初中科学模型法教学实践中模型构建策略探究

浙江省杭州市余杭区海辰中学 邰伦军

追溯科学发展历史，很多重要的结论与规律都是科学家经过猜想，构建理想模型，并通过实验验证，在模型与现实相符的基础上获得的。因而，在科学学科教与学的过程当中，建模思想的渗透、建模型能力的培养可以使学生进行体验性探索，并能领悟知识的形成过程。而在传统课堂中，因课时有限，教师为了追赶教学进度，会将重点放在课本理论知识的传授上，对培养学生建模思想存在点到即止的情况，使学生建模能力有所缺失。新课程背景下的课堂强调科学学科的教与学应以科学探究为核心，以科学知识为载体，以科学方法为手段。那么，如何才能将模型构建与课堂教学巧妙融合，达到课堂教学的有效落实和拓展学生思维的目标，结合多年的教学实践，本文对此进行了探析。

一、实验建模

教学中，一些较为抽象的科学理论若通过模型方式来呈现，会变得更加容易理解。教师作为课堂预设者，构建适当的科学模型展开教学，可以将原本看不到、摸不着的抽象内容直观地呈现在学生面前，增强学生的感性认识，帮助学生落实学习重点。学习者在认识科学对象时，通过一定的观察实验对所获得的科学事实进行初步概括后，利用想象、抽象、类比等方法建立适当的模型来反映代替客观对象，以揭示客观对象的形态、特征和本质，这个过程就是科学建模。学习者建构的科学模型可以是实物模型，也可以是思维模型。在科学学科教与学的过程当中，教师可以引导学生从已有的知识基础出发，通过亲身体验将从身边发现的现象和遇到的问题转化为科学模型。同时借助建构模型的平台，适时渗透其他科学方法，达到发展学生的创新思维、提升学生科学素养的目的。

浙教版八上教材“气体和液体的流速与压强的关系”是教学重点，教师在教学中除了通过实验向学生展示流体流速与压强的关系外，同时也介绍了该知识点在生活中的应用。但对于学生来说，此内容还是较为抽象，只能通过肉眼观察到的现象推理得出气体流速与压强的关系，很难透过现象抓住与理论知识相契合的点。如果通过模型构建，将其中的物理原理直观动态地展示给学生，让学生可以清晰地观察到液体流过内径变细的三通管时，杯中红色液体在大气压作用下被压入三通管下端的玻璃管中，这样的模型构建有利于学生透过现象理解科学本质，从而落实教学重点。

二、活动建模

新课程背景下的科学课堂强调将课堂还给学生，提高学生的自主学习能力，因而教师可以改变传统“边教边学”的讲授式的教学模式，对教材中的部分内容采取“先学后教”的方式。在开展课堂教学活动前，让学生对教材内容进行预先学习，学生对学习内容有了初步认识，然后通过教师引导使学生以独立或者小组合作的方式自主构建模型，在活动中寻找问题答案或者产生新的问题。教师根据学生的建模探究活动有针对性地开展教学活动，将课本理论知识与生活实际案例，以及学生构建的模型相融合，帮助学生在活动中拓展思维并突破学习难点。

如学习水的浮力时，学生对“影响浮力大小因素”虽有感性知识，但教材内容比较抽象，学生难以顺利建立浮力大小与液体密度和物体排开液体体积之间的知识框架。因此，教师可以在课堂教学开展之前从模型本身的特点先给予定义，引导学生用一张A4纸通过折叠自主建构纸船承币模型，在运用中进一步体会纸船浮力模型的内涵。在不断建构模型的实践过程中，学生围绕纸船这一研究对象，观察分析不同的船体结构图片模型并展开模型设计，通过亲身体验获得实验事实或证据来理解这一知识难点。这样的建模过程不仅激发了学生的探究欲望和创新思维，也锻炼了学生的动手操作能力，提升了学生建构模型解决实际问题的能力。

三、情境建模

科学教材整合性的特点决定了其中包含的很多知识点是相互联系和紧密结合的。教师若能在教学中预设一定的教学情境，与学生一起利用已学科学知识建立适当的模型，将相关联的知识通过活动有机融合，能够有效促进学生知识框架的建立和思维的拓展。

