檀辰馨

（南京航空航天大學附屬高級中學，江蘇 南京 210007）

在教學實踐中，常常有學生反映“課堂聽講一聽就懂、課后做題一籌莫展”的情況。出現(xiàn)這一問題的主要原因在于學生缺少建模能力，導致其無法將題目信息與所學知識聯(lián)系起來。因此，在平時的教學中，教師要有意識地培養(yǎng)學生的建模能力，重視科學思維的培育，促進學生核心素養(yǎng)的提升。

一、建模教學實施策略

兒童認知發(fā)展理論認為，認知的發(fā)展是在已有認知結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過對外部的同化或順應(yīng)，實現(xiàn)對原有知識的圖式擴充或改變，以及對外部知識的自主構(gòu)建。因此，建模教學必須基于學生原有的認知基礎(chǔ)，充分發(fā)揮學生的個體主動性，讓學生經(jīng)歷模型構(gòu)建全過程，重塑原有認知結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)科學思維的跨越式發(fā)展。

在學生心智模型發(fā)展理論中，兒童心智模型主要分為三類：初始心智模型（Initial Models）、綜合心智模型（Synthetic Medels）和科學心智模型（Scientific Models）。初始心智模型中，學生的知識要素呈碎片狀，各知識要素之間不能圍繞核心要素建立起聯(lián)系，此時學生的思維主要表現(xiàn)為經(jīng)驗思維和迷思概念；綜合心智模型中，學生的知識要素之間能夠建立起一定聯(lián)系，但是存在錯誤或缺失，或知識要素之間存在錯誤關(guān)聯(lián)，此時學生已經(jīng)具有了一定的科學思維基礎(chǔ)；科學心智模型則是指學生能圍繞核心概念建立起知識要素之間的正確聯(lián)系，排除無關(guān)要素，使自我認知與客觀情況達成一致，初步確立了科學思維的標準。

初始心智模型是學生科學思維發(fā)展的起點，教師在課堂中要做的就是引導學生圍繞核心概念在知識要素之間建立聯(lián)系，不斷修正和完善心智模型，逐漸向科學心智模型進化?；趯W生心智模型進階的脈絡(luò)，建模教學可以分為以下三個步驟：（1）模型表征與構(gòu)建。對于新概念或新情境，學生僅有一些生活經(jīng)驗，能夠聯(lián)想到若干關(guān)聯(lián)概念，但各認知要素仍處于零碎、混亂的狀態(tài)，認知處于初始心智模型階段。為了幫助學生理解核心要素，發(fā)掘核心要素與其他要素之間的關(guān)聯(lián)，激發(fā)學生主動構(gòu)建模型的潛能，教師可以采用多重表征來構(gòu)建初始模型，即對同一對象采用多種形式進行描述和表達。另外，為了幫助學生理解情境，教師還可以通過演示實驗、提出真實問題等方式構(gòu)建生活化、形象化、具體化的學習情境，引導學生探究模型中各相關(guān)要素之間的關(guān)系，達到初步構(gòu)建物理模型的目標。（2）模型分析與修正。教師應(yīng)引導學生對初始物理模型進行分析、檢驗，以評估初始物理模型的不足與可能存在的錯誤，可以采用的方式包括實驗驗證、現(xiàn)象解釋、邏輯分析等。當出現(xiàn)初始物理模型數(shù)據(jù)與實驗結(jié)果不符的情況時，會引發(fā)學生的認知沖突，此時學生進行主動反思、反復修正，逐漸實現(xiàn)向科學心智模型的進階，以此實現(xiàn)原有認知結(jié)構(gòu)的更新。（3）模型應(yīng)用與拓展。經(jīng)過多次修正后，學生基本完成了科學物理模型的構(gòu)建。此時，教師可以為學生創(chuàng)設(shè)全新的情境，讓學生用已建立的物理模型分析并解決問題。之后，引導學生在新建立的物理模型和原有物理模型之間建立聯(lián)系，實現(xiàn)認知的同化和遷移，從而逐漸構(gòu)建起物理學科的整體模型結(jié)構(gòu)，達到提升學生科學思維能力的目標。

二、建模教學的應(yīng)用實踐

以“電場概念模型的構(gòu)建”為例，學生對這一抽象模型存在理解困難，因此無法完成知識的自主構(gòu)建。若教師一味地講授，不引導學生進行自主構(gòu)建，則其很難實現(xiàn)心智模型的進階，自然也就不能真正理解、掌握知識。

