初中科学建模教学的策略与路径

王红燕|浙江省安吉县安城中学

模型反映客观事物、现象和过程，是对客观事物或某种过程的表征方式，是认识事物本质属性及其相互关系的一种方法。建模教学通过创设情境帮助学生建构模型，引导其不断检验和修正自己的模型，并将模型迁移运用到新情境新问题中。《义务教育科学课程标准（2022 年版）》指出，模型建构是指“以经验事实为基础，对客观事物进行抽象和概括，进而建构模型；运用模型分析、解释现象和数据，描述系统的结构、关系及变化过程”。由此可见，模型建构是科学思维的重要方式和途径。建模的历程可以让学生亲身经历科学家的主要活动，体会大胆猜想、建立假设对实验结果的重要作用，思考事实证据与科学结论之间关系对科学研究的价值。有效开展建模教学能让学生亲身经历模型建构、修正和拓展应用的过程，从而提高建构知识和解决问题的能力，逐步培养高阶思维能力。

在科学教学中，模型被视为是对真实世界的表征，建模则是对模型的建构，即从复杂的现象中，抽取出能描绘该现象的元素或参数，并找出这些元素或参数之间的正确关系，建构足以正确描述、解释该现象的模型的过程［1］。学生对模型的认识影响学习结果。建模教学可促进学生模型认知能力的发展，培养学生的推理和论证、质疑与创新思维。

一、建模教学的一般路径

模型是将理论和实践有效联结的纽带，开展建模教学需要在一定的情境中，为了解决真实的问题，而进行一系列的模型建构过程，通常包含模型建构（表征模型）、模型检验修正、模型迁移应用等。

学生在面对复杂现象或问题情境时，会运用猜想、类比等方法初步建构模型，并借助文字、符号、数字、图形等进行表征。学生个人表征的方式和过程是否科学合理，需要在师生交流、生生互动中，去评价检验，然后逐步修正和完善，并将修正后的模型迁移应用于新的情境。如果可以初步匹配，接下来可对模型进一步优化、表征，如果发现不合适，需要再次循环建模。建模教学的一般路径如图1所示。

图1 建模教学的一般路径

注重建模教学过程设计，不仅能让学生建构的模型更形象和科学，也能在交流互动中培养学生与他人合作以及勇于质疑和思辨的能力。同时，交流互动的过程也为模型的完善搭建了思维进阶的桥梁。

当然，建模教学的过程并不是固定不变的，教师可根据学生的认知基础和思维水平设计学习历程，从而更好地帮助学生在学习过程中发展自己的模型，并使其最终与科学模型达成一致，真正促使学生运用模型推理论证，培养批判性思维能力和创造性思维能力，进而发展核心素养。

二、建模教学的基本策略

初中科学学科中的许多概念比较抽象，教师需要将复杂的科学现象抽丝剥茧，让学生抓住主要的因素，用简洁明了的模型去探究关键的原理。而通过建模活动，引导学生深入理解知识的形成过程，是促进学生科学核心素养，尤其是思维能力提升的重要教学策略。开展建模教学，一定要让学生参与到丰富的建模活动当中。这些建模活动包括对于模型的认识、诠释、建构、应用以及修正。教师要引导学生理解并利用模型来阐释事物的工作原理，解释复杂的科学问题，通常可以从模型建构和模型认知两方面进行设计。

（一）利用模型表征与建构培养模型建构能力

科学家持有的模型与学生理解的模型是不一样的。在教学之前，学生对于世界的理解是零碎且没有条理的，而模型是理论和实践的中介，从实践到理论或从理论到实践，需要通过建构模型等方法来实现。因此，模型是发展概念、推理和解决问题的基础。建构模型是进行科学思考的前提，它让我们能够对想了解的自然现象进行研究。从粗化单一的表层模型到可以迁移运用于新情境的理论模型，是在建模教学中不断引导学生深入学习的结果。模型建构需要经历由简入繁，从单一到复杂的渐进过程，这将使其成为从实践到理论的推手。

1.联系生活情境，建构实物模型

实物模型指依靠物体的基本形态所做的模仿，也可以是根据相似原理，按原系统比例或缩放构成的实物。因其与学生观察到的或了解的实物最接近，学生更容易接受和理解。在建模教学的过程中，教师可以有目的地引入或创设生动形象的生活情境，激发学生学习的兴趣，帮助学生将知识和问题具体化、情境化。

