双维视角下小学科学模型建构教学的探索与实践

摘要 《义务教育科学课程标准（2022年版）》指出，要重视学生科学思维的发展，培养学生模型理解和模型建构能力。这意味着需要从元建模知识和建模实践两个维度出发开展模型建构教学。基于此，通过调查学生元建模知识的表现与水平，梳理模型建构实践的要素与过程，提出一体双维设计的模型建构教学方法，强调问题情境的启发与元建模知识、建模实践的相互推动。在实践后明确：模型建构教学需注重培养学生元建模知识、引导构建不同层次与水平的模型，关注学生建模实践的持续性、过程性和迭代性。

关  键  词 科学课程标准；模型建构；元建模知识；建模实践；双维一体

引用格式 史加祥.双维视角下小学科学模型建构教学的探索与实践[J].教学与管理，2024（20）：42-46.

《义务教育科学课程标准（2022年版）》（简称《新课标》）指出，科学课程要培养学生的核心素养，发展学生基本的思维方法，使之具有初步的模型建构、推理论证、创新思维等科学思维能力。模型建构是核心素养的重要组成，是科学学习的核心实践，《新课标》不仅阐述了模型建构的概念，还明确了不同学段的学习目标。笔者尝试从学生对模型建构的元认知发展和课堂实践两个维度探索模型建构教学的方法与路径，为《新课标》的落实提供借鉴。

一、科学模型的定义与特征

有研究者认为，科学模型是描述自然与科学过程的思想，是由学习对象在参与过程中构建而成的，在一定条件下可以用来解释和预测自然现象、科学现象[1]。还有研究将科学模型界定为一种抽象的想法，一个概念系统，是一种帮助理解和解释自然现象的工具，是将理论知识映射到实际世界的特定模式中，以便准确地描述这些模式并用于特定的科学目的，发挥特定的功能，如描述、解释、预测、论证等探索性功能和创造性功能[2]。借鉴已有研究，科学模型具有如下特征：科学模型首先具备抽象和简化的特征，科学模型是对复杂真实自然、科学世界的概括和简化，以便学生更好地理解和应用；其次科学模型是一种知识结构，既包括陈述性和程序性两种不同的知识类型，还涵盖了宏观至微观两个层面的信息，用于描述自然现象、解决问题；最后科学模型具有多功能性，可以用于描述、解释、预测自然科学世界，从问题解决到模式识别都可以借助科学模型实现，科学模型的多功能性使其成为探究实践的重要工具。

由此可见，科学模型的综合特征决定了其在小学科学学习中有着不可或缺的重要性，它不仅能激发学生对科学学习的热情，增强对自然、科学世界的理解，还有助于培育科学思维，提升问题解决能力，促进核心素养发展。

二、科学模型建构的内涵理解与实践要素

1.科学模型建构的双维理解

对模型特征的清晰认识是开展模型建构教学的基础与前提。有研究认为，模型建构是一种认知工具和思维方式，是学生运用模型对现象和数据进行分析、解释，以系统描述科学概念以及事物的结构、关系和过程，展示对科学的认识与理解[3]。还有研究者认为，科学模型建构是让学生在实践活动中建立和使用科学模型并掌握科学概念、原理和规律等，进而发展科学建模能力[4]。

从对科学模型建构的解释或描述中可以看出，模型建构是学生认知和思维能力发展的重要过程，包括科学模型的认知和科学模型的建构两个维度。有研究者将其概括为元建模知识和建模实践，元建模知识主要关注的是科学模型本身的结构、元素和关系，以及建模的目的、过程和评估等，而不是模型所描述的科学内容领域，建模实践则是在探究实践中比较、创建、验证、修改和应用模型，从而更好地学习和理解具体的科学知识、概念[5]。

科学模型的建构呈现出双维螺旋发展的特点（如图1）。元建模知识既包括学生对科学模型性质和目的的认识，也包括对建模需要经历的过程和所形成模型的认识与评估，具有生成性、变化性的特征[6]。建模实践主要包括建构、应用、评价和修正模型四个主要要素和过程[7]。两者之间相互交织，在理解赋意中认识模型，在表达表征中建构模型，在持续的探究实践中培养学生的模型建构能力与思维。