案例1：在学习“科学测量”有关温度计内容时，教师可以通过演示温度计的使用，引导学生细心观察温度计的结构和原理，进而组织学生利用玻璃药剂瓶和吸管等生活材料自制温度计。在构建温度计模型过程中，学生的动手实践能力和创新思维得到进一步发展。在此基础上，教师还可以进一步利用温度计模型进行知识拓展，结合气压计原理尝试建构气压计模型：用吸管向瓶中吹气，增大瓶内气压，吸管内形成一段液柱，得到气压计模型，以此激发学生对温度和压强知识之间的联系，以及两种测量仪器工作原理的更深层次思考，达到拓展思维的目的。

案例2：学习浮力知识应用时，教师可以利用引发诸多网友评论的某省高考语文作文题引导学生构建思维模型——小鸟仅靠一截树枝飞越太平洋，飞行时衔着树枝，休息时将其扔到海面上，并落到上面休息。这是真的吗？通个这样的生活背景，激发学生的探究欲望，师生结合学习过的浮力概念及物体沉浮条件，共同探讨建构基于物理公式的抽象模型。最后，通过分析推理得出数据：80g的小鸟至少需要衔起133—400立方厘米的树枝，120g的小鸟至少需要衔起200—600立方厘米的树枝……从而推翻了“小鸟衔枝飞越太平洋”故事的真实性。

四、趣味建模

科学对于部分学生来说，难在其抽象性，难在其本质之深藏不露的特点。透过现象将其本质挖掘出来，学生会有“恍然大悟”之感。因此，教师要善于挖掘，将教材中的内容分类归纳，引导学生去其抽象外表，将知识点形象直观地表现出来，激发学生的学习兴趣。

如七年级上册“地形与地形图”教学中，教材介绍篇幅比较简短，但要求学生记住并能说出地形类型和特点，内容较为枯燥乏味。教师可以结合《最强大脑》第四季“南海风云”比赛中，选手在空中用手迅速建构简单图形模型来强化记忆的方式激发学生兴趣，进而引导学生通过观察实景图或实物模型抓住地形的关键特点，用简单笔画勾勒出地形模型。这种简单而直观的表达方式，比语言和文字更形象，比实物和标本更灵活，借助简单描绘能使灵动场景从呆板概念中抽象而出，不仅能使学生的神经系统处于兴奋状态，有利于知识在大脑中的储存，也为学生搭建了具体事物与抽象模型之间的探究平台。这种简易立体的模型可以降低学习难度，使学生产生兴趣，开发学生的记忆功能，培养学生的创新思维，从而使学生对科学学科从被动接受到主动探索，从消极听课到积极动手动脑，为学生创造出良好轻松的学习氛围。

五、形象建模

以图像或具体物品形式展示研究对象，最显著的特征就是形象直观。在教学中，教师在展示模型和引导学生建构模型的过程中均要体现这种思想，以促进学生对知识点的理解，引导学生拓展思维，领会科学方法。同时，教师在引导学生建构科学模型的过程中，还要强调构建模型必须建立在以客观事实为依据的基础上，去繁化简，删伪留真。在建模之前，首先要通过观察、实验、统计数据、查阅资料等方法了解研究对象的特点，然后选择合适的材料，讨论恰当的展示形式。在建模过程中，要凸显由简到繁、由大而小、由外及内、由轮廓至细节的规律，逐步建构。初步建立模型之后，对模型的科学性要进一步审核，并进行相应完善，以达到能形象客观地反映研究对象特点的目标。

八年级下册“气体交换内容”教学，需要以推理、联想、分析、判断等思维过程作为基础，而八年级学生的心理特点以形象思维为主，对气体交换原理难以理解。若取部分矿泉水瓶模拟胸腔壁，以吸管模拟气管和支气管，气球模拟左右肺，橡皮膜模拟横膈膜建构呼吸结构模型，通过牵拉橡皮膜模拟横膈膜的运动，使研究对象更加生动形象，便于学生理解人体呼吸与胸腔容积之间的关系。这样既锻炼了学生动手实践建模的能力，也达到了引导学生灵活应用模型方法积聚知识的目的，从而提升学生的综合科学素养。

