小学科学物理模型建构教学的实施策略

科学思维是科学学科核心素养的重要内容，包括模型建构、推理论证、创新思维。模型建构即以经验事实为基础，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。物理模型作为科学模型中最普遍的模型之一，在小学科学学习中被运用广泛。有的教师往往为了建模而建模，只追求一个外形与实物基本相似的模型，存在物理模型内涵不够丰富，模型建构教学不够深入等问题。

不同学者对物理模型有不同的界定。综合来看，物理模型即为了方便研究和表达，对原型进行简化或模拟，是一种体现科学思维的探究实践活动。物理模型建构教学的内涵决定了其类别的多样性，主要包括物质模型和思想模型的建构（如图1）。物质模型的特点是用实物模型模拟客观事物的真实特征，主要运用形象思维，包括仿真模型、比例模型、类比模型等。思想模型则是利用图示对事物进行理想化处理，舍弃次要因素，突出主要因素，主要运用抽象思维，包括理想化实体模型、理想化系统模型、理想化过程模型等。[1]例如，“橡皮泥细胞”是细胞形态结构的仿真模型，“行星距离线段标记”是行星到太阳距离的比例模型，“番茄酱土豆泥火山”是火山喷发成因的类比建模，“物体上红点的运动轨迹”是一种理想化的实体模型，忽略了物体的大小和形状；“食物网”是理想化系统模型，忽略了捕食的不确定因素；“日食的成因”是理想化过程模型，忽略了三者大小和距离的真实比例关系。

在物理模型建构教学中，教师要充分考虑学生的认知特点，不仅要通过真实简化、假想构图、问题驱动催化情境建模，还要引导学生用理解内涵、突出特征、科学解释精准分析模型，让他们通过比较、变式拓展模型，在建构概念、迁移系统、科学想象中应用模型解决问题（如图2）。

一、沉浸式带入，启动情境建模

情境能激发学生建模的兴趣并涵盖设定的主题。[2]通过沉浸式代入情境，学生能更真切地了解建模的目的和方向，主动完成物理建模任务。

1.原型启发，在真实情境中简化模型

只有通过观察、调查、实验等探究实践活动获取原型的事实经验，才能形成物理建模的初始材料。利用实物或图像对原型进行模拟或简化描述，这种模拟和描述必须建立在对原型的充分理解基础之上。要想还原真实情境，学生必须收集更为真实的原型信息。例如，在对地球内部结构建模时，学生需要收集地壳、地幔和地核的真实厚度数据以及不同层次的主要特征，对内部结构进行等比例换算，并用不同颜色的橡皮泥表示内部不同的温度。

在物理建模的过程中，如果没有指向性的引领，学生往往会比较随意，凭借自我感觉建造模型，而这种物理模型是不科学、不严谨的。教学过程中，教师要想让学生基于原型进行真实建模，就需要让他们对原型有充分的了解。

2.表象奠基，在假想情境中构建图景

教师即便创设假想的情境，也要先将学生置身于“看得见、摸得着”的情境下，因为一切的假想物理模型都建立在已有的认知基础上。教师以丰富的表象奠基，既能激发学生的情感，又能调动他们的想象和思考，从而使他们构建更清晰的物理图景。

阿基米德说，给他一个支点，就能撬起整个地球，爱因斯坦想象球体在完全光滑的地面运动，以及抱着一束光在太空中旅行，这些都是科学家在做思想实验时建构的超越现实的假想情境。许多科学研究都建立在假想情境的基础上，教师应该鼓励学生像科学家一样进行科学想象，引导他们利用假想情境建构物理模型，抽象出科学概念，培养他们的科学想象力、抽象思维以及创新思维。

3.任务驱动，在问题情境中触发建模

教师可以通过设置各种挑战性任务来创设科学的问题情境，培养学生利用物理模型解决问题的意识。某个实验现象、某个生活场景或是某个事件中引发出的问题都可以成为建模的“触发点”。例如，为了帮助管道维修工人在地面“看到”下水道的内部情况，学生通过制作下水道潜望镜的模型来解决问题；在研究种子如何散播到远方时，学生通过制作有羽毛、有倒钩、能弹射等各式种子模型来研究种子传播。

物理建模的典型意义就是解决实际问题，教师要创设可以建模的问题情境，让学生在任务驱动下进行物理建模。而要想任务具有适切性，就需要教师选择切近学生生活的问题情境。

二、进阶式建模，理性分析模型

确定建模的目的之后，教师就要带领学生在一系列进阶式分析活动中完善模型。分析就是抓住最核心的东西，核心意味着在纷繁复杂的系统中甄别出与情境相关的本质要素，突出核心特征，以及确立边界条件。

