基于模型建构思维进阶发展的教学实践

模型建构作为一种重要的科学思维方法，对于提升学生的科学素养和问题解决能力具有显著作用。课程标准明确指出，科学教育应当培养学生的探究能力、模型建构能力以及利用科学知识解决实际问题的能力。模型建构连接了科学理论与现实世界，它可以使抽象事物具象化、复杂现象简单化，并为科学现象的预测和解释提供依据，促进学生对科学知识、科学探究与科学本质的理解。

当前小学科学教育仍然存在一些问题，如重知识传授、轻能力培养、缺乏有效的教学策略等，导致学生的模型建构思维得不到充分发展。因此，如何通过教学实践有效培养学生的模型建构思维，成为当前小学科学教育亟待解决的问题之一。现以《风的成因》一课为例，探讨如何基于模型建构思维进阶发展进行教学实践。

一、聚焦核心概念，提炼建模要素

核心概念是学科知识体系中的基础，是学生必须深入理解和掌握的关键内容。建模是一种重要的科学方法，在教学过程中，教师需要引导学生从核心概念出发，提炼出建模要素。这些要素不仅是建构模型的基础，也是学生理解和掌握科学知识的关键。提炼建模要素是培养学生模型建构能力的关键步骤，通过聚焦核心概念来明确学习目标，通过提炼建模要素来深入理解和掌握核心概念，这样不仅可以帮助他们建立坚实的科学知识基础，还能提高他们的科学素养和创新能力。

《风的成因》一课是三年级“空气”单元的第七课，教师通过课前布置学习任务，让学生感知风的存在、制造出的风与自然界的风对比，基于核心概念“温度不同的空气流动起来形成风”，聚焦自然风与人造风产生的共性——都让空气流动起来了，激发学生思考大自然风的形成与哪些因素有关（如图1），从而提炼出冷热不同是造成空气流动从而形成风的建模要素。通过师生、生生互动，碰撞出思维火花，明确模型中各要素之间的关系，进而为建构简洁而有效的“风的成因”模型做好铺垫。

二、洞悉思维节点，优化建模准备

课程标准强调，科学学习要以学生为主体，立足儿童身心特点，遵循儿童的认知发展规律。三年级学生正处于形象思维向抽象思维过渡的阶段，他们能够进行一定的抽象思维，但仍然以形象思维为主，想象力也由模仿性和再现性向创造性的想象过渡。在建模前，教师要明晰学生的前概念和最近发展区，预见他们可能遇到的思维障碍，并据此优化建模准备，引导他们将所学的科学知识与日常生活中的事物进行联结。洞悉思维节点和优化建模准备也是相辅相成的，它们共同作用于学生建模能力的提升和科学素养的形成。

1.前测学情，触摸思维“脉搏”

当看不到具体事物的本质时，学生大多会联系具体形象的事物，根据自己已有的知识经验和主观因素进行猜测和推断，这就形成了前概念之间的认知冲突。这时，教师要精准把握学情，聚焦认知冲突，摸清学生的思维“脉搏”，引导学生思考，展开深度论证。

在上课之前，教师对全班进行了“风的成因”前概念调查，发现58%的学生认为大自然里本身就有风，30%的学生认为风的形成与空气有关，仅仅只有12%的学生通过课外阅读、查资料等方式知道空气流动形成了风。

通过前测学情，教师充分了解了学生对风的成因的思维层级。在教学中，教师让学生制造风，聚焦“为什么这样做能形成风”，引导他们分析自然风与人造风产生的共性，使其建构空气流动形成了风的初概念，从而进阶到核心概念“温度不同的空气流动起来形成风”的建构。

2.明晰问题，靶向突破目标

教师要基于对学情的分析和教材内容的研读，深入了解学生的前概念和最近发展区，努力建立科学知识与其已有经验的联结点，预见他们可能遇到的思维障碍，设计有针对性的问题，从而实现其思维的螺旋式上升。

该课要达成的教学目标是认识风是由温度不同的空气流动形成的，而难点恰恰是学生无法将模拟实验观察到的风与自然风的成因建立联系。因此，教师设计了表1中的问题链，靶向突破教学目标，从而实现学生思维从低阶到高阶的跨越。

