核心素养下培养学生模型建构能力的实践

模型是人们对客观事物及其运动规律做出的简化描述、概括、模仿或抽象。[1]科学课程标准中共计出现“模型”208次，且首次明确地将模型建构作为科学思维的重要组成部分。模型建构是运用模型直观和简约地描述或呈现客观世界中无法直接观察的对象、原理或过程，[2]它既是科学探究的重要方法，又是认识事物的重要手段。模型建构体现在：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；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。在小学科学教学中培养学生的模型建构能力，是提升他们核心素养的重要环节。

一、核心素养下模型建构能力的内涵

模型建构能力是指通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及相互关系，建立认知模型，或借助类比、想象等方法，得出切合实际的、有助于理想问题解决的理想模型，并能运用模型解释科学现象，揭示现象的本质和规律的能力。[3]课程标准将科学学科核心素养划分为四个学段，其中关于模型建构的具体描述见表1。

根据小学科学模型的教学经验和科学思维的学段划分，模型建构能力可以细分为模型理解能力、实体模型体验、模型建构能力三个层次（见表2）。这三个层次相辅相成，都是培养学生科学思维的重要环节。学生通过学习和实践，可以加深对科学模型的理解，提高使用模型的能力，进而提升科学素养和创新能力。

二、模型建构能力培养的教学实践

六年级《太阳系》一课的内容有其特殊性。在地球与宇宙领域中，有关现象、规律的知识往往是抽象、复杂的，这部分内容对学生来说存在一定的认知难度。而模型作为科学研究中认识事物的一种特殊工具，正是架在学生主体认识与原型客体之间的“桥梁”，它将不可见的、抽象的事物和现象形象化，便于学生理解和研究。课程标准在核心概念“宇宙中的地球”中对5～6年级的建议是：制作以太阳为中心、由八颗行星组成的太阳系模型， 呈现太阳系的大致结构，了解恒星、行星与卫星的区别。“能根据证据改进实物模型的设计和制作”是该学段学生在探究实践中应达成的学习目标。

1.审辨思考，唤醒建模认知

教师向学生展示两张关于太阳系的图片（如图1），一幅源自科学教材，一幅源自科普网站。两幅图片在天体之间的大小比例、相邻天体之间的距离关系等方面都存在着差异。那么，哪幅图片能够反映太阳系的真实情况呢？学生一时难以判断。

师：要想知道太阳系中八颗行星真实的大小与位置关系，我们需要知道哪些数据？

生：太阳系中各天体的大小和到太阳的距离。

师：课前，我们收集了太阳与八颗行星的直径以及八颗行星到太阳的距离等数据。利用这些数据，我们可以建构一个太阳系的模型，帮助我们更加准确地认识太阳系。

学生对太阳系的认识往往源于曾经阅读过的图片资料，但图片资料上的太阳系是准确的吗？为了说明这一点，教师呈现了两幅关于太阳系的图片，引导学生通过对比发现两幅图片呈现的太阳系中天体的大小和位置关系并不一致，由此引发他们思考，进而意识到要收集和分析太阳系的相关数据，并利用数据建构模型。此环节中，教师通过引导学生批判性地审视资料，让他们产生认知冲突，激发他们认识太阳系的兴趣，为建构模型活动的开展奠定情感基础。

2.软件模拟，构建整体图景

课程标准建议，教师应利用信息技术，如虚拟仿真实验、数字化实验等辅助手段，让学生比较直观、便捷地学习相关知识。利用虚拟现实技术，人们可以在虚拟的数字空间中模拟真实世界中的事物，建立起一个逼真的、虚拟的、交互式的三维空间环境，从而更好地理解和解决复杂的问题。

在浩瀚的宇宙中，人类已经观察到的星系数以亿计。银河系中有几千亿颗恒星，太阳就是银河系中具有代表性的一颗恒星，在太阳的周围，又有众多的天体围绕它运转。这个以太阳为中心的天体系统就是太阳系，它与人类的生存有着密切的关系。宇宙之宏大使其难以在学生的头脑中形成清晰的图景，而虚拟仿真软件建构的三维立体模型可以多角度、全方位地呈现研究对象，是重要的认识工具，对学生认识和学习宇宙、星系、天体等宏观对象起到重要作用。了解组成太阳系的天体是本课的教学目标之一，部分学生虽然对它有一定的认识，但认识不够完整，而虚拟仿真软件“太阳系3D：太阳系的地图集和模拟器”可以让他们生动直观地观察人类所观测到的宇宙面貌。通过软件构建的模型，学生的注意力一步一步从浩瀚的宇宙聚焦到太阳系，从而对组成太阳系的天体有更直观的认识，了解到太阳系由太阳、八颗行星、冥王星、卫星、慧星以及数量庞大的小行星组成。这样既让学生对宇宙的整体情况有了初步的认识，又激发了他们研究太阳系的浓厚兴趣。

3.联系生活，建构实物模型

为了了解太阳与八颗行星之间的大小关系，教师可以引导学生根据天体的直径建立太阳与八颗行星的大小关系模型。于是，教师在课前组织学生收集了太阳与八颗行星的直径的数据，培养了他们收集、整理信息的能力。但直接用天体的直径建构等比例模型是无法操作的，学生意识到需要先缩小，再建模。

