在小学科学新课标中,首次将“模型建构”素养纳入科学课程的核心素养中,那么,如何在日常教学中培养学生的建模思维以及基于此的教学流程应该如何设计?最初,我们以美国施瓦兹教授团队提出的基于模型建构思维的教学模式为基础进行实践探索,在实践过程中发现模型的不适用性并进行调整,最终形成了新的建模教学模式。
1.构建符合学生思维发展的建模教学模式
施瓦兹建模教学模式包括四个建模的发展层级:对现象的建模、对本质的建模、对模型的运用以及用模型解释整个世界。建模教学活动所要建构的模型种类是奥耐克对模型的分类中的“概念模型”,即用于解释现象,将现象和系统进行一个简化的、理想化的外部表征;而学生建构概念模型的过程是“心智模型”的建构过程,具体说来,建模教学模式下,学生要完成的概念模型是科学家已经总结出来并由课标编写组专家整理并呈现在课标中的科学概念,所以建模教学的学习过程是学生形成最终概念模型期间“心智模型”不断建设的过程。因此,在建模教学模式下的教学过程中,教师会持续关注学生心智(思维)的发展程度,学生也会持续对自身思维形成元认知。
运用施瓦兹建模教学模式设计建模课程能够帮助学生发展思维,但实践中我们逐渐发现,单纯地套用施瓦兹建模教学模式设计的教学存在“模式化”与“设计思路局限性”两个主要不足之处,使得课程设计变成千篇一律,而学生思维发展被模式化的课程结构所牵制,这违背了学生建模思维连贯性的出发点。基于上述认识,我们对施瓦兹建模教学模式进行了两次改进。
第一次改进。我们将施瓦兹建模教学模式中的四层进阶模型转换为策略,这些策略包括构建基础模型、构建假设模型、构建现象模型、构建过程性模型、构建本质模型、构建实物模型等,在教学设计过程中组合使用。这打破了施瓦兹建模教学模式,变成多种建模教学策略的组合。然而,在实际教学中,这样的改变虽然解决了课程设计模式化与思维局限性的问题,但依然不够成熟。
第二次改进。经过第二次改进形成的新的建模教学模式,更加关注学生思维连贯性。学生的学习会经历如下的思维历程:第一次构建模型之后,运用模型来解决问题、解释现象或者作出预测;在解决问题或者解释现象的过程中,学生发现模型的不足之处,进而对模型进行完善,可视为第二次构建模型;然后,再次运用模型解决问题或者解释现象。如此循环,每一次都是对模型理解的加深、对模型合理性的确认。在这个过程中,学生会运用多种科学思维方式,如典型归纳等,并采用多种科学方法,如单因素变量实验等。新的建模教学模式符合学生建模思维发展过程,便于用来指导教学设计。
2.基于新的建模教学模式设计教学
在五年级“沉与浮”一课中,学生在日常生活中已经有了“什么物体会沉到水中,什么物体会浮在水面”的认识,这便是学生基于生活经验无意识形成的概念模型。在课上,教师帮助学生将概念模型梳理、总结出来,即学生普遍认为,“重的物体会下沉,轻的物体会浮在水面上”。这便可以看作学生第一次构建出来的概念模型。
接下来,运用模型解决问题、解释现象或者作出预测。在本课中,教师请学生运用模型进行预测,即请学生从身边收集各种各样的物品,分别预测它们是沉还是浮。学生掂量石块、苹果和鸭梨,认为它们比较重,会沉入水底;学生掂量笔帽、小块橡皮泥,认为它们比较轻,会漂浮在水面上。而当将这些物体放入水中的时候,学生会发现,结果与自己的预测有所不同,发现苹果是漂浮的,笔帽和小橡皮泥是下沉的,这与最初形成的概念模型预测的结果不一致。由此引发学生思考,质疑概念模型,并修改与完善模型。
学生需要思考模型哪里出了问题,是完全错误还是有一些限制性的条件没有想到导致的模型不完整?通过交流讨论,学生发现物体的沉浮可能不仅与物体的质量有关,还与物体的大小有关。找出模型可能存在的问题,接下来进一步进行验证,即在固定物体大小之后再进行物体沉浮的测试,也就是采用了课本上的实验,使用同样大小的塑料泡沫、木块、蜡烛板,在上面不断放置垫圈,比较谁的漂浮能力更强。结果发现,最轻的塑料泡沫的漂浮能力最强,最重的蜡烛板的漂浮能力最弱。由此得出结论:相同体积的物体,越重的漂浮能力越差,越轻的漂浮能力越强。通过对原先模型进行修改后形成新的概念模型,可以看作是第二次建模。
之后,再一次运用模型解决问题,继续进行本单元第二课时的教学任务,也就是改变物体的浮沉,想办法让沉在水底的物体浮上来,让浮在水面的物体沉下去:对于浮在水面的空水瓶,学生通过向瓶中注满水增加其重量,让物体下沉;对于沉在水底的橡皮泥,不容易改变其重量的情况下,可以改变其体积大小,将橡皮泥捏成扁平状或者小船状,让橡皮泥浮在水面上。利用模型解决了实际问题,就可以证实模型的合理性。
由此可见,学生学习的过程其实就是头脑中不断建模的过程。学生最初建构起来的概念模型,在运用中被检验,又在重新建模的过程中不断完善对于某个概念模型的认识,加深对某个概念模型的理解。这便是新的建模教学模式在教学设计过程中的运用。
综上所述,对某一个概念模型进行模型建构的过程,是一个运用模型并对模型反复完善的循环过程。各种思维方式与科学方法都是为了学生自主构建概念模型服务的,教师在学生学习过程中扮演了为学生搭建脚手架或者启发引导学生的角色。在形成概念模型的时候,学生会采用归纳、推理、判断、综合、分析等多种学科思维方式,是学科学的过程;在运用概念模型的时候,学生会运用演绎、推理、分析、对比、比较、判断等多种思维方式以及运用单一变量实验等多种科学方法,是用科学的过程。通过新的建模模式进行课程设计,可以帮助学生维持思维发展的连贯性、提高用科学解决问题的能力、培养实事求是和辩证的品质、提升科学素养与核心素养。
本文系北京市教育科学“十四五”规划2021年度课题“基于建模教学策略提升学生科学思维素养的研究”(课题编号:CDDB21217)阶段性研究成果
编辑 _ 李刚刚
北京教育·普教版2024年10期