2.元建模知识的学生表现

元建模知识作为学生模型建构能力的重要组成，在模型建构教学中并未得到应有的重视。笔者从元建模知识的组成出发对学生的元建模知识进行调查与分析，为建模实践做好理解准备。

（1）学生元建模知识的现实表现。笔者采用纸质问卷调查T校四、五年级学生，问卷内容涵盖科学模型性质、建模目的、建模过程和科学模型评估等内容，问卷共设计5个开放问题。调查共收回101份有效问卷。笔者随后对101份有效问卷进行扫描并转换成文本，分别将每道题目的文本进行汇总。每道题邀请3名对模型建构教学有较深认识的学科骨干教师作为文本审阅者。审阅者先浏览所有文本，然后根据理解将学生的文本分为四个不同水平，在分析归纳之后组织审阅者讨论每道题目中存在争议的文本，确定每道题目的最终水平属性，并归纳不同表现水平的共同特征，形成不同水平元建模知识的具体表现（见表1）。

根据学生表现，梳理形成的水平层级真实呈现了学生元建模知识之间的联系与差别，为准确评价和分析学生的元建模知识提供依据，也为教学实践提供指向。

（2）学生元建模知识的水平分析。以学生元建模知识表现量表为标准对101份问卷进行赋分，水平三记3分，依次类推，零水平记0分，对数据汇总后利用SPSS 25.0进行分析。

对两个年级学生科学模型性质方面的水平得分进行方差分析显示：不同年级学生在对模型性质的认识水平上表现出一致性，没有年级差异，四、五年级绝大部分学生处于水平一，占比均超过77%，两个年级处于水平三的学生占比均不足4%；在对科学模型建构目的的认识上，四、五年级学生表现为显著性差异（p=0.031<0.05），五年级处于水平一的学生占比最大，为55%，四年级处于水平二的学生占比超过五年级，但是没有表现出水平三；四、五年级学生对建模经历步骤和建模迭代改进的认识上存在差异，五年级学生在建模经历步骤认识的水平一、二、三的占比均大于四年级学生，五年级学生对建模迭代改进的认识上仅有水平二高于四年级，处于水平一和三的学生占比低于四年级；在对科学模型评估的认识上，四、五年级学生没有表现出明显的水平差异，但五年级处于水平一、水平二的学生占比均大于四年级。进一步方差分析显示：五年级学生在元建模知识上不同水平的平均值均高于四年级学生。从上面的分析可以看出：学生的元建模知识整体处于水平一左右，虽然五年级学生在平均值上高于四年级学生，但没有明显的认知差异，意味着年级的上升没有显著改变学生对科学模型建构的认识，说明学生元建模知识有着很大的提升与发展空间。

对数据进一步处理后针对元建模知识与学生科学学习表现之间的相关性进行分析，学生对科学学习重要性的认识与科学建模过程、科学模型评估存在相关性，而学生的科学学习表现仅与科学建模过程存在相关性。从分析中可以看出：在科学学习中缺少元建模知识的融合，模型建构教学没有在科学课堂中落实，没有发挥出激发学生科学学习兴趣、促进科学思维发展的作用。

3.科学模型建构实践的要素与过程

在对学生元建模知识调查了解的基础上，笔者对科学模型建构的实践要素和过程进行梳理与明确，为模型建构的课堂教学提供抓手。

对模型建构过程的研究众多，有研究者将建模过程分为引入主题、发现想法、建立想法、模型比较、调整模型五个步骤[8]；有研究者在实践的基础上形成了EIMA的模型建构流程，分别为参与、调查、建模、应用四个主要流程[9]；也有研究者将模型建构分为研究原型、初建模型、修正模型、应用模型、返回原型等过程[10]；还有研究认为模型建构包括抽象表征和问题解决两个要素，抽象表征包括选择对象和建构模型，问题解决则包括模型校验、应用与改变等[11]。

