王紅燕|浙江省安吉縣安城中學(xué)

模型反映客觀事物、現(xiàn)象和過程，是對客觀事物或某種過程的表征方式，是認(rèn)識事物本質(zhì)屬性及其相互關(guān)系的一種方法。建模教學(xué)通過創(chuàng)設(shè)情境幫助學(xué)生建構(gòu)模型，引導(dǎo)其不斷檢驗(yàn)和修正自己的模型，并將模型遷移運(yùn)用到新情境新問題中?！读x務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》指出，模型建構(gòu)是指“以經(jīng)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ)，對客觀事物進(jìn)行抽象和概括，進(jìn)而建構(gòu)模型；運(yùn)用模型分析、解釋現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、關(guān)系及變化過程”。由此可見，模型建構(gòu)是科學(xué)思維的重要方式和途徑。建模的歷程可以讓學(xué)生親身經(jīng)歷科學(xué)家的主要活動，體會大膽猜想、建立假設(shè)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重要作用，思考事實(shí)證據(jù)與科學(xué)結(jié)論之間關(guān)系對科學(xué)研究的價值。有效開展建模教學(xué)能讓學(xué)生親身經(jīng)歷模型建構(gòu)、修正和拓展應(yīng)用的過程，從而提高建構(gòu)知識和解決問題的能力，逐步培養(yǎng)高階思維能力。

在科學(xué)教學(xué)中，模型被視為是對真實(shí)世界的表征，建模則是對模型的建構(gòu)，即從復(fù)雜的現(xiàn)象中，抽取出能描繪該現(xiàn)象的元素或參數(shù)，并找出這些元素或參數(shù)之間的正確關(guān)系，建構(gòu)足以正確描述、解釋該現(xiàn)象的模型的過程［1］。學(xué)生對模型的認(rèn)識影響學(xué)習(xí)結(jié)果。建模教學(xué)可促進(jìn)學(xué)生模型認(rèn)知能力的發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的推理和論證、質(zhì)疑與創(chuàng)新思維。

一、建模教學(xué)的一般路徑

模型是將理論和實(shí)踐有效聯(lián)結(jié)的紐帶，開展建模教學(xué)需要在一定的情境中，為了解決真實(shí)的問題，而進(jìn)行一系列的模型建構(gòu)過程，通常包含模型建構(gòu)（表征模型）、模型檢驗(yàn)修正、模型遷移應(yīng)用等。

學(xué)生在面對復(fù)雜現(xiàn)象或問題情境時，會運(yùn)用猜想、類比等方法初步建構(gòu)模型，并借助文字、符號、數(shù)字、圖形等進(jìn)行表征。學(xué)生個人表征的方式和過程是否科學(xué)合理，需要在師生交流、生生互動中，去評價檢驗(yàn)，然后逐步修正和完善，并將修正后的模型遷移應(yīng)用于新的情境。如果可以初步匹配，接下來可對模型進(jìn)一步優(yōu)化、表征，如果發(fā)現(xiàn)不合適，需要再次循環(huán)建模。建模教學(xué)的一般路徑如圖1所示。

圖1 建模教學(xué)的一般路徑

注重建模教學(xué)過程設(shè)計，不僅能讓學(xué)生建構(gòu)的模型更形象和科學(xué)，也能在交流互動中培養(yǎng)學(xué)生與他人合作以及勇于質(zhì)疑和思辨的能力。同時，交流互動的過程也為模型的完善搭建了思維進(jìn)階的橋梁。

當(dāng)然，建模教學(xué)的過程并不是固定不變的，教師可根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)和思維水平設(shè)計學(xué)習(xí)歷程，從而更好地幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中發(fā)展自己的模型，并使其最終與科學(xué)模型達(dá)成一致，真正促使學(xué)生運(yùn)用模型推理論證，培養(yǎng)批判性思維能力和創(chuàng)造性思維能力，進(jìn)而發(fā)展核心素養(yǎng)。

