以微观模型构建科学概念的教学尝试与思考

郭吉军

摘 要： 模型在科学研究中有着不可替代的优势，可以简化、强化人们的认识，让人们换一个角度思考问题。本文从利用微观模型开展质量守恒定律教学的有效策略入手，分析了模型在科学教学中的作用和思考，旨在唤起人们在科学概念教学中对建模教学的重视和研究。

关键词： 微观模型 科学概念 尝试 思考

从某种意义上讲，科学学习过程就是改变学生的初始想法，不断修正和完善概念的过程。传统的概念教学，常从学生的生活世界或实验入手，即对宏观的感知、归纳并推理形成。因为这种教学从呈现方式上看，能使学生形象直观地感知事物的性质和发展特征；从课堂组织上看，能充分发挥学生的原有认知，更有利于活跃课堂气氛。

其实，有时候就算是相同的概念、相同的时期、相同的学生，采用不同的教学策略，都有可能取得意想不到的效果。一次“质量守恒定律”的教学使我对微观模型在概念教学中的作用有了新的认识。

一、微观模型让概念变得更易想象

在一次科学教学中，我突发奇想，利用学生掌握得较好的模型知识来开展“质量守恒定律”教学。先从水分子、氢分子和氧分子的结构入手，让学生用不同颜色、不同大小的纸片在黑板上摆放相应的微观结构模型。继而提出八年级上《科学》中学过的水的电解实验，让学生尝试着摆出相应的微观模型，教师有意识地引导学生形成反应中各种物质分子个数的观念。在几分钟的探讨磨合之后，学生不仅能用微观模型解释水的电解和氢气在氧气中燃烧的反应本质，还能用微观模型解释其他常见的化学反应。我看时机已经成熟，就发问：“在每个变化过程中分子种类变吗？原子的个数和种类变吗？”问题加深了学生对化学反应本质的理解，使学生明白了：化学反应中分子分解成原子，原子重新组合成新分子的道理。这样质量守恒的道理就很明晰了。

事后，学生在解决质量守恒或分子、原子模型有关问题的时候，竟然觉得应付自如。他们普遍认为，有了这种模型的概念之后，对这一类问题的想象变得是那么的具体和容易理解，也就是说：微观模型让概念变得更易想象。

二、利用微观模型教学质量守恒定律概念成功的原因分析

1.从质量守恒的科学发现史认识人们认知的缺陷。

质量守恒是科学中的重要概念之一，它的建立并非一帆风顺。因为当初很多实验现象使人们建立了“质量不守恒”的观点。之后罗蒙诺索夫（1756年）和拉瓦锡（1777年）在实验基础上提出质量守恒定律；后来德国朗道耳特（1908），英国的曼莱（1912年）用极其准确的实验证明了在化学反应中质量守恒。但人们往往对测量持怀疑态度，很难接受质量守恒的事实。直到微观模型的建立，我们明白了“化学反应中微粒种类不变、微粒的数目不变”的道理，质量守恒的概念才得到了大众的认可。这说明人们的认知有容易受到原型复杂因素干扰的缺陷。

2.传统实验教学对思维过渡的衔接欠缺。

传统的质量守恒定律教学是从生活中的现象入手，拿出木条点燃，燃烧后问学生质量有变化吗？之后为了定性地研究，教师会通过实验让学生观察碳酸钠与盐酸在开口的容器里反应过程中的天平指针偏转情况，或镁条在空气中燃烧前后的质量变化情况。引出问题让学生思考：（1）反应前后质量为什么发生了变化？（2）用什么方法可以更加准确地测定反应前和反应后的各物质总质量的变化？

思考后，师生一起设计白磷燃烧或CuSO4与NaOH反应，观察天平指针是否发生偏转的实验。让学生在尝试实验设计的同时，得出质量守恒的事实。看似相当严密，并有事实作为依据，但是在运用定律内容解决实际问题时，学生对参加反应和生成各物质质量总和的理解总是那么的勉强。因为教学中我们称量的是反应物和未参加反应的物质或生成物与剩余物，以及仪器的总质量，而得出的却是参加反应的各物质质量总和与生成的各物质质量的总和，在这个过渡中好像缺少了某一个中间环节。所以在运用质量守恒定律解决实际问题时，学生会反复出现同一类理解上的错误。尽管我们也向学生说明了原子的种类和数量在化学变化中都不变的道理，但由于这是在实验基础上补充上去的，还没有纳入到学生的认知结构中形成知识图式，所以知识的亲和性较差。

3.学生头脑中模型与符号概念的建立是顺利实施的关键。

从表面现象上看，宏观到微观或由宏观现象入手形成某一个概念，符合由“知”到“不知”，再由“不知”推出“新知”的一般认知规律。这种教学还可以保证自始至终能有学生的主动参与，课堂气氛肯定比较活跃。而由模型引入的教学，一开始学生就会觉得教学内容很难与已有的经验联系起来，而无法纳入已有的图式之中。

