试论模型建构在初中科学教学中的应用

沈星华

摘要：“模型”是人们为了研究科学问题的方便和探讨科学问题的本质而对研究对象所作的一种“简化”的“描述”或“模拟”。以其撇开次要因素、突出事物重点、体现事物本质的优点，成为科学教学中学生和研究对象之间的一种特殊的中介。概念模型、直观模型、数学模型是初中科学中常见的三种模型。根据教学内容建构模型有助于使知识直观化、形象化，理清知识脉络，易于探寻科学规律。

关键词：初中科学教学；模型；模型建构

中图分类号：G632.0 文献标识码：A 文章编号：1992-7711（2013）09-0091

我国著名科学家钱学森同志说过：“人认识客观世界，首先用形象思维而不是抽象思维，比如小孩的思维就是从形象思维开始的。”初中生的思维正处于形象思维向逻辑思维的过渡时期，思考问题总在这两者思维中转换。如果我们能在学生头脑中建立一个很好的模型，就像给学生在思考问题时建立一个形象思维和逻辑思维互通的桥梁。利用了学生的这种思考方式，先在头脑中建立起相应的模型后，当遇到与此相似的情景时就会产生相应的条件反射，他们会自觉地对比已建立的模型与实际问题的区别，找到相应的方法。对提高学生解决问题能力会起到很大的作用。

初中科学中经常要用到一些模型，如牛顿第一定律不考虑一切外力时就是一种理想模型；杠杆、磁感线、光线等的学习中常常会把实际的研究对象或实际的过程抽象成“直观模型”等等。在初中科学教学过程中，我们应重视“模型”方法的思想渗透。现笔者就初中科学学习中的建模问题，谈一下自己的粗浅想法。

一、建构直观模型，理解科学知识

直观模型是指以实物或图画形式直观地表达认识对象特征的模型，其显著的特点是形象直观，可以模拟客观实物的某些功能与性质，使相关知识便于理解。细胞的结构、人体模型等，日食、月食等直观模型是在教学上经常使用的。

在化学反应的实质和质量守恒定律的教学中，可以充分运用直观模型，让看不见的微观变化呈现出来。如图1电解水模型，水分子在通电的条件下拆成氧原子和氢原子，然后重新组合生成氧分子和氢分子。从模型中可以清楚地看到化学变化的实质就是反应物的分子拆开成原子，原子重新组合成新物质分子的过程。从模型清晰的显示化学变化过程中原子的种类和个数都没有变，只是重新组合了一番，质量当然不会变。轻松地揭示了质量守恒定律的实质和根源。

又如，电磁继电器的应用的教学。将电磁继电器各部分制成纸板模型，在介绍结构时边讲边贴到黑板上，并认识各部分的功能。如图2就是一个电磁继电器的基本模型。针对不同的具体情况对这个模型进行变通。当工作电路所处的环境恶劣时，增加工作电路和控制电路的距离就能解决。把控制电路中的开关改成温控开关，工作电路中的电动机换成报警器，就是一个温控报警系统。再将控制电路的开关改成水位器就是一个水位自动报警器。将控制电路的开关改成双金属片或其他温控开关，工作电路的电动机改成电热丝就是恒温箱。当学生理解了这个基本模型后就能够举一反三、灵活运用。

现在的学生生活在以钢筋水泥、电子网络为主的环境中。对大自然、生活生产中的物理、化学、生物情景接触得少，缺乏生活第一感受，对书中描述的科学问题感到陌生与困惑，建模恰好补充他们在这方面的不足，提高他们的学习兴趣与学习效率。直观模型的综合有其独特的优点，它使理论知识具体化，也使科学解释的逻辑过程简单化。这对于激发人们的思维创造力和直觉力具有重大的意义。

二、建构概念模型，理清知识脉络

概念模型是指以文字表述来抽象概括出事物本质特征的模型，如物理变化、化学变化的文字描述、光合作用模型、物质的分类及生态系统结构的表述等。建构概念模型可以使学生深入理解基础知识，辨析知识点之间的联系与区别，使知识结构化，同时有利于培养学生的归纳、概括和语言表述能力。

如原子结构的教学，原子核、电子、质子、中子、夸克间有怎样的联系和区别？用右边图3的模型一目了然。

再如，借助模型来表达生态系统及其各部分间的关系。如图4，该模型展示了生态系统中生物因素（生产者、消费者、分解者）和非生物因素间的关系。是生态系统部分的核心内容。通过模型表示相互关系内容简单，各观点间的相关关系明了，易于掌握。

