基于模型建构思维培养的暗箱课教学设计

孙静妮

[摘 要] 《义务教育科学课程标准（2022年版）》中，模型建构能力被视作科学思维素养的核心要素之一。如何设计有意义的科学建模，帮助学生形成初步的模型理解和模型建构能力，成为科学教育工作者研究的新课题。本研究以“解暗箱”教学为例开展教学设计，帮助学生抓住模型建构的关键要素，利用模型分析解决实际问题，从而发展学生的科学思维能力。

[关键词] 科学思维；模型建构；解暗箱

模型建构作为一种认识手段和思维方式，是学生根据研究问题和情境，在对客观事物抽象和概括的基础上构建易于研究的、能反映事物本质特征和共同属性的理想模型、理想过程、理想实验和科学概念的过程。科学建模是最重要的科学实践，是始终贯穿其他活动的核心。《义务教育科学课程标准（2022年版）》把模型建构能力作为科学思维素养的核心要素之一，在课程总目标提出“能基于经验事实抽象概括出理想模型，具有初步的模型理解和模型建构能力”。如何设计有意义的科学建模，帮助学生形成初步的科学建模思维能力，成为科学教育工作者研究的新课题。

在科研领域有一种研究叫解暗箱，是对难以观察内部状况的系统（也就是暗箱），在不打开的前提下，通过感知外部信息，间接推断内在性质的一种科学探究方法。从工程技术到社会领域，从无生命到有生命，从宏观世界到微观世界，解暗箱都是一种必不可少的研究方法。一般说来，解暗箱可以分为确认暗箱、考察暗箱和阐明暗箱三个步骤（见图1）：先给暗箱一系列刺激（输入），再通过观察暗箱的反应（输出），找到输入和输出之间的规律，最后将其用最简、最佳的模型描述出来。可以看出，这是一种“由表及里”的逻辑思维方法，其中最突出的就是“模型验证”。建立理想的暗箱模型，既是科学研究的过程，也是思维能力的培养过程。

小学科学涉及许多解暗箱的探究活动。学生日常接触到的暗箱通常可分为三类：第一类是用来帮助学生获得科学知识、理解科学思想、学习科学方法的模型暗箱；第二类是像黑洞、地球、人体这样的自然暗箱；第三类是像机器人、雷达、电线网络这样的实用暗箱。解暗箱过程充满挑战，让人兴趣高涨，不仅能培养学生基本的思维能力，还能优化学生的科学品质，发展学生的科学核心素养。

课标对学生的模型建构能力提出了明确的学段目标，主要包括“以经验事实为基础，对客观事物进行抽象和概括，进而建构模型”和“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”两个方面。以下结合不同类型暗箱的教学实践，阐述怎样在解暗箱的过程中发展学生的科学建模思维。

一、明确暗箱

首先，结合真实的生活情境，在观察和思考中提出问题，发现暗箱。引导学生明确研究的具体目标和范围，并确定一组输入和输出，也就是找到输入的可控制变量与相应输出的可观察变量。生活中我们会利用声音来检测物体的好坏，比如拍拍西瓜听听是否熟了，敲敲瓷碗看看是否坏了，等等。暗箱对学生充满诱惑力，能勾起他们无限的好奇心和探究欲。同时，解密暗箱也需要他们去思考怎样在内外互动中考察事物，从而让他们的思维更合乎逻辑和客观事实。

模型暗箱是一种用来辅助教学的暗箱，其作用就是给学生创设一个与科学家研究事物相似的情境，让学生去探索某种结构的秘密，掌握一种根据外部线索认识事物的科学方法。在低年段学解模型暗箱，有助于学生掌握“相关性”，为解自然暗箱、实用暗箱做好准备。比如低年级“暗箱里的秘密”一课，模型暗箱的结构相对简单，由一个活动的玻璃球和一个固定在一角的障碍物组成。这里解暗箱的重点活动是“滚小球”，主要是通过直接感知来判断盒子里障碍物的位置。教师可以利用几个关键问题来进行“滚小球”的要诀指导：

1.还是上下晃动吗？（平放，慢慢倾斜盒子，让小球沿着盒边滚起来， 要一条边一条边依次试）

2.动作快一点还是慢一点？（慢一点，快了听不清楚）

3.怎么能更清楚地听到小球滚动的声音？（把耳朵凑近了听，保持安静）

4.怎么去感受小球碰到泡沫块时的变化？（还可以用手摸着盒子的边来感受滚动、撞击的变化）

“有诸内，必形诸外”，这说的就是内与外的相关性，一定的内部狀态必定释放出一定的外部信息。滚、倾、听、摸是四个获取暗盒内部信息的外部动作，每一次“滚小球”既是一次内部信息的获取和一段感性经验的积累，又是一次对暗盒结构的检验。因此，这个活动的关键是动手之余的“思维参与”。教师在关注学生动手做的同时，更要引导学生依据变化的信息，钻研内外合乎逻辑的关联，鼓励他们合理地去想象和判断。

二、考察暗箱

在明确暗箱后，通过直接观测或主动实验考察暗箱。考察中变换条件，观察暗箱的反应，对输入和输出进行记录，从而获取内部功能和结构的大量信息，以此作为揭示暗箱的根据。比如，最初人们从火山喷发和温泉等自然现象中，了解到地球内部是炽热的。随着生产力的发展和科学的进步，地球科学家通过地震考察法认识到地球内部是不均匀的，建立了地球圈层理论，把地球分为地核、地幔和地壳三个圈层。解暗箱更大的挑战是通过繁杂的表面现象抓住事物的本质和核心，这需要学生进行严密的推理论证，学会全面、深刻、完整地思考。

