模拟实验在科学教学中的应用研究

赖凤林

［摘 要］模拟实验是科学实验的重要组成部分，有利于对微观、超宏观事物以及人体内部结构等内容的研究。在小学科学教学中，模拟实验的落实存在着一些问题。以掌握模拟实验的知识为基础，结合教学内容，对不同类型的模拟实验进行实践，由此提炼出的“3W+D”思考模型，能够有效促进学生对模拟实验的理解、设计、分析、思考，让模拟实验有效助力学生科学核心素养的提升。

［关键词］科学课程；模拟实验；“3W+D”思考模型

［中图分类号］ G623.6 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1007-9068（2023）21-0081-03

新课程理念指出，科学学习要以科学探究为核心，以培养科学素养为要务。科学实验无疑是培养学生科学素养的重要载体，其中模拟实验占据着非常重要的位置。模拟实验是指当无法对研究对象进行实验时，在人为控制研究对象的条件下进行观察，模仿实验的某些条件进行的实验。模拟实验是直接实验的必要性扩充，有利于对微观、超宏观事物以及人体内部结构等内容的研究。

然而，在实际教学中，模拟实验的落实存在很多问题，如学生对原型和模型之间的关系理解不到位、对模拟实验的设计思路不清晰、难以构建和形成概念等。为了解决这些问题，教师要掌握模拟实验的基础知识，包括其作用和分类；要结合教学内容，对不同类型的模拟实验进行实践；要在实践的基础上归纳模拟实验的思考模型，促进学生对模拟实验的理解、分析、思考和掌握，让模拟实验的助学价值在小学科学教学中得到充分发挥。

一、模拟实验的作用及分类

1.模拟实验的作用

小学科学课程具有基础性、实践性和综合性等特点。教师要基于立德树人的要求培养学生的科学素养，为学生的继续学习和终身发展打好基础。由于科学实验内容多、涉及范围广、跨度大，使得部分科学实验难以在课堂上呈现。当无法直接进行实验时，模拟实验就成了很好的教学手段，能在一定程度上模拟真实的实验过程，以便学生进行进一步探究。因此，模拟实验是直接实验的必要性扩充，有利于学生对微观、超宏观事物以及人体内部结构等科学内容的学习和研究。

2.模拟实验的分类

按需要模拟的研究对象的内容进行分类，可以将模拟实验大致分为三类：事物形成原因模拟实验（下文简称为“成因模拟实验”）、运动变化过程模拟实验（下文简称为“运动模拟实验”）、事物内部结构及工作原理模拟实验（下文简称为“原理模拟实验”）。成因模拟实验主要是对事物形成原因的模拟，比如月球环形山的形成、雨水对土地的侵蚀、河流对土地的作用等。运动模拟实验主要是对事物的运动变化过程进行模拟，比如月相的变化、地球的运动规律、昼夜交替变化等。原理模拟实验主要是对事物内部结构及其工作原理的模拟，比如我们的耳朵是怎么听到声音的、我们是怎么呼吸的、我们是怎么消化食物的，等等。

二、模拟实验在小学科学教学中的实践

在科学教学中应用模拟实验，笔者认为可通过“3W+D”思考模型来厘清模拟实验的思路，即“What”——用什么来模拟什么；“How”——如何进行模拟；“Why”——为什么要这样模拟；“Discover”——在模拟实验中的发现。

下面分别就成因模拟实验、运动模拟实验和原理模拟实验三个类型进行教学实践。

1.成因模拟实验

以教科版科学教材五年级上册《火山喷发的成因及作用》一课为例。学生基于教材中的文字、图片，对火山喷发这一自然现象有了一定的了解，但这些了解多停留在感性认识的层面，较为浅显，未能认识到火山喷发这种地质作用形成的原因，未能透过形成原因对其影响进行深入挖掘。基于这样的认知背景，笔者通过火山喷发模拟实验来帮助学生了解这种地质作用形成的原因，结合模拟实验的“3W+D”思考模型展开教学（见表1）。

