刍议模型建构在初中科学概念教学中的运用——以《简单机械》教学为例

孙丽莉|浙江省杭州市第十五中学教育集团

《义务教育科学课程标准（2022年版）》指出：科学思维是从科学的视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式。模型建构是科学思维的主要内容之一，科学知识学习中有很多核心的理论概念需要教师带领学生分析归纳并系统掌握，而模型建构法对指导学生快速理解相关概念体系有着重要作用。下面，笔者以浙教版义务教育教科书《科学》九年级上册（以下简称“浙教版《科学》九上”）第3章第4节《简单机械》的教学为例，阐述模型建构在初中科学概念教学中的运用。

一、在真实情境中开启模型建构

情境指教学真实客观的知识问题背景，在课程内容设计和教学评价过程中，教师要同样重视问题情境的科学创设。导入的课堂情境应该是学生所熟悉并理解的，这样教师就能从课堂一开始吸引住学生的注意力，使学生广泛参与。《简单机械》开篇第一句就说“我们用筷子吃饭、用剪刀剪纸，都在使用简单机械”，然后讲到了自行车等的每个部件都是简单机械，接着给出开瓶器等图片，让学生仔细观察并体验它们在使用过程中有什么共同特征，其目的就是让学生通过熟悉的生活情境来建构杠杆的模型。

二、在问题链中形成模型建构

（一）实践中找问题

科学学科的形成和发展是在实践中进行的，脱离实践中的问题，科学将失去本质意义。毋庸置疑，科学学科中的概念既是教学的重点又是难点。而问题情境教学往往能使学生获得相应概念的感性思考和理性认知，产生强烈的认知共鸣或认识冲突，引发学生对现象进行深入思考。因此，教师应该有意识、有针对性地创设各种问题情境，设计由相互关联、有内容指向、有进阶关系的多个问题组成的问题链。问题链的设计能使模型建构更加丰满立体，拓宽学生思维的张力。

（二）简单机械中的问题链

教师可借助问题链进行有效的课堂提问，基于高阶思维建构以核心素养为导向的科学课堂。

1.围绕教学目标提问

针对“让学生明白杠杆定义”的教学目标，教师可让学生尝试使用给出的各种工具，并找出这些工具的共同特征。

2.从“最近发展区”提问

设计的问题链要有一定的难度和挑战性，并且让学生能根据旧知来整合回答。如让学生从常用工具中总结出杠杆有哪些要素。又如力臂是新的概念，但学生学过力的概念，教师就可提问：“力臂与力的三要素有什么不同？仅从力的三要素出发能描述杠杆吗？”

3.以进阶式程序提问

学习的过程往往是新知代替旧知、先易后难、层层深入的，问题链的实践过程也一样需要循序渐进、抽丝剥茧。如学生知道物体的平衡状态、物体在水平面上做匀速直线运动时拉力等于摩擦力，教师可分别提问“杠杆平衡是怎样的”“物体在斜面上，拉力等于摩擦力吗”。

4.基于拓展迁移提问

教是为了不教，所有的教学到最后一定是培养学生的理解应用能力。教师要引导学生将所学知识重构、内化，帮助学生学会迁移应用知识。在提问的过程中，教师也要有意识地强化这一点。如刚学完杠杆基础后，教师可以引导学生思考“除了平常会接触到的一些杠杆形式，有没有发现什么特别的杠杆或变形的杠杆”，从而引出滑轮。在滑轮原理的实践教学过程中，教师要先让学生自己动手并根据杠杆原理的五大要素找一找滑轮的五要素，培养学生的知识整合迁移能力。

三、在深度学习中研析模型建构

要掌握概念的本质，学生必须对概念有深度的理解和加工过程，因为“思维是构成学生核心素养的重要方面，科学教育的根本目标是发展学生的思维……观察和实验只能为我们提供感性的材料，而对事物本质的认识则需要借助比较分析、抽象概括、归纳演绎等思维方法而获得”[1]。数学模型是解决复杂问题的常用方法之一，在这一节的教学中，笔者就让学生运用数学模型来分析简单机械中力的变化关系，引导学生进入深度学习。

例：吸盘式挂杆挂有平底锅的挂钩沿光滑水平横杆从P点开始向吸盘B移动（图略），若吸盘与横杆的重力、吸盘大小均忽略不计，设挂钩与吸盘A的距离为l，则吸盘B受到的摩擦力F的大小与l的关系图应该怎么画？

要解决这个问题，就需要不断地去研析模型。第一步，找到杠杆的五要素，尤其要确定支点位置；第二步，利用杠杆的平衡条件F1×L1=F2×L2；第三步，建立数学模型。通过分析得到G×l＝F×LAB，所以F＝lG/LAB，这是一个正比例函数。而在现实生活中，挂钩与吸盘A的距离l是不可能为0的，因此数学模型中的前面一段是取不到的。

