促进学生模型思维能力发展的“学习进阶”

周 建 秋

(瑞安市塘下镇罗凤中学，浙江 瑞安 325204)

在教学实践中，教师对学生模型思维能力的培养出现种种弊端，因为模型思维能力缺乏层次性而导致的肤浅低效，或者教学情境不够贴切而造成学生兴趣不高，抑或教学方式单调而造成模型思维能力不够深入，以致于达不到理想的效果。为此，教师要立足于教学实践经验，运用学习进阶理论，促进学生模型思维能力的发展。

一、关于学生模型思维能力学习进阶的认识

科学知识是发展学生模型思维能力的基础，学生模型思维能力是学生学习科学知识的具体体现。学生行为表现则是发展学生模型思维能力的途径，学生行为表现直接关系到学生模型思维能力能否达成问题。因此，为了更好地了解、培养与评价学生思维模型能力的发展水平，结合科学课程，构建学生模型思维能力的发展可分为二个维度(如图1所示)：

图1 知识、行为与模型思维能力“学习进阶”的二维结构图

横向以科学知识、行为表现、能力水平发展为顺序，纵向以认识模型、理解模型、应用模型、建构模型发展构成递进关系[1]。教师要根据科学学科的内容，突出学生模型思维能力培养的阶段重点。例如，在讲授磁感线时，教师要确定教学的目标，让学生说出磁感线的特点，达到认识模型即可。教师只有整体规划学生模型思维能力培养的路径，才能跳出教学经验的束缚，才能摆脱“走一步，看一步”的零乱的桎梏，才能站在“庐山”之外，看清攀登高峰的最佳途径。

二、促进学生模型思维能力发展“学习进阶”的路径

1.感知表征科学模型，促进模型思维能力发展

模型思维能力发展的初级层次就是要求学生区别判断模型，表征模型类型[2]。根据科学模型所表现的形式不同，分为实物模型与思维模型[3]。实物模型有星图、地形图等；思维模型有磁场、物态变化图示模型、生物层次结构图、物质关系8圈图等。根据科学模型所反映的内容不同，常做以下分类：对象模型，如磁感线、平面镜等；过程模型，如水电解模型，体温调节过程图，血糖调节图；条件模型，光滑平面，轻质的杠杆等；数学模型，如密度公式、速度公式等；对称模型，如镜像法等；关联模型，如地月系、太阳系等。例如，在物质的微观粒子模型教学中，教师可以出示金刚石与石墨两种不同物质，设置问题，金刚石和石墨由什么微粒构成？它们的宏观性质为什么会有这么巨大差异？呈现金刚石结构图、石墨结构图，让学生感知模型。接着，教师举例，二氧化碳分子与水分子的原子构成情况。分发材料，让学生动手做出模型。然后，教师评价学生做好的模型。二氧化碳分子模型，3个原子呈直线排列，碳原子居中；水分子模型，氧原子应居中，氢—氧—氢原子角度约为105°。这样，通过宏观物质呈现、微观角度阐释、动手操作模型，学生能体会到模型就是形象地再现原型，更好地了解事物的本身。

2.理解模型建立的认知价值，促进模型思维能力发展

科学模型是以结论、静止的形态展现在学生面前，如果教师没有从模型的源头进行教学，学生就会感受不到科学学科特有的魅力与内在蕴涵思想。有些学生对科学模型的认识只满足于记住它的形式，而对模型所包含的深刻内涵了解甚少，不明白模型建立的认知价值，不明确模型成立的历史条件，一概而论。作为教师，要关注科学模型的来龙去脉，模型是如何发生的，如何形成的，是如何发展。例如，在原子模型教学过程中，教师可以通过科学史讲解道尔顿的世界观，他认为世界是由很小微粒构成，因此它建立了“实心球模型”。随着科学的发展，汤姆生发现原子里还有微粒电子，他通过推理，原子中还应有带正电的微粒，因此构建了自己的“西瓜(布丁)模型”。后来，卢瑟福做了a粒子散射实验，实验结果如图2所示。卢瑟福通过实验观察、分析推理、联想和类比，建构行星模型。随后，证据一个个地发现，又出现了玻尔的“分层模型”、现代的“电子云模型”等。通过原子模型建立的科学史分析，模型不是一成不变的真理，它是讲究证据的，是符合逻辑的，它也会不断被新的模型质疑，随时可能被修改或代替。

图2 原子核式结构发现分析图

3.应用科学模型解释科学现象，促进模型思维能力发展

模型是一个去伪存真、追本溯源的过程。模型能抽象出原型的本质、特征，把问题从千头万绪纵横交错的关系中显现出来，并使它变得简洁明确[4]。如果我们恰当地运用模型解释，就能为问题的解决带来极大方便。例如，在解释潜水艇与鱼沉浮时，我们可以分别让学生应用“硬壳模型”、“软壳模型”进行解释。教师提问并出示材料：你有办法让一个装入部分小石块的矿泉水瓶下沉吗？学生通过思考后提出2种实验方案：(1)继续装入小石块，直至矿泉水瓶下沉；(2)将矿泉水瓶捏瘪了，直至矿泉水瓶下沉。通过实验验证，这两种方案均是可行的。第一种方案是在不改变矿泉水瓶的体积，只是增加它的重量的情况下实现的。这个模型可称为“硬壳模型”。“硬壳模型”与潜水艇沉浮相似。第二种方案是在改变矿泉水瓶的体积，不增加它的重量的情况下实现的。这个模型可称为“软壳模型”，“软壳模型”与鱼沉浮相似。因此，倘若学生能将新情景下的科学问题跟已熟悉的模型进行比较，运用模型解释，由浅入深、由此及彼，就能很好地理解科学问题，起到事半功倍的效果。

