基于真实任务的科学建模教学策略研究

施婷华

2022年版义务教育科学课程方案和课程标准确立了科学课程的核心素养，科学思维是其中最为重要的一项。具有良好科学思维的个体大多能认识到科学事物的本质属性、内在规律及其间的相互联系。教育学家普遍认为，运用科学模型可以实现对自然现象的解释或预测。

模型建构是个体将实际问题抽象、简化为模型，而后用公式、图形、图像、图表等符号加以表征的过程，培养学生的模型建构能力是发展其科学思维的重要环节。日常教学中，学生常常难以把握建模的要点、构建出有效的模型，更难以由模型理解科学事件的本质、处理实际的科学问题、实现模型的应用和拓展。

科学建模的“真实”需要

以原教科版科学五年级《生物与环境》单元“设计和制作生态瓶”一课的教学为例，为使学生更好地理解、掌握“生态系统”这一抽象概念，笔者结合学校正在建设的“躬耕园”，特意开发了以建模为主要环节的科学STEM项目。在第三课时“校园农场生态系统”建模的教学中，笔者试图帮助学生通过建模认识生态系统与动植物间的关系，以便打造一个校园生态农场，在实践中，笔者遇到了诸多难题。一是模型理解脱离实际：学生因之前不了解生态系统的主要组成，无法分析出构建校园农场生态模型的基本要素。二是模型建构缺乏过程指导：由于未能抓住建构模型的核心要素，学生在讨论环节表现随意，未紧扣“模型是否为好的生态系统”展开。三是模型应用难推广：由于建立的是伪模型，学生后续评价和改进的模型也难以达到预期，课堂教学价值不高。

创设真实情境，促进模型理解

基于以上问题，笔者重新审视建模教学。小学阶段涉及的模型主要是概念模型和物理模型，后者又可分为实物模型和图形模型。所有的模型建构都要基于真实情境，帮助学生理清模型与原型的关系。笔者以“空气的热胀冷缩”一课为例——

原型情境，感知现象。根据教学内容，展示相关的原型情境，引导学生对产生认识矛盾的事实进行再认识，简化复杂的研究对象，在原型中提炼其本质特征，以便学生聚焦核心问题。例如，展示一个瘪掉的乒乓球，询问学生如何让它鼓起来。有学生提出放入热水，笔者通过实验展示这一过程，并利用投屏技术让学生仔细观察乒乓球由冷到热、由瘪到鼓的转变过程。这有助于学生深入理解矛盾原型的本质，并有可能生发出新的认知，提高观察力和思考力。

表达理解，外显心智。建模教学注重学生个人对模型的独立建构，以形成个人的心智模型，并通过解决问题，让个体的心智逐渐走向理性。上述课程的教学中，笔者继续抛出问题：瘪掉的乒乓球，放在热水中为什么重新鼓了起来？不同学生给出的答案是不同的。建立模型是为了帮助他们更好地认知、理解和阐释问题，基于真实情境展开思考，并能够用文字或图像等符号呈现出自己的思考方式。

搭建桥梁，构建联系。学生对乒乓球恢复原状的解释主要有两种：一是球内空气受热膨胀，二是球的表面材质受热膨胀。教师需指导学生选择合适的模型加以验证，而后通过实验证伪，筛选出正确的解释模式。当然，无论学生选择实物建模还是图形建模，均应先理解建模的意义，而后针对性地收集建模证据。实验能帮助学生在认知上建立起原型和模型间的联系，实验所得也为其选择合理的模型提供了支撑。学生可以采取的实验包括观察试管气球在热水和冷水中的变化，或用带玻璃管的橡胶塞封住烧瓶并涂上泡泡液，观察这一器材在热水和冷水中的变化。

参与真实过程，增强建模体验

初步构建模型，寻知识之源。学生必须明确自己的解释理论（心智）的模型，并根据多次实验的数据完善自己的模型。这样的建模过程一方面能够使学生借助符号表达思维过程，将自己的心智模型合理化为外显的模型；另一方面能够促使他们升级自己的心智模式，因为学生往往要经过复杂的思维过程才能实现有效建模。教师一定要引导学生基于演示实验（学生演示微粒受冷、受热的运动）和探究实验，发现科学现象背后的本质。

全面分析模型，探知识之本。以大多数学生建构的图形模型为例，模型建好后（如图a、图b、图c，其中黑点象征重量，圆圈范围表示体积），教师要指导学生审视图形，讨论、分析该模型能否包含各种现象和证据，检验学生的解析能力，并纠正模型中不合理的部分。如分析图a的模型后会发现，它只能解释密封玻璃瓶的受热情况，但不适合解释瘪掉的乒乓球为何恢复原状。分析图b的模型后会发现它是不合理的，因为空气受热后重量不会发生改变。相较之下，图c中的模型更适合解释瘪掉的乒乓球内空气受热膨胀的现象。学生在各种分类讨论中逐渐明白，模型应准确反映科学现象，真实体现科学原理。

深度迁移模型，挖知识之联。图形模型有助于学习者深入理解因果关系和事件机理，是一种可以用符号解释其他同类科学现象的模型。学生在充分地分析、讨论之后，可以形成相对准确而科学的模型，运用这一模型可以实现对科学现象的理解和预测。利用抽象和类比等方法，能够明确掌握空气热胀冷缩的性质。

关注真实生活，拓展模型应用

同一问题，模型适度发散。在处理同一问题时，模型应有适度的灵活性。若学习时间允许，教师应指导学生深入反思图形构建过程，让他们明白模型应依据实际而调整。如为帮助学生加深对图形模型的认知，教师可援引生活实例：“我们已经能合理解释乒乓球为何会凹陷，明白为何加热后它能恢复原状。请继续思考为何建立模型时应绘制封闭图形？”同时，教师可以将另一个有缺口且凹陷的乒乓球放进开水中加热，然后继续发问：“为什么这个乒乓球没有鼓起来？”教师可以在板书的原有模型上擦出一个口子，继续启发学生：这样的乒乓球受热后，球内空气会有什么变化？最后使学生了解：若空气受热后有出口，则无法將乒乓球恢复至原样。

不同问题，模型适度调整。以“空气的热胀冷缩”为例，此类涉及微观事物的图形建模课程均可采用该教学模式，但“校园农场生态系统”的建模过程则更为复杂。生态系统中的生物与非生物之间存在多重关系，包括但不限于：生产者与消费者对非生物环境的影响，以及非生物对分解者的影响。通过建构模型过程中的逐步讨论，学生能够深入了解校园农场生态系统的循环特性，总结出构建校园农场生态系统模型的两个主要阶段，一是从具体事物中抽象出模型，二是将抽象概念应用于实际情境。为满足学生的探究需求，校园生态农场应提供一些特定的观察与探究场所，同时需确保物种配比的合理性。教师在建模教学过程中，可灵活运用教学模式，即使整个流程不完整，也应使学生明确各环节的作用。

实践应用是科学模型教学的核心内容，学生建模能力的提升也须依赖实践中的反馈，教师要注意在学生迁移应用模型的过程中，对其进行个性化辅导。需要强调的是，无论是对“空气的热胀冷缩”建模，还是对“校园农场生态系统”建模，问题情境都是模型学习的根本，科学建模一定要基于真实的任务场景，才能最大程度地帮助学习者在解决实际问题的过程中发展科学思维。