模型建构在小学科学技术与工程领域中的教学策略研究

湖北省武汉市恒大城学校(430040) 胡 蓉

湖北省武汉市东西湖区吴家山第一小学(430040) 王传松

1 模型建构的概念

模型建构，旨在将复杂事物的本质提炼出来，从而简化为能解释原事物的概括化的模型。在教学中的模型建构亦是如此，将学生可能难以理解的或直接研究原事物存在障碍的内容，抽丝剥茧为能简单理解的知识。一个完整的模型教学至少要经过5个阶段，即观察、建模、调查、验证、应用、评价。学生只有亲历模型建构的各个过程，才能体会模型建构的特点，才能得到科学思维的锻炼，进而提升科学素养。

2 在小学科学技术与工程领域开展模型建构的意义

2017年颁布的《义务教育小学科学课程标准》中明确提出，技术与工程领域的学习可以使学生有机会综合所学的各方面知识来体验科学技术对个人生活和社会发展的影响。技术与工程实践活动可以使学生体会到在做中学的成功和乐趣，并养成通过动手做来解决问题的习惯。而模型建构则强调根据已知的事实建立起对研究对象简洁仿真的表述。它从原型出发，根据某一特定目的，抓住原型的本质特征，对原型进行抽象，建构一个能反映原型本质联系的模型。模型建构可以发展学生抽象思维、体现学生本真探究。模型本身越逼真，实验效果就越好。在建模的过程中，学生的创新精神和科学素养将会得到一定的提升。美国的教育家杜威指出：对于科学，要求学生掌握的不仅是知识，还应该包括过程、方法，在科学探究中创建出实际问题的模型的过程和方法训练，应该是科学探究教学的重要内容之一。

3 模型建构在小学科学技术与工程领域中的教学策略

3.1 用充足的原型启发学生设计模型

对于低年段的小学生，他们还停留在具象思维的阶段，对于抽象事物还难以把握，更不必说从事物中抽象出本质。因此，教师在低年段学生中开展模型建构的教学，需要提供大量的、丰富的原型来帮助学生找到这些原型的共同点，从而启发他们去设计。以教科版科学教材二年级下册“做一顶帽子”为例。该内容是小学科学技术与工程领域中典型的一课。本节内容要求学生基于对材料的认识，能根据功能和用途选择不同材料，设计制作一顶帽子。在“设计—选材—制作—展示”的过程中进一步体会人工世界是由人设计并制造的，用不同材料制作的同种物品，它们的功能和用途可能不同。在本课中，学生首次以“设计师”的角色参与课堂活动。“设计师”不仅仅需要表达美术上的创意，更需要选择合适的材料以满足所需功能。学生将通过做帽子活动初步体验工程设计的过程，其中包括简单设计和展示交流两个环节。这对学生来说有一定困难。因而，在学生开始进行设计前，教师需给学生提供大量的帽子实例，用充足的原型来启发学生在模仿的基础上进行创新。教师可以直接出示大量的帽子照片，也可以直接展示帽子的实物。比如工地上的安全帽、遮阳用的遮阳帽、冬天佩戴的毡帽、游泳使用的泳帽、厨师带的厨师帽等等。学生通过观察这些不同的帽子，很容易就得出帽子的材料不同，帽子的使用用途也不同的结论。接下来，教师再提出“制作一顶帽子”的建模要求，学生也就自然而然地明白该如何去设计。

3.2 使用有结构的材料支撑设计

在模型建构中，教师需要给学生提供材料来制作模型。这里的材料分为非结构材料和有结构材料两种。非结构材料是指那些无固定玩法、无具体形象特征的材料，即结构简单、获取方便、可塑性强的基本简单材料。与之对应的有结构材料则是较难获取的，结构较为复杂，但容易理解的材料。非结构材料对学生来说，更具有挑战性，思维难度更大，对动手能力的要求也更高。对于低中学段的学生而言，他们的动手能力还处于刚刚发展起来的阶段，如果提供非结构材料，在课上他们可能面临不会制作或多次试验都不能取得成功的问题。而有结构的材料虽然在获得上存在一些难度，但是在实际的课堂中能起到较好的效果。

