充分认识模型建构的教学价值

林宏华

〔摘    要〕  2022年版《义务教育科学课程标准》指出，核心素养的内涵包括科学观念、科学思维、探究实践、态度责任，明确提出模型建构是科学思维的重要组成部分。模型建构教学在小学课堂教学中应用广泛，但这种应用是无意识的，处于被动地位。笔者在帮助教师理解模型建构内涵的基础上，梳理课标，理解各阶段的模型建构要求，通过具体的课堂教学案例，明确模型建构教学的一般流程，为发展学生科学思维、落实核心素养培养目标提供方法。

〔关键词〕  小學科学；科学思维；模型建构

〔中图分类号〕  G424               〔文献标识码〕  A        〔文章编号〕  1674-6317  （2023）  18-0004-03

2022年版《义务教育科学课程标准》将科学课程核心素养分为科学观念、科学思维、探究实践、态度责任四个方面。课标指出：科学思维是从科学的角度对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，主要包括模型建构、推理论证、创新思维等。模型建构作为科学思维的重要组成部分被明确提出，说明模型建构教学的价值得到认可和重视。它对于学生的科学学习、培养学生的科学核心素养有着非常重要的意义与价值。教师需要在深刻理解其内涵的基础上，开展扎实的教学实践。

一、模型建构的内涵理解

科学教师在平时教学中经常会使用各种标本、装置或模型进行教学，也会采用模拟实验帮助学生认识和理解科学现象。

比如，在《宇宙中的地球》教学中使用太阳系模型、地球结构模型等；在《认识耳朵的结构》教学中使用耳廓模型、鼓膜模型、呼吸模型和表示骨骼、肌肉和关节的运动模型等。这些模型都是实体的、可见的。也有研究者对模型的含义进行了扩展，认为模型可以用观念、数学符号，将自然界中的现象和事物表达出来。关于这一点，在新课标“技术、工程与社会”学科核心概念的“教学提示”中也有体现：在教学中，学生可以利用技术与工程的方法和流程，完成作品设计和制作，形成一个系统。这些作品又可以成为后续更大系统中的实物模型，用于验证科学原理、复现科学现象、演示科学原理如何转换为技术等。比如，教科版科学五年级下《设计我们的小船》一课，学生的小船设计图可以成为下一课《制作与测试我们的小船》的模型，可以借助设计图，从理论上分析我们的小船能否有一定的载重量、能否行驶一定的距离。这也属于模型建构教学的一部分。

了解了模型所包括的含义，那什么是“模型建构”呢？有学者结合其他文献资料的观点，在结合新课标的基础上，将科学模型建构解释为学生主体从经验事实出发，对科学情境、任务或问题中涉及的科学现象、事物进行抽象和概括等建构模型，并运用模型分析、解释、描述系统的结构与关系等复杂加工后形成科学模型的过程。

二、模型建构的教学目标

模型建构是科学思维核心素养的重要组成部分。新课标指出，模型建构体现在两方面：以经验事实为基础，对客观事物进行抽象与概括，进而建构模型；运用模型分析、解释现象和数据，描述系统的结构、关系及变化过程。以上两方面不仅指出了模型建构的路径，还明确了如何运用与分析模型。进一步解读新课标，我们发现，针对小学各年级，模型建构教学有不同的学习目标。

新课标的模型建构目标[年级 目标 1～2年级 能利用材料和工具，通过口述、绘画、画图等方式表达自己的想法 3～4年级 能利用模型解释简单的科学现象 5～6年级 能使用或建构模型，解释有关的科学现象和过程 ]

从上表中可以看出，新课标对我们教材解读以及课堂教学有很重要的引领作用。“模型建构教学”在小学阶段是螺旋式上升的，课堂教学要遵循学生的认知发展规律。

三、模型建构教学促科学思维发展实践探索

模型建构教学是科学思维与探究实践培养的重要手段，因此，在实施的过程中，我们需要在分析学生已有经验和模型认知水平的基础上，结合新课标要求和教材内容，对教学目标进行重点梳理和分析，在扎实的课堂教学实践中，培养与发展学生的模型建构能力。

（一）以问题为导向，递进式模型建构

以教科版科学三年级上《风的成因》为例。

1.提出问题，呈现原始模型

活动一，提出问题，让纸筒里的小风轮转动起来，如下图。

这一活动是学生研究风的成因的重要铺垫。在师生的互动体验中，教师让学生想办法使纸筒里的小风轮转动起来。学生会跑起来、用书本扇、用嘴巴吹……这些方法都成功地让小风轮转动起来了。在体验活动之后，大部分学生已经感知到“有风，小风轮就会转动”，但教师不要点破，也不要做深入交流。呈现原始模型只为增加学生的感性认识，让学生在后续的活动中有更多的观察发现，同时也在学生心中埋下一个科学问题：“小风轮为什么会转动？”会提出可探究的科学问题也是学生应具备的科学探究能力之一。

