以动作模型实验探索地球的运动规律

马宏明

在小学科学“地球与宇宙”领域的教学中，学生通常采用动作模型实验来探索地球的运动规律。本文不仅提出了动作模型与原型之间的三种联系，即外显特征一致性、内部关联相似性、动作过程多元性，同时提出了动作模型实验的课堂教学流程，并以《昼夜交替现象》教学为例，阐述了动作模型实验在探索地球运动规律中的环节指导过程。

《昼夜交替现象》教学的局部再现

老师引导学生从现象的观察出发，对昼夜交替现象的成因进行多角度的假说及检验。最终的假说主要是四种，包括“太阳不动，地球自转”“太阳不动，地球公转”“太阳不动，地球自转并公转”“地球不动，太阳公转”。老师为学生小组提供了手电筒和地球仪，并引导学生明确“地球仪上的固定位置出现明暗交替变化”是证明地球产生“昼夜交替现象”的证据。

上述教学案例源自教科版小学科学五年级下册《地球的运动》单元第一课《昼夜交替现象》，反映了学生在教师引导下利用模型来探索地球运动规律的过程。其中，手电筒用来表现太阳的发光现象，属于太阳的功能模型；地球仪用来表现地球的球体形态，属于结构模型；手电筒和地球仪之间的动态关系，用来探索太阳和地球之间的运动规律，属于动作模型。

模型实验及动作模型实验的特征

当人们需要了解极宏观或极微观、极迅速或极缓慢，或不可重现的事物变化规律时，除了运用科学观测工具进行直接观察以外，就是依靠对事物规律的假想所构建出的各种模型进行间接观察。这种研究事物的实验方法称为“模型实验”，俗称“模拟实验”。小学生所从事的模型实验，多数是利用结构模型或动作模型进行的实验。

动作模型实验，就是利用与原型具有相似互动关系的模型，来探究事物变化的规律或结果的实验方法。它不但改变事物的空间特性，还通过改变事物的时间特性来加快或减缓事物产生、发展、变化的过程。动作模型实验具有以下特征：外显特征一致性、内部关联相似性、动作过程多元性。

动作模型实验的教学流程范式

模型实验是帮助学生实现从事物表象到事物本质的认识发展的“脚手架”。所以在设计教学流程的时候，就要让学生经历从现象到本质的推导过程。

以《昼夜交替现象》这一课来看，学生们探究地球昼夜交替现象的成因，实际上是一种建立在日常生活经验基础上的从现象到本质的不断推理的过程。关于昼夜交替现象成因的多角度假说，学生们可以通过简单的辩论等方法排除一些不合理的假说，而保留一些较合理的假说。

在昼夜交替现象成因的模型实验中，学生们需要在实验中再现地球昼夜交替现象的观察特征，然后经由实验现象和真实现象的比照，推断出模型实验与客观事物之间在运作过程上的关联程度，最终学生们获得昼夜交替现象成因的更高层次的认识。

动作模型实验，主要是利用物理模型的互动过程来重现自然界的某些现象，借此研究自然现象的形成原因或变化规律。它的主要流程一般要经历：明确概念—建立假说—构建模型—模型实验—证据论证，通过假设与实验论证，最终实现学生对此概念的充分认识过程。

动作模型实验指导过程的环节设置

一是事實观察环节。本环节主要是根据模型实验探究的需要，为学生呈现某种自然事物或现象，结合生活经验及对事物或现象的仔细观察，逐步获得关于自然事物或现象的观察特征。经由交流和质疑，明确该事物或现象的显著特征。二是建立假说环节。本环节主要是就“自然事物或现象的形成原因”提出研究问题，通过小组的讨论，提出各种假说后对各种猜想进行思考辩论，排除其中一些不切实际的假说，保留一些可能成立的假说。最后，引导学生利用图示或图解来呈现不同的假说。三是构建模型环节。本环节主要引导学生根据不同的假说以及自然事物或现象所呈现的特征或变化过程来设计模型及其实验过程。四是模型实验环节。本环节主要引导学生根据假说及其示意图来摆放并运作模型，观察模型的运作方式和动作路径，记录模型在运作过程中出现的现象。在模型运作过程中，学生们需要小心地控制模型的运动位置和速度，有时候甚至需要暂停模型的动作，从而观察到可靠的证据。五是证据论证环节。本环节主要引导学生通过对证据及证据收集过程的交流质疑和评价，确认其中的有用证据、无关证据以及错误证据，以及证据收集过程的有效程度。在证据论证过程中，学生们首先要确定证据是否支持或反驳了假说，其次要分析证据是如何支持或反驳假说的，最后要分析支持或反驳同一个假说的不同证据之间的异同关系。六是达成共识环节。本环节主要引导学生们对实验现象与自然现象，以及实验过程与自然现象的变化过程进行逐一比对，使得模型实验与自然现象之间建立可靠联系。最后，教师对课堂探究学习所获得的科学概念、探究过程中所采用的一般方法以及所体现出的情感态度做出总结。

在教学中，学生们首先整理并修正那些支持假说的动作模型，并结合每种动作模型的运作方式来说明自然界中太阳和地球的互动关系。他们一致认为，关于“地球昼夜交替现象的成因”，可以有多种假说；利用模型实验，可以为各种假说提供支持或反驳证据，使假说更接近真相。

（作者单位： 浙江省杭州市明德小学）