建构科学模型，提升学生科学思维能力

王芳

摘要：湘科班五年级下册教材中的《地球的运动》一单元属于地球与宇宙科学领域。本领域的学习，有助于激发学生对地球和宇宙的探究热情，发展空间想象，模型思维。本单元按照有结果及现象追溯原因的思路，以人类探索地球及其运动的科技史为线索，编排了《昼夜的交替》《四季的变化》《四季的形成》3课内容。其中《四季的形成》位于第三课时。在第一课时中学生认识到地球与太阳位于同一水平面内，地球自转以及地轴的相关知识;第二课时中学生认识到一年四季中的不同现象及这些现象的规律。学生通过前两课时的学习，为《四季的形成》一课进行了铺垫。

关键词：科学模型;思维;四季变化;地球

杜威认为：“思维是教学的基础和目的，教学成功的关键是要激发、培养并发展儿童的思维。”

对于本单元中《四季的形成》一課笔者有以下几点思考：

一、科学模型的定义

科学模型是按照科学研究的特定目的，用物质形式或思维形式对原型客体本质关系的再现。学生在学习《地球的运动》这一单元的知识时，如果想要准确、透彻地掌握本单元知识，肯定要借助模型的帮助。但是有些学生没有对地球运动的初始认知，或是对地球运动的认知不太清晰。所以就需要先经历建构模型的这个过程，然后根据建构的模型进行实验研究。

二、科学模型与原型的关系

在科学课堂中建构的科学模型，不一定在各个方面都与原型一一相似，但是必须按照所要研究的问题和目的，与原型在所研究的方面有相似性，只有这样的模型才具有研究的价值。

例如有的学生知道“公转”这个词语，但不清楚地球到底是怎样公转的，甚至有些学生不知道地球一直在围绕着太阳公转。这时，在《四季的变化》这一课的学习中，就需要建构地球公转的模型，可以更直观地让学生理解地球公转，从而理解一年中的四季变化是由于地球公转导致的。但建构模型还需要做前期的准备，例如建构的模型中要与原型有怎么的联系，建构的模型中要呈现出原型中出现的哪些现象等。有了联系之后，才能够有建构模型的方向。

三、建构科学模型

观察原型运行中的现象、分析现象，得到初步的结论，提出假设，有依据地进行模拟，和原型进行匹配，如果现象能够重现，解释假设，那么就能把模拟的结构、要素、出现的规律等呈现出来，就建构了模型。

（一）观察、分析现象

在《四季的变化》这一课中，老师提问四季中都有哪些现象是不同的，学生就会想到了在一年四季中温度不同、昼夜长短不同、影子长短不同等。这些现象都是学生在日常生活中容易观测到的，也有些是需要加以注意才能够发现的现象。例如一年四季中影子长度不同这个现象就是学生不容易发现的，但通过老师引导学生自己亲自对每天中午12点时对同一个物体的影子长度进行观察和记录，以及结合学生的生活经验，学生就不难发现在每天的中午12点时，物体的影子长度是不断变化的。由于这些不同的现象要为后边的教学内容做准备，所以需要学生对一年四季中会出现这些不同的现象有认同感，这时就需要对现象加以分析，老师便追问：“你通过哪些生活经验或是做过的哪些事情能够说明四季中会出现这些不同的现象？”学生便通过感觉、观察、实验等方面进行分析，最后对这些不同的现象加以认同。

（二）提出假设

在《四季的变化》一课中，学生已经对四季中可能出现的不同现象进行了分析、整理，并认可。但对于老师提出的更加深入的问题“地球怎样运动就能够出现四季中这些不同的现象”陷入了沉思。有的同学对形成现象的原因没有任何头绪，有的学生便联想到在《昼夜的交替》一课中学习过的地球自转是产生昼夜变化的原因等知识，又在其他课外书中学习到地球除了在自转，还在不停地公转。所以就进行猜测，四季中这些不同的现象可能是因为地球公转导致的。对于地球公转，学生可能只知道地球有公转这种运动方式，但是到底地球是怎样公转的呢？紧接着让学生用道具模拟地球公转，这样老师既可以了解学生对公转的了解程度，又为下边制作地球公转模型的教学活动做铺垫。

（三）模拟并制作科学模型

科学模型是按照科学研究的特定目的，用物质形式或思维形式对原型客体本质关系的再现。而建造科学模型的过程中会用到模拟的方法。模拟就是要表现出选定的物理系统或抽象系统的关键特征。模拟的关键是有效信息的获取、关键特征的选定、假设的应用，以及模拟的重现度和有效性。模拟实验与各因素又是什么样的关系呢？首先，直观、关键因素为模拟实验搭建了模型框架，有了直观、关键条件，模拟实验就可以进行，但是精确性还要尚待检验。外部条件的限制可以使模拟实验更加的准确化。有了直观、关键因素和外部因素的共同约束，模拟实验就会更加接近现实，再探究规律或其他问题时，就会比较精准。

