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

□ 潘利峰 刘国良

模型是人们对客观事物及其运动规律做出简化的描述、概括、模仿或抽象。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现象、原理或过程。通过模型建构可以把难以感知的客观现象或变化过程抽象为简单的模型，帮助学生理解事物的本质特征和变化规律，掌握问题的描述和解决方法，使其在头脑中形成简洁而形象的思维图式，从而达到认识客观世界的目的。

模型建构既是科学探究的方法，也是科学探究活动的内容。在科学探究的过程中，教师应针对不同的探究问题引导学生建构各种模型，借助实物、文字、图像或数学等表征方式来呈现事件的现象和过程，或者对客观事物进行简化和抽象。模型建构有助于学生拓展科学探究体验，理解科学探究本质，实现深度探究。

一、建构实体模型，体验科学探究方法

实体模型是指根据相似性理论制造的按原系统比例缩小、放大或与原系统等大的实物。建构实体模型需要参照研究对象的运动过程、结构大小、形状及状态等特点，抓住研究问题的主要属性，建立一种理想化和高度抽象化的物理过程和实体。心理学家皮亚杰在《发生认识论原理》中指出：认知还处在具体运算阶段的儿童，思维仍然需要具体事物的支持，其认知的发展离不开对具体事物的操作，逻辑思维只能应用到具体的或观察到的事物上。教学中，有很多科学现象是人们无法触及和直观感知的，学生无法将其与已有经验和概念图式有效衔接，难以找到探究的切入点。因此需要建构相应的实体模型来表达事物的主要特征，依据事物特征设计探究活动，为学生搭建有效学习的支架以拓展其探究的体验。教师在指导学生建构实体模型的过程中，要对研究对象的主要属性进行观察、分析、比较和推理，以提高学生在探究过程中的行为投入，更容易产生对科学探究的直接体验，从而同化或顺应原有的认知结构，建立新的概念图式。

以三年级上册《把盐放到水里》一课为例，学生在水中加入食盐并搅拌，观察食盐在水中的溶解现象。由于食盐遇水后会分解成氯离子和钠离子，分散到周围的水分子之间，这是用肉眼无法直接观察的微观现象。学生操作后发现放入水中的食盐颗粒消失不见了，就此产生了疑惑：食盐颗粒肯定在水中，但以什么形式存在呢？教师发现学生的疑惑后，及时引导学生思考和讨论，达成结论：食盐在水中变成了肉眼看不见的微小粒子。为了进一步帮助学生直观感知溶解后食盐水的状态，教师分别用三种大小、颜色不同的小球代表氯离子、钠离子和水分子（忽略其具体的分子结构），将它们放入透明的玻璃瓶中均匀混合在一起，借助小球模型把溶解后的微观现象与可直接观察的宏观状态对应起来，帮助学生建构食盐溶解的科学概念。

如六年级上册《太阳系大家族》一课，需要指导学生认识各个行星在体积和距离上的差距。教师在课前组织学生收集有关行星直径和与太阳距离的数据，在课堂上引导学生把这些数据按一定比例缩小，得到制作实体模型的数据（忽略行星的其余特征）。通过观察和对比这些利用数据建构的行星实体模型，学生直观体验了各个行星在体积和距离上的巨大差距，使这些不便观察的宇宙天体以模型的形式直观呈现，帮助学生建立起行星体积及距离比例的概念图式，有效地体验科学探究的方法。

二、建构概念过程模型，亲历科学探究过程

概念过程模型是指利用科学的归纳方法，以对研究对象的观察、抽象形成的概念为基础，呈现概念之间的关系和影响方式的模型。皮亚杰认为：学习并不是个体获得越来越多的外部信息的过程，而是学到越来越多有关自身认识事物的程序，即建构新的认知图式。概念过程模型呈现了关联知识之间的逻辑关系，形象直观地表达知识概念的结构和形成过程，有助于学生整体把握概念内涵的各个要素，演绎和推理概念的探究过程，形成结构化的认知模型。

如六年级下册《有趣的食物链》一课，要探究自然界生物群落中存在的食物链现象。教师指导学生从绿色植物开始，寻找生物之间的食物关系，并按照“谁吃谁”或“谁被谁吃”的关系把生物连接起来。学生通过绘制食物关系图（见图1），发现自然界生物间存在着链状的食物关系，这种关系涉及绿色植物、草食性动物、肉食性动物等多种生物。每种生物都是这种链状食物关系中的重要一环，从而形成食物链的科学概念。通过建构多条食物链模型，学生发现一种生物会同时处于多条食物链中，多条食物链构成了网状食物关系，每种生物都是网状食物关系中的一环，相互影响，彼此制衡，进而形成关于自然界生态平衡关系的科学认知。