2.升级问题，形成过渡模型

活动二，升级问题，借助蜡烛让纸筒里的小风轮转动起来。有了第一个活动的铺垫，学生对让小风轮转动起来非常有探究兴趣，也很有信心能借助蜡烛的热量让小风轮转动。可是实践操作以后，他们会惊奇地发现，纸筒只有在提起来一点的时候，小风轮才能转动，甚至转得更快。此时，如果基于初中学生的认知水平，借助这个过渡模型也可以尝试让学生解释风的成因。但是，对于小学三年级的学生，他们对风的成因的认识要建立在“眼见为实”的具象思维基础上。为了让学生“看到”风的形成过程，我们出示了“风的成因实验盒”。如下图。

3.迁移问题，构建科学模型

迁移学习，思考如何让塑料盒里的小风轮转动起来。在第二个活动的基础上，学生很快会联想到抬高实验盒或在塑料盒旁边开一个小孔，小风轮会转动起来。通过三个活动的铺垫，而且通过一定的观察，教师提出问题：“小风轮为什么会转动起来？”通过这个问题的迁移，启发学生认识到“空气的流动影响小风轮的转动”。“如何观察到空气流动呢？”借助线香，观察线香烟雾的流动方向。至此，才真正建构了适用于三年级学生的“风的成因”的科学模型。但是模型建构教学并不止于此，建模的目的不是模型本身，而是通过模型建构促进学生对原型的认识。所以，教学过程中另一个要解决的问题就是组织学生通过模型解释客观世界。

4.解决问题，不断完善模型

了解塑料盒里风的成因后，学生需要借助已经构建的科学模型去解释活动二纸筒中的小风轮转与不转的原因，同时尝试解释自然界中的风是怎么形成的。通过这些问题，教师引导学生进一步探究和实践，对建构的科学模型进行持续的补充和完善，从而完整地认识和理解“风的成因”。

原始模型—过渡模型—科学模型—完善模型，以问题为导向，递进式的模型建构教学以螺旋式逐渐升级、递进，学生科学思维也因此得到发展。

（二）围绕“系统与模型”跨学科概念，项目式模型建构

系统与模型是科学教育四个跨学科概念之一，它的形成肯定离不开模型建构教学。比如六下《八颗行星》一课，我们也需要借助模型来理解和解释复杂的太阳系大家庭。本课的教学目标是通过制作行星的位置关系模型，让学生能够感受到八颗行星距离太阳的远近差距、赤道直径大小差距，进而直观地认识到八颗行星排列和大小的特征。为实现这一教学目标，这节课的模型建构教学可以分为以下三个阶段。

1.发布项目任务，提炼系统特征

学生对太阳系有了初步的认识，知道了太阳系中的主要组成天体。但对于太阳系中主要行星的分布情况，绝大部分学生仍局限于教材中的太阳系示意图，不知道真实的太阳系与此相差甚远。本课的驱动性任务是“制作行星的位置关系模型”，通过数据建模让学生体会数据建模的重要性和客观性。项目要求：符合太阳系结构，越接近真实越好。学生通过资料阅读、观看视频等形式，知道八颗行星离太阳的远近以及赤道直径的大小，并对这些数据进行处理（按一定比例缩小）。

2.借助材料支架，制作实物模型

根据了解到的八颗行星离太阳的远近以及赤道直径的大小，按照处理后的数据制作行星位置关系模型，模拟太阳系大家庭。为了让制作的模型更接近真实，教师提供了建模的纸带、透明胶等材料，清晰地呈现出：八颗行星在太阳系的空间分布是不均匀的；与太阳相比，八颗行星是十分渺小的。不仅加深了学生头脑中对太阳和太阳系中的天体的印象，更重要的是可以培养学生的空间想象力和理解力，对学生建立有关宇宙空间的概念十分有益。

3.通过模型解释，理解系统特征

模型制作并展示之后，学生自发地会从多角度对项目进行评价，比如模型本身、小组合作等。但是建模的目的不是模型本身，而是通过建模促进学生对原型的认识。所以，教学过程中另一个要重点解决的问题就是，组织学生通过模型解释客观世界。根据模型制作要求，首先比较各小组建好的行星位置关系模型能否真实表示行星距离太阳远近、行星大小，越接近真实越好。再修正模型，教材中有一张八颗行星的压题照。思考：这张图片哪些地方真实反映出八颗行星的实际情况？哪些地方没有真实反映？通过这样的修正，学生进一步强化了对太阳系这个系统的认识，也明白了图片为什么要标注“本图不代表天体大小和距離的实际比例关系”。

提炼系统特征—制作实物模型—理解系统模型，围绕以上三个阶段的学习内容，教师规划一系列的学科实践活动，通过模型建构引导学生实现系统与模型跨学科概念的形成。

综上所述，通过对新课标下科学模型建构教学的内涵理解、分阶段教学目标精准定位及模型建构教学的实践提炼，我们可更加清晰地认识到作为科学思维核心素养的重要组成部分的模型建构对学生核心素养培养的作用。一线教师应充分认识模型建构的教学价值，立足课堂，积极在日常教学中加以落实，必将促进学生科学思维的发展。

参考文献

［1］中华人民共和国教育部.义务教育科学课程标准［M］.北京：北京师范大学出版社，2022.

［2］孙可平.科学教学中模型/模型化方法的认知功能探究［J］.全球教育展望，2010（6）：76-81.

［3］史加祥.新课标背景下小学科学模型建构的教学理解与实践[J].中小学课堂教学研究，2022（7）：19-22