以教科版科学教材三年级下册“我们的‘过山车’”为例，该节课的设计要求有：①过山车总长2 m以上；②小球要跑完全程，中途不脱轨；③过山车要稳固；④过山车有曲线轨道和直线轨道；⑤过山车有斜坡。这里制作“过山车”的材料，教师一般提供橡胶管、塑料管等，这些材料生活中很容易得到。但是实际教学时发现，学生需要许多支架固定管道，时间一点一滴地浪费在搭建的过程中，学生关注的因素早已不是小球的运动状态，而是要怎么才能固定好管道。因此，教师如果优先提供有结构的材料，比如积木，学生可以节约大量的搭建时间，集中注意力在设计要求上。当然，这里并无排斥使用非结构材料之意。教学本应循序渐进，在学生用有结构材料厘清模型的特征后，教师可以再提供非结构材料深化教学内容。

3.3 提供评价量表，提高模型的测试效果

工程设计一般会经历“问题—设计—制作—测试—完善”等过程。测试也是是模型建构的一个重要环节。测试是检验模型效果的必要途径，也是提高学生模型建构能力的重要方法。学生在不断地测试与改进的过程中，明确建模的目的，完善模型的结构。教师使用评价量表，可以细化测试的条目，增强模型测试的针对性。以教科版科学教材五年级下册第2单元“船的研究”为例。教师可以在设计上将模型船转化为有实际使用价值的船，体现工程设计最终服务需求的特点。在教学过程中教师先引导学生按照设计图进行制作，制作环节中让学生像工程师一样严格按照图纸进行选材和制作，感受设计的重要性；制作完成后再进行测试，学生下水试航时对照教科书的三项测试标准，不断调整、改进和优化小船。教材上给出的评价量表见表1。

表1 评价量表

3.4 回归生活，完善模型

模型是为了解释原型而衍生的产物，若学生只停留在设计模型、搭建模型的阶段，对于他们提升模型建构能力将是非常不利的。模型制作任务下达之前，教师往往会拟定一个总的制作要求，然而这只是对于模型建构简单的步骤要求。如果能用该模型去解释生活中的现象，那么学生的建模能力将会得到很大提升。以教科版科学教材四年级下册“电路中的开关”一课为例。从内容上看，该课不是严格的技术与工程领域的课程，但是教师稍作调整，将其设计为制作“红绿灯”，这节课就有工程技术领域的味道了。“电路中的开关”一课，常见的教学设计是：给学生观察开关—提供开关的材料—制作一个开关—连接到电路中检验开关—提出红绿灯的问题作为拓展。这样的教学设计也能较好地达成教学目标。但是拓展部分，由于时间关系学生并不能深入探究。这里作出调整，将电路中的开关明确为“控制红绿灯的开关”。围绕制作“红绿灯”，本课的趣味性提升，且对于高学段学生而言，更能锻炼其模型建构的能力。课程伊始，教师给学生呈现生活中的红绿灯，提出制作红绿灯的要求，学生的兴趣一下被点燃。接着，教师带领学生认识建模的材料，观察并尝试依次点亮灯泡。这也是对前面课程“点亮小灯泡”的回顾。通过认识易拉罐和绝缘胶布，学生对导体和绝缘体有进一步的认识，从而概括出开关就是一个由导体和绝缘体组成的结构。教师给予学生充分的时间去制作红绿灯。有了现实生活做依托，学生很容易理解：①红绿灯的顺序是红黄绿；②黄灯出现的时间最短；③每种颜色的灯必须是交替连续出现，不能出现中断的现象。这些要求都是改进和完善的依据。回归生活，学生有一定的认知经验，无需教师指引，自发提出改进的要求，这无疑对学生科学素养的提升有帮助。

(《义务教育科学课程标准(2022年版)》)已经颁布，分析新课标，我们可以发现模型建构依然占据着重要的地位。而技术与工程领域虽不再作为一个单独的内容板块，但它依旧贯穿着每个单元的始末。研究模型建构在小学科学中的教学策略仍然有很大的价值。