在《四季的变化》一课中，学生要建立地球公转的模型，建构科学模型要与原型之间有一定的联系，这个联系就是学生提到的四季中的不同现象。学生建构的模型要求能够出现现实生活中出现的四季中的不同现象。在古人刚开始研究四季变化时，也是不知道地球在围绕着太阳公转的，而是通过日常生活中出现的现象进行研究的。四季中有些不同现象是循环出现的，根据小学五年级学生的年龄特点和观察思考能力，以及一年四季中出现的有规律的不同现象，老师进行了以下总结：1.昼夜长短变化：每一年都是夏季昼长夜短，冬季昼短夜长;2.温度不同：每一年都是冬季温度最低，夏季温度最高，春秋季节温度在中间变化;3.物体影子长度：在同一时间时，同一物体冬季影子较长，夏季影子较短。在这几种不同现象中，最容易观察、记录、研究的就是影子长度不同。古人也是用影子长短不同这一点对四季的变化及形成进行研究。本节课中，老师设计的教学过程也是让同学们效仿古人的样子，从最根本的现象去研究本质。为了让学生能够充分感受到太阳与地球之间的位置关系和地球的运动方式，在教学过程中，老师让学生围坐在一圈，中间摆上一个灯泡和一个地球仪，还要营造一个黑暗的环境，使学生变成太空中的巨人，站在太空中观察太阳和地球，让学生有一种身临其境的感觉。

因为要通过影子长度研究四季的形成，所以老师提前在地球仪的北京位置上固定了一根小棍，为了接近实际，小棍的长度很短，并根据实际测量和换算得到了四季中小棍在地球仪上的影子长度。学生已经提前知道并掌握了在同一时间时、同一物体冬季影子较长，夏季影子较短这个现象。根据这个现象，找到小棍影子出现最长、最短和中间值状态的时候地球仪的位置，这样就找到了相对应的季节的位置。在这个场地当中，学生是在挪动地球仪的过程中，找到了在地球仪上影长的位点。实际上学生是在努力重现、模拟出地球上正午影子长短的位置，重现原型当中的关键特征。在学生实际操作过程中，出现了两种情况，情况一是学生找的四个点的位置在太阳的同一侧，出现地球距离太阳的远近不同这种运动方式，这种运动方式也可以出现影子长短有规律的变化。情况二是学生找的四个点的位置位于太阳的周围，与实际的情况相似。出现了两种情况，肯定有一种是不正确的，但是要怎样判断出哪种是不正确的呢？这是就需要用到其他季节中的不同现象了，通过观察其他的四季中不同的现象，就可以判断出情况一是不正确的。

老师又提出，如果把这几个位置连接起来，可能会形成什么图形呢？这个图形是不是地球的运动轨迹呢？学生通过思考和分析，最终确定地球的运动轨迹是近似圆形，并且一直在围绕着太阳转动。重现的结果就是地球要围绕太阳做一个近似圆形的轨道运动。这时学生根据地球仪上小棍影子长短初步建立了地球围绕太阳转动的模型。

在建构模型时，学生根据影子的数值，不停地调整地球仪的位置，在这个过程中学生通过建构模型的过程锻炼并提升了分析、抽象、推理等思维能力。

（四）与原型进行匹配并确定模型

模型本身既是科学研究中认知阶段性的成果，同时又是进一步研究原型的起點。在模型初步制作完成之后，还要与原型进行对比匹配。学生已经根据影子的长短变化，初步建立起了初始的地球围绕太阳转动的模型。但是这个模型是否与原型匹配呢？还需要进行验证。老师提出问题：“我们推测出来的地球围绕太阳做类似圆形的转动是正确的吗？”将问题抛给学生，并提示学生之前一共想到了几种四季中不同的现象。这时学生根据建构模型的过程和已经知道的四季中不同的现象，想到了我们刚刚建立的初始模型是不是也能够出现其他不同的现象呢？于是就想到了要对这个模型进行验证。此时思考和验证的过程充分锻炼了学生的分析、对比等科学思维能力。通过验证环节，发现根据影子长短变化建构出来的科学模型上，同样也能够满足其他三种四季中出现的不同现象，所以可以肯定这个模型在研究四季知识这个方面是与原型相匹配的。

四、灵活使用教材，帮助学生提升科学思维

根据近几年的教育水平的提升，老师们逐渐认识到要灵活使用教材，用教材教，而不是教教材。在《四季的形成》这节课中，教材上直接给出公转的定义，也给出了春分、夏至、秋分、冬至时地球与太阳之间的四种位置关系。这样的教学安排直接给出了地球公转的模型，方便学生根据模型找出四季中不同现象的原因。在课堂上给学生足够的探究空间。还要在教学过程中能够让学生体验一下科学家探究的过程，最能够帮助学生培养科学思维。

总之，在地球与宇宙科学领域中，有关现象、事物和规律，具有时间和空间的复杂性，需要对它们运用长期观察、建构模型、模拟实验、逻辑推理等方法进行研究，并帮助学生重走科学探索之路，发展学生空间想象、模型思维、逻辑推理等科学思维。

参考文献：

[1]杜威著，姜文闵译.我们怎样思维·经验与教育[M].北京：人民教育出版社，1991.