数学模型能将简单机械的本质概括出来，化繁为简，使概念更加深化具体。教师引导学生对数学模型结合实际不能取的一些点进行分析，可让学生在懂得如何用数学模型作简化的同时，又不忘生活中的实际情况，帮助学生发展理解能力和探究能力。

四、应用大概念完善模型建构

（一）对概念的整合内化

模型建构是新旧知识间跨越、理解、应用和迁移的过程。通过模型建构，我们不仅能把图表数据整合起来，培养学生的理性思维，还能把很多小概念整合在大概念中，使学生所学的知识由零碎变得整体化。

（二）简单机械中的大概念

温·哈伦指出：“科学大概念是有组织、有结构的科学知识和模型，这些大概念能够解释大范围内的一系列的相关现象。”[2]浙教版《科学》九上第三章以“能量”为主线，并贯穿整章。在实际问题中，机械克服阻力作用所做的功一般由两部分组成：一部分是克服有用阻力做的功，称为有用功；另一部分是克服机械摩擦力等额外阻力所做的功，称为额外功或无用功。两者的和就是总功。那么对于简单机械，我们如何从大概念的角度去理解呢？

1.确定合适的大概念

在学习简单机械之前学生已经学习了力和功的基本知识。简单机械内容是对前面知识的综合和提高。这其中包含了两个大概念：力和功。力是改变物体运动状态的原因；功是能量转化的量度。教师要引导学生从这两个角度去理解简单机械。

2.利用概念视觉图

《简单机械》一节包括杠杆、滑轮、斜面。其中，杠杆的定义、平衡条件、分类，滑轮组的动力、阻力的分析，斜面上物体的受力分析等，均可以由“力”这个大概念统领；有用功、额外功、总功、机械效率等的分析，则可以由“功”这个大概念切入。为了让学生能够更好地理解复杂的知识，教师可以使用概念视觉图让知识整体化、结构化。

3.抓住概念间的联系

教师必须让学生清楚力和功的关系。力（重力、摩擦力、弹力）是物体与物体之间的相互作用；而物体在力的作用下沿力的方向通过了一定距离，就说明该力对物体做了功。重力做的功与路径无关，只与物体的始末位置有关。弹力做功的多少与发生的弹性形变量有关。摩擦力做的功与实际路径有关。

五、在解决问题中应用模型建构

对学生来说，有效的概念学习，不是机械的记忆，而是深刻理解从大量的实验和广泛的数据统计中揭示的规律和原理，并将其应用于解决实际问题，进而在应用过程中逐渐提高知识获取、实践操作、思维认知等能力。知识的迁移与应用是知识概念建构的拓展和延伸。

而以核心素养为指向的教学，在很大程度上指向的是一种“解决问题”的能力。教师引导学生利用模型建构可以解决以下几个问题：（1）杠杆的动态平衡（解决方法：确定杠杆的五要素，利用杠杆的平衡条件）；（2）杠杆如何最省力（解决方法：确定支点，找到最大的力臂）；（3）变形杠杆，如滑轮、滑轮组（解决方法：受力分析、功的原理）。

例如，浙教版科学九上在第88页中呈现了用木棒撬动石块的生活实例，其目的是让学生明白杠杆的支点、动力、阻力、动力臂、阻力臂。笔者认为可以深化此图的作用，如让学生思考“要撬动大石块，教材中给出的是最省力的方式吗？怎样才能最省力”等问题，通过实际问题的应用，让学生产生思维冲突，感知杠杆的支点是可以改变的，要省力就得让动力臂尽可能地长一些。在实践中建构模型，可使学生更加灵活地学习知识，并抓住知识的本质。

六、在归纳实践中具化模型建构

科学是一门重视怎么做的学科，模型的建构就是做的过程。学生往往要反复观察，仔细思考，在动手的过程中领悟模型建构的方法。

如笔者让学生课后自制杠杆，学生利用一次性筷子或食堂里捞面的木棍等完成。学生还用自制的杠杆称量了文具、水果等，这让学生明白了确定支点的重要性及生活中处处有科学的道理。此外，教师还可以引导学生利用废弃的硬纸片、针筒或乐高玩具制作简易的起重机，让学生在动手实践中体会简单机械的应用。通过这些活动使模型具化，让学生深刻理解简单机械的理论知识。

意大利教育家蒙台梭利有一句风靡全球的教育名言：“听了，会忘记；看了，能记住；做了，能理解。”这句话告诉我们，通过灌输，学生对知识的理解是肤浅的，要让学生对知识有深刻的理解，必须让学生多活动、多体验。同时在做的过程中，教师还需要不断地引导学生对活动中所获得的信息进行理性分析，让学生透过现象看本质，进而对概念形成深刻的理解。

综上，模型的建构有利于把复杂的科学事物和概念抽象化，有利于学生的科学探究和思维能力的培养。当然，科学的本质内涵非常丰富，教学的方式灵活多样，模型建构只是认识世界的一种方法，而不是万能的。模型的建构是一个需要不断修正的过程，而在这样的过程中，学生的探究素养会逐步提高。