小学科学课基于建模的实验教学策略

小学阶段的实验活动要与具体事物的研究、真实问题的解决相结合，在探寻最佳解释或方案的过程中建构对科学概念的理解。因此，小学阶段的实验活动不仅仅是动手操作，还需要思维的参与，是手与脑有机结合的过程。基于建模的实验教学可以有效将动手与动脑有机结合。学生在建立、使用模型的过程中建构对自然现象的理解，完善自己的思维模型，建构科学概念的同时，促进学习者对知识的深层理解和灵活应用。

一、小学阶段建模活动的特点

（一）建模活动的成果以实体模型为主

一方面，建构实体模型可以为学生创造更多参与动手实践的机会，为他们认识自然现象、理解科学概念提供更为丰富的感性素材。另一方面，实体模型可以为学生完善思维模型提供真实的证据，检验自己对原型事物的理解是否符合事实。例如：学生在解释“圆顶形结构为什么可以承受很大压力”这一问题时，可以用“可拼插拱形纸条”搭建一个圆顶形模型，并通过观察模型受压后形状的变化解释圆顶形结构承受更大压力的原因。纸条、气球、木板……作为建模材料成为表征学生思维的工具。学生用这种可视化的方式表达、验证、反思自己的思维过程，促进思维模型的完善，逐步建构他们对大自然、对科学现象的认知。

（二）建模活动的形式以表达性建模为主

北京师范大学教授刘儒德依据建模材料的原始程度，将建模活动分为探究性建模和表达性建模两种形式。

在探究性建模活动中，提供给学生的是比较成熟的模型。学生通过预测、验证、解释等一系列与模型的交互活动发展思维模型，建构对概念的理解。例如：河流侵蚀实验箱、小电动机模型……都是由教师根据研究对象建构的模型，再由学生通过一系列探究过程，建构相关科学概念。

而在表达性建模活动中，提供给学生的建模材料更加原始。需要学生对原型事物进行观察，分析其中变量，并利用这些材料表达自己的理解，外化自己的思想，对自己的假设建构模型。由于小学阶段的科学概念大多来自对日常生活、自然现象的观察，概念的建构基于学生的日常经验和已有概念，因此小学阶段主要以表达性建模为主。但是这类建模活动的难度较大，需要教师的精心设计，提供必要的支持。

二、基于建模的实验教学策略

模型并不是对自然现象的1：1复制，而是为了研究某种性质而抽象过的事物。因此，建模活动对于小学生而言是比较复杂的科学实践活动。如何在小学科学实验教学中有效实施建模活动，可以从以下几个方面入手：

（一）选择恰当的建模形式

恰当的建模形式，可以帮助学生更加高效地参与到实验活动中，建构科学概念。依据建模工具的原始程度，可以将建模活动分为探究性建模和表达性建模两种形式。采用哪种形式进行选择需要结合“建构概念的难易程度”以及“学生的认知水平”两个方面进行考虑。

1.探究性建模活动。

对于建构与学生日常生活较远。学生难以理解的科学概念，应该选择探究性建模活动。如了解“河流的侵蚀作用”这一科学概念，小学生对于这一自然现象并不十分了解，缺乏基本的认知，难于利用建模材料表达自己的猜测与理解。因此，更为有效的建模形式是探究性建模：由教师对“河流侵蚀作用”这一自然现象进行抽象、简化，分析关键变量建构河水侵蚀河岸的模型，再由学生对模型进行操作，观察“河流”自上游至下游流动过程中对河两岸的影响，冲刷下来的泥沙堆积在河流下游的现象，通过观察模型显现的各种现象认识“河流的侵蚀作用”这一科学概念。

2.表达性建模活动。

像“身体运动是由骨、关节和肌肉协同完成的”这一概念，学生虽然不能直接看到骨、肌肉、关节配合完成运动的过程，但是可以通过“举哑铃”时手臂不同部位的外部变化推测其内部的状态。这是思维建模的基础，此时教师再提供一些具有肌肉、骨骼、关节相似特性的材料：气球、木条、合页……学生便可以尝试利用这些材料以表达性建模的形式，建构自己对“肌肉、骨骼以及关节协同完成运动”的猜测与理解。