图1 食物链组成的食物网

又如四年级下册《物体改变形状以后》一课中，教师指导学生在动手操作一系列有弹性的材料之后，归纳这些材料的共同特性：施加外力后物体形状会改变，撤去外力后又能恢复原状（见图2）。对于这个特性，学生有直接的经验，但对弹力的施力物和受力物却分辨不清，容易混淆。于是，教师组织学生用文字或简笔画记录这一特性，并加以说明和评价。学生因此厘清了概念“物体具有弹性”的产生和探究过程，并继续探究弹力——撤去外力后，物体恢复原来形状和体积时对外产生的力。这样的探究过程富有逻辑性，使学生理解了弹性和弹力这两个概念的建构过程。在此基础上，教师继续引导学生探究还有哪些物体也具有弹性或者能产生弹力，从而让科学探究从典型材料向一般材料延展，从物质的显性特征向隐性特征运动。学生亲历科学探究的过程，深刻体验科学探究的乐趣。如此的科学探究才能走得更远。

图2 弹性材料的共同特点

三、建构数学模型，领悟科学探究本质

数学模型是基于实验数据，运用诸如符号公式、图形、算法等数理逻辑方法和数学语言符号建构的模型，主要包括静态函数模型和动态图像数学模型。爱因斯坦认为：科学家必须在庞杂的经验事实中抓住某些可用精密公式来表示的普遍特征，由此探求自然界的普遍原理。儿童的认知结构发展到具体运算的后期，就能够逐渐摆脱对具体事物的依赖，通过实验获取、分析、判断实验数据，发现隐藏在数据中的科学规律，并用数学逻辑符号和数学方法建构相应的数学模型，以描述这些规律，促使学生的认知由操作经验层次向理性思维深度发展，由具体形象思维向抽象思维方向过渡，最终透过表面现象发现事物的本质特征。数学模型让学生意识到科学探究的本质不仅是为了得出数据，还要对数据进行科学的分析、判断、概括和归纳，提炼出科学理论并重复验证。

静态函数模型是指系统各量之间的关系描述不会随时间的变化而变化，数据之间变化规律一般都用函数关系式来表达，当函数关系式中的自变量发生变化，应变量也随之改变。学生在教师的指导下，通过对数据变化情况的运算分析，找出因变量与自变量的对应关系并建立相应的函数模型，从数学角度来认识和描述客观世界的线性变化规律。

如五年级下册《怎样移动重物》一课的教学中，教师引导学生探究平衡尺省力的奥秘。在重点离支点的距离和所挂钩码数量固定的情况下，通过小组合作的方式，学生探索平衡尺保持平衡的阻力作用点位置和钩码数（见表1）。

表1 平衡尺保持平衡的数据

教师引导学生对数据进行分析，从数量关系的角度来观察和描述平衡尺保持平衡的规律。经过小组合作讨论和研究，学生发现了平衡规律：重点到支点距离×钩码数＝力点到支点距离×钩码数。这时，教师并没有急于下结论，而是让学生思考如何验证这一规律。学生进行多次分组验证后确认了平衡规律，并在这一数理逻辑规律的指导下设计了新的平衡方案，即杠杆原理的简化形式：阻力臂×阻力＝动力臂×动力。通过建构各变量的函数模型，使学生摆脱了直觉行动性思维的限制，向着演绎推理和形式运算能力发展。

动态图像数学模型是运用图像描述系统各量之间随时间变化而变化的规律，并根据图像变化解释已知的实验结果，预测还未发生的事实。动态图像数学模型不仅能描述事物的变化过程，还能反映变化趋势，使学生形成关于事件在过去、现在、将来随时间发展的表象系统，从而在整体上连续把握客观现象的发展和变化规律，达到认识事物特殊性质的目的,并能有效迁移到其他非线性变化事物的观察和研究中去。

如四年级上册《冷热与温度》一课，学生需要在教师的指导下，连续测量一杯热水停止加热后的温度数据（见表2），并根据测量出的水温数据绘制成柱状图或曲线图（见图3、图4），通过动态图像模型使测量数据直观显示出水由热变凉的非线性变化过程，使抽象事件的探究过程可视化，使复杂的变化过程形象化，从而得出相应的结论。

表2 热水降温记录表

图3 热水降温变化柱状图

图4 热水降温变化曲线图

利用测量数据绘制了柱状图和曲线图后，教师可以让学生解释和预测水温的变化趋势，培养学生利用模型进行解释的能力，并将这一方法应用于其他探究。例如，加热过程中，油温上升；停止加热后，油温下降。动态图像数学模型使实验数据用数学方法分析、概括科学结论的步骤可以向不同问题迁移，促进学生对科学探究本质的深度理解。

听过的会忘记，看过的会记住，做过的才会理解。模型建构作为一种科学探究方法和探究活动内容，可以让学生主动愉悦地参与科学探究，亲历科学探究的过程，自主建构科学概念，产生有效的思维进阶。教师在引导学生建构各种模型进行科学探究时，需要根据教学目标及探究内容，结合学生的学习特点和认知能力，选择和运用各种类型的模型进行建构，拓展学生的探究体验，领悟探究的过程，理解探究的本质，从而实现科学探究向深度发展。