建立模型法在初中科学教学中的应用研究

肖华平

建立模型法是解决问题时常用的思想方法，笔者根据自己的教学实践，从概念教学、规律教学、科学过程分析及习题教学四个方面，分别探讨了如何引导初中生通过建立理想模型的方法来提高学生的学习效率，在构建理想模型的过程中提高学生的科学素养。

一、模型与建立模型法

科学课程的教学目标不仅是传授知识和基本技能，更重要的是培养学生科学的思想方法，形成良好的科学素养。人们在解决复杂问题时，会将复杂问题分解成一个或若干个比较简单的问题来解决，这种思维过程就是建立模型的思想方法。模型在科学课程中有较为广泛的应用，有对象模型、条件模型、过程模型、数学模型等，其实质就是一幅熟悉的图景，也可以是一个公式、图画、图表，它的原型来自日常生活，能反映自然界事物的结构、变化过程及规律。在科学课程学习中常常采用建立理想模型的方法来解决问题和认识事物。一般的操作方法是这样的，先分析问题，明确影响问题的主次因素，然后忽略次要因素，用理想状态的图景或过程反映事物的本质特性。通过建立事物模型的过程，学生能加深对事物的理解，解决客观的问题，同时模型的建立也是培养学生创新能力的过程。由此可见，引导初中生建立解决问题的符合科学规律的理想化模型，是培养学生创造性思维和创新能力不可多得的方法。

二、引导学生建立模型教学实践

1.建立模型法在概念教学中的应用

在科学课程概念教学中，通过建立模型法构建概念能提高概念教学的效率，对学习者来说也能加深对概念的理解。概念是反映客观对象一般的、本质的属性，是人们对事物进行分析、比较、综合、抽象和概括的思维形式，有一定的抽象性，学生在学习概念时由于缺乏一定的感性认识，容易形成思维障碍，但是，运用建模思想则能将概念体现的科学内容直观地呈现出来，从而达到直观的教学效果。在科学课程抽象概念教学中，通过帮助学生建立理想的概念模型，使其形成一个形象的思考对象，从而提高构建概念的效率。建立理想化的概念模型实际上是抓住影响事物的主要因素，运用类比、具体的实验分析等方法，将科学概念的本质抽象出来，再将它与人脑中已有的事物联系起来，使之形象化、具体化，然后再构建成比较熟悉的、形象的内容。建立概念模型是一种有效的思维方式，能使学生更容易、更透彻地理解概念。下面以用类比和实验的方法构建大气压的概念模型为例谈谈引导学生构建概念模型的方法。

科学教学中大气压概念的构建是一个难点，这主要存在如下几个原因：首先初中学生对大气压强的存在缺乏感性认识，其次大气具有流动性，再者大气压又受密度、温度等因素影响，这些都增加了学生的理解难度，同时初中生整体把握问题、分析问题的能力是有限的，这也给学生构建大气压概念带来了困难。所以在教学中引导学生建立理想的大气压模型，能突破大气压概念构建的难点。具体的课堂教学过程如下：

首先精心设置问题，通过问题引导学生把大气压与水作类比，初步建立科学图景。

①大家回忆水的压强有什么特点？

②水的压强具有这种特点的原因是什么？

③空气和水比较有哪些相似的特点？

④处在空气中的物体会受到空气的压强吗？

⑤空气和水比较应该有哪些不同的特点？

⑥你们觉得空气产生的压强应该有什么特点？

然后利用三个演示实验直观地表现大气压的特点，形成理想的科学图景。实验一：演示覆杯实验，将硬纸片盖在盛满水的杯子口上，慢慢倒转使杯口向下，然后再横放杯子。学生看到杯口向下时纸片没有掉下来，就会理解纸片受到空气施加的向上的压强，同样，学生看到横放杯子时纸片也没有掉下来，也会明白纸片受到空气水平方向的压强。实验二：演示杯子吞雞蛋实验，先加热瓶内空气，再将去壳的熟鸡蛋放在瓶口，当看到熟鸡蛋慢慢“挤入”瓶中时，学生明白鸡蛋受到了空气向下的压强。实验三：体验拉开两个吸盘挂钩的力度，将两个吸盘对压挤去里面的空气，再让学生把它们拉开，以此来体验大气压强的大小。最后，综合得到大气压概念模型：犹如海水一样，大气会向各个方向对处于其中的物体产生力的作用；同一高度，大气对各个方向的压强相同；随着高度增加压强值减小；大气压强的值很大。通过与水类比的方法和实验的方法，建立了大气压的图景模型，大气压的概念也随之构建起来。

