浙江省杭州市余杭區(qū)海辰中學(xué) 邰倫軍
追溯科學(xué)發(fā)展歷史,很多重要的結(jié)論與規(guī)律都是科學(xué)家經(jīng)過猜想,構(gòu)建理想模型,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,在模型與現(xiàn)實(shí)相符的基礎(chǔ)上獲得的。因而,在科學(xué)學(xué)科教與學(xué)的過程當(dāng)中,建模思想的滲透、建模型能力的培養(yǎng)可以使學(xué)生進(jìn)行體驗(yàn)性探索,并能領(lǐng)悟知識(shí)的形成過程。而在傳統(tǒng)課堂中,因課時(shí)有限,教師為了追趕教學(xué)進(jìn)度,會(huì)將重點(diǎn)放在課本理論知識(shí)的傳授上,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生建模思想存在點(diǎn)到即止的情況,使學(xué)生建模能力有所缺失。新課程背景下的課堂強(qiáng)調(diào)科學(xué)學(xué)科的教與學(xué)應(yīng)以科學(xué)探究為核心,以科學(xué)知識(shí)為載體,以科學(xué)方法為手段。那么,如何才能將模型構(gòu)建與課堂教學(xué)巧妙融合,達(dá)到課堂教學(xué)的有效落實(shí)和拓展學(xué)生思維的目標(biāo),結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐,本文對(duì)此進(jìn)行了探析。
教學(xué)中,一些較為抽象的科學(xué)理論若通過模型方式來呈現(xiàn),會(huì)變得更加容易理解。教師作為課堂預(yù)設(shè)者,構(gòu)建適當(dāng)?shù)目茖W(xué)模型展開教學(xué),可以將原本看不到、摸不著的抽象內(nèi)容直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前,增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí),幫助學(xué)生落實(shí)學(xué)習(xí)重點(diǎn)。學(xué)習(xí)者在認(rèn)識(shí)科學(xué)對(duì)象時(shí),通過一定的觀察實(shí)驗(yàn)對(duì)所獲得的科學(xué)事實(shí)進(jìn)行初步概括后,利用想象、抽象、類比等方法建立適當(dāng)?shù)哪P蛠矸从炒婵陀^對(duì)象,以揭示客觀對(duì)象的形態(tài)、特征和本質(zhì),這個(gè)過程就是科學(xué)建模。學(xué)習(xí)者建構(gòu)的科學(xué)模型可以是實(shí)物模型,也可以是思維模型。在科學(xué)學(xué)科教與學(xué)的過程當(dāng)中,教師可以引導(dǎo)學(xué)生從已有的知識(shí)基礎(chǔ)出發(fā),通過親身體驗(yàn)將從身邊發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象和遇到的問題轉(zhuǎn)化為科學(xué)模型。同時(shí)借助建構(gòu)模型的平臺(tái),適時(shí)滲透其他科學(xué)方法,達(dá)到發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新思維、提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的目的。
浙教版八上教材“氣體和液體的流速與壓強(qiáng)的關(guān)系”是教學(xué)重點(diǎn),教師在教學(xué)中除了通過實(shí)驗(yàn)向?qū)W生展示流體流速與壓強(qiáng)的關(guān)系外,同時(shí)也介紹了該知識(shí)點(diǎn)在生活中的應(yīng)用。但對(duì)于學(xué)生來說,此內(nèi)容還是較為抽象,只能通過肉眼觀察到的現(xiàn)象推理得出氣體流速與壓強(qiáng)的關(guān)系,很難透過現(xiàn)象抓住與理論知識(shí)相契合的點(diǎn)。如果通過模型構(gòu)建,將其中的物理原理直觀動(dòng)態(tài)地展示給學(xué)生,讓學(xué)生可以清晰地觀察到液體流過內(nèi)徑變細(xì)的三通管時(shí),杯中紅色液體在大氣壓作用下被壓入三通管下端的玻璃管中,這樣的模型構(gòu)建有利于學(xué)生透過現(xiàn)象理解科學(xué)本質(zhì),從而落實(shí)教學(xué)重點(diǎn)。