在这个模拟实验中，学生將实验材料、实验过程和自然现象关联起来，从而通过模拟实验，认识到自然现象形成的原因。

2.运动模拟实验

以教科版科学教材六年级上册《昼夜交替现象》为例。昼夜交替现象是我们再熟悉不过的现象，但太阳和地球是如何运动才形成了这一现象，是很多学生的困惑。教学本课时，笔者先让学生提出自己的看法，然后通过模拟实验来验证学生的猜测是否正确，最后通过讨论交流，推动学生形成正确的认知。结合模拟实验的“3W+D”思考模型，开展昼夜交替现象模拟实验（见表2）。

3.原理模拟实验

以教科版科学教材四年级上册《感受我们的呼吸》为例。本课需要学生了解参与呼吸的器官及它们的工作过程。由于我们无法直接观察身体内部器官的工作，于是笔者先让学生体验呼气和吸气时人体胸部和腹部的变化，再引导学生通过简易人体呼吸模拟装置进行模拟实验。根据模拟实验的“3W+D”思考模型展开教学（见表3）。

模拟实验让这些原本不可见的过程变得直观，学生基本能知道在呼吸的过程中哪些器官会发生变化，以及它们是怎样变化的、为什么会变化。模拟实验在小学科学教学中的应用，有利于提升学生的想象力、类比推理能力、观察力、分析力和创造力，提高学生发现、分析和解决问题的能力。

三、模拟实验思考模型的提炼和归纳

在对课例的实践、研究和思考中，笔者归纳、总结出了基于模拟实验的“3W+D”思考模型（见图1）。这个模型简单易懂，在促进学生对模拟实验的理解、设计、分析和思考等方面发挥作用。“3W+D”思考模型主要由四个部分组成，下面分别对每一部分进行具体阐释。

1. What：用什么来模拟什么

这一部分通过让学生思考“用什么来模拟什么”这个问题，促使学生在理解原型的基础上建构新的模型。需要特别注意的是，模型与原型存在本质意义上的相似性。比如在《我们是怎样听到声音》一课中，用纸卷成喇叭的形状来模拟耳廓，用有弹性的气球皮来模拟耳膜，这些模拟都关注到了模型与原型本质意义上的相似性，这样才能提高模拟实验的可信度。

2. How：如何进行模拟

在将模型建构起来以后，需要设计模拟实验的方案。之所以要让学生尝试设计模拟实验，而不是直接按照教师的讲授进行实验，是为了让学生在设计的过程中更加明确实验的目的。这个过程还能提升学生的类比推理能力、分析判断力和创造力。当然，模拟实验的设计对学生来说有一定的难度，教师可通过具有逻辑性和层次性的“问题串”，为学生提供脚手架，帮助学生顺利设计模拟实验。

3. Why：为什么要这样模拟

“为什么要这样模拟”这个问题是希望帮助学生厘清原型和模型之间的关系，理解实验方案为什么要这样设计，从而明白前面两个环节的意图，为后续概念的形成奠定基础。

4. Discover：在模拟实验中的发现

这个部分主要是希望学生在实验进行的过程中观察并记录实验过程和实验现象，从而进行分析、思考，并总结出所研究问题的结论，在此基础上形成概念。

“3W+D”思考模型是在多次模拟实验教学实践中归纳、总结和提炼而出的成果。运用这一思考模型进行模拟实验教学，不仅能帮助学生明确模型与原型之间的关系，厘清实验思路，对实验过程和实验现象的分析形成假说或建构概念，而且能培养学生的想象力、模型思维、逻辑推理能力和实验设计等方面的能力，使模拟实验教学更高效。教师要继续深化对模拟实验教学的探究，让模拟实验助力学生科学核心素养的提升。

［ 参 考 文 献 ］

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[5] 胡海良.模拟实验在小学科学课堂教学中的运用策略：以《谁先迎来黎明》的教学为例[J].教学月刊小学版（综合），2012（Z2）：23-25.

（责编 韦於坊 杜 华）