师：直接用这些数据建立太阳系模型可以吗？

生：不可以，太大了，要缩小。

师：我们先来考虑太阳。如果我们希望太阳模型能够放进教室里面，缩小10倍行吗？

（编者注：本文保留了课中“缩小10倍”的说法，下同。）

生：不行。

师：缩小100倍呢？

生：不行。

师：如果我们把太阳缩小到这么大（在黑板上贴上太阳的图片，直径是140厘米），知道我缩小了多少倍吗？这个太阳模型是我们在真实太阳的基础上缩小了10亿倍。如果我们把操场缩小1000倍，操场就只有手机屏幕那么大，如果再缩小1000倍，就只有一粒盐那么大。把太阳缩小10亿倍后，它的直径就只有140厘米。接下来，我们继续想想，要建构太阳系模型，只缩小太阳行吗？

生：不行，八颗行星的大小及其到太阳的距离都要缩小10亿倍。

师：八颗行星的直径以及它们到太阳系的距离缩小10亿倍之后是多大呢？大家可以算一算。老师给大家提供了一些生活中常见的物体：胡椒、豌豆、弹珠、椰子、台球、皮球。请大家根据缩小后的数据，选择合适的物体模拟各行星，并按照与太阳的距离从近到远的关系排序。

太阳系中的天体距离学生的日常生活过于遥远，这将导致学生出现认知困难。因此，在建构模型时，教师要充分唤醒学生的生活经验，创设情境，引导他们主动观察和研究。怎样将八颗行星与学生的生活联系起来，帮助他们建构对行星之间大小关系的认识呢？教师可以选择生活中常见的球状物，如用台球、椰子等模拟缩小10亿倍之后的行星，这样做能有效帮助学生建构对太阳系中天体大小关系的认识，更能够培养他们用身边的物体建构模型的意识和能力，让他们在今后研究或解决太阳系的相关问题时，能立即与身边的物体产生联系。反之，当学生看到身边的这些物体时，也能立即联想到太阳系中天体的大小关系。

建构模型可以分步骤完成。学生基于八颗行星的大小数据，利用身边常见的球状物体建立了描述八颗行星大小关系的实物模型之后，教师就可以引导他们在此基础上继续建立八颗行星与太阳之间的距离关系模型了。

师：通过数据处理，我们把太阳系的主要成员都集中在了我们的课桌上。请问，太阳系模型建构完成了吗？

生：没有，尽管缩小了10亿倍，但它们到太阳的距离还是太远，根本没办法按缩小后的距离在教室里摆出来。

师：既然教室里面摆不出来，我们可以考虑在哪儿摆呢？

生：操场！

（教师出示学校卫星地图，如图2。）

师：如果我们把太阳放在操场中央，水星应该放在哪儿呢？

生：距太阳模型58米远的地方。

师：将太阳系缩小10亿倍之后，代表水星的胡椒应该放在距离太阳58米远的地方，也就是在操场外面的工地上。

（随后，教师在卫星地图上依次展示太阳系缩小10亿倍之后各天体模型相对于太阳模型的位置如图3所示。例如，太阳系缩小10亿倍之后，代表海王星的台球距离太阳模型4504米，应该放在四川大学校园里面。）

学生在对太阳系进行建模时，尽管缩小了10亿倍，八颗行星模型到太阳模型的距离依然太远，在校园里根本无法建立完整的太阳系模型。因此，教师运用地图软件，通过在卫星地图上标注天体模型位置完成建模，将八颗行星与太阳的距离关系在地图上模拟展现。一个宏大的图景展现在学生的眼前，最终在他们头脑中建构出一个令人震撼的思想模型，使他们对太阳系的认识更加完整。

4.综合思考，完善整体认识

本课的教学目标不局限于让学生了解太阳系的相关知识，还关注对他们科学态度的培养。教师在引导学生批判思考的基础上重点关注对科学方法的渗透，通过建构模型帮助他们建构认知。

师：通过刚刚的学习，你们有什么体会？

生：太阳系太大了。

师：是的，太阳系确实很大。所以我们在研究太阳系时，用到的一个重要的方法是什么？

生：建构模型。

生：太阳系的天体之间大小差异很大，它们之间的距离也很远。

师：那么，我们在书籍、网站上看到的图片资料能反映真实的太阳系中的天体关系吗？

生：不能。

师：对，通过建模我们发现，太阳系中的天体很难按照真实的比例关系在图片中展示出来，我们在书籍、网站上看到的太阳系图片只是太阳系中各天体的示意图。所以，我们在阅读资料的时候要采取科学的方法，理性地判断和分析，建构模型就是帮助我们认识事物的重要手段。

对科学模型建构教学的实践是落实课程目标的重要探索。[4]本课中，教师引导学生利用身边的物体建构实物模型，形成对太阳系天体大小关系的认识；利用地图建构思想模型，形成对太阳系天体距离关系的认识。至此，学生对太阳系整体图景的建构才得以进一步完善。综合运用虚拟现实、实物模型和思想模型，可以帮助学生在学习和研究“地球与宇宙”单元时，掌握事物和模型间的联系和区别，有助于他们形成系统与模型的跨学科概念，实现深度理解，发展科学思维，提升探究能力。

参考文献

[1]江光华.低年级学生模型建构能力培养探析[J].湖北教育（科学课），2022（10）.

[2]潘利峰，刘国良.模型建构在小学科学深度探究中的运用——以苏教版科学为例[J].教学月刊小学版（综合），2020（12）.

[3]张娇珍，张秀琴.核心素养下“物理模型建构能力”培养策略——以“运用‘质心法’分析水平圆盘连接体模型”为例[J].福建基础教育研究，2023（07）.

[4]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（07）.