二、建模教學(xué)的基本策略

初中科學(xué)學(xué)科中的許多概念比較抽象，教師需要將復(fù)雜的科學(xué)現(xiàn)象抽絲剝繭，讓學(xué)生抓住主要的因素，用簡潔明了的模型去探究關(guān)鍵的原理。而通過建?；顒?，引導(dǎo)學(xué)生深入理解知識的形成過程，是促進(jìn)學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)，尤其是思維能力提升的重要教學(xué)策略。開展建模教學(xué)，一定要讓學(xué)生參與到豐富的建?；顒赢?dāng)中。這些建?；顒影▽τ谀Ｐ偷恼J(rèn)識、詮釋、建構(gòu)、應(yīng)用以及修正。教師要引導(dǎo)學(xué)生理解并利用模型來闡釋事物的工作原理，解釋復(fù)雜的科學(xué)問題，通?？梢詮哪Ｐ徒?gòu)和模型認(rèn)知兩方面進(jìn)行設(shè)計。

（一）利用模型表征與建構(gòu)培養(yǎng)模型建構(gòu)能力

科學(xué)家持有的模型與學(xué)生理解的模型是不一樣的。在教學(xué)之前，學(xué)生對于世界的理解是零碎且沒有條理的，而模型是理論和實(shí)踐的中介，從實(shí)踐到理論或從理論到實(shí)踐，需要通過建構(gòu)模型等方法來實(shí)現(xiàn)。因此，模型是發(fā)展概念、推理和解決問題的基礎(chǔ)。建構(gòu)模型是進(jìn)行科學(xué)思考的前提，它讓我們能夠?qū)ο肓私獾淖匀滑F(xiàn)象進(jìn)行研究。從粗化單一的表層模型到可以遷移運(yùn)用于新情境的理論模型，是在建模教學(xué)中不斷引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)的結(jié)果。模型建構(gòu)需要經(jīng)歷由簡入繁，從單一到復(fù)雜的漸進(jìn)過程，這將使其成為從實(shí)踐到理論的推手。

1.聯(lián)系生活情境，建構(gòu)實(shí)物模型

實(shí)物模型指依靠物體的基本形態(tài)所做的模仿，也可以是根據(jù)相似原理，按原系統(tǒng)比例或縮放構(gòu)成的實(shí)物。因其與學(xué)生觀察到的或了解的實(shí)物最接近，學(xué)生更容易接受和理解。在建模教學(xué)的過程中，教師可以有目的地引入或創(chuàng)設(shè)生動形象的生活情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，幫助學(xué)生將知識和問題具體化、情境化。

運(yùn)用生活中的材料制作實(shí)物模型是培養(yǎng)學(xué)生建模思維的一種重要方法。教師要引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)科學(xué)與生活的緊密聯(lián)系，讓學(xué)生以生活化的材料建構(gòu)實(shí)物模型，并在這一活動中習(xí)得知識，提升建模能力。例如，為了研究流體流速與壓強(qiáng)的關(guān)系及其在生活中的應(yīng)用，教師可先讓學(xué)生進(jìn)行觀察分析，了解事物原理，再讓學(xué)生利用身邊材料建構(gòu)出實(shí)物模型。對海面上并排航行的兩船相撞問題，學(xué)生可以制作兩只紙船，讓其浮在水面上靜止不動，再用注射器向兩紙船之間的水面快速噴射水柱，觀察紙船的偏轉(zhuǎn)方向。這種實(shí)物模型的模擬過程能讓學(xué)生更直觀地了解事物的發(fā)生過程，進(jìn)而能夠結(jié)合學(xué)到的知識加以解釋，培養(yǎng)模仿、設(shè)計、分析和歸納能力。以此模型為基礎(chǔ)，教師可讓學(xué)生嘗試運(yùn)用相關(guān)知識建構(gòu)更復(fù)雜情境下的實(shí)物模型，從而更好地解決問題，如“H”形地下通道中過道的通風(fēng)問題、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中的飛機(jī)模型等。

素養(yǎng)化的建模教學(xué)指向問題解決，學(xué)生建構(gòu)的實(shí)物模型是基于對事物表象的觀察，以及對現(xiàn)象原因的探析，進(jìn)而了解事物發(fā)生的本質(zhì)原因。這樣的建模方式不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且能在運(yùn)用實(shí)物模型解釋和解決問題中培養(yǎng)學(xué)生的論證思維。

