界的物质形态、模型将静态的形状动态化、模型用静态结果解释了不同事物和现象的 动态关系。）我们课堂中是帮助学生构建模型， 也称为“思维建模”，即引导 学生根据自己先前的知识经验，使用所给与的工具（软工具和硬工 具），将学习的思维过程、对知识的理解、对知识的内化过程通过模 型表达出来，从而促进学生对知识的深层理解， 还可以激

4、发学生的创 造思维。【例】苏教版科学五年级（下册）第二单元建桥梁1、教师利用桥梁的图片模型激发学生的学习兴趣的同时，引发 学生对桥梁的已有认知。学生按照不同标准给桥梁分类的同时， 在头 脑中初步形成了桥梁的模型。2、教师可以让学生自主设计桥梁的形状，将自己组内设计的桥 梁画下来（思维建模一图示模型）。然后学生通过模拟搭建桥梁实 物模型、测量、记录、统计实验数据的方法，对桥梁的承重力与桥梁 的形状之间关系的认知逐步深入，在脑中形成各种形状桥梁的承受力 模型。3、随着知识的增多、见识的增长，学生头脑中的桥梁模型会逐 渐丰满，学生综合桥梁的承受力、美观、实用（位置、用途）等各种 因素，在头脑中形成新

5、的桥梁思想模型，也许未来的一座世界著名桥 梁就诞生了。（思维建模 图示模型 ,实物模型）二、模型的构建在模型建构活动中，往往需要进行观察或实验，需要运用已有知 识进行假设、模拟，需要将头脑中抽象的概念具体化、形象化。教师 应鼓励学生用语言、画图或数学等方式表达自己的思想，勾勒出学生 对整个现象的思想模型和整体认识。 这些思想模型可暴露出他们存有 的各种模糊的、错误的观念，也可暴露出他们头脑中根本性的认识局 限。随着学生的探究活动，这些思想模型在它们头脑中会逐步内化， 形成认知模型。【案例1】苏教版科学四年级（上册）第二单元热的传递 中热在固体中传递方式的模型构建过程： 书中对于传导的概念作出这

6、 样的表述：热在固体中，从温度高的地方传到温度低的地方，这种传 热的方式称为“传导”。如果只让学生记住这一概念，只需几分钟就 可以了。当我们以后在提到传导的时候，学生会尽力去在头脑中搜索 这一概念的文字表述，而对这一概念的理解是模糊的。教学中，我们 在学生参与探究活动时，不仅让学生观察实验现象，思考为什么会有 这样的现象，更重要的是引导学生画出热传递的路线，在这一过程中， 看上去是把传递过程画在黑板上，实际上同时也画在了头脑中，在学 生脑中形成了具体的表象，学生将抽象的概念转化为图示模型， 帮助 学生清晰地认识到热在固体中传递的方式一一传导，获得认知水平上 的提升。当我们提到传导的时候，学生头

7、脑中会自然地出现对传导的 认知图式（形成的图示模型），仿佛看到了热从温度高的地方传到了 温度低的地方，将头脑中抽象的概念具体化、形象化。类似案例：五年级上册简单电路我们让学生用材料连接电路 的同时，要帮助学生画出电流从电池（电源）出发，在电路中流动， 经过灯泡，又回到电池（电源）形成回路的过程，在头脑中建立形成 电流通路的图示模型。学生连接一个简单电路时，不仅会连接电路， 而且清楚地知道在这个电路中电的流动路线。 此时，我们将小灯泡换 成其他电器，学生也容易理解了。建立这一模型，有助于学生理解导 体和绝缘体探测暗盒里的电路。四年级上册热空气和冷空气声音的产生，五年级下册大 脑，六年级下册有趣的

8、食物链各种各样的能量等。案例探讨（声音的产生）：出示任务（本课要帮助学生建立什 么模型，你计划如何帮助学生建立模型？）分组，确定组长 小组讨论交流 小组选代表发言 发言。【案例2】苏教版科学四年级（下册）第二单元冷热与温 度中一杯热水温度变化模型构建过程：如果我们将一杯热水温度变 化的规律（先快后慢）概括出来教给学生，学生虽然知道了，但理解 不深刻，当我们的问法改变时学生无从下手。教学中，我们引导学生 在亲身参与探究活动的过程中，测量、记录热水降温变化（形成数学 模型），在此基础上，绘制水温变化曲线图，根据绘制的曲线图学生 不仅容易发现水温变化的规律，而且从曲线图纵坐标很容易发现水温 处于哪个

9、阶段时变化快，哪个阶段时变化慢，从而发现这样变化的原 因。这时候，学生头脑中已经将抽象的一杯热水变凉过程中的水温变 化的规律转化为数学模型，进而转化为图示模型。当我们提到热水变 凉过程中的水温变化的规律时，在学生头脑中出现的不是我们让学生 记录在书上的总结性语言，而是出现在学生头脑中形成的水温变化曲 线图。类似案例：1、五年级（上册）第二单元光的行进。光在空气 或水中是沿直线行进的这一光传播的规律学生能记住， 但理解并不深 刻。学生通过观察实物图片、动手实验，得出光在空气或水中是沿直 线行进的这一规律，并在头脑中形成模型。2、五年级（上册）第四单元测量呼吸和心跳。运动前后人的 呼吸和心跳变化这