1.锚定本质，理解系统内涵

根据建模的目的，寻找现象背后的本质，本质就是事物所具有的基础的、核心的且相对不变的性质。学生在建构物理模型时，需要抽象概括出事物各种特性背后的本质属性，抓住事物的本质。因此，学生需要在头脑中把系统由整体分解成各个部分或不同属性，通过复杂的表象分析本质要素以及各要素之间的关系，并通过抽象概括提炼原型的本质。例如，针对飞船的安全着陆进行建模，本质就是建造一个冲击力小、平稳的降落装置。教师带领学生从设计方案、材料选择、测试效果、评估分析到迭代改进，每一步都紧紧围绕减小冲击力、增加平稳性这一核心问题。

2.筛选信息，突出主要特征

物理模型并不需要面面俱到，学生可根据建模的需要，抓住对象的关键要素，突出其主要特征。物理模型可以根据突出要点的需求进行单方面的呈现，不同模型突出的重点不同，不同模型对系统的简化程度也不同。

例如，学生在对太阳系八颗行星的大小进行建模时，需要等比例缩小模型，突出比例关系（如图3）；对细胞结构建模时，只需突出细胞基本结构的关键特征（如图4），不需要考虑内部成分；在对人体系统建模时，突出的是各系统的内部关联（如图5）。

在对行星大小建模时，突出的是行星的比例关系，但是太阳系行星在教科书中的图片却不是按比例呈现的，因为如果按照距离的真实比例呈现，这些行星将会小到看不见。低年级学生只需要了解细胞的基本结构，而高年级学生要了解细胞内部的更多成分，这表明建模是可以分步骤，逐步细化的。所以，学生建模时需要根据目的筛选合适的信息，突出主要特征。

3.确立边界，科学解释模型

物理模型往往适用于需要明确边界条件，在合理的条件范围内进行科学解释的情境。学生要在建造、评估、修正、完善物理模型的过程中理性分析，明确模型的适用条件，并通过解说、推理、反证进一步科学理解物理模型。例如，在构建太阳系八颗行星真实距离比例的模型时，学生需要等比例缩小行星与太阳的距离，用小圆点在线段中标出八颗行星的位置，在试错中确立模型的边界。学生一开始将水星标注在线段5的位置，发现如果这样，最远的海王星就无法标记，所以修正模型比例，将水星标注在线段0.5的位置。最终，学生根据线段的格子数明确模型的边界条件，在修正中解释物理模型的比例选择（如图6）。

建模除了应用于宏观解释，同样适用于微观解释。例如，学生可以把空气分子想象成一个个游离的小球模型，小球的大小、数量不会发生变化，但距离会发生改变，这样就可以解释为什么空气占据的空间容易改变，也更容易理解为什么空气虽然容易被压缩，但是只能压缩到一定的程度（如图7）。

三、多变式比较，科学拓展模型

模型变式重在引导学生深度理解模型的架构。具体可分为三类：外形相似模型，对比相异模型，拓展模型模式。

1.触类旁通，外延相似模型

小学科学中的很多物理模型是有相似性的，在对一个自然现象建模的过程中，概括出的方法是可以迁移到具有相同本质的其他问题中的。在外延模型的过程中，教师要培养学生举一反三的思维能力，让他们验证模型的正确性，拓展模型的意义。

例如，针对日食的形成原因进行建模时，学生了解了当三个天体在一条直线上且月球居中时，月球就会挡住太阳照到地球的光，在地球上形成日食。有了这一知识基础，他们就能顺势迁移建立月食模型。

教师通过日食模型启发学生建立月食模型，让他们发现日食、月食都是在太阳、地球和月球三者之间的位置关系满足一定条件时，引发遮挡的天文现象。同样的触类旁通还可用于让学生对比苍蝇、蚕蛾、蝴蝶、蜻蜓等动物并概括它们的共同特征，最终由同类的模型抽象概括出昆虫的结构特征。

2.不拘一格，对比相异模型

同一事物的不同模型可以表达事物的不同方面，教师要引导学生选择恰当的方式进行合理表征。对比同一事物不同方面的物理模型，感受建模方式多样化，能让学生多维度地了解该系统，充分理解物理模型的意义。

例如，六年级《我们的地球模型》一课展现了不同种类的地球模型：地球内部结构模型强调比例关系；海陆分布模型强调地球表面的海陆分布特征；自转模型强调地球绕倾斜的地轴转动。

