建模思想在“地球与宇宙”教学中的运用

朱涛

教科版教材“地球与宇宙”部分内容的教学，除了小学科学教师受到有关“地球与宇宙”的知识储备的挑战之外，教学中学生的主要探究活动——模拟实验的有效组织也是一个值得破解的疑难问题。笔者认为，该疑难问题破解的着眼点应该是正确认识“地球与宇宙”教学中的模拟实验；而着力点应该是运用建模思想，有效组织“地球与宇宙”教学中的模拟实验。

一、 “地球与宇宙”教学中的模拟实验

模拟实验是指在科学研究中，由于受客观条件的限制，不允许或不能对研究对象进行直接实验，为了取得对研究对象的认识，人们可以通过模拟的方法，选定研究对象的替代物 （即模型 ），模拟研究对象 （即原型）的实际情况，对替代物进行实验，这种实验就是模拟实验。模拟实验的一个突出特点，就是既能使研究对象微型化，又能使研究对象扩大化，还能找出并控制研究对象的理想特征与要素。模拟实验作为类比思维在实验中的应用，根据的是相似性原理，它往往要求模型和研究对象之间具有相似性、模型所处的实验条件与研究对象所处的实际条件之间具有相似性。

在“地球与宇宙”教学中开展的一些科学探究活动，学生受到探究时间、空间以及环境条件的限制，他们无法对研究对象进行直接的探究，这就需要教师和学生一起对研究对象进行模拟，并用模拟建立的认识去解释研究对象，从而达成教学目标。地球与宇宙尽管广袤浩瀚、复杂特殊，但就小学科学课程标准要求的学习内容来看，研究对象的替代物还是有条件准备的，操作模型和理论模型学生也能在教师的指导下建立的。

虽然多媒体教学能把事物、现象、情景、过程等化大为小、化难为易、化繁为简，利用视频也能展现实验的过程，但学生只能在屏幕上作单一的、平面的观察；这种间接的观察与学生直接的动手实验探究相比，其亲身感受的程度和思维培养的力度，是有天壤之别的，因此，有效组织模拟实验亟待加强。

二、建模思想在“地球与宇宙”教学中运用

在科学探究活动中，为了研究问题的方便常常采用“简化”或“理想化”的方法，对实际问题进行抽象化处理，得到一种能反映原事物本质特性的理想状态（过程）或假想结构，即“科学模型”。在探究活动开展的过程中逐步建立科学模型的过程称为“建模”。在模拟实验教学中运用“建模”的思想和方法，能较好地提高探究活动的有效性。笔者在教学实践研究中总结出基于模拟实验的三步“建模”法。下面以《日食和月食》一课的教学作为案例，阐述如下。

1.静态“建模”

静态“建模”指的是根据相似性原则，确定研究对象的替代物，这个替代物一般也应该是有结构的材料。说它静态，指的是这时的材料还都是静物，只是静态的模拟。

在《日食和月食》一课的教学中，让学生在观察教师创设的日食视频情景之后，讨论日食现象的特点，猜想日食发生的原因。在以上铺垫的基础上，教师引导学生进入模拟实验的静态“建模”过程，思考：①日食的形成可能与哪些天体有关？②这些天体各有什么特点，它们之间具有什么样的关系？③要模拟日食现象，可选用哪些材料来替代这些天体？通过讨论交流确定有关天体的替代物，并按照这些天体的相对位置、距离等结构组装、摆放替代物。如用手电筒替代太阳、用足球替代月球、学生套上地球模样的大头娃娃替代地球上的观察者，而这三者之间的距离要有合适的比例。

静态“建模”的关键是除了相似性外，要求有关静态模型的要素及其细节与原型相一致。

2.动态“建模”

动态“建模”指的是通过对替代物的实际操作，模拟研究对象——原型变化、运动的情景、状态、特点等现象，为学生提供理想化的、典型的观察内容，有效获得针对性的事实证据。而说它动态，是指这时的实验材料都在发生相对的变化、运动，是动态的模拟。

第一步完成了日食的静态建模，接着引导学生思考、讨论：①在这些天体中，我们主要模拟哪个天体的运动，怎样操作？②观察者应该观察什么？③观察到什么现象了，我们才说日食发生了？在明确实验意图和方法的前提下，学生进行动手操作：甲生拿手电筒照射大头娃娃，模拟太阳照射地球；乙生头戴地球模样的大头娃娃眼望手电筒，模拟地球上的观察者；丙生举足球逆时针绕观察者作圆周运动，模拟月球的公转运动。这样，当丙生缓慢地走过甲生和乙生之间时，乙生就会直观地观察到手电筒光从右到左逐渐遮掩又逐渐恢复的全过程。这时所创设的模拟实验的情景，就是基于静态建模基础之上的动态建模。面对这个动态建立的关于日食的模型，无论是直接参与实验的甲、乙、丙学生，还是旁观实验的学生，对于日食发生的条件、原因、经过和特点等，都会有充分的感受，留下深刻的印象。

动态“建模”的关键是动态模型形成的纵向的“序”和横向的“法”，模拟实验必须有目的、有计划地进行，还应有记录。

3.综合（抽象）建模

其实静态、动态的“建模”都属于操作层面的客观性的模型，学生在这个过程中获得感受与体验，建立感性认识。而整理事实、形成证据，分析推理、归纳表述，建立理论模型的过程，称为综合“建模”，又由于在“建模”过程中更多地运用抽象思维，因此，也可称作抽象“建模”。

在综合“建模”活动中，教师应该引导学生对动态建立的模型先进行比较、分析、抽象、归纳，然后启发学生作必要的联想，联系原型形成科学概念。日食的动态“建模”完成后，教师继续组织学生思考、交流：①在以上模拟实验中你有什么发现？②你发现了什么现象才说日食发生了？③日食发生时，哪边的太阳光先被挡住，哪边的太阳光先复原？④从日食发生时日、月、地三个天体的位置排列来看，日食一般发生在农历的哪一天？通过以上具体的综合分析，教师要求学生抽象并表述“日食”的科学概念：解释日食的成因。

抽象建立的模型其实是一个有关科学概念的理论模型。理论模型可以是定义式（描述、解释），也可以是表式和图式等。学生在这个过程中所获得的是理性认识，也就是对事物本质的认识。