教师设计的问题要明确引导学生解决什么问题，突破什么教学难点，发展什么能力等，同时要及时捕捉学生在学习过程中生发的问题，根据需求做出适当的调整。

3.化繁为简，注重模型设计

对于学生比较难以理解的教学内容，教师在教学设计时要将环节尽量简化，将模型设计摆在核心位置，这是学生思维由低阶向高阶发展的有效载体；要让学生在设计模型的过程中，发展对原型的理解与抽象能力，围绕“现象—推测—判断”的过程来辩证解释现象的成因。该课要求学生通过模拟实验观察到“冷空气会向热空气方向流动从而形成风”这一现象，教师按照如下流程进行了第一次试教（如图2左）。

发现问题：①该课内容对三年级学生来说有一定的难度，加之环节较多，教师想要面面俱到，没有将核心概念的建构贯穿整个教学；②活动设计的关联性不够，难以激活学生已有的与该课内容相关的知识经验解决核心问题，他们难以将模拟实验的原理和自然风的形成原因建立联系。

改进对策：教师将教学流程进行了简化迭代，围绕核心概念，由始至终引导学生经历运用模型法抽象“自然风的成因”，体现“真实情境问题→物理模型→解决问题”的思维过程，再借助实际问题，进行模型迁移、模型创新，从而建构并理解该课的核心概念（如图2右）。经过两次试教对比，模型建构的进阶教学效果更胜一筹。

三、搭建活动支架，亲历建模过程

教师为学生搭建活动支架来帮助他们亲历建模的全过程，可使他们在沉浸式进阶学习的过程中获取科学事实和相关信息，激发其学习热情。通过模型认识系统的结构、关系及变化过程，可促进学生对核心概念的理解，实现思维的进阶。

1.对比辨析，设计模型

模型的设计是一个“具体—抽象—具体”的过程，要唤醒学生对模型建构的认知，最重要的是创设与模型有直观联结的现实情境，包括科学的问题情境和学生熟悉的真实生活情境，使他们充分调动原有的认知经验。通过对比真实的情境分析模型建构的要素、设计模型，并在生生、师生间的互动中辨析模型设计的理由，能有效激活学生思维。

教学片段

师：（出示三幅校园拍摄图，聚焦大自然的风）大自然中是什么让空气流动起来从而形成风的呢？

生：可能是空气的冷热不同。

师：你觉得大自然中的冷、热不同可能是谁引起的？

生：太阳。

师：（冷空气用蓝色磁贴、热空气用红色磁贴）你能移动磁贴具体说说你的想法吗？

生：离太阳近的是热空气，远的是冷空气，热空气会上升。

师：（红色磁贴的原本位置空出后）那这里就空出来，没有空气了吗？

生：应该不会，周围的空气会流过去（移动蓝色磁贴），因为空气是无处不在的。

师：你能用箭头表示你刚才说的冷热空气的运动方向吗？

（学生调整磁贴图：这样它就流动起来了。）

师：按照你说的，这样就形成了风吗？我们可以做一个模型来检验你说的对不对。

（小组讨论设计模型所需的材料。）

师：这些材料分别有什么作用？怎样才能看出有风了？

（小组完成“风的成因”模型设计图，交流设计的理由。）

经过与自然风的成因猜测的磁贴图进行对比，唤醒了学生初步建构模型的认知，对比真实的情境，他们很快就明晰了各个材料在模型建构中发挥的作用。通过交流讨论，学生重点辨析为什么要设置对比模型（即观察蜡烛点燃前后的变化），提升了他们的比较、质疑、分析、推理等科学思维能力。

2.具象呈现，检验模型

具身认知理论认为，人的认知来源于头脑、身体与环境的互动。学生对抽象概念的理解需要借助具体的体验活动，根据自主设计的模型进行建构，以证据为导向检验模型，在亲身感知、体验真实探究的基础上，对呈现的可视化证据进行归纳总结。这是学生主动建构知识的过程，能使他们对事物或现象的认知从感性认识上升到理性认识。

教师通过创设真实的体验情境，让学生亲身经历模型检验的全过程，在记录单上画出自己小组的模型设计图，将自己的猜测进行具象呈现建构模型，引导他们进行双向模型检验（如图3）。