教师引导学生根据系统的不同角度或不同层次，建立系统不同维度的物理模型，既便于他们沟通与交流，又能让他们在充分认识系统多个层次的同时，更全面地了解系统。

3.控制变量，拓展模型模式

在建构物理模型时，当影响某一物理量变化的因素较多，要研究某一个因素变化对该物理量的影响时，必须保持其他因素不变，否则就无法知道该物理量的变化是由哪个因素的变化引起的。在控制变量中拓展模型的多种模式，可以促进物理模型的科学建构。例如，研究影子的大小与什么有关时，教师设计的模型是光源、遮挡物、屏三者中的两个物体不动，只改变一个物体的位置，探究让影子变大的多种方式；在种子发芽与什么有关的实验中，教师要让学生从水分、阳光、空气等条件中选择一个变量进行建模研究。

简言之，教师在拓展模型的过程中，将原型的存在条件、属性、状态等做控制变量的处理，其实质就是把复杂的系统转化为理想化的、简化的物理模型来研究和处理。

四、启发式教学，多元应用建模

物理模型可以帮助我们直观演绎系统的运行机制，有效迁移研究相近系统，并对未知进行科学想象。学生通过演绎、迁移、想象等多种方式应用模型，可以解决各种科学问题。

1.直观演绎，建构科学概念

物理模型能帮人们克服时间、空间的限制以及外部条件的干扰。教师通过物理模型快速演绎出科学过程，将系统直观地展现出来，有助于学生的观察和理解。

例如，学生在探究阳光下物体影子的变化规律时，可以通过物理模型，观察一天中影子的长短和方向的变化；月相模型能帮学生在几分钟内观察到一个月的月相变化。

观察阳光下物体影子的变化规律，常常受到天气、时间、空间的限制，为了解决这一问题，教师可以带领学生自制日晷模型。月相的观察记录同样也是受到各方面因素的影响，学生在实践观察的基础上可以利用暗室、手电筒和塑料球建构模型辅助学习，建立科学概念，发展抽象思维。

2.有效迁移，研究相近系统

模型可以帮助我们解释观测到的科学现象。基于现象、原因或者是事物发展规律等诸多方面的相似性，教师可以利用已知物理模型的现象和机理，为新物理模型的建立提供依据。

例如，教师让学生观看凌日视频，回忆该现象与什么模型相似，猜测小黑点是哪颗行星。有的学生认为黑点略过太阳和日食模型相似，但日食发生时，太阳被遮挡得更多一些。还有学生认为黑点可能是水星和金星，因为它们围绕太阳转动时，会运动到太阳和地球之间，这就像日食发生时的位置关系。

学生观察凌日天文现象时，会迁移到日食模型（如图8）或月食模型。这时，教师就要引导学生辨析，明确这个天体应该是像日食中的月亮那样，出现在太阳和地球中间，挡住了一部分太阳光。由此，学生猜测可能是介于地球和太阳之间的水星或金星。

3.科学想象，探秘未知世界

模型具有系统的本质特征，可以帮助我们预测未被发现的现象、规律和变化趋势。通过假设、计算、推理等方式建立模型并开展模型实验，我们可以从中寻找规律，利用科学想象探秘未知世界。例如，提丢斯在1766年提出一组数列，预示在距太阳2.8天文单位处可能存在着天体，促使科学家在这个距离上进行观测。直到1801年，意大利天文学家皮亚齐果然在这个距离上发现了谷神星，此后确认在火星和木星之间存在小行星带。

提丢斯数列促使人们发现了一个太阳系里的秘密——小行星带。而在天王星被发现后，人们发现它的运动轨迹与当时的太阳系模型预测情况有差异，猜测天王星周围还存在另一颗当时未知的行星。科学家经过计算，算出了新行星的位置，发现了海王星。在科学史上，人们屡屡通过模型的预测功能将想象变为现实。教师将物理模型建构运用于科学想象，可以开阔学生视野，深化建模意义。

小结

物理模型建构是对物理现象进行抽象、简化和表征的工具，通过分析、概括和运用可以使原型的核心特征清晰可见。物理模型可以是复杂事物的简化，也可以是抽象现象的形象化。在小学科学学习过程中，学生通过情境建模、分析模型、拓展模型和运用模型掌握相应的科学概念、原理与规律，同时将探究科学知识的过程内化为科学方法的习得和有意义的思维锻炼，既强化了探究实践，又发展了科学思维。

参考文献

[1]刘小红.高中物理模型建构教学的探索与实践研究[D].武汉：华中师范大学，2020.

[2]袁媛.高中生物理建模能力及其培养对策研究[D].大连：辽宁师范大学，2017.