生活中，我们常常会遇到电路故障检修这样综合性强、复杂度高的暗箱问题，电学元件被封闭在盒子内，不能直接观察到元件的组成情况，而盒外有接线柱，需要通过外部检测来判断其电路的组成。学生解电路暗箱不仅要熟悉常用的电学元件，还要熟悉检测器接入不同元件可能出现的反应，然后将观测到的现象进行因果分析和推理，并通过不断的改进反向推导出暗箱内部的结构。

比如，教学“探测暗盒里的电路”一课，我们发现，即使对于小学高年级学生而言，“简单电路”依旧是很难理解的概念，而内部不可见的电路暗箱就更难把握了。这就需要教师抓住学生认知障碍的核心，根据电路各组成部分的特性及检测结果，引导学生画出内部电路的推测图，再根据电路图制作一个电路“明盒”来验证，最后对暗盒的内部结构和功能做出基于事实的解释。这里学生经历的是“检测—猜测—验证”的思维过程。

利用检测器检验暗箱电路，一般会有不亮、变亮、变暗、不变四种情况，后三种情况需要进行比较才能发现，因此需要学生始终保持严谨的研究态度。同时，暗箱中的電路多是链状的，接线柱之间可能为电学元件、导线或者断路，接线柱越多，可能性就越多，暗箱就越复杂。因此，解决电路暗箱问题，着重培养的是学生分析问题的全面性和推理的严密性，如探究中的有序观察、有序思考、有序操作、有序记录、有序表达等。教师要采用“由果求因”的逆向思维方法，引导学生系统、全面分析问题，有序思考解决问题，思维从无序向有序、从散状向结构化发展。

三、阐明暗箱

接着，对观测的数据进行“去伪存真”的分析，建立阐明暗箱输入输出间规律的最简模型，对暗箱做出推测。然后输入新信息检验模型的真实度，根据检验的结果修正、确定模型，并对暗箱的未来表现做出某种预测。比如，关于岩石圈的运动问题，不同时期的地质学家建立了多种模型，如魏格纳的大陆漂移说，赫斯的海底扩张学说，勒皮雄与麦肯齐、摩根等人的板块构造学说。认识岩石圈内在规律的过程，就是不断收集信息、修正岩石圈运动模型的过程。模拟一个暗箱系统来探索暗箱里的秘密，是科学研究的重要方法，这种模拟求解是基于经验推理的更进一步探究。

人体是一个我们既熟悉又陌生的暗箱，中医靠望、闻、问、切“四诊法”，从可知的“外在征象”来破译未知的“内在脏腑”。长久以来，人们对于生命现象的认识都建立在观察的基础之上，是以周围世界中一些最常见的事物作为参照来认识自己的。人体和很多自然事物一样，以系统的形式存在，其内在结构与外在功能是统一的。一定的结构必然有与之相对应的功能存在，且任何功能都需要一定的结构来完成。因此，对于人体这个特殊的暗箱，其结构与功能相统一，教师应引导学生从外在变化推测内在状态。比如中年级“关节”一课，重点是了解关节的运动特点及原理，理解结构与功能的统一性。考虑到学生已有经验和学习背景，教师可以以肩关节（球窝关节）这一典型关节类型为突破口，从相似性的角度出发，抓住结构与功能的逻辑关系加以推理检验，通过“猜—看—拼—比”四个活动来“解暗箱”：

1.猜：猜测肩关节的连接方式，并交流。（用图示展现思维过程，暴露前概念）

2.看：观察相似动物的肩关节面。（类比结构，感知接触面形状）

3.拼：用造型泥塑组合拼装球窝、旋转和铰链关节。（认识关节类型，理解连接方式决定活动方式）

4.比：比较髋关节和肩关节的不同，寻找深、浅球窝在灵活度和功能方面的差异。（理解结构与功能的统一关系，形成科学概念）

同结构的事物功能相类，功能相同的事物结构相类，因此解开人体暗箱的关键是找到具有“同构性”的事物。这里的图画（自画像）、图示（结构图）、实物（类似动物的相应结构）、手势或泥塑（抽象的替代结构）等，都是学生解暗箱时建构的生命模型，它们与人体的某一部分有着相同或相似的结构与功能。当然，这些“生命模型”并不直接等同于要解开的人体暗箱，而是对人体未知现象给出相应的形象化的解释，为学生深刻理解“结构功能统一律”提供一种逻辑框架。基于这种相互联系、彼此作用、动态发展的生命观，用建模类比的逻辑思维方法来解暗箱，对于学生发展辩证思维，特别是透过现象深入认识本质、总结规律，从变化发展的视角认识事物，有着不可替代的作用。

参考文献

[1]胡卫平.科学思维培育学[M].北京：科学出版社，2004.

[2]曾宝俊，王天锋.小学科学教师入门十课[M].北京：化学工业出版社，2019.

[3] 赵占良.对生物学学科核心素养的理解（一）——生命观念的内涵和意义[J].中学生物教学，2019（11）：4-8.