运用生活中的材料制作实物模型是培养学生建模思维的一种重要方法。教师要引导学生发现科学与生活的紧密联系，让学生以生活化的材料建构实物模型，并在这一活动中习得知识，提升建模能力。例如，为了研究流体流速与压强的关系及其在生活中的应用，教师可先让学生进行观察分析，了解事物原理，再让学生利用身边材料建构出实物模型。对海面上并排航行的两船相撞问题，学生可以制作两只纸船，让其浮在水面上静止不动，再用注射器向两纸船之间的水面快速喷射水柱，观察纸船的偏转方向。这种实物模型的模拟过程能让学生更直观地了解事物的发生过程，进而能够结合学到的知识加以解释，培养模仿、设计、分析和归纳能力。以此模型为基础，教师可让学生尝试运用相关知识建构更复杂情境下的实物模型，从而更好地解决问题，如“H”形地下通道中过道的通风问题、风洞实验中的飞机模型等。

素养化的建模教学指向问题解决，学生建构的实物模型是基于对事物表象的观察，以及对现象原因的探析，进而了解事物发生的本质原因。这样的建模方式不仅能激发学生的学习兴趣，而且能在运用实物模型解释和解决问题中培养学生的论证思维。

2.加强探究实践，建构思维模型

思维模型是人们凭借外部活动逐步建立起来并不断完善的基本思维结构。它是思想的基本过程，是认识事物的指引，是解决问题的框架。探究实践是科学教学活动的主要形式，指在教师引导下，学生主动地展开探究，开展团队协作，充分实现完整的建模学习，锻炼建模能力，它可为学生的后续发展奠定基础。

在教学浙教版义务教育教科书《科学》八年级上册第2 章第3 节《大气的压强》时，笔者将该章内容与生活情境充分结合，让学生开展多形式的探究实践活动，如吸饮料、瓶中取袋、瓶吞鸡蛋等。在这些活动的实践过程中，笔者引导学生观察、分析实验现象，寻找这些现象中的共性问题，如：吸饮料的时候，吸气使吸管内气体减少，气压减小，外界大气压大于吸管内气压，所以饮料被压上来；瓶吞鸡蛋实验中，先将燃烧的棉花放入锥形瓶，然后将剥壳的熟鸡蛋放在瓶口，可以观察到燃烧结束后一会儿，鸡蛋会进入瓶内，这是因为燃烧不仅消耗了瓶内的气体，放热也使瓶内的部分气体被挤出，瓶内气压减小，外界大气压将鸡蛋压入瓶内。在对现象进行分析的过程中，教师要引导学生梳理归纳，建构起“建构封闭系统—改变一侧气压—形成压强差—呈现效果”这一思维模型。由此，许多问题便会迎刃而解，如对“瓶吞鸡蛋——如何让瓶子里的鸡蛋吐出来”这一问题，学生便可以设想将锥形瓶倒置后再加热锥形瓶，或将整个装置放到可以抽气的密封罩内等。

建构思维模型，可以帮助学生形成结构性思维，实现举一反三。在探究实践活动中注重建模思维的培养，学生的方案设计、解释数据证据、评价、创造等关键能力也会得到发展。

3.巧用科学方法，建构概念模型

概念模型通常指在概念化或概括过程中形成的模型，指向它所代表的系统的基本原理和基本功能。科学建模过程，是直觉思维向形象思维转化的过程，是将心智模型进行显化表示的过程，很多时候并没有实物模型展示。由于没有直观感受，也没有通用的思维模型，学生往往不容易理解。此时，如果采用合适的科学建模方法，帮助学生建立新的模型，学生就可建构出正确合理的科学概念。

类比是科学家建构模型最主要的方式。建立科学模型的过程中，利用学生熟悉的、已有认知的事物进行类比，可以帮助学生尽快建构概念模型。比如建立原子结构模型，需要根据α粒子散射实验去推测原子内部的结构，如果让学生通过极少数α 粒子反射回来这一现象建立起原子核的概念，就比较抽象，学生不容易将二者关联起来，但如果让学生观察用一个乒乓球去撞击一个小铁球后的反弹现象，再去类比抽象的微观世界，学生的思维就更容易迁移，概念建构就会简单很多。

理想化处理，是将问题简化，促成模型建构的一种方式。如利用生活中各种各样的简单机械“杠杆”，让学生寻找它们的共同特点，并从中抽离出本质特征，建构出“一根绕固定点转动的硬棒”概念，忽略粗细和形状等非必要因素，从而让学生认识到模型的形象、简洁等特点。在这样的概念建构过程中，学生能够理解该模型建构的重要特征，知道抓住研究对象的主要因素，而忽略次要因素、排除无关因素，简明扼要地揭示事物的本质，这就是一种理想化的表征方式。当然，理想化处理也有其局限性，它并不能代表事物的更多特征，只能传达它想要表达的基本的本质属性。