2.加強(qiáng)探究實(shí)踐，建構(gòu)思維模型

思維模型是人們憑借外部活動逐步建立起來并不斷完善的基本思維結(jié)構(gòu)。它是思想的基本過程，是認(rèn)識事物的指引，是解決問題的框架。探究實(shí)踐是科學(xué)教學(xué)活動的主要形式，指在教師引導(dǎo)下，學(xué)生主動地展開探究，開展團(tuán)隊協(xié)作，充分實(shí)現(xiàn)完整的建模學(xué)習(xí)，鍛煉建模能力，它可為學(xué)生的后續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

在教學(xué)浙教版義務(wù)教育教科書《科學(xué)》八年級上冊第2 章第3 節(jié)《大氣的壓強(qiáng)》時，筆者將該章內(nèi)容與生活情境充分結(jié)合，讓學(xué)生開展多形式的探究實(shí)踐活動，如吸飲料、瓶中取袋、瓶吞雞蛋等。在這些活動的實(shí)踐過程中，筆者引導(dǎo)學(xué)生觀察、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，尋找這些現(xiàn)象中的共性問題，如：吸飲料的時候，吸氣使吸管內(nèi)氣體減少，氣壓減小，外界大氣壓大于吸管內(nèi)氣壓，所以飲料被壓上來；瓶吞雞蛋實(shí)驗(yàn)中，先將燃燒的棉花放入錐形瓶，然后將剝殼的熟雞蛋放在瓶口，可以觀察到燃燒結(jié)束后一會兒，雞蛋會進(jìn)入瓶內(nèi)，這是因?yàn)槿紵粌H消耗了瓶內(nèi)的氣體，放熱也使瓶內(nèi)的部分氣體被擠出，瓶內(nèi)氣壓減小，外界大氣壓將雞蛋壓入瓶內(nèi)。在對現(xiàn)象進(jìn)行分析的過程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生梳理歸納，建構(gòu)起“建構(gòu)封閉系統(tǒng)—改變一側(cè)氣壓—形成壓強(qiáng)差—呈現(xiàn)效果”這一思維模型。由此，許多問題便會迎刃而解，如對“瓶吞雞蛋——如何讓瓶子里的雞蛋吐出來”這一問題，學(xué)生便可以設(shè)想將錐形瓶倒置后再加熱錐形瓶，或?qū)⒄麄€裝置放到可以抽氣的密封罩內(nèi)等。

建構(gòu)思維模型，可以幫助學(xué)生形成結(jié)構(gòu)性思維，實(shí)現(xiàn)舉一反三。在探究實(shí)踐活動中注重建模思維的培養(yǎng)，學(xué)生的方案設(shè)計、解釋數(shù)據(jù)證據(jù)、評價、創(chuàng)造等關(guān)鍵能力也會得到發(fā)展。

3.巧用科學(xué)方法，建構(gòu)概念模型

概念模型通常指在概念化或概括過程中形成的模型，指向它所代表的系統(tǒng)的基本原理和基本功能?？茖W(xué)建模過程，是直覺思維向形象思維轉(zhuǎn)化的過程，是將心智模型進(jìn)行顯化表示的過程，很多時候并沒有實(shí)物模型展示。由于沒有直觀感受，也沒有通用的思維模型，學(xué)生往往不容易理解。此時，如果采用合適的科學(xué)建模方法，幫助學(xué)生建立新的模型，學(xué)生就可建構(gòu)出正確合理的科學(xué)概念。

類比是科學(xué)家建構(gòu)模型最主要的方式。建立科學(xué)模型的過程中，利用學(xué)生熟悉的、已有認(rèn)知的事物進(jìn)行類比，可以幫助學(xué)生盡快建構(gòu)概念模型。比如建立原子結(jié)構(gòu)模型，需要根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)去推測原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，如果讓學(xué)生通過極少數(shù)α 粒子反射回來這一現(xiàn)象建立起原子核的概念，就比較抽象，學(xué)生不容易將二者關(guān)聯(lián)起來，但如果讓學(xué)生觀察用一個乒乓球去撞擊一個小鐵球后的反彈現(xiàn)象，再去類比抽象的微觀世界，學(xué)生的思維就更容易遷移，概念建構(gòu)就會簡單很多。