10、一规律，我们同样是要组织学生测量、记录运动前、 运动时、运动后人的呼吸和心跳的次数（数学模型），引导学生绘制 成柱形统计图（图示模型），从而发现运动前后人的呼吸和心跳变化 的规律。此时，运动前后人的呼吸和心跳变化的规律这一模型已经深 深地印在学生的头脑中。五年级上册太阳和影子看月亮，五年级下册怎样移动重 物等。案例探讨（怎样移动重物）：出示任务（本课要帮助学生建立 什么模型，你计划如何帮助学生建立模型？）小组讨论交流k小组选代表发言 发言。【案例3】苏教版科学六年级（上册）第二单元火山和地 震中火山模型的构建过程：火山的成因、火山喷发离学生的生活较 远，如果只是让学生按照教材安排做火山喷发的模

11、拟实验，学生并不能真正理解火山的成因。教学中我们就应该通过引导逐步帮助学生建 立火山成因的模型。通过观看火山喷发的新闻片段，根据火山喷发时 所呈现的外部现象：浓烟冒出、石块飞出和红色岩浆喷出、周围温度 很咼等，来推断火山内部的成因：咼温咼压。然后假设岩浆在咼温咼 压的作用下会沿着地壳的薄弱地带喷出来。在推断与假设的过程中， 学生头脑中初步想象、勾勒火山形成的过程，把脑中虚拟的火山形成 过程，与生活中的某些材料进行类比，用语言把模拟虚拟火山形成过 程的实验操作方法描述出来，就是制定探究方案，也就是建模（虚拟 表象）。学生勾勒的过程（建模过程）中把隐含条件也明晰了。然后 再组织学生进行火山喷发的模

12、拟实验，就可以深化学生对火山成因、 火山喷发的理解。类似案例： 1、六年级（上册）第二单元地球的内部2、苏教版科学六年级（上册）第四单元太阳系大家族的 构建模型活动：太阳系大家族一课，重点活动是让学生根据八颗 行星距太阳的平均距离及各行星赤道直径数据表建立太阳系模型。 这 一活动，不仅可以加深太阳系中的组成天体在学生头脑中的印象， 更 重要的是可以培养学生的空间想象力和理解力， 建立有关宇宙空间的 概念。然而在教学中， 有些教师不是纯粹地引领学生分析太阳系的行 星数据，让学生理解太阳系，就是脱离数据地建构模型，使学生对太 阳系的认知仍是一知半解。我曾经见过这样一个案例： 教学开始， 教师先让学

13、生谈谈对太阳系的认识， 学生说到了九星连珠、 世界末日、 行星大冲撞等“天文事件” 。教师不置可否，而是让学生参考数据表， 用橡皮泥捏捏八颗行星，摆一摆八颗行星，来认识了解太阳系。学生小组间互相评价模型后， 提出了行星大小和距离的问题。 教 师给出了缩小 20 亿倍后的行星距离、直径的数据表和塑料行星球模 型，让学生再次进行模型建构。 学生在建构过程中提出需要再次缩小 数据。教师给出缩小 500 亿倍的数据， 学生发现在校园内根本无法按 比例缩小来建构太阳系模型。教师在学生由此认识的基础上， 让学生谈谈对太阳系有什么新的 认识。学生说到了太阳系的范围很广大、行星间的大小差异很大。教 师进一步引

14、导学生到操场上摆一摆塑料模型球， 再看一看太阳系， 看 有什么新的发现。学生通过找、摆、看后，在进一步的交流中体会到 了太阳系中行星的渺小，行星间的距离不均等，对九星连珠、世界末 日、行星大冲撞等“天文事件”提出了自己新的看法。这样教学， 体现了教师主导下的建模， 以学生的已知概念为出发 点，引导学生以数据为基准，有效地指导学生处理数据，根据处理后 的数据建立太阳系的空间模型。 学生模拟建造太阳系模型经历了三个 阶段：阶段一，用橡皮泥模拟建造太阳系；阶段二，用塑料球模型模 拟建造太阳系； 阶段三，到操场上模拟建造太阳系。 三次建模的过程， 是基于学生三个逐级提升的认识层次展开的。学生在一次次模拟建构 过程中，不断地交流、探讨、模拟，不断地反思，形成新的认识，修 正自己原有的错误认识。学生在建模过程中逐渐对太阳系的真实情 景：八颗行星的大小差异很大，在太阳系中八颗行星十分渺小有了清 晰而深刻的认识。学生有了模型建构下的太阳系的新认识， 也对教材 中的太阳系的新认识，也对教材中的太阳系插图提出了质疑： 行