技术与工程领域建模教学探索

徐亮

摘  要  为在技术与工程领域旨里更好地培养学生实践创新，以《耳的结构建模》一课为例，分析建模课例教学环节的设计与实施建议。

关键词  建模教学  耳的结构  实施建议

中图分类号：G424                文献标识码：A                 DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2021.02.022

Exploration of Modeling Teaching in

Technology and Engineering Field

——Take the lesson "modeling of ear structure" as an example

XU Liang

（The Second Experimental Primary School of North District， Qingdao， Shandong 266035）

Abstract： In order to train students' practical innovation in the field of technology and engineering， taking the "ear structure modeling" as an example， the paper analyzes the design and implementation suggestions of the teaching link of modeling class.

Keywords： modeling teaching; ear structure; implementation suggestions

技術与工程领域旨在更好地培养学生实践创新等核心素养。基于模型建立的课例能够依据现实情境，解析原型特征、创建实体模型、解决特定问题、生成科学概念。现以《耳的结构建模》一课为例，分析建模课例教学环节的设计与实施建议。

建模教学的实践价值

国内外的研究者普遍认为，基于模型的学习能够在促进学习者对概念深入理解的同时，发展科学思维。建立模型已成为小学科学教学中探究科学现象、发现科学规律的重要方式。

当前在小学科学技术与工程领域，不少教师尝试运用建模教学方式，但学生的建模实践往往缺少对原型和模型间内在关系的探究，只是进行表象的模仿，难以促成对科学概念的理解，也就无法有效培养学生的科学思维素养。

建模教学注重依据现实情境、解析原型特征、创建实体模型，从而在表征现象的过程中，引导学生发现并解释其内在的联系，形成相关的概念，最终促成科学精神、实践创新等素养发展。

《耳的结构建模》一课建模教学主要由观察、设计、物化、测评、迁移五个环节组成。在学习实践中，学生在教师的引导下，成为每一个环节的实践主体，从而实现科学学习目标的达成。

建模教学的课例解析

依据新课程标准，教师将原本属于生命科学领域的耳朵结构与功能的课程，改造成为工程技术与科学探究融合、工程意识与科学思维共生的建模创新课，重点从建模探究外耳道、鼓膜、听小骨的结构与功能等内容。

1.观察解析原型，生成问题情境

教师先引导学生观察3D激光内雕水晶耳朵模型。此模型按照人耳的结构比例将外耳、中耳和内耳的基本构造立体地呈现出来，并配有文字说明，能让学生从全方位明晰感知，形成对外耳道、鼓膜、听小骨等外形结构特征的形象认知。

通过观察分析，学生聚焦前概念中的矛盾点和感兴趣的问题，对外耳道、鼓膜、听小骨结构与功能的关联形成初步认知和猜想。

教师提问：“耳郭收集的声音传到哪里去了？”学生有回答传到大脑的，也有回答传到内耳的，这反映出学生的前概念不够科学完整。教师进一步提问：“请同学们仔细观察3D模型，思考声音如何在耳内传递？”小组观察讨论后，有的学生回答：“经过外耳道传到鼓膜，再通过听小骨传到耳蜗，最后从听神经传进大脑。”还有的学生回答：“从外耳经过中耳，传到内耳，最后到大脑。”教师继续提问：“声音通过外耳道传到鼓膜，同学们猜想这层有弹性的、薄薄的鼓膜会怎么样？”学生：“可能会振动。”教师：“听小骨又会怎样呢？”学生再次观察模型推测：“也会被带着振动起来。”

2.设计建立联系，讨论明确任务

学生根据自己的猜想，建立模型验证的初步设想。再通过团队交流探讨原型和模型间的有效关联，综合可用材料、工具等因素，设计出建立实物模型的具体目标、方法和步骤。

教学中，学生先自由表达利用模型验证的设想，画出设计图，写出所需材料工具和制作步骤，并在小组和全班进行交流、讨论。接下来教师出示课堂上可选用的材料工具，供各小组参考讨论，调整并确定建模方案，然后各小组阐述设计方案，说明其模型的选材和结构与原型的相关性。例如选用有弹性的、较薄的橡胶膜模拟鼓膜，用外形结构相似的硬纸筒模拟外耳道等。教师适时引导学生讨论明确细节。例如怎样使泡沫小球靠在橡胶膜上，来模拟验证鼓膜振动能引起听小骨的振动;如何将橡胶膜绷紧固定在纸筒的一端，能模拟出鼓膜的弹性振动，以促进学生形成原型和模型间的思维链接。