理想化處理，是將問題簡化，促成模型建構(gòu)的一種方式。如利用生活中各種各樣的簡單機(jī)械“杠桿”，讓學(xué)生尋找它們的共同特點(diǎn)，并從中抽離出本質(zhì)特征，建構(gòu)出“一根繞固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動的硬棒”概念，忽略粗細(xì)和形狀等非必要因素，從而讓學(xué)生認(rèn)識到模型的形象、簡潔等特點(diǎn)。在這樣的概念建構(gòu)過程中，學(xué)生能夠理解該模型建構(gòu)的重要特征，知道抓住研究對象的主要因素，而忽略次要因素、排除無關(guān)因素，簡明扼要地揭示事物的本質(zhì)，這就是一種理想化的表征方式。當(dāng)然，理想化處理也有其局限性，它并不能代表事物的更多特征，只能傳達(dá)它想要表達(dá)的基本的本質(zhì)屬性。

另外，利用生活實(shí)際、問題探究、實(shí)驗(yàn)演示等，通過真實(shí)的問題情境和實(shí)際應(yīng)用來檢驗(yàn)和發(fā)展學(xué)生的建模能力，將模型建構(gòu)得更加科學(xué)和理想化，是建模能力提升的途徑和表現(xiàn)。如“力臂”概念的建構(gòu)，可以創(chuàng)設(shè)合適的問題式實(shí)驗(yàn)探究，如圖2 所示，通過甲和乙—乙和丙—丙和丁的實(shí)驗(yàn)對比，促使學(xué)生經(jīng)歷“力的大小與作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離有關(guān)—與力的方向有關(guān)—與力的作用點(diǎn)到支點(diǎn)距離和方向都有關(guān)”層層遞進(jìn)的探究過程。通過對現(xiàn)象進(jìn)行初步猜想，在猜想基礎(chǔ)上實(shí)驗(yàn)論證，并進(jìn)一步推理，學(xué)生的推理論證思維能得到發(fā)展，科學(xué)探究關(guān)鍵能力能得到培養(yǎng)。

圖2“力臂”概念建構(gòu)的實(shí)驗(yàn)探究過程

（二）利用模型檢驗(yàn)修正與遷移應(yīng)用提高模型認(rèn)知能力

應(yīng)用與實(shí)踐是建模教學(xué)的核心，強(qiáng)調(diào)學(xué)生主動地進(jìn)行檢驗(yàn)修正并遷移應(yīng)用模型的過程。學(xué)生的建模能力需要在實(shí)踐活動中發(fā)展，因此將模型運(yùn)用到實(shí)際問題情境中，能夠更有效地促進(jìn)學(xué)生能力和思維的發(fā)展。這樣不僅能幫助學(xué)生建構(gòu)知識，也能幫助學(xué)生對模型作進(jìn)一步的評價和修正，學(xué)會具體分析模型與問題間的相互作用，體會模型的內(nèi)涵。

1.在新情境中檢驗(yàn)修正模型

科學(xué)教育的過程就是幫助學(xué)生建構(gòu)和優(yōu)化心智模型的過程，而不斷提高模型的解釋能力也是科學(xué)教育不斷追求的目標(biāo)［2］。教師要抓住學(xué)生生活認(rèn)知與科學(xué)知識之間的沖突進(jìn)行情境創(chuàng)設(shè)，聚焦真實(shí)情境，將真實(shí)問題轉(zhuǎn)化為科學(xué)問題，引導(dǎo)學(xué)生利用建構(gòu)的模型解決問題并遷移解決生活中的新問題。其中，利用已有的模型，就是學(xué)生分析模型、修正模型的過程。

如在光和顏色的教學(xué)中，對于霓虹燈為什么會發(fā)紅光藍(lán)光等，即透明物體的顏色是由什么決定的這一問題，教師可引導(dǎo)學(xué)生利用建模的思想對現(xiàn)象作出解釋。教師可展示白光透過紅玻璃片在白屏上會呈現(xiàn)紅光的現(xiàn)象，讓學(xué)生利用光路圖來展示紅光出現(xiàn)的原因分析。學(xué)生建構(gòu)的光路模型會基于自身的原有認(rèn)知，有一定的不足，教師需要組織學(xué)生對建構(gòu)的模型進(jìn)行交流和評價，然后演示三棱鏡色散實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析色光出現(xiàn)的原因，引導(dǎo)學(xué)生對建立的顯性化模型作進(jìn)一步的評價與修正。在應(yīng)用模型分析實(shí)際問題的過程中，歸納總結(jié)模型的適用范圍，可促使學(xué)生發(fā)散思維，形成批判性思維，進(jìn)而提煉科學(xué)的思維方法，提升思維品質(zhì)。

