沈星華

摘要：“模型”是人們?yōu)榱搜芯靠茖W(xué)問題的方便和探討科學(xué)問題的本質(zhì)而對(duì)研究對(duì)象所作的一種“簡化”的“描述”或“模擬”。以其撇開次要因素、突出事物重點(diǎn)、體現(xiàn)事物本質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，成為科學(xué)教學(xué)中學(xué)生和研究對(duì)象之間的一種特殊的中介。概念模型、直觀模型、數(shù)學(xué)模型是初中科學(xué)中常見的三種模型。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容建構(gòu)模型有助于使知識(shí)直觀化、形象化，理清知識(shí)脈絡(luò)，易于探尋科學(xué)規(guī)律。

關(guān)鍵詞：初中科學(xué)教學(xué)；模型；模型建構(gòu)

中圖分類號(hào)：G632.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1992-7711（2013）09-0091

我國著名科學(xué)家錢學(xué)森同志說過：“人認(rèn)識(shí)客觀世界，首先用形象思維而不是抽象思維，比如小孩的思維就是從形象思維開始的?！背踔猩乃季S正處于形象思維向邏輯思維的過渡時(shí)期，思考問題總在這兩者思維中轉(zhuǎn)換。如果我們能在學(xué)生頭腦中建立一個(gè)很好的模型，就像給學(xué)生在思考問題時(shí)建立一個(gè)形象思維和邏輯思維互通的橋梁。利用了學(xué)生的這種思考方式，先在頭腦中建立起相應(yīng)的模型后，當(dāng)遇到與此相似的情景時(shí)就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的條件反射，他們會(huì)自覺地對(duì)比已建立的模型與實(shí)際問題的區(qū)別，找到相應(yīng)的方法。對(duì)提高學(xué)生解決問題能力會(huì)起到很大的作用。

初中科學(xué)中經(jīng)常要用到一些模型，如牛頓第一定律不考慮一切外力時(shí)就是一種理想模型；杠桿、磁感線、光線等的學(xué)習(xí)中常常會(huì)把實(shí)際的研究對(duì)象或?qū)嶋H的過程抽象成“直觀模型”等等。在初中科學(xué)教學(xué)過程中，我們應(yīng)重視“模型”方法的思想滲透?，F(xiàn)筆者就初中科學(xué)學(xué)習(xí)中的建模問題，談一下自己的粗淺想法。

一、建構(gòu)直觀模型，理解科學(xué)知識(shí)

直觀模型是指以實(shí)物或圖畫形式直觀地表達(dá)認(rèn)識(shí)對(duì)象特征的模型，其顯著的特點(diǎn)是形象直觀，可以模擬客觀實(shí)物的某些功能與性質(zhì)，使相關(guān)知識(shí)便于理解。細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、人體模型等，日食、月食等直觀模型是在教學(xué)上經(jīng)常使用的。

在化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)和質(zhì)量守恒定律的教學(xué)中，可以充分運(yùn)用直觀模型，讓看不見的微觀變化呈現(xiàn)出來。如圖1電解水模型，水分子在通電的條件下拆成氧原子和氫原子，然后重新組合生成氧分子和氫分子。從模型中可以清楚地看到化學(xué)變化的實(shí)質(zhì)就是反應(yīng)物的分子拆開成原子，原子重新組合成新物質(zhì)分子的過程。從模型清晰的顯示化學(xué)變化過程中原子的種類和個(gè)數(shù)都沒有變，只是重新組合了一番，質(zhì)量當(dāng)然不會(huì)變。輕松地揭示了質(zhì)量守恒定律的實(shí)質(zhì)和根源。