（二）提供合理的建模材料

建模材料不同于一般的实验材料与学具，是学生表达科学思维的可视化工具。合理的建模材料可以帮助学生更加有效地进行建模活动，清晰表达自己对研究事物的理解。其合理性可以从两个方面进行考量：材料特性以及其可操作性。

首先，所选材料的特性是否可以反映原型事物的基本属性。科学教师对材料的特性更加了解，能够将材料的特性与要模拟的自然事物建立联系，要为学生选择可以反映研究对象基本属性的材料。比如气球有弹性，吹鼓的气球拉长后与肌肉的形状也非常相似。因此，“骨骼、关节与肌肉”模型中用气球模拟肱二头肌和肱三头肌。学生建模后通过操作、观察更容易理解肌肉在运动中所发挥的作用。

其次，所选择的材料是否便于学生操作，也是考量建模材料合理性的重要指标。小学阶段以建构实物模型为主，学生建模的成果是实际的物体。使用简单易操作的材料，学生建构模型时更容易完成建模任务。比如，圆顶形拼插模型中拱形纸条，为了便于学生操作，并体现拱足互相连接，将拱形纸条的拱足设计成上下拼插口，不但方便学生操作，建模后还能体现圆顶形的基本属性。

（三）提供必要的认知支撑

建模是有着深度认知加工过程的科学实践活动，对于小学阶段的学生而言有一定的挑战性，需要得到教师的帮助与支持，为他们的认知活动提供必要支撑。

1.充分观察原型事物。

多项研究发现，儿童建立模型是从物体表面相似性入手的。因此，在建模活动中要为学生提供了解原型事物的机会，而且是特征明显的原型事物，便于学生抓住其特征建立思维模型来认识研究对象。例如：二年级学生需要“观察并描述太阳每天在天空中东升西落的位置变化，初步学会根据太阳的位置辨认方向。”为了帮助学生在头脑中建立四个方位的位置关系，同时引导学生制作一个关于“方位位置关系”的实物模型——方向卡。因此，教师带领学生连续一周、在学校同一位置，观察记录早晨、中午和傍晚三个时间太阳在学校中的位置。通过对自然现象的观察，学生发现：一天中，太阳位置的变化是有规律的，正是因为太阳的位置变化有规律，我们才能够利用太阳的位置来辨认方向。这一对自然现象的认知，是学生建立方位位置关系这一模型的重要认知基础。

2.将建模材料与原型事物建立联系。

建模活动需要将模型与现实世界建立联系，用模型表征自然现象。建模材料作为思维工具，是连接模型与现实世界的桥梁。学生只有理解建模材料与原型事物的联系，才能通过建模表征研究对象，用可视化的方法来验证自己的推测，表达自己的思想。如建构骨骼、关节与肌肉模型，学生要将气球、木板、合页、挂钩等建模材料，分别与骨骼、关节、肌肉建立联系，此时学生通过制作、操纵并观察小模型，实现手臂“屈伸”运动，而形成他们对“骨骼、关节和肌肉配合完成各种运动”的解释。

（四）创设修改模型的机会

建模实践活动的重要特征：建构和修正模型。也就是说，建构模型、使用模型还要修正模型以适应新的证据，不断完善学生头脑中的思维模型建构理解。那么，我们在设计模型的时候就要把修改模型这一环节设计进去，给学生挖点“小陷阱”，给学生创设一些修改模型的机会。

“骨骼、关节、肌肉”模型，设计多个固定“肌肉”的连接点：“连接在哪？肌肉才能带动手臂骨骼？”学生一开始将“肌肉”两端都挂在同一根骨骼上。验证模型时，发现肌肉不能带动骨骼运动，意识到肌肉需要同时固定在两根骨骼上才能带动骨骼围绕关节运动，学生在修正模型的过程中，完善了他们的思维模型，理解了骨骼、关节、肌肉在人体运动中的作用。

三、结语

综上所述，在基于建模的实验活动中，科学教师是关键因素：设计建模活动，选择建模材料，为科学学习提供认知支撑……科学教师要在有效教学策略支撑下引导学生像科学家那样建立和修正能够解释现象的模型，促进学生科学概念的有效建构，同时提升他们的科学实践能力以及创新思维能力。

（徐德明）