新課程背景下的科學(xué)課堂強(qiáng)調(diào)將課堂還給學(xué)生,提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力,因而教師可以改變傳統(tǒng)“邊教邊學(xué)”的講授式的教學(xué)模式,對(duì)教材中的部分內(nèi)容采取“先學(xué)后教”的方式。在開展課堂教學(xué)活動(dòng)前,讓學(xué)生對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行預(yù)先學(xué)習(xí),學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容有了初步認(rèn)識(shí),然后通過教師引導(dǎo)使學(xué)生以獨(dú)立或者小組合作的方式自主構(gòu)建模型,在活動(dòng)中尋找問題答案或者產(chǎn)生新的問題。教師根據(jù)學(xué)生的建模探究活動(dòng)有針對(duì)性地開展教學(xué)活動(dòng),將課本理論知識(shí)與生活實(shí)際案例,以及學(xué)生構(gòu)建的模型相融合,幫助學(xué)生在活動(dòng)中拓展思維并突破學(xué)習(xí)難點(diǎn)。
如學(xué)習(xí)水的浮力時(shí),學(xué)生對(duì)“影響浮力大小因素”雖有感性知識(shí),但教材內(nèi)容比較抽象,學(xué)生難以順利建立浮力大小與液體密度和物體排開液體體積之間的知識(shí)框架。因此,教師可以在課堂教學(xué)開展之前從模型本身的特點(diǎn)先給予定義,引導(dǎo)學(xué)生用一張A4紙通過折疊自主建構(gòu)紙船承幣模型,在運(yùn)用中進(jìn)一步體會(huì)紙船浮力模型的內(nèi)涵。在不斷建構(gòu)模型的實(shí)踐過程中,學(xué)生圍繞紙船這一研究對(duì)象,觀察分析不同的船體結(jié)構(gòu)圖片模型并展開模型設(shè)計(jì),通過親身體驗(yàn)獲得實(shí)驗(yàn)事實(shí)或證據(jù)來理解這一知識(shí)難點(diǎn)。這樣的建模過程不僅激發(fā)了學(xué)生的探究欲望和創(chuàng)新思維,也鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手操作能力,提升了學(xué)生建構(gòu)模型解決實(shí)際問題的能力。
科學(xué)教材整合性的特點(diǎn)決定了其中包含的很多知識(shí)點(diǎn)是相互聯(lián)系和緊密結(jié)合的。教師若能在教學(xué)中預(yù)設(shè)一定的教學(xué)情境,與學(xué)生一起利用已學(xué)科學(xué)知識(shí)建立適當(dāng)?shù)哪P停瑢⑾嚓P(guān)聯(lián)的知識(shí)通過活動(dòng)有機(jī)融合,能夠有效促進(jìn)學(xué)生知識(shí)框架的建立和思維的拓展。
案例1:在學(xué)習(xí)“科學(xué)測(cè)量”有關(guān)溫度計(jì)內(nèi)容時(shí),教師可以通過演示溫度計(jì)的使用,引導(dǎo)學(xué)生細(xì)心觀察溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)和原理,進(jìn)而組織學(xué)生利用玻璃藥劑瓶和吸管等生活材料自制溫度計(jì)。在構(gòu)建溫度計(jì)模型過程中,學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維得到進(jìn)一步發(fā)展。在此基礎(chǔ)上,教師還可以進(jìn)一步利用溫度計(jì)模型進(jìn)行知識(shí)拓展,結(jié)合氣壓計(jì)原理嘗試建構(gòu)氣壓計(jì)模型:用吸管向瓶中吹氣,增大瓶?jī)?nèi)氣壓,吸管內(nèi)形成一段液柱,得到氣壓計(jì)模型,以此激發(fā)學(xué)生對(duì)溫度和壓強(qiáng)知識(shí)之間的聯(lián)系,以及兩種測(cè)量?jī)x器工作原理的更深層次思考,達(dá)到拓展思維的目的。
案例2:學(xué)習(xí)浮力知識(shí)應(yīng)用時(shí),教師可以利用引發(fā)諸多網(wǎng)友評(píng)論的某省高考語文作文題引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建思維模型——小鳥僅靠一截樹枝飛越太平洋,飛行時(shí)銜著樹枝,休息時(shí)將其扔到海面上,并落到上面休息。這是真的嗎?通個(gè)這樣的生活背景,激發(fā)學(xué)生的探究欲望,師生結(jié)合學(xué)習(xí)過的浮力概念及物體沉浮條件,共同探討建構(gòu)基于物理公式的抽象模型。最后,通過分析推理得出數(shù)據(jù):80g的小鳥至少需要銜起133—400立方厘米的樹枝,120g的小鳥至少需要銜起200—600立方厘米的樹枝……從而推翻了“小鳥銜枝飛越太平洋”故事的真實(shí)性。
科學(xué)對(duì)于部分學(xué)生來說,難在其抽象性,難在其本質(zhì)之深藏不露的特點(diǎn)。透過現(xiàn)象將其本質(zhì)挖掘出來,學(xué)生會(huì)有“恍然大悟”之感。因此,教師要善于挖掘,將教材中的內(nèi)容分類歸納,引導(dǎo)學(xué)生去其抽象外表,將知識(shí)點(diǎn)形象直觀地表現(xiàn)出來,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