客观事物总是处在多种因素交错的复杂纷乱状态中，这就使人们深入研究某个问题时面临难以着手的困难。借助模型能够抓住主要特征，凸显事物本质。尤其是对那些“时过境迁”，不能再现和不可能直接观察到的现象，更需要借助于模型研究。

三、建构数学模型，探寻科学规律

数学模型是指用来描述一个系统或它的性质的数学形式，如正常人和糖尿病患者餐后血糖变化曲线、欧姆定律、速度计算、阿基米德定律等。

初中科学中数学模型一类是用坐标轴来表示的模型。常用于表示一个量的变化（纵坐标表示的量）和某种因素（横坐标表示的量）间的关系。如进行溶解度教学时，用溶解度曲线直观的表示物质的溶解性与温度的关系。横坐标表示温度，纵坐标表示溶解度，曲线的走向表示随着温度的变化溶解度的变化情况。从图5示模型中可以清楚地看出碳酸钠的溶解度受温度影响大，（下转第93页）（上接第91页）氯化钠的溶解度受温度影响小。结晶时氯化钠只能用蒸发溶剂的方法，而碳酸钠除了用蒸发溶剂的方法还可以用冷却热饱和溶液的方法。所以有的地方人们冬天捞碱夏天晒盐。

另一类是建立数学公式。其一般步骤为：观察研究对象，提出问题→提出合理的假设→根据实验数据，用适当的数学形式对事物的性质进行表达→通过进一步的实验或观察等对模型进行检验或修正。如阿基米德定律的教学，首先观察到浸在液体里的物体会受到浮力的作用，同时会占去水的空间排开与自己浸入相同体积的水。所受浮力和排开的水重是否有关呢？→探究浮力大小与排开水重的关系→用视重法称出物体受的浮力，用弹簧秤称出排开的水重→根据多次实验获得数据，得出两者大小相等。F浮=G排液→由于很多时候G排液难以测量（如航行在江海中的轮船），继续推导G排液=ρ液gV排。而且通过其他实验证明阿基米德定律也适用于气体浮力计算。无论是浮在水面的轮船，还是潜入水中的潜水艇，还是沉在水底的石头，甚至是飘在天空中的气球。图6的小石块就是它们的模型。它们受到的浮力都可以用F浮=ρ液gV排得出。

建模和理解模型的过程本身就是一个科学学习的过程，锻炼学生归纳，演绎能力的一个过程。通过建构模型来学习科学知识，便于学生对知识的理解，增强学生的探究能力，培养学生思维灵活性品质。所以，在现在班级授课制的环境下，建模是使大部分学生学好科学的有效办法。

四、各种模型的综合运用

在实际教学中，几种模型法是会综合使用的。如图7在杠杆的教学中，首先通过大量的例子给出杠杆的定义。铡刀铡草时，把铡刀看做是一个能够绕轴转动的硬杆，而不考虑刀的形状、刀的材质，在物理学中把它称为“杠杆”，这“杠杆”就是铡刀的直观模型。如图8，滑轮研究时也是把滑轮运动进行理想模型化，不考虑摩擦。接下来进一步研究杠杆的平衡条件，抽象出了数学规律F1L1=F2L2，建立起杠杆平衡的数学模型。

同时我们要注意，模型法的要点是近似处理，但近似处理不能随心所欲。例如，在分析分子运动论时，我们可以为分子的模型做一个钢球，但在研究水分子的组成时，水分子的模型就是由一个氧原子和两个氢分子构成的。

教学既是一门科学，更是一门很深的艺术。要想在教学中获得理想效果，使学生真正掌握知识，并不只是教师认真教，学生认真学，就能达到目的，掌握合适的教学方法很关键。法国科学方法论学者阿雷曾说过：“科学的基本活动就是探索和制定模型。”要想使大部分学生学好科学，最基本的方法之一就是建立各种形象直观的模型。纵观我们的教学环境，新教材为开展模型教学提供了内容保证，日趋完善的教学硬件为开展模型教学提供了物质基础，现代教育技术手段为开展模型教学提供了技术。这些已为开展模型教学提供了充分的条件。

参考文献：

[1] 邢海根.谈谈理想模型法[J].中学生数理化（八年级物理）（配合人教社教材），2011（9）.

[2] 朱正威，赵占良.必修3《稳态与环境》[M].北京：人民教育出版社，2007.

[3] 徐守君.浅谈新课标背景下的物理模型教学[J].中国科技信息，2012（1）.

（作者单位：浙江省庆元县第三中学 323800）