从模拟走向真实的科学概念建构之路

吴小兵+俞灵

摘 要：模拟是根据研究对象的本质特性，建立或选择一种与研究对象类似的模型，借助模型进行实验研究，不仅可以把学生陌生的、抽象的事物转化为学生熟悉的、直观的模型，使概念具体化、形象化，也可以帮助学生更直观、更深刻地把握研究对象的本质和特征。以《风的形成》为例，针对实际教学中模拟实验存在的问题，引领学生从模拟走向真实，主动建构起风的形成的科学概念。

关键词：模拟实验；科学概念；风的形成

小学科学课堂的一些探究活动受到时间、空间以及其他条件的制约，学生无法对研究对象进行直观的研究，这就需要教师和学生一起为研究对象建立模型，并进行模拟实验。用模拟实验建立的认知去解释研究的对象，从而达到课堂教学的目的。

《风的形成》教学内容主要分为两大块，一是学生观察热空气上升，二是实验模拟风的形成。由于风生来无形的特质，学生在实验的模型设计和实验现象的观察方面存在一定的困难，加之他们对自然现象的关注只知其然，不知其所以然，对风真正的成因也就遥不可及了。

一、课前定位——建科学概念之基

建构主义认为，科学概念的学习是将前概念转变为科学概念的一个过程，因此教师要注意了解学生的前概念水平，帮助摒弃已经形成的错误认识，在学生原有的知识经验基础上确定教学目标，设计教学环节，从而让学生通过探究建构起完整的科学概念。

1.《风的形成》目标定位首度设计

第一次试教目标定位：知道热空气会上升，冷空气会下降；知道风是在空气有冷热差别的條件下产生的，理解季风的成因。

相应的教学环节如下：（1）导入：转动风车；（2）观察热空气上升；（3）模拟风的形成；（4）解释季风的成因。

试教后反思：如此的环节设计和目标确立脱离了学生前概念的认识，因为小学生还没有系统地学过地理、物理等方面的知识，加之日常生活中很难并且很少关注不同季节不同地点的风，导致学生在模拟建构了风的形成概念后，却难以过渡到现实生活中来。

2.《风的形成》目标定位再度设计

目标定位改进为：知道热空气会上升，冷空气会下降；知道风是在空气有冷热差别的条件下产生的，理解北风的成因。

相应教学环节修改如下：（1）导入：北风从哪来；（2）观察热空气上升；（3）模拟风的形成；（4）解释北风的成因。

试教后反思：在四年级学生学习了风向的概念基础之上抛出疑问：北风为什么从北方来，又吹向南方去呢？符合学生当下的认知水平，能够帮助学生主动从前概念向科学概念进行过渡，建构起热空气会上升，冷空气会下降补充的知识理论，最终来解释风的形成是因为风吹来的方向冷，吹去的方向热，热空气上升，冷空气补充，在地表就形成了从冷吹向热的风，进而能顺理成章地将科学概念融于生活，解释各种风向的成因。

二、择器善用——拣以假乱真之材

在小学科学课堂教学中，运用模型探究是帮助学生构建科学概念的一种重要途径和方法。但是，选择怎样的材料建立足以乱真的模型，才能让学生在模拟实验的过程中感受到科学概念的特点，促使前概念向科学的概念转变。

1.教师拣材，取之有道

教师要提供更为有效的科学实验材料，提高模拟实验的真实度，帮助学生去想象、推理、类比，找到与真实现象的联系，发现事物的本质和规律，从而建构起自己的概念。

（1）加热空气——冲上云霄显威“风”

在观察热空气上升的环节，我设计了一个简单的实验装置：在一个倒置的塑料袋口子上对称地粘上几段细铁丝，稳定袋口，然后用酒精灯加热袋里的空气，放手后，塑料袋飞上高空。实验材料也简单易得，又充满趣味，实验效果非常明显，让学生的直观体验达到兴奋点，自然地接受了热空气会上升的科学概念。

