模型与解释：科学抽象问题的解决之道——以“轮轴”一课教学为例

江苏省苏州工业园区方洲小学 鲍峰

模型与解释：科学抽象问题的解决之道
——以“轮轴”一课教学为例

江苏省苏州工业园区方洲小学 鲍峰

2013年美国最新发布的《下一代科学教育标准》把“科学探究”更新为“科学与实践”，其中将开发和利用模型列入“科学与实践”。由此，模型被提到了重要的位置。因此，教师在引导学生解决科学问题时应重视对模型的运用，将其作为提高学生科学核心素养的重要手段。本文以教科版六年级上册“轮轴”一课为例，谈谈运用模型与解释解决科学抽象问题。

一、情境导入，聚焦问题

笔者在课件中出示生活中的水井和桶，向学生提问：你有什么办法能把一桶水从井里提起来？学生会想到用绳子系住桶，放入井中，打满水后，再用绳子把桶拉起来。老师介绍桌上的工具，线的一端挂着重物，另一端固定在塑料管上。追问学生：你能用桌上的这个工具把水桶提起来吗？先自己动手操作，再交流。学生很快会想到转动塑料管，水桶就能提起来，经过尝试发现这种方式是可行的。可是生活中一桶水的重量比这重多了，再用这个塑料管转会怎样呢？答案肯定是不省力的。由此，本节课的任务就落在了如何设计方案和改进装置，以便能省力地把水提上来。

二、亲历实践，建构模型

1.提出方案。提出本节课的任务后，学生纷纷思考如何改进现有的这个装置。其中有一种方法得到了很多同学的认同，那就是在塑料管上打个洞，然后插一根竹棒，借助竹棒转塑料管，这样会感觉到省力很多。于是我演示如何用测力计测量直接提重物和借助短竹棍提重物的方法。接着学生小组合作改进新装置并测试用力情况。

2.实验取证。通过实验，证明借助竹棒转动塑料管可以省力。有一个小组测得的数据是：直接提重物的力是2.0N；借助小竹棒用的力测了三次，都是0.3N，另一小组测得的数据有些“奇怪”：直接提重物的力是2.1N；借助小竹棒用的力测了三次，分别是0.5N、0.3N和0.1N。两个组测得直接提重物的力相差0.1N，在误差范围内，在小竹棒上所用的力为何测出来相差很大呢？我马上请这个小组的同学来解释一下，原来这个小组在测量的时候，测力计勾住小竹棒的位置发生了变化，导致了三次结果都不一样。误打误撞下，学生发现借助小竹棒不仅省力，而且还发现用力的位置越远离塑料管所用的力就越小，即越省力。

3.论证质疑。我组织学生选择同一个竹棒在不同位置进行测试。经过多次测试，发现用力的位置距离塑料管越远越省力。那么我们还想再省力些，如何改进现有的装置呢？有学生不假思索，脱口而出道：“选用更长的竹棒呀！”“好的，那你来试一试吧。”老师取出一根1米多长的“加长版”竹棒，交到学生手中。刚开始使用起来还方便，可是当竹棒转到最高处时，学生的手够不着了，当竹棒转到最低处时，竹棒碰到桌子，转不过去了。看来竹棒也不能太长啊，太长了反而不方便了。所以在选择竹棒的长度时不但要考虑能否省力，还要考虑是否方便。

4.修改方案。“既然竹棒的长度不宜过长，那么还有别的办法吗？”我引导学生换个角度思考问题。有学生想到了增加竹棒的数量，比如在塑料管上插上3根竹棒。于是我再次组织学生讨论。经过讨论，学生得出了这样的解释：（1）增加竹棒后，塑料管转1圈，每根竹棒只要转动三分之一圈就可以了。（2）原来在一根竹棒上用力，现在可以在三根竹棒上用力，相当于每根竹棒只要承担原来三分之一的力。（3）当竹棒转到离我们手最远的时候，可以在另外的竹棒上用力。

5.完善模型。假如继续插上更多的竹棒，就更方便更省力了。竹棒太多了，老师干脆用线把这些竹棒连起来，并转动装置。同学们看，像什么？像蜘蛛网、像纺织车、像方向盘……“同学们的想象力真丰富，其实，科学上专门给这样的工具取了个名字，叫轮轴。顾名思义，它是由‘轮’和‘轴’组成的。”水到渠成，我抓住时机揭示轮轴概念。借助轮轴模型的建立，轮轴概念在学生大脑中顺利建构起来。

三、应用生活，形成解释

轮轴模型建构是这节课的重要环节，如果学生只是沉浸在成功建模的喜悦中，不运用模型去描述、解释或预测客观世界，那这样的科学探究是浅层次、低思维的。因此我让学生说说除了老师介绍的生活中的轮轴外，还有哪些是轮轴？学生说有螺丝刀、门把手、水龙头、卷笔机的摇柄、拉杆书包的轮子，等等。为了让学生对轮轴有更深刻的认识和理解，于是我组织学生对他们提出来的轮轴进行判断。这引起了大家的激烈争论，除了螺丝刀大家一致认为是轮轴外，其他几个大家都提出了不同的观点。如卷笔机的摇柄，一开始很多学生保持沉默，同学拿出自己的卷笔机立刻解释说：“现在虽然看不见‘轮’，但大家看，转动时就有‘轮’了！”再如水龙头，有些学生认为以前老式的水龙头是轮轴，因为它是靠轮带动轴的；而现在常用的水龙头不是轮轴，因为它没有“轮”。有些学生认为现在常用的水龙头是上下掰动或左右转动的，上下掰动时是杠杆，左右转动时是轮轴。

综上所述，模型作为一种重要的认知手段和思维方式，在解决科学抽象问题时发挥了重要作用。在构建模型时，一方面，我们可以从原型出发，抓住原型的本质特征，对原型进行抽象和简化，以促进学生对科学本质的认识；另一方面，我们可以借助模型将高度抽象的科学概念和理论具体化，以提高学生运用科学知识解决实际问题的能力。