3.物化形成实体，团队合作建模

将模型设计实物化是建模教学的核心之一，这是将设计思维、成本意识与操作能力融合、贯通的关键环节。为降低实体建模的难度，教师须做好跟进指导，可以采取“制作—分析—调整设计—再制作”的循环模式，让小组分工合作。

教学中，教师在小組活动时适时引导，启发、示范、协助学生逐步掌握工具使用、选材制作的方法，帮助他们提高物化意识与能力，获得更多的成功体验。例如怎样用橡皮筋将橡胶膜固定在纸筒上，怎样用线穿起泡沫小球，并使其接触到橡胶膜等。

4.测试验证效果，评价完善优化

通过模拟实验对实体模型进行测试，收集统一证据，验证是否与原型特征相符，是否能够解释现象，揭示规律，并引导学生对各组的模型效果和合作过程开展自评、互评，提出改进建议和依据，促成建模活动的不断完善、优化。

教学中，教师引导学生测试并观察记录现象，分析其能否作为有说服力的证据。例如观察橡胶膜和泡沫小球是否会在有声音传入纸筒时发生振动时，如何让振动现象更加明显等。同时注意引导学生排除干扰，例如测试说话的声音是否能引起振动时，要避免从口中喷出的气流进入纸筒，造成无法判断是气流还是声音引起振动的问题。

本课可以设计为大课时或连堂课，为学生提供更多的时间对自己或他人建模的全过程进行反思和评价，课上或课下进一步完善建模活动。

5.生成科学概念，拓展迁移应用

教师引导学生完成实体模型修正后，可以提出新的情境促进学生模型迁移和创新的概念养成。学生通过对比观察新旧原型特征，提出假想，尝试自主建立新模型。伴随着建模过程，学生的前概念不断向科学概念转变，通过实践逐步学会拓展应用科学概念，解决现实中的问题。

教学中，学生通过微视频学习内耳的结构和功能后，先思考讨论得出：强烈的声波通过耳蜗里的液体不断刺激纤毛和听神经，会使纤毛和听神经疲劳，使听力受损。教师再提出建模测试持续压力对纤毛影响的新任务，引导并协助学生在课后尝试提出问题、作出假设、自主设计、选材建模、测试评价，从而实现建模意识与能力的拓展提升，形成科学概念的生成与迁移应用。

建模教学的实施建议

1.建模教学一般需要利用大课时或连堂课，保障观察、设计、物化、测评、迁移五个环节活动的充分开展

根据具体内容与学情特点，教师可以在第一课时中引导学生聚焦现象与问题，提出假设与主张，重点设计建模方案。然后用第二课时建立模型并进行验证、评价和改进，还可以拓展延伸到课后的研究性学习活动。例如本课中学生当堂完成了外耳道、鼓膜、听小骨组合建模的学习实践。迁移拓展的内耳建模活动建议利用第二课时或二课活动时间，由科学教师或科技辅导员引导、协助学生完成。

2.建模探究活动注重引发学生的主动学习和建构，力求运用建模的方式促成学生思维的转变与生成

教师要引导学生将自己的猜测、设想和主张在建立原型和模型关联时充分表述交流。模型建成后要引导学生细致充分地进行验证、分析和评价，以激活学生的元认知来改善科学思维，生成科学概念。例如本文课例中通过观察3D模型引导学生产生问题与建模设想。在设计与选材时通过反复交流讨论，促成学生对原型与建模间的关联思考。在建立模型过程中通过测试与评价实现完善与优化。

3.应提供适合学生建模的材料，确保使用的安全性和可操作性，同时兼顾多样性

各具特点的多样材料可以有效激发学生的兴趣，为建模提供更多的可能和更大的保障。教师可以依据学情对原材料进行一定程度的加工，以降低操作难度，提高学生建模活动的体验感，这对于启发和培养学生的建模意识与能力具有重要的作用。例如本文课例中教师准备了纸筒、剪掉两段的塑料瓶、橡胶手套、气球、泡沫小球、牙签剪成的小木棒等多样材料，有效提供了学生设计、选材和制作的需要，保障了建模任务目标的达成。