另外，利用生活实际、问题探究、实验演示等，通过真实的问题情境和实际应用来检验和发展学生的建模能力，将模型建构得更加科学和理想化，是建模能力提升的途径和表现。如“力臂”概念的建构，可以创设合适的问题式实验探究，如图2 所示，通过甲和乙—乙和丙—丙和丁的实验对比，促使学生经历“力的大小与作用点到支点的距离有关—与力的方向有关—与力的作用点到支点距离和方向都有关”层层递进的探究过程。通过对现象进行初步猜想，在猜想基础上实验论证，并进一步推理，学生的推理论证思维能得到发展，科学探究关键能力能得到培养。

图2“力臂”概念建构的实验探究过程

（二）利用模型检验修正与迁移应用提高模型认知能力

应用与实践是建模教学的核心，强调学生主动地进行检验修正并迁移应用模型的过程。学生的建模能力需要在实践活动中发展，因此将模型运用到实际问题情境中，能够更有效地促进学生能力和思维的发展。这样不仅能帮助学生建构知识，也能帮助学生对模型作进一步的评价和修正，学会具体分析模型与问题间的相互作用，体会模型的内涵。

1.在新情境中检验修正模型

科学教育的过程就是帮助学生建构和优化心智模型的过程，而不断提高模型的解释能力也是科学教育不断追求的目标［2］。教师要抓住学生生活认知与科学知识之间的冲突进行情境创设，聚焦真实情境，将真实问题转化为科学问题，引导学生利用建构的模型解决问题并迁移解决生活中的新问题。其中，利用已有的模型，就是学生分析模型、修正模型的过程。

如在光和颜色的教学中，对于霓虹灯为什么会发红光蓝光等，即透明物体的颜色是由什么决定的这一问题，教师可引导学生利用建模的思想对现象作出解释。教师可展示白光透过红玻璃片在白屏上会呈现红光的现象，让学生利用光路图来展示红光出现的原因分析。学生建构的光路模型会基于自身的原有认知，有一定的不足，教师需要组织学生对建构的模型进行交流和评价，然后演示三棱镜色散实验，让学生结合实验现象分析色光出现的原因，引导学生对建立的显性化模型作进一步的评价与修正。在应用模型分析实际问题的过程中，归纳总结模型的适用范围，可促使学生发散思维，形成批判性思维，进而提炼科学的思维方法，提升思维品质。

2.在新问题中迁移应用模型

学生对模型的认识是进行建模实践的基础，从学生对模型的理解可以判断其建模能力。学生能在熟悉的问题情境中应用常见的模型，或根据需要选用恰当的模型解决简单的科学问题，这就表明学生对模型已有了简单的认知。

如利用已有的“建构封闭系统—改变一侧气压—形成气压差—呈现效果”这一思维模型，在迁移解释新的问题情境中进一步检验和修正原有思维模型，使模型更完善。上述思维模型中关于改变内部气压的方式，可以进一步补充完善，如通过改变气体质量、体积、温度等来实现，改进后的模型如图3所示。这一模型不仅在解释迁移过程中得到修正和完善，而且可用于解释装置气密性检查的原理，还可用于气体发生装置的选择等，以实现跨学科的迁移应用。学生用建模的思想去解答生活情境中的复杂问题，是发展高阶思维的基础，因为能实现迁移应用就可以更好地理解模型。学生应用模型的能力，如基于模型的推理、表征等，可表现出学生基于模型的思维能力，而在新问题中迁移应用模型解决问题，则可锻炼学生归纳演绎等科学思维方法，帮助其实现对概念、事物特征的深度理解。

图3“气压差呈现效果”改进思维模型

3.在科学史中体验感悟模型价值

科学史是科学的发展历程，包括科学的起源、发展、应用和成果。把科学史作为培养学生科学建模能力的载体之一，可在科学史实的推进中促进学生对模型建构意义的理解。教师可以在历史的坐标轴中精心设计问题，引导学生经历科学家的探索历程，在建模、推理和论证过程中发展科学思维能力，真正理解科学知识。基于科学史的建模教学过程如图4所示。

图4 基于科学史的建模教学过程

需要注意的是，科学史本身并不能直接培养学生的科学建模能力，教师需要梳理并筛选适合进行建模教学的史实，以此充分体现科学理论“继承—创新”的辩证发展规律，引导学生认识到不断修正模型的科学价值，理解不同的模型都是在一定证据下的假设，能够解释某些自然现象，感悟模型建构的价值，进而提升推理论证与质疑创新等思维能力。

综上，模型是人们进行推理、论证、解释和创造的工具，在问题解决及探究实践过程中起到了非常重要的作用。科学建模素养体系的建构不是某个人的工作，其基本意旨是要传递科学教育最核心的育人价值：能进行科学建模实践活动并理解模型及建模在科学研究及社会生活中的意义，满足社会生活、工作的需要［3］。而如何有效开展建模教学，如何进行模型建构的进阶式教学以及学生建模能力的培养和评价等，仍有待进一步研究和实践。