通過前期學習，學生已經(jīng)有了初步的知識儲備，能理解基本的受力模型和運動模型。因此，教師在教學設(shè)計時應(yīng)引導學生從已有認知出發(fā)，通過類比、尋找、聯(lián)系等方法，自主構(gòu)建新的電場概念模型。學生對模型的構(gòu)建必須基于對真實情境的認知，否則就失去了立足點。在教學中，首先教師可以讓學生觀察演示實驗，類比重力場模型，選擇電場產(chǎn)生的初始模型。然后創(chuàng)設(shè)教學情境，讓學生通過多重表征獲得感官體驗，從多個角度發(fā)掘與電場模型可能相關(guān)的物理要素，并思考它們之間的關(guān)系，構(gòu)建出初步的電場模型。學生很可能會根據(jù)觀察到的實驗現(xiàn)象，直接將電場模型與受力模型畫上等號，認為可以用靜電力的大小來描述電場的強弱。這說明了其心智模型中存在要素錯誤、要素關(guān)系錯誤等問題。此時，教師應(yīng)通過演示實驗，拋出矛盾點以引發(fā)認知沖突：如果電場模型只與受力相關(guān)，那么為什么某一點的電場沒有發(fā)生變化而小球的受力卻發(fā)生了變化呢？這時，學生會發(fā)現(xiàn)用初始模型是無法解釋這一現(xiàn)象的，從而主動反思、修正初始模型，形成科學的電場模型，并拓展已建立的電場模型，將其遷移、應(yīng)用到不同的外部條件中。

在上述的教學設(shè)計中，教師通過引導學生經(jīng)歷完整的物理模型構(gòu)建過程，促使學生的認知圖式發(fā)展、心智模型逐級進階。學生在此過程中體驗了建模過程、掌握了建模方法、獲得了建模能力，實現(xiàn)了核心素養(yǎng)的提升。

三、建模教學的效果評價

為了評價本次建模教學的效果，教師可通過反饋練習對學生進行半定量測試。以筆者所在學校為例，高中某年級共有4個班級，每個班級的學生數(shù)為43人。將這4個班級分別編為A班、B班、C班和D班，其中A班和B班為同層次班級（標記為層次1），C班和D班為同層次班級（標記為層次2），層次1班級學生的學習基礎(chǔ)高于層次2班級。4個班級由筆者和另一位相同教齡的物理教師共同執(zhí)教，其中筆者（標記為教師甲）執(zhí)教A、C班，另一位物理教師（標記為教師乙）執(zhí)教B、D班。

兩名執(zhí)教教師分別在A班和D班進行建模教學（A班、D班為實驗組），在B班和C班進行常規(guī)教學（B班、C班為對照組）。在完成教學后，兩名教師給學生布置相關(guān)習題，習題涉及“電場概念”“電場強度概念”“幾種典型的電場”3個知識點，每個知識點2道習題。測試結(jié)果顯示：（1）在兩個層次的組別里，實驗組的正答率都高于對照組。由此可見，建模教學對學生理解知識點有促進作用。（2）層次1班級中實驗組和對照組之間的差距明顯小于層次2班級。這說明建模教學對學習基礎(chǔ)比較薄弱的學生影響更大，筆者認為這是因為層次1班級學生的學習基礎(chǔ)本來就比較好，其自主構(gòu)建模型的能力也較強，但層次2班級學生自主構(gòu)建模型的能力較弱，因此通過建模教學可以幫助他們更容易理解核心概念，學習效果的提升幅度更大。（3）在同一層次組，對于不同難度的測試題，層次1班級和層次2班級的數(shù)據(jù)差異也有所不同：對于較簡單的題目，正答率差別不大，但對于有一定難度的題目，層次1班級的正答率明顯高于層次2班級。

基于上述結(jié)果，可以初步得出以下結(jié)論：（1）建模教學對學生構(gòu)建模型、理解概念有積極影響；（2）建模教學對學習基礎(chǔ)較弱的學生幫助更大；（3）建模教學對促進學生深入理解核心概念、突破教學難點有積極作用。

模型構(gòu)建是解決物理問題的第一步，在建模教學中，教師除了要積極引導，還要注意兩點：第一，確保學生深度參與。學生自主構(gòu)建是提升其建模能力的重要前提。因此，在模型構(gòu)建環(huán)節(jié)，要貫徹“學生為主體、教師為主導”的原則，讓學生深度參與、主動構(gòu)建。第二，重視思維階梯的搭建。提升學生的建模能力不可能一蹴而就，教師在教學中要循序漸進，從簡單的物理模型開始，有意識地通過真實生活情境培養(yǎng)學生的建模能力，給學生搭建適度的思維階梯，為他們的自主學習提供適當?shù)穆淠_點，從而助推其思維進階。