2.建立模型法在规律教学中的应用

在科学课程规律教学中运用建立模型法有利于学生对所学内容的理解。规律是客观对象本质属性间的联系和趋势，是建立在观察和实验之上，利用所学的概念和一定的科学方法总结出来，用来描述特定的现实世界，科学规律包括定律、定理、假说、原理、法则等。有些规律的表述较为抽象，对于形象思维占主导的初中生来说，在理解上存在一些困难，因此在学习中采用建立理想模型法能降低学习的难度。通常的做法是这样的，利用简化、形象的方法建立反映客观规律的理想模型，再利用理想模型来理解和解释客观规律。

例如，在学习达尔文提出的生物进化的原因——自然选择的自然规律时，草原上长颈鹿的生活场景是学生不熟悉的，学生学习时只能凭空想象，这会妨碍学生对“过渡繁殖、生长竞争、优胜劣汰、遗传变异”进化规律的理解。所以，笔者用简化、形象的方法建立鱼缸内鱼群生活的理想模型来解释达尔文的进化论规律，将教材中草原、鹿群这个庞大的生态系统简化成一个小型的鱼缸生态系统。学生对鱼缸的生态系统比较熟悉，整体上容易把握鱼的各种生命活动及其相互关系，理解各种影响因素也容易一些，所以学生运用这种方法理解达尔文提出的进化规律时就会容易得多。具体步骤如下：

①分析鱼缸中的生命现象，引导学生了解鱼的生命活动中包括摄食、竞争、繁殖、生长发育、死亡等行为和过程。

②分析影响鱼生命活动的因素，引导学生了解影响鱼生存的因素有食物、水质的好坏、水中的含氧量、鱼缸的大小、鱼自身的体积大小等。由于建立的是解释达尔文进化论规律的理想模型，所以我们只关注食物对鱼生存的影响，对于水中氧气含量、鱼的体积大小、鱼缸的体积大小等因素统统忽略。

③再改变外在影响因素，通过课堂问答的方式建立优胜劣汰的图景。

教师：鱼产数量很大的卵，繁殖出数量很大的个体，这些鱼如果能正常成长，需要满足什么条件？

学生：逐渐增加每天的投食量。

教师：如果每天投食量没变，鱼的生命活动将会发生什么变化？

学生：鱼开始争夺饲料，肯定有鱼吃不到食物。

教师：如果这种情况一直发展下去，会演变成什么结果？

学生：争夺不到食物的鱼就会死亡。

教师：什么样的鱼最有可能存活下来？

学生：健壮有力气、争夺食物中获胜的鱼。

到此，就建立了一个“过渡繁殖、生存斗争、优胜劣汰”的自然规律模型。

④进一步改进模型，建立全面的理想模型。达尔文认为生物进化的原因是自然的选择，生物的个体间是存在遗传差异的，在生存斗争中具有有利变异的个体会获胜而生存，具有不利变异的个体则会消亡，自然选择的过程是一个缓慢的过程，通过环境的选择，物种遗传因素被定向地积累，于是新的物种就逐渐形成。为了能反映生物遗传因素的定向积累过程，笔者对鱼缸模型进行改进，获得了更全面的反映进化论规律的理想模型。

教师：把食物吊在临近水面的上方，鱼如何取食？

学生：鱼要能把头伸出水面才能取食。

教师：哪些鱼取得食物？

学生：具有将头伸出水面取食本领的鱼。

教师：不是每条鱼都具有这种本领，遗传因素决定了个体间是有差异的，具有相应遗传特性的鱼才有这种本领。

教师：如果保持这样投食方式一段时间，将会出现什么情景？

学生：不能将头伸出水面取食的鱼将全部死亡，而具有能将头伸出水面取食的遗传性状的鱼将会生存下来，这种遗传性状会通过繁殖不断积聚，最终鱼缸中只有这种鱼。

最后，当学生把鱼缸的理想模型建立好以后，也就理解了达尔文的关于生命体过度繁殖、生存斗争、优胜劣汰的进化原理了，同时也理解了进化规律中“遗传是不定向的，选择是定向的”内在本质。

3.建立模型法在科学过程分析中的应用

在科学学习中，学生经常会碰到由实际情境改编的问题，实际问题是非理想状态，干扰的因素比较多，学生解决这些问题时常常对事物的变化过程分析不清楚，认识不准确，影响了对问题的解决，如果通过建立过程模型的思想方法来解决问题则会提高教学或学习的效率。过程模型就是将物体的过程模型化，将一些复杂的物理过程分解、简化，然后抽象为简单的、易于理解的过程。过程模型的建立，不但可以简化问题，清晰地认识过程，还可以加深对概念、规律的理解，有利于培养学生思维的灵活性。下面以对蹦床运动中能量守恒分析为例谈谈建立这种过程模型的策略。