但是当我们在八年级上《科学》第一章“粒子的模型与符号”的学习之后，学生头脑中就积累了大量的模型知识，再结合我们平时对模型的应用与理解，加上八年级学生的抽象思维逐渐形成，并达到一定的水平，已经初步具有运用模型解释常见的一些现象（如：水的三态变化到密度的改变、原子结构、相对原子量等）的能力。再加上学生已经在八上第一章中已经学过“水的电解”，宏观的现象和实验操作都比较了解。这样的特殊时期，从微观模型的角度认识质量守恒定律刚好适时弥补了学生认知的不足，并以微观模型简约、明了的特征，使复杂背后的规律变得简单易懂，易于操作和想象分析，符合多维构建使认知结构更加完整牢固的特征。

三、以微观模型构建科学概念教学的思考

“好教师用50种方法教一个学生，差教师用一种方法教50个学生”是我们经常听到的一句至理名言。多元智能理论告诉我们每个人都不同程度地拥有相对独立的八种智力，而且每种智力有其独特的认知发展过程和符号系统。因此，教学方法和手段就应该根据教学对象和教学内容而灵活多样，因材施教。为了提高教学效率，我们必须认真研究教学方法。这里就针对利用微观模型构建科学概念教学谈一些思考。

1.以微观模型构建科学概念是概念教学的一种模式。

科学教学是根据学生的经验一步一步地拓展他们的观念。因而，在教学过程中我们需要一定的操作策略，以帮助学生更好地实现概念转变。我们普遍认为：幼儿和低年级学生的科学概念形成要依靠大量的实践活动，所以“做科学”被大量幼儿或小学的科学教师采纳；小学高年级和中学的科学教学则要逐渐由“做科学”走向解决问题的探究式学习。这些都是有效的教学模式。其实概念的教学我们还常采用移用、类比、建立数学模型、进行公式变形、应用巩固等方法使概念在学生头脑中建立、强化和内化。当然，在不同的场合我们就应该采用不同的策略。以微观模型构建科学概念也只是概念教学的一种模式，这种模式主要有以下一些特点。

提起模型，肯定要有相应的原型。真实的情境就是我们研究对象的原型，作为原型的客观事物所处的多种因素交错，联系复杂纷乱，容易造成人们面临问题难以着手。而科学模型并不需要与原型在外部特征、质料、结构和形态上一一相似。可以撇开那些次要因素、关系和过程，将主要因素、关系和过程突出地显示出来，以便于人们观察、实验和理论分析。尤其是对那些“时过境迁”、不能再现或微小的不可能直接观察到的现象，我们更需要借助于模型研究。也就是说利用模型可以有效排除客观事物及其它复杂因素的干扰。

2.每一种模式都有它的合适人群、合适内容和出现的最佳时机。

在八年级下的“质量守恒定率”教学中，采用模型教学建立概念是在比较合适的人群中找准了合适的时机开展的有效教学。假如我们提前在八年级上《科学》“水的密度”一节中利用微观模型开展教学，就要花费很大的劲使学生建立模型的概念才行，因为此时的学生、此时的内容还不具备实施这种教学方法的最佳时机。而我们在复习课中运用模型进行三态变化的解释之后，再尝试用运用模型重新认识水的密度就会取得理想的效果。

3.利用模型开展教学的策略也有多种，加强研究对促进有效教学意义深远。

相同的教材、不同的学生，应有不同的教学方法；不同的教学内容更应采取不同的教学方法。教学实践证明，更多的有效教学应该是多种策略的有机结合才能达到目的的。知识、情境和学生的复杂性、多样性，使得教学策略也变得多样复杂。所以利用模型开展概念的有效教学还需我们加强研究。

4.让模型经历一个“意义赋予”的过程，才能使模型教学更具活力。

概念是一类事物现象和发展过程的共同性质和本质特征在人们头脑中的反映，是对现象、过程抽象化和概括化的思维形式。它具有明显的简约性、抽象性和概括性。

从建构主义角度看，教学就是一个使学生进行“理解学习”即由强调知识的“客观性”转化为注重学习主体内在的思维过程。即学习是一个把新知识纳入到学习者已有的认知结构中的过程，是知识在学习者的思维中获得明确意义的过程，是一个“意义赋予”的过程。也就是说：实际意义是概念的生命，模型与概念的简约性、抽象性和概括性只有加上“意义的赋予”才使教学更具活力。为了让模型教学更具生命活力，我们必须注意以下两个方面：

一是模型不能等同于原型。我们利用“芝麻和黄豆混合后总体积变小”的结果解释“酒精与水混合体积减少的现象”，从而推论出分子间存在间隔。结果很多学生便错误地认为：“芝麻和黄豆混合后总体积变小是因为分子间有间隔。”这种模型与原型混淆现象的出现是我们没有让学生弄懂模型与原型的特征关系造成的。

二是模型代替不了实验。模型是教学的一种手段，利用模型开展教学是达到某一教学目的的一种策略。但模型建立起来的概念只有接受原型的检验，才能使概念变得有意义。而实验可以是真实情境的再现，也可以是模型环境下的一种模拟。所以两者之间存在着一定的区别和联系，此时的模型教学又有很大的局限性。

科学是一门以实验为基础的学科，科学知识从实践中来，更要接受实践的检验。模型研究方法虽能发挥理论对实践的指导作用，特别是在体现了正确科学理论知识的模型上进行实验，其结果往往会优于实际情况，但这也绝对代替不了事实。当然，利用微观模型开展概念教学的有效性也有很大的优势，我们要加强研究，根据不同的学生、不同的内容，适度、适时地开展。

参考文献：

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