通过双向模型检验，引导学生聚焦证据，进行定性观察比较：对比分析点燃蜡烛前后出现的现象，初步得出冷空气会向热空气方向流动，形成了“风导致扇叶转动”的初步认识；通过蜡烛点燃后，将A口封住，观察塔香烟雾的流动方向又回到了最初的笔直向上，同时风轮没有转动，可见空气没有流进去，也就没有风产生，反向证明空气的流动形成了风。这使得整个推理论证的过程更加具有说服力。

3.联结图示，理解模型

三年级学生的理性思维仍然处于发展的初期，教师利用图示可以架起原有概念与研究方法之间的桥梁，将内隐的思考过程“可视化”。同时，通过精心设计的半开放式记录表单（如图4），用静态的图示记录重现动态的真实探究过程，能够突破教学疑惑点，帮助学生经历系统的思维过程，建立模型与原型的联结，从而更进一步理解模型的意义。

联结图示呈现了探究的全过程，比较、分析现象，进一步加深了学生对风的成因的认识，并快速有效地聚焦探究的核心问题：是什么推动了空气的流动，从而形成了风？

4.建模表达，建构概念

在探究教学过程中，由于缺乏一定的具有逻辑性和结构性的思维模式，学生对知识的获取是碎片化的，即使是对课堂上同一探究活动出现的相同现象或问题，也存在着不一样的表达。这就需要教师建构语言模型，架构观点与证据的思维阶梯，帮助学生明晰研究对象之间的关系，进而帮助他们实现从现象到结论的转化，从具象到抽象思维的进阶。

教师在辩证解构模型阶段提问：“你们觉得塔香应该放在哪里？如果放在里面，能否看到里面和外面的空气流动？”引发学生的思考后教师追问：“怎样形成对比，说明是冷和热的不同让空气流动起来的呢？出现什么现象才能说明产生了风？”进阶的语言模型帮助学生捋清思维，共享信息，进行思维碰撞，促进核心概念的建构。

在交流分享环节，教师出示表达范式，让学生开展归纳推理，提炼该课需要探究解决的核心问题，完善自然风成因的磁贴图，实现认知的进阶，建构核心概念。

四、迁移解决问题，发展建模思维

模型建构思维的培养不仅仅局限于课堂教学，更需要学生在实践中不断地应用和迁移。教师需要引导学生将所学模型建构知识迁移至实际问题的解决中，达到学以致用的目的。

1.回归本源，深化模型建构

在该课中，教师先帮助学生整理了从现象到证据的转化，再进行类比回到关键问题：大自然的风是怎样形成的？进一步提出关联问题：夏天我们这里经常会出现狂风暴雨的天气，狂风又是如何形成的？旨在引导学生运用已建构的风的成因模型进行预测和解释，将学生的模型思维从课内延伸到课外，通过解决实际问题，深化模型建构认识，提升思维品质。

2.反思迁移，内化建模思维

学生在动手、动脑中体验建模的全过程，在实践中感知模型的力量，从而主动迁移所学知识，尝试运用建模思维解决问题。教师引导学生从中总结经验，提问：“风的成因模型还有哪些地方需要改进？”促使他们不断优化模型，实现知识和技能的第二次迁移。通过反复实践与思考，学生逐渐内化建模思维，形成自己的思维习惯。

在进阶式建模教学实践中，学生逐渐学会了像科学家一样，以系统化、逻辑化的方式思考和解决问题，用最简单的形式——模型具象呈现出难以理解的、抽象的内容，不断突破自我认知。这个过程锻炼了学生在真实情境中的发现、分析、解决问题的能力，更在无形中塑造了他们的创新思维和团队协作精神。这种集开放性、自主性、科学性于一体的学习方式，帮助学生掌握模型建构的方法，培养他们用模型建构思维解决问题的能力，为其终身学习奠定了坚实的基础。

（作者单位：浙江省衢州市柯城区尼山小学）

参考文献

[1]喻伯军.义务教育课程标准（2022年版）课例式解读[M].北京：教育科学出版社，2022.

[2]史加祥.新课标背景下小学科学模型建构的教学理解与实践[J].中小学课堂教学研究，2022（07）.