又如，電磁繼電器的應(yīng)用的教學(xué)。將電磁繼電器各部分制成紙板模型，在介紹結(jié)構(gòu)時(shí)邊講邊貼到黑板上，并認(rèn)識(shí)各部分的功能。如圖2就是一個(gè)電磁繼電器的基本模型。針對(duì)不同的具體情況對(duì)這個(gè)模型進(jìn)行變通。當(dāng)工作電路所處的環(huán)境惡劣時(shí)，增加工作電路和控制電路的距離就能解決。把控制電路中的開關(guān)改成溫控開關(guān)，工作電路中的電動(dòng)機(jī)換成報(bào)警器，就是一個(gè)溫控報(bào)警系統(tǒng)。再將控制電路的開關(guān)改成水位器就是一個(gè)水位自動(dòng)報(bào)警器。將控制電路的開關(guān)改成雙金屬片或其他溫控開關(guān)，工作電路的電動(dòng)機(jī)改成電熱絲就是恒溫箱。當(dāng)學(xué)生理解了這個(gè)基本模型后就能夠舉一反三、靈活運(yùn)用。

現(xiàn)在的學(xué)生生活在以鋼筋水泥、電子網(wǎng)絡(luò)為主的環(huán)境中。對(duì)大自然、生活生產(chǎn)中的物理、化學(xué)、生物情景接觸得少，缺乏生活第一感受，對(duì)書中描述的科學(xué)問題感到陌生與困惑，建模恰好補(bǔ)充他們?cè)谶@方面的不足，提高他們的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)效率。直觀模型的綜合有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，它使理論知識(shí)具體化，也使科學(xué)解釋的邏輯過程簡單化。這對(duì)于激發(fā)人們的思維創(chuàng)造力和直覺力具有重大的意義。

二、建構(gòu)概念模型，理清知識(shí)脈絡(luò)

概念模型是指以文字表述來抽象概括出事物本質(zhì)特征的模型，如物理變化、化學(xué)變化的文字描述、光合作用模型、物質(zhì)的分類及生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的表述等。建構(gòu)概念模型可以使學(xué)生深入理解基礎(chǔ)知識(shí)，辨析知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系與區(qū)別，使知識(shí)結(jié)構(gòu)化，同時(shí)有利于培養(yǎng)學(xué)生的歸納、概括和語言表述能力。

如原子結(jié)構(gòu)的教學(xué)，原子核、電子、質(zhì)子、中子、夸克間有怎樣的聯(lián)系和區(qū)別？用右邊圖3的模型一目了然。

再如，借助模型來表達(dá)生態(tài)系統(tǒng)及其各部分間的關(guān)系。如圖4，該模型展示了生態(tài)系統(tǒng)中生物因素（生產(chǎn)者、消費(fèi)者、分解者）和非生物因素間的關(guān)系。是生態(tài)系統(tǒng)部分的核心內(nèi)容。通過模型表示相互關(guān)系內(nèi)容簡單，各觀點(diǎn)間的相關(guān)關(guān)系明了，易于掌握。

客觀事物總是處在多種因素交錯(cuò)的復(fù)雜紛亂狀態(tài)中，這就使人們深入研究某個(gè)問題時(shí)面臨難以著手的困難。借助模型能夠抓住主要特征，凸顯事物本質(zhì)。尤其是對(duì)那些“時(shí)過境遷”，不能再現(xiàn)和不可能直接觀察到的現(xiàn)象，更需要借助于模型研究。

三、建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，探尋科學(xué)規(guī)律

數(shù)學(xué)模型是指用來描述一個(gè)系統(tǒng)或它的性質(zhì)的數(shù)學(xué)形式，如正常人和糖尿病患者餐后血糖變化曲線、歐姆定律、速度計(jì)算、阿基米德定律等。

初中科學(xué)中數(shù)學(xué)模型一類是用坐標(biāo)軸來表示的模型。常用于表示一個(gè)量的變化（縱坐標(biāo)表示的量）和某種因素（橫坐標(biāo)表示的量）間的關(guān)系。如進(jìn)行溶解度教學(xué)時(shí)，用溶解度曲線直觀的表示物質(zhì)的溶解性與溫度的關(guān)系。橫坐標(biāo)表示溫度，縱坐標(biāo)表示溶解度，曲線的走向表示隨著溫度的變化溶解度的變化情況。從圖5示模型中可以清楚地看出碳酸鈉的溶解度受溫度影響大，（下轉(zhuǎn)第93頁）（上接第91頁）氯化鈉的溶解度受溫度影響小。結(jié)晶時(shí)氯化鈉只能用蒸發(fā)溶劑的方法，而碳酸鈉除了用蒸發(fā)溶劑的方法還可以用冷卻熱飽和溶液的方法。所以有的地方人們冬天撈堿夏天曬鹽。