2.在新問題中遷移應(yīng)用模型

學(xué)生對模型的認(rèn)識是進(jìn)行建模實(shí)踐的基礎(chǔ)，從學(xué)生對模型的理解可以判斷其建模能力。學(xué)生能在熟悉的問題情境中應(yīng)用常見的模型，或根據(jù)需要選用恰當(dāng)?shù)哪Ｐ徒鉀Q簡單的科學(xué)問題，這就表明學(xué)生對模型已有了簡單的認(rèn)知。

如利用已有的“建構(gòu)封閉系統(tǒng)—改變一側(cè)氣壓—形成氣壓差—呈現(xiàn)效果”這一思維模型，在遷移解釋新的問題情境中進(jìn)一步檢驗(yàn)和修正原有思維模型，使模型更完善。上述思維模型中關(guān)于改變內(nèi)部氣壓的方式，可以進(jìn)一步補(bǔ)充完善，如通過改變氣體質(zhì)量、體積、溫度等來實(shí)現(xiàn)，改進(jìn)后的模型如圖3所示。這一模型不僅在解釋遷移過程中得到修正和完善，而且可用于解釋裝置氣密性檢查的原理，還可用于氣體發(fā)生裝置的選擇等，以實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科的遷移應(yīng)用。學(xué)生用建模的思想去解答生活情境中的復(fù)雜問題，是發(fā)展高階思維的基礎(chǔ)，因?yàn)槟軐?shí)現(xiàn)遷移應(yīng)用就可以更好地理解模型。學(xué)生應(yīng)用模型的能力，如基于模型的推理、表征等，可表現(xiàn)出學(xué)生基于模型的思維能力，而在新問題中遷移應(yīng)用模型解決問題，則可鍛煉學(xué)生歸納演繹等科學(xué)思維方法，幫助其實(shí)現(xiàn)對概念、事物特征的深度理解。

圖3“氣壓差呈現(xiàn)效果”改進(jìn)思維模型

3.在科學(xué)史中體驗(yàn)感悟模型價值

科學(xué)史是科學(xué)的發(fā)展歷程，包括科學(xué)的起源、發(fā)展、應(yīng)用和成果。把科學(xué)史作為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)建模能力的載體之一，可在科學(xué)史實(shí)的推進(jìn)中促進(jìn)學(xué)生對模型建構(gòu)意義的理解。教師可以在歷史的坐標(biāo)軸中精心設(shè)計問題，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)家的探索歷程，在建模、推理和論證過程中發(fā)展科學(xué)思維能力，真正理解科學(xué)知識?；诳茖W(xué)史的建模教學(xué)過程如圖4所示。

圖4 基于科學(xué)史的建模教學(xué)過程

需要注意的是，科學(xué)史本身并不能直接培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)建模能力，教師需要梳理并篩選適合進(jìn)行建模教學(xué)的史實(shí)，以此充分體現(xiàn)科學(xué)理論“繼承—創(chuàng)新”的辯證發(fā)展規(guī)律，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到不斷修正模型的科學(xué)價值，理解不同的模型都是在一定證據(jù)下的假設(shè)，能夠解釋某些自然現(xiàn)象，感悟模型建構(gòu)的價值，進(jìn)而提升推理論證與質(zhì)疑創(chuàng)新等思維能力。

綜上，模型是人們進(jìn)行推理、論證、解釋和創(chuàng)造的工具，在問題解決及探究實(shí)踐過程中起到了非常重要的作用?？茖W(xué)建模素養(yǎng)體系的建構(gòu)不是某個人的工作，其基本意旨是要傳遞科學(xué)教育最核心的育人價值：能進(jìn)行科學(xué)建模實(shí)踐活動并理解模型及建模在科學(xué)研究及社會生活中的意義，滿足社會生活、工作的需要［3］。而如何有效開展建模教學(xué)，如何進(jìn)行模型建構(gòu)的進(jìn)階式教學(xué)以及學(xué)生建模能力的培養(yǎng)和評價等，仍有待進(jìn)一步研究和實(shí)踐。