如七年級(jí)上冊(cè)“地形與地形圖”教學(xué)中,教材介紹篇幅比較簡(jiǎn)短,但要求學(xué)生記住并能說出地形類型和特點(diǎn),內(nèi)容較為枯燥乏味。教師可以結(jié)合《最強(qiáng)大腦》第四季“南海風(fēng)云”比賽中,選手在空中用手迅速建構(gòu)簡(jiǎn)單圖形模型來強(qiáng)化記憶的方式激發(fā)學(xué)生興趣,進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生通過觀察實(shí)景圖或?qū)嵨锬P妥プ〉匦蔚年P(guān)鍵特點(diǎn),用簡(jiǎn)單筆畫勾勒出地形模型。這種簡(jiǎn)單而直觀的表達(dá)方式,比語言和文字更形象,比實(shí)物和標(biāo)本更靈活,借助簡(jiǎn)單描繪能使靈動(dòng)場(chǎng)景從呆板概念中抽象而出,不僅能使學(xué)生的神經(jīng)系統(tǒng)處于興奮狀態(tài),有利于知識(shí)在大腦中的儲(chǔ)存,也為學(xué)生搭建了具體事物與抽象模型之間的探究平臺(tái)。這種簡(jiǎn)易立體的模型可以降低學(xué)習(xí)難度,使學(xué)生產(chǎn)生興趣,開發(fā)學(xué)生的記憶功能,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維,從而使學(xué)生對(duì)科學(xué)學(xué)科從被動(dòng)接受到主動(dòng)探索,從消極聽課到積極動(dòng)手動(dòng)腦,為學(xué)生創(chuàng)造出良好輕松的學(xué)習(xí)氛圍。
以圖像或具體物品形式展示研究對(duì)象,最顯著的特征就是形象直觀。在教學(xué)中,教師在展示模型和引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)模型的過程中均要體現(xiàn)這種思想,以促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解,引導(dǎo)學(xué)生拓展思維,領(lǐng)會(huì)科學(xué)方法。同時(shí),教師在引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)科學(xué)模型的過程中,還要強(qiáng)調(diào)構(gòu)建模型必須建立在以客觀事實(shí)為依據(jù)的基礎(chǔ)上,去繁化簡(jiǎn),刪偽留真。在建模之前,首先要通過觀察、實(shí)驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、查閱資料等方法了解研究對(duì)象的特點(diǎn),然后選擇合適的材料,討論恰當(dāng)?shù)恼故拘问?。在建模過程中,要凸顯由簡(jiǎn)到繁、由大而小、由外及內(nèi)、由輪廓至細(xì)節(jié)的規(guī)律,逐步建構(gòu)。初步建立模型之后,對(duì)模型的科學(xué)性要進(jìn)一步審核,并進(jìn)行相應(yīng)完善,以達(dá)到能形象客觀地反映研究對(duì)象特點(diǎn)的目標(biāo)。
八年級(jí)下冊(cè)“氣體交換內(nèi)容”教學(xué),需要以推理、聯(lián)想、分析、判斷等思維過程作為基礎(chǔ),而八年級(jí)學(xué)生的心理特點(diǎn)以形象思維為主,對(duì)氣體交換原理難以理解。若取部分礦泉水瓶模擬胸腔壁,以吸管模擬氣管和支氣管,氣球模擬左右肺,橡皮膜模擬橫膈膜建構(gòu)呼吸結(jié)構(gòu)模型,通過牽拉橡皮膜模擬橫膈膜的運(yùn)動(dòng),使研究對(duì)象更加生動(dòng)形象,便于學(xué)生理解人體呼吸與胸腔容積之間的關(guān)系。這樣既鍛煉了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐建模的能力,也達(dá)到了引導(dǎo)學(xué)生靈活應(yīng)用模型方法積聚知識(shí)的目的,從而提升學(xué)生的綜合科學(xué)素養(yǎng)。
在科學(xué)探究過程中,所研究的對(duì)象往往呈現(xiàn)出多層次、多要素、多變化為一體的特點(diǎn),因此可以對(duì)它進(jìn)行合理簡(jiǎn)化,抓住其關(guān)鍵特點(diǎn),也可以通過歸納的方法體現(xiàn)對(duì)象本質(zhì)完成建模。用語言表述或文本描述的形式,歸納研究對(duì)象實(shí)質(zhì)特點(diǎn)的概念模型就是比較典型的代表之一,例如科學(xué)知識(shí)的相關(guān)概念、由相互聯(lián)系的不同概念形成的概念圖、對(duì)某一復(fù)雜過程的示意圖等都屬于概念模型的類型。建立概念模型,可以使學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解進(jìn)一步深化,并能清晰地建立各知識(shí)點(diǎn)之間的區(qū)別聯(lián)系,使知識(shí)結(jié)構(gòu)化,從而促使學(xué)生的歸納和表達(dá)能力得到提升。如人體免疫反應(yīng)是一個(gè)比較抽象的教學(xué)內(nèi)容,教師可以將生活現(xiàn)象和課本知識(shí)融合,建立過敏反應(yīng)機(jī)理概念模型,直觀呈現(xiàn)知識(shí)概要,從而解決教學(xué)難點(diǎn)。