（2）模拟生风——幻化无形为有形

模拟风的形成是本节课的重点实验，而风生来本无形，如何化无形为有形，让学生真实地观察到空气流动的路径，成为此实验的重中之重。我也重新设计了一个实验装置：主体为一底部被裁的大油桶，罩在一个装水的浅盘中。在大瓶口上方安装了一枚小风扇，在其一侧开孔插入小瓶口作为进风口。实验中点燃蜡烛，通过观察火苗的摆动以及小瓶口风扇转动的情况，能十分直观明显地观察到风的形成，而当捂住小瓶口，火苗立即回正、风车立即停止，更容易帮助学生理解热空气上升后，有冷空气进行补充，从而在脑海中构建出空气对流的概念。

2.学生用材，彰显思维

在模拟实验教学中，我们指导学生运用模拟实验方法去探究事物时，并不仅仅是为了获得研究的结果，同时也应该引导学生认识模拟实验的过程，培养学生自主设计、运用模拟实验方法的能力。

在模拟风的形成这一教学环节中，我出示完整油桶尝试让学生亲自设计，为降低难度，选择两步走，一是显化风的流动路径——安装风扇，二是打破瓶子的密闭性——瓶身开孔。

案例：

师（手持油桶）：按照大家热空气上升的理论，瓶口的空气会向哪流动？

生：向上。

师：能看到向上的风吗？

生：不行，因为它是无形的。

师：谁能幻化无形为有形，让我们看到呢？

生1：将手置于大瓶口上方来感受一下。

生2：在瓶口套轻薄塑料袋，塑料袋会飞。

生3：在瓶口飘纸，纸会抖动或向上飘动。

生4：在瓶口倾倒少许面粉，面粉会向上撒开。

生5：在瓶口安装螺旋桨，桨会转动。

在教师的提问中学生产生头脑风暴，自由回答想出了各种方法，设计效果虽未能一一求证，也不一定是个个可行，但他们在经历设计的过程中相信已经牢牢地构建起瓶内热空气会上升的概念，接下去只是求证而已。

师在瓶口安装一枚小风扇，并通过视频展示设计效果。

师：大家发现了什么？

生：纸桨没转。

师：怎么和我们的设想有出入呢？问题在哪？我们小组讨论一下，看看有没有办法解决。

通过两步走实验设计，能有效降低学生的理解难度，帮助概念的梯度接受，实现瓶身开孔的设计创造。

生1：选择大蜡烛，使空气更热，小风扇也许就能转动了。

生2：小风扇可能太重了，可以尝试用更轻的材质。

生3：可以在瓶身打孔，因为现在瓶子是密闭的，空气向上之后就无法流动了。

当五花八门的方法呈现在他们面前时，学生毅然选择了开孔，相信在经历设计、失败、选择过程中将初步帮学生认识到冷空气会向内补充的概念。

三、梯级研讨——显科学思维之形

在良好的实验习惯中，科学研究的记录是一项非常重要的内容，它既是学生亲历科学过程的印记，又是培养学生科学素养的重要载体，而研讨交流则是对探究活动后的信息进行处理加工的过程。因此以学习单为载体，在探究过程中与同伴和老师交流，使个人的思维、同伴的思维在老师的引导下碰撞出智慧的火花。

1.观察记录，引发思维

为了使每个学生都参与到实验记录的过程中来，我要求人手一张记录单，第一步，采用填空的方式抓住关键点，记录观察到的现象：捂住和不捂住小瓶口时风扇转动和火苗摆动的情况；第二步用箭头绘制瓶内空气流动的路径，在直观体验的基础上进行初步分析和推理；第三步组内研讨思考空气流动的原因。通过如此梯度分层的记录，基本上学生都能在有效的交流后正确认识到热空气上升后，冷空气会从小瓶口补充进来，帮助学生初步建立起空气在受热情况下会流动起来。