六、结构建模

在科学探究过程中，所研究的对象往往呈现出多层次、多要素、多变化为一体的特点，因此可以对它进行合理简化，抓住其关键特点，也可以通过归纳的方法体现对象本质完成建模。用语言表述或文本描述的形式，归纳研究对象实质特点的概念模型就是比较典型的代表之一，例如科学知识的相关概念、由相互联系的不同概念形成的概念图、对某一复杂过程的示意图等都属于概念模型的类型。建立概念模型，可以使学生对基础知识的理解进一步深化，并能清晰地建立各知识点之间的区别联系，使知识结构化，从而促使学生的归纳和表达能力得到提升。如人体免疫反应是一个比较抽象的教学内容，教师可以将生活现象和课本知识融合，建立过敏反应机理概念模型，直观呈现知识概要，从而解决教学难点。

七、材料建模

构建科学模型其实质是一种创新活动，一般流程可以概括如下：观察研究对象，大胆猜想；选择合适材料，精准测量；修正优化模型，开展探究。

（一）生活材料建模

生活中的很多物品都是建构模型的理想材料，好作品是灵感与生活的结合。在建构科学模型时，可以开发利用学生身边熟悉的材料，展开探究活动，这样更能激发学生的积极性和主动性，如蔬菜、水果、玩具、废旧物品等生活材料都可以加以利用。如在学习杠杆内容时，学生难以将生活实际问题与杠杆平衡条件建立联系，遇到“分簪问题”：“老妪留一金簪，二女分争，阿舅用线平悬，悬处分簪两不怨。”这样的分法真的公平吗？教师可以在课前结合生活情境，布置探究任务，让学生利用生活材料——胡萝卜、细线等代替簪子来构建模型展开探究，激发学生的学习兴趣。

学生通过小组合作的形式展开活动，尝试将粗细不均的胡萝卜用细线拴住不同部位并悬挂，直至胡萝卜能在水平方向静止悬挂。此时，沿竖直方向将胡萝卜在系线点分割成AB两部分，并用托盘天平称量验证，在充分调动学生的积极性之后提出杠杆平衡原理，进而通过杠杆平衡的学生实验进一步巩固落实，引导学生开展探究活动，归纳得出结论：杠杆平衡的前提条件是——“F1×L1=F2×L2”。这种结合生活材料的建模活动，能够让学生感受到科学的神奇，原来生活中信手拈来的材料也可以是研究科学的素材。同时，这样的课堂设计环节具有层进性，将生活场景引入课堂，连接了课堂内外，让学生感受到来自生活的科学，是学生玩得转的科学，也让整个活动环环相扣，节奏紧凑，让学生体会到科学严谨性的实质。

（二）身体材料为模

身体对于学生来说是最为熟悉的部分，对处于青春期的中学生来说，无论是从生理上还是心理上，身体器官对于学生来说，都是神奇而急于探索的。如在学习人体构造知识时，我们可以引导学生通过学习、观察身体内部结构图，然后通过小组合作，以团队的形式在其上绘制肌肉、骨骼、内脏器官。实际上就是模仿自己的身体建模，展开科学研究。整个活动中，我们还可以引导学生通过比较所绘制的器官位置、形状、大小的准确性，并不断修正，通过这样的建模活动让学生领悟建模不能凭主观臆断随意建构，而是要真实客观地反映对象，并且模型需要不断完善，最终向真实科学靠近的建模思想。

总而言之，注重引导学生养成建构科学模型开展科学探究的良好习惯，不仅能使学生真实地了解自己内心的需求，产生积极的动力，促进对科学概念的理解，养成主动发现、思考和处理生活中出现的科学问题的良好习惯。教师还可以在建模过程当中，潜移默化地渗透和整合其他科学方法，让学生摆脱传统教育思想的束缚，学会用脑思考、用身体探索，愿意主动寻求答案，尝试合作，不断创新，从而提高学生的综合科学素养。