4.建构科学模型思维，促进模型思维能力发展

(1) 在科学知识整理中建构模型，促进模型思维能力发展。布鲁纳认为结构化的知识才是普适性最广、迁移性最强的知识。知识网络能删烦就简，去粗存精，促进了学生有效学习，而且帮助学生们更好地了解和研究知识点的来龙去脉，找到繁多的知识点内在联系，有利于学生综合分析能力。例如，在“光的折射”教学中，如果教师只从局部知识点来思考，把光折射现象、光折射规律，光折射的成像特点等关键概念肢解成杂乱无章部分，那么不利于学生对光折射知识的意义建构。教师可以把光的折射定律、折射现象、折射光路特点、折射成像的特点等知识编织网络图，揭示光的折射知识之间的内在逻辑关系，建构模型(如图3)，促进模型思维能力发展。

图3 光的折射模型图

(2) 在科学习题解决中建构模型，促进模型思维能力发展。在科学习题解决过程中，往往会存在多个相互影响或相互控制的因素，使整个过程隐晦莫测，让解题者找不到思维的路径，无从入手。这时可以通过设计一个图表，建构思维模型，使学生的思维过程可视化，从而促进模型思维能力发展。例如：用Zn(NO3)2和Cu(NO3)2的混合溶液做下列实验(如图4)，由此推断滤液A是________；过量C溶液是________。(写一种)

图4 Zn(NO3)2和Cu(NO3)2混合溶液的实验过程图

图5 关于“过量溶液C”的思维过程图

(3) 在科学探究活动中建构模型，促进模型思维能力发展。科学探究是学生建构模型的重要方法，教师要根据教学内容，采用探究教学，重演科学知识的发生过程，建构模型，促进模型思维能力发展[4]。例如，在欧姆电律数学模型教学时，教师先演示小灯泡亮暗实验，分析电流与电压、电阻的定性关系。接着明确研究目的，确定控制变量的研究方法。组织学生设计实验方案，学生的设计有很多，可能有以下四种电路图(如图6所示)。教师应与学生一起进行逐一讨论并评价这些实验方案。再根据所设计的方案完成对电流、电阻、电压的关系的定量研究，组织学生汇报成果。教师运用投影仪上展示“研究电流与电阻、电压的关系”的实验结果，并让其他成员评价数据，共同讨论分析数据背后的隐藏规律，得出结论，建立欧姆电律数学表达式。

图6 欧姆定律设计的实验电路图

(4) 在深度学习活动中建构模型，促进模型思维能力发展。深度学习就是教师在教学过程中，用科学特有的内在本质启迪学生的智慧，用科学实验的深刻性激发学生的思维[5]。教师要选择典型的教学内容，设计有思维深度的教学问题，在深度学习活动中建构模型，促进学生创造性思维发展。例如，以往对于“大气的压强”教学，大多数教师采用演示实验，认识大气压，学生动手设计实验，验证大气压，教师再讲解大气压的测量。学生在听、看、记、做学习过程中形成知识。这样的教学，学生只能按部就班地按照老师教的去操作，缺少高阶思维的培养，缺乏对大气压认识的深度。为了促进学生由低阶思维向高阶思维思维有序进阶，教师可以采用了三个教学环节过程，认识大气压，测量大气压，利用大气压。在利用大气压教学过程中，教师可以创设情境，先播放某一城市景观喷泉实验，让学生提供创造模型思维的意境，形成创造思维模型的心向。然后，教师可以提出问题，如何利用圆底烧瓶、橡皮管、抽气机、可口可乐、烧杯、水槽等仪器，设计一个喷泉实验？学生合作交流讨论，得出结论。有的学生把橡皮管套在圆底烧瓶上，利用抽气机对圆底烧瓶抽气，然后把橡皮管套放在水槽中，形成喷泉。有的学生不断地把可口可乐摇晃，使可口可乐中气体压强增大，然后打开可口可乐，形成喷泉。教师通过有深度问题的设计，引领学生在深度学习活动中建构大气压应用模型，创造性解决问题，促进学生模型思维能力发展。

总之，促进学生模型思维能力发展是提高学生核心素养的重要内容，是全面落实育人目标的重要举措，是教师顶层设计学生核心能力发展的价值回归。教师要根据学生认识的特点，立足教学实践经验，促进学生模型思维能力的发展。

[参 考 文 献]

[1] 杨玉琴.化学学科能力及其测评研究[D].上海：华东师范大学，2012：31.

[2] 翟小铭，郭玉英.美国科学建模教育研究三十年概述及启示[J].全球教育展望，2015(12)：81-95.

[3] 周建秋.初中科学教学中学生建模能力的培养[J].现代中小学教育，2010(10)：47-49.

[4] 姚建欣，郭玉英.为学生认知发展建模：学习进阶十年研究回顾及展望[J].教育学报，2014(5)：35-42.

[5] 余文森.从有效教学走向卓越教学[M].上海：华东师范大学出版社，2015：79.