構(gòu)建科學(xué)模型其實(shí)質(zhì)是一種創(chuàng)新活動(dòng),一般流程可以概括如下:觀察研究對(duì)象,大膽猜想;選擇合適材料,精準(zhǔn)測(cè)量;修正優(yōu)化模型,開展探究。
生活中的很多物品都是建構(gòu)模型的理想材料,好作品是靈感與生活的結(jié)合。在建構(gòu)科學(xué)模型時(shí),可以開發(fā)利用學(xué)生身邊熟悉的材料,展開探究活動(dòng),這樣更能激發(fā)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性,如蔬菜、水果、玩具、廢舊物品等生活材料都可以加以利用。如在學(xué)習(xí)杠桿內(nèi)容時(shí),學(xué)生難以將生活實(shí)際問題與杠桿平衡條件建立聯(lián)系,遇到“分簪問題”:“老嫗留一金簪,二女分爭(zhēng),阿舅用線平懸,懸處分簪兩不怨?!边@樣的分法真的公平嗎?教師可以在課前結(jié)合生活情境,布置探究任務(wù),讓學(xué)生利用生活材料——胡蘿卜、細(xì)線等代替簪子來構(gòu)建模型展開探究,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
學(xué)生通過小組合作的形式展開活動(dòng),嘗試將粗細(xì)不均的胡蘿卜用細(xì)線拴住不同部位并懸掛,直至胡蘿卜能在水平方向靜止懸掛。此時(shí),沿豎直方向?qū)⒑}卜在系線點(diǎn)分割成AB兩部分,并用托盤天平稱量驗(yàn)證,在充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性之后提出杠桿平衡原理,進(jìn)而通過杠桿平衡的學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步鞏固落實(shí),引導(dǎo)學(xué)生開展探究活動(dòng),歸納得出結(jié)論:杠桿平衡的前提條件是——“F1×L1=F2×L2”。這種結(jié)合生活材料的建?;顒?dòng),能夠讓學(xué)生感受到科學(xué)的神奇,原來生活中信手拈來的材料也可以是研究科學(xué)的素材。同時(shí),這樣的課堂設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)具有層進(jìn)性,將生活場(chǎng)景引入課堂,連接了課堂內(nèi)外,讓學(xué)生感受到來自生活的科學(xué),是學(xué)生玩得轉(zhuǎn)的科學(xué),也讓整個(gè)活動(dòng)環(huán)環(huán)相扣,節(jié)奏緊湊,讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性的實(shí)質(zhì)。
身體對(duì)于學(xué)生來說是最為熟悉的部分,對(duì)處于青春期的中學(xué)生來說,無論是從生理上還是心理上,身體器官對(duì)于學(xué)生來說,都是神奇而急于探索的。如在學(xué)習(xí)人體構(gòu)造知識(shí)時(shí),我們可以引導(dǎo)學(xué)生通過學(xué)習(xí)、觀察身體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,然后通過小組合作,以團(tuán)隊(duì)的形式在其上繪制肌肉、骨骼、內(nèi)臟器官。實(shí)際上就是模仿自己的身體建模,展開科學(xué)研究。整個(gè)活動(dòng)中,我們還可以引導(dǎo)學(xué)生通過比較所繪制的器官位置、形狀、大小的準(zhǔn)確性,并不斷修正,通過這樣的建?;顒?dòng)讓學(xué)生領(lǐng)悟建模不能憑主觀臆斷隨意建構(gòu),而是要真實(shí)客觀地反映對(duì)象,并且模型需要不斷完善,最終向真實(shí)科學(xué)靠近的建模思想。
總而言之,注重引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成建構(gòu)科學(xué)模型開展科學(xué)探究的良好習(xí)慣,不僅能使學(xué)生真實(shí)地了解自己內(nèi)心的需求,產(chǎn)生積極的動(dòng)力,促進(jìn)對(duì)科學(xué)概念的理解,養(yǎng)成主動(dòng)發(fā)現(xiàn)、思考和處理生活中出現(xiàn)的科學(xué)問題的良好習(xí)慣。教師還可以在建模過程當(dāng)中,潛移默化地滲透和整合其他科學(xué)方法,讓學(xué)生擺脫傳統(tǒng)教育思想的束縛,學(xué)會(huì)用腦思考、用身體探索,愿意主動(dòng)尋求答案,嘗試合作,不斷創(chuàng)新,從而提高學(xué)生的綜合科學(xué)素養(yǎng)。