问题：请分析当人从空中由静止下落到蹦床上，直至下降到最低点的过程中，能量的转化情况。

分析：本题涉及的物体运动过程比较复杂，可建立一个等效模型来反映这个过程，把人简化成一个质点，蹦床的床面简化类比成一个橡皮筋，质点系在橡皮筋上，研究由静止向下释放向下运动的过程中能量的转移情况，其中，质点的位置体现质点的重力势能，橡皮筋的伸长量体现其弹性势能。建模过程中引导学生只分析质点运动过程中的位置、速度和橡皮筋的长度变化，忽略空气摩擦、床面的形状变化等因素，然后对整个过程进行分解：

第一个阶段：质点由最高位置下降，重力势能减少；质点速度增大，动能增加；橡皮筋向下直至达到原长。

第二个阶段：质点位置继续下降，重力势能进一步减少；质点速度增至最大，动能也继续增加直至最大；橡皮筋超过原长，弹性势能逐渐增加。

第三个阶段：质点位置继续下降，重力势能进一步减少；质点速度逐渐减小至零，动能逐渐减少至零；橡皮筋伸长至最大，弹性势能增大至最大。

第四个阶段：质点处于瞬间静止阶段，然后开始向上运动。

最终，当把整个过程拆解、细化，并分析清楚的时候，这个运动的过程模型就建立起来了。通过过程模型的建立过程，学生对物体能量转化的理解会更深刻，分析问题和解决问题的思维能力也得到了有效的锻炼。

4.建立模型法在习题教学中的应用

在科学习题教学中，有些学生会出现反复出错的现象，究其原因主要是对习题所体现的本质没有弄清楚，同时缺乏有效的思维方法。在一些习题的讲评中如果采用建立习题模型的方法则能提高习题课教学效率，也能提高学生解题效率。一般的操作程序是这样的，首先充分了解题目信息，然后弄清信息中的主要因素，再寻找主要因素与已知信息（例如，某种知识、方法）的相似性，最后通过类比或抽象或推理等方法建立起新的物理模型，将问题转化为常规问题，这样能开拓解题思路，触类旁通，使学生从题海中解脱出来。所以，在习题教学中采用建立模型的方法解決问题既能引导学生获取解决问题的方法，也能帮助学生深入理解试题所体现的深层次的科学规律。

例：把16.9gNaCl和Na2CO3的混合物加入到100 g7.3%的盐酸中，恰好完全反应。求反应后所得溶液中溶质的质量分数。

解：设反应中有x gNa2CO3参加反应，有y gNaCl生成，z gCO2生成。

2HCl + Na2CO3 = 2NaCl + CO2↑ + H2O

73 106 117 44

100g·7.3% x y z

■=■ x=10.6 g

■=■ y=11.7 g

■=■ z=4.4 g

所得溶液的溶质NaCl的质量分数：■×100%=16%

本题的目标是求算化学反应后溶液中溶质的质量分数，由题意可知，溶液的溶质是氯化钠，溶质氯化钠的质量能通过化学方程式求算，但是溶液的质量是多少呢？因为有气体逸出，溶液中物质的成分发生了变化，溶液质量也发生了变化，这些复杂的情形给学生带来了迷惑性，形成了解决本题的难点，所以求算溶液的质量就成为解决本题的关键。众所周知，能够溶解在水中的物质才能算是溶液的一部分，当物质以固体形式从溶液中析出或作为气体从液体中溢出时就不属于溶液的成分，所以，不妨建立一个模型来解决这个问题。具体的做法是这样的，把容器中的全部溶液看成储物盒，能向储物盒中放入物体，也能从中拿出物体，放进盒子里的，可以认为是溶于水的，是溶液的成分；从盒子中拿出的，可认为是产生的气体或沉淀，属于非溶液的部分，放进去的物质与拿出来的物质的质量之差，就是最终溶液的总质量。所以，最终溶液的质量就是16.9 gNaCl和Na2CO3的混合物质量与100 g盐酸溶液质量之和再减去生成的CO2气体的质量，这样学生在理解上很容易了。当然，物理模型的建立，还需要教师积极思考并探索教材中科学的本质，这样才能抽象出一些较好的物理模型，使学生学得轻松。

在科学课程学习中，学生要面临科学概念学习、科学规律的学习、对科学现象过程的理解，还要进行解题练习，这些学习的过程中，学生会碰到不同问题，建立模型的方法是一种比较高效的解决问题的思想方法。学生从要解决的问题中提取主要的信息，采用类比、等效、假设等方法建立理想模型，通过建立模型的过程，学生就能更好地理解学习目标，同时也增长了学生分析问题的能力和抽象思维的能力。

参考文献：

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[2]李森，张家军，王天平.有效教学新论[M].广州：广东教育出版社，2010.

[3]张益.初中物理的推理法、模型法、图像法[J].理科考试研究：物理版，2012（12）.

[4]刘玉胜.物理模型在教学中的运用[M].高等教育出版社，1991.

编辑 温雪莲