另一類是建立數(shù)學(xué)公式。其一般步驟為：觀察研究對(duì)象，提出問題→提出合理的假設(shè)→根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)形式對(duì)事物的性質(zhì)進(jìn)行表達(dá)→通過進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)或觀察等對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)或修正。如阿基米德定律的教學(xué)，首先觀察到浸在液體里的物體會(huì)受到浮力的作用，同時(shí)會(huì)占去水的空間排開與自己浸入相同體積的水。所受浮力和排開的水重是否有關(guān)呢？→探究浮力大小與排開水重的關(guān)系→用視重法稱出物體受的浮力，用彈簧秤稱出排開的水重→根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)，得出兩者大小相等。F浮=G排液→由于很多時(shí)候G排液難以測(cè)量（如航行在江海中的輪船），繼續(xù)推導(dǎo)G排液=ρ液gV排。而且通過其他實(shí)驗(yàn)證明阿基米德定律也適用于氣體浮力計(jì)算。無論是浮在水面的輪船，還是潛入水中的潛水艇，還是沉在水底的石頭，甚至是飄在天空中的氣球。圖6的小石塊就是它們的模型。它們受到的浮力都可以用F浮=ρ液gV排得出。

建模和理解模型的過程本身就是一個(gè)科學(xué)學(xué)習(xí)的過程，鍛煉學(xué)生歸納，演繹能力的一個(gè)過程。通過建構(gòu)模型來學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)，便于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，增強(qiáng)學(xué)生的探究能力，培養(yǎng)學(xué)生思維靈活性品質(zhì)。所以，在現(xiàn)在班級(jí)授課制的環(huán)境下，建模是使大部分學(xué)生學(xué)好科學(xué)的有效辦法。

四、各種模型的綜合運(yùn)用

在實(shí)際教學(xué)中，幾種模型法是會(huì)綜合使用的。如圖7在杠桿的教學(xué)中，首先通過大量的例子給出杠桿的定義。鍘刀鍘草時(shí)，把鍘刀看做是一個(gè)能夠繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的硬桿，而不考慮刀的形狀、刀的材質(zhì)，在物理學(xué)中把它稱為“杠桿”，這“杠桿”就是鍘刀的直觀模型。如圖8，滑輪研究時(shí)也是把滑輪運(yùn)動(dòng)進(jìn)行理想模型化，不考慮摩擦。接下來進(jìn)一步研究杠桿的平衡條件，抽象出了數(shù)學(xué)規(guī)律F1L1=F2L2，建立起杠桿平衡的數(shù)學(xué)模型。

同時(shí)我們要注意，模型法的要點(diǎn)是近似處理，但近似處理不能隨心所欲。例如，在分析分子運(yùn)動(dòng)論時(shí)，我們可以為分子的模型做一個(gè)鋼球，但在研究水分子的組成時(shí)，水分子的模型就是由一個(gè)氧原子和兩個(gè)氫分子構(gòu)成的。

教學(xué)既是一門科學(xué)，更是一門很深的藝術(shù)。要想在教學(xué)中獲得理想效果，使學(xué)生真正掌握知識(shí)，并不只是教師認(rèn)真教，學(xué)生認(rèn)真學(xué)，就能達(dá)到目的，掌握合適的教學(xué)方法很關(guān)鍵。法國科學(xué)方法論學(xué)者阿雷曾說過：“科學(xué)的基本活動(dòng)就是探索和制定模型?！币胧勾蟛糠謱W(xué)生學(xué)好科學(xué)，最基本的方法之一就是建立各種形象直觀的模型?？v觀我們的教學(xué)環(huán)境，新教材為開展模型教學(xué)提供了內(nèi)容保證，日趨完善的教學(xué)硬件為開展模型教學(xué)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，現(xiàn)代教育技術(shù)手段為開展模型教學(xué)提供了技術(shù)。這些已為開展模型教學(xué)提供了充分的條件。

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（作者單位：浙江省慶元縣第三中學(xué) 323800）