虽然对模型建构的过程有着不同的论述，但能归纳出模型建构、模型细化、模型应用和模型重建等共同要素[12]，基于此形成适合小学阶段科学模型建构的实践要素：建模意识、模型加工、模型应用和模型再构，同时依据要素形成包括选择、形成、表征、分析、使用、调用、修正、迁移的实践过程[13]。

模型建构的要素和过程并不需要在一节课中全部囊括，而应该根据学段、学生认知水平、学习内容等选择一个或几个要素进行教学设计。同时，教师可以将过程纵向延伸拓展至学生整个小学学习阶段，横向扩充拓宽至不同科学核心概念的学习中，在循环与迭代中进行模型建构实践。

三、科学模型建构教学的课堂实践

在梳理模型建构的两个维度之后需要明确其在课堂教学中的实践方法，探索出具体可行的方法与过程。

1.科学模型建构教学的双维设计

围绕科学模型的双维建构，对模型建构教学进行了双维设计，为课堂实践提供可操作的路径借鉴（如图2）。

图2呈现了模型建构教学一体双维设计的路径，在课堂实践中问题与情境作为启发源，元建模知识和建模实践相辅相成，通过深度融合，共同推动科学模型的建构。元建模知识作为模型建构的认知支持，通过五个核心问题贯穿整个教学过程，如问题“我们为什么要建构模型？”引导学生深入了解科学模型的性质、建模的目的等，认识到模型在科学学习中的重要性，问题“需要经历哪些过程与步骤？”和“需要收集哪些信息与数据？”则是引导学生了解建模的具体过程，培养学生系统思考和解决问题的能力。在建模实践中，教学设计围绕要素和流程展开，呈现了一系列关键步骤，包括呈现原始模型、探究实验、形成过渡模型、改进修正等，学生通过实际操作，熟悉并掌握建模过程，深化对科学本质的理解。元建模知识和建模实践在课堂中相互渗透、融为一体，整体推进、共同促进学生科学模型建构，发展核心素养。

2.科学模型建构教学的课堂设计

参照双维设计路径，笔者以远东版《自然》教材第九册第一单元“植物的生存”第2课时“种子的繁殖”为例进行了教学设计与课堂实践。

五年级学生经过之前的模型建构教学，对为什么要进行科学模型建构已经有较高水平的认识，为课时学习奠定了基础。教学之初，教师创设问题情境“绿豆种子发芽与生长过程是怎样的？”随后教师与学生讨论在此问题情境中需要建构什么模型，又应该怎么建构模型。讨论后，学生一致认为：需要建构与种子萌发和植物生长有关的模型，并明确需要观察和收集的信息和数据。

在培养与发展学生元建模知识的过程中，教师与学生通过对话逐步梳理在之前模型建构学习中形成的关于模型的认识，对接下来要进行的学习有了较为全面和整体的认识。在此基础上，教师为学生提供绿豆的种子以及观察记录的活动单，让学生带回家进行长周期的种植、观察与记录，并提醒学生及时将观察总结到的模型记录下来，教师在其后每周的科学课上组织学生交流建构的模型，在此过程中让学生经历建模实践过程。

在种子萌发阶段，教师为学生提供不同的实验单和活动单，引导学生对影响种子萌发的因素进行探究。学生观察不同条件下绿豆的发芽情况，收集数据并记录发芽时间、发芽率等信息。通过对数据和信息的分析，他们以图表、图像或文字等形式呈现自己的发现和建构的模型。依靠建构的模型，学生审视已建构的模型，描述绿豆种子萌发的过程，识别其中的科学知识和关键因素，如水分、空气、温度等。同时教师引导学生利用建构的模型，解释和预测其他种子的萌发过程与绿豆种子萌发过程的相同与不同。教师为学生提供黄豆、蚕豆的种子，让学生通过持续的探究验证他们的预测，检验建构模型的普遍性和适用性。这样，不仅发展了学生的元建模知识，还促使学生意识到科学模型是多层次、多种多样的。模型建构不是一次就能完成的，而需要在反复探究实践中不断累积与更新。