2.交流研讨，深化思维

实验后的汇报交流不仅仅是学生对现象记录的简单阐述，而应该激励学生勇于纠错补充，并在教师的引导下逐步完善脑海中形成的科学概念。如：

生1：点燃蜡烛时，我们观察到小风扇转动，说明空气向上流动，还观察到蜡烛火焰向右飘动，说明空气向瓶内流动。用手捂住小瓶口，小风扇停止转动，蜡烛火焰恢复原状，说明空气停止了流动。我们认为瓶内空气流动是因为冷空气和热空气相互碰撞引起的。

师：有不同意见吗？

生2补充：我觉得空气流动不是冷热空气的互相碰撞，而是热的空气上升后，冷的空气从瓶口补充进来。

师：大家同意谁的想法？

生：后者。

师：如果老师将蜡烛换成一个很热很热的灯泡，你觉得会产生相同的效果吗？

在老师的引导下进行类比推理，深度思考空气流动的原因。

生1：不会，灯泡不会像蜡烛火焰一样冒热气。

生2：我觉得会，热空气不是火焰冒出来的，只要是热源都可以加热产生热空气，并且热空气上升后，冷空气就会自动补充进来。

在学生的纠错补充中逐步归纳总结出空气流动的真正原因：温差。

师：大家觉得有道理吗？

生：有。

师：也就是瓶子内外只要存在冷热温差，便会造成瓶内空气的流动。

师：热空气上升有冷空气进行补充，那么冷空气会不会用完呢？

生1：不会，冷空气就是周围的空气，太多了。

生2：冷空气进入瓶内较多，热空气向上出来后根本无法及时补充，最后会用完。

师：所以最后周围的空气都变成了热空气？

生：不是的，我觉得不会用完，热空气上升后会变成冷空气，和周围的冷空气一起进行补充，如此循环起来，就会有源源不断的风。

引导学生对形成的新概念进行深入思考，逐步迈向完整的科学概念。

3.比对原型，突破思维

教师的板书是开展于空间、表现为静态、感之于视觉，以展知识的“核”而存在于黑板上的一种艺术。它是整个教学思路和内容的浓缩，也是课堂教学的重要环节，在风的形成这一课，我通过四次板书，及时捕捉学生生成的科学概念，将之突出标记来展现学生梯度形成的思维发展。第一步：通过演示热气球上升，形成热空气会上升的概念；第二步：模拟风的形成，蜡烛点燃后，发现瓶内热空气上升，冷空气会补充；第三步：组间深入研讨交流瓶外空气流动的情况，发现热空气上升后会成为冷空气下降补充，从而循环往复造成空气流动形成风；第四步：把蜡烛换成太阳，从模拟逐步过渡到真实，引出自然风的形成。在四部曲的板书整理中，展现了学生思维梯度的发展轨迹，同样在记录、交流、梳理的整个过程中也帮助学生逐步构建起了完整的风形成的科学概念。

四、微课模拟——筑科学概念之城

通过风的模拟实验，学生初步感知了风形成的过程，而要将其类比推移到自然界中，说出自然界的风是怎么形成的，却并不那么容易。因此我在完成风的形成模拟实验之后，设计加入了一段解释自然风的微课视频，简单直观。该微课的制作立足于学生的前概念，在他们掌握了风向概念的基础上，结合本堂课所学的知识概念，让学生能够在脑海中建构起较为真实的空气对流模型，从而轻而易举地帮助学生解释各种风向的成因，逐步从模拟走向真实。

总之，当用常规实验探究的方法不能作用于研究对象时，当研究对象陌生、不直观时，可以尝试采用建立模型、模拟实验的方法进行研究。学生在课堂中亲历模拟实验的过程，在教师的引導下，通过分析、比较、归纳、判断和推理，凸显学生的科学思维，从而促成科学概念的建构，提升学生的科学素养。

参考文献：

[1]杨志炎.小学科学模拟实验教学策略[J].基础教育研究，2016（18）.

[2]喻国凤.谈小学科学模拟实验的七环指导[J].中小学教材教学，2015（11）.

[3]杨晓鹏.小学科学建构科学概念的策略研究[J].教育教学论坛，2013（7）.

编辑 李建军