在建构绿豆种子萌发模型的基础上，教师继续引导学生通过试验单、活动单观察，记录绿豆生长过程，包括从根系生长、茎的伸展到叶片发育等整个生长周期中的信息与数据，侧重识别不同生长阶段的关键特征，深入研究各阶段受到的环境因素的影响。经过近一个月的长周期探究，教师组织学生对信息和数据进行分析，建构与绿豆生长相关的模型，不仅考虑整个生命周期中各个阶段的生长特征，还详细描述生长所需的关键环境条件。学生根据自己的观察侧重点和实验收集的数据建构形成很多模型，如绿豆生长阶段的基本模型、环境影响模型、土壤质量模型等，教师引导学生对不同的模型进行联系，对建构的生长模型与萌发模型进行比较，深化对植物生命周期的理解，突显萌发与生长阶段的差异，提高对模型的整体联系与运用能力，帮助学生建构更为全面和更高层次的植物生长模型。

在建构“绿豆种子发芽与生长”的模型中，教师注重引导学生思考并明确建模的目的，即他们希望通过模型描述、解释或预测什么，同时在交流与讨论中帮助学生发现植物生长模型的独特性，通过解析绿豆种子的结构、不同生长阶段的特征等，帮助学生识别植物生长模型的基本元素并思考这些元素之间的相互关系，以及这些关系与外部环境的交互。在此基础上，教师引导学生比较建构的模型，对模型的有效性、实用性，以及对不同条件的适应性进行评估，分析不同模型的优点和局限性，巩固元建模知识。

与此同时，学生在建构绿豆种子萌发和绿豆生长模型的实践中体现出一定的连续性和差别性。在模型建构连续性方面，学生通过提出问题、制定假设、设计实验，以及收集与分析数据等步骤，形成了一个关于种子萌发的模型，随后对生长模型的建构是在这一基础上进行的，是建构过程的自然延伸。除此之外，学生还从绿豆种子的萌发与生长自然拓展到其他植物种子的萌发与生长，在应用、比较建构的模型中对植物产生更深的认识与理解。在不同阶段的建模实践中教师要帮助学生意识到模型存在的差别与差异主要表现在模型的复杂性、时空尺度以及对环境因素的考虑上，同时对土壤质量、养分供应等因素的关注程度也更高。这种差异体现了模型建构在解决不同问题时的灵活性和因问题而异的特性，培养学生灵活运用科学模型解决实际问题的能力。

四、科学模型建构教学的建议

课堂实践为科学模型建构教学提供借鉴，为教学方式的转变指明方向。

首先，在科学模型建构教学中要关注学生元建模知识的培养与发展。元建模知识具有生成性、变化性的特点，需要学生在建模实践中不断演化和完善，逐渐形成对科学模型建构全过程的综合理解，全面理解科学模型的本质与应用，从而更有效地运用科学建模解决实际问题。

其次，在科学模型建构教学中要引导学生建构不同层次与水平的模型。学生建构的科学模型以及对模型中各要素相互关系的理解需要在实践中逐步深化、精细化。教师可以引导学生在模型建构中添加更多变量、考虑更多因素，从而意识到科学模型不仅是不同的，而且还具有不同的层次与水平，教师应关注学生对模型中各要素关系的理解水平，引导他们逐渐建立起对整体模型结构的认识。

最后，科学模型建构教学中要重视学生建模实践的持续性、过程性和迭代性。在建模实践中，教师要关注学生的投入和关注度，让学生持续参与从问题提出到模型修正的过程。教师还需要帮助学生认识到建模实践是一个动态的、连续的过程，通过设计富有启发性的实践任务，学生能够在不同阶段经历问题定义、数据收集、模型设计等过程，从而更深入地理解科学方法的应用。同时，教师鼓励学生对模型进行修正，将其视为学习的一部分，引导学生在实践中不断反思，发现问题、调整模型，帮助学生逐渐形成对问题的深层次理解，提高科学建模的实际应用水平。

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[责任编辑：陈国庆]