随着《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称《课程标准》）的颁布，我国的基础教育工作已经迈入了一个全新的阶段——核心素养时代。在这一时代背景下，《课程标准》明确指出：“科学课程要面向全体学生，立足素养发展。”小学科学核心素养主要包括科学观念、科学思维、探究实践以及态度责任4个维度。这4个维度相互关联、相互促进，共同构成了科学教育的核心内容。
1 小学科学教学中模型建构的价值
科学思维作为核心素养的重要表征之一，要求学生在掌握科学知识的同时，能够形成科学的思维方式，具备独立思考和解决问题的能力。其中，模型建构作为科学思维的重要组成部分被明确提出。《课程标准》指出，模型建构是以经验事实为基础，对客观事物进行抽象和概括，形成易于研究且能够反映事物本质特征和变化规律的过程。从小学科学的学习过程来看，可以通过实物模型或思维模型以直观化、简单化的方式将科学现象或事实呈现出来，将思维显性化，帮助学生在学习过程中搭建思维的脚手架。因此，模型建构过程正是学生对知识进行理解和内化的过程，可以促进学生对知识的深层次理解，实现深度探究。
2 小学科学模型教学的现状
当前科学课堂中的模型教学，大多局限在实物模型，特别是生物类、地理类模型的展示，用途单一。究其原因，主要存在以下问题。
（1） 认知不足，行为主观化。科学教师掌握一定的模型教学方式，却未形成基于模型的教学观。他们往往直接借助模型讲解问题，这种教学方式主导性过强，容易使课堂陷入知识灌输的窘境而忽略了学生自身建模能力的发展。
（2） 理解不深，关注散点化。大多数学生对模型充满兴趣，但对模型的认知仅停留在简单的记忆层面，未能思考模型所蕴含的学科知识之间的关联，对模型缺乏全面、深刻的认知。
（3） 脱离生活，应用浅表化。在课堂教学中，模型往往被用于突破解暗箱类课型中的部分教学难点。这种应用的浅表化导致教师未根据学生的生活实际组织模型建构，以至于不能真正提升学生的科学思维水平。
因此，身为教师有必要重塑对模型的认知，在科学学科教学实践中利用模型建构提升学生的科学思维，达到培育学生科学核心素养的目标。
3 小学科学模型建构的类型
当前，根据模型不同的表现形式，不同学者对于模型的分类也存在差异。美国科学促进学会于2021年出版的《面向全体美国人的科学》一书将模型分为概念模型、数学模型和物理模型三类。当代教育名家朱正威教授依据模型的呈现形式，亦将模型分为了物理模型、数学模型和概念模型三类。这种分类方式同样适用于小学科学的模型应用范畴（
图1）。在小学科学课堂教学中，三类模型以不同的方式呈现科学现象和规律，分别指向实践操作、概念建构、数据分析，囊括了学生科学学习的主要环节，是科学思维发展的有力支撑。
物理模型是研究事物本质属性、内在规律、相互关系的思维对象，可以以实物或图画的形式，直观地表达认识对象特征的模型
［1］，其特点是在把握物体本质特征的基础上，将难以直接观察的结构或过程显性化。如科学课中的地球仪、地形图、人体骨骼模型等以实物形式呈现的实物模型；微生物的细胞结构图、人体的消化系统图等以图画呈现的图画模型。
概念模型是以文字、图示和符号等将相关联的内容建立起联系，并以流程图或概念图的形式阐明科学现象或规律的模型
［2］。其特点是以图示揭示事物的特征、本质，直观形象，易于理解，如科学课中自然界的水循环图解、有趣的食物链、生物之间的捕食关系等。
数学模型是一种以数学符号或公式、图形、图像等描述事物特征及内在联系的数学结构
［3］。其特点是把数学和科学课中的实际问题联系起来，可用逻辑推理、运算等来描述或研究某种科学现象，解决科学问题，如探究“弹簧拉伸长度与拉力的关系”“杠杆尺平衡”等。
4 在小学科学教学中建构模型的策略
通过模型建构的过程，学生可以更好地理解科学原理和方法，提高科学思维能力。通过实践，笔者所在团队总结了在科学课堂中基于上述三类模型对应的教学策略，以期引发学生的深度探究与思考。
4.1 搭建物理模型，引发真实问题，导向自主探究
心理学家皮亚杰指出，儿童在7~12岁处于具体运算阶段，该阶段儿童的思维活动仍需具体事物的支持。因此，可以借物理模型搭建科学学习和思维的脚手架，帮助学生认识事物的特征属性。学生在与物理模型互动的过程中可引发一系列联动的真实问题。因为问题源于自身活动过程，具有“亲历发现”的意味，所以更能激起学生自主探究的兴趣。此外，基于真实模型能将抽象事物具象化，使学生的认知在不断经历顺化、同化、平衡的过程中走向深层次的思考。
以苏教版科学三年级上册“地下水”一课为例，教师创设了中国援建非洲打井的任务情境，分别设置“寻找地下水源”“勘探地下结构”“研究打井方案”“模拟建井过程”4个环节。在“勘探地下结构”环节中，教师提供了不同数量的土壤、小石子、不透水的塑料碗分别模拟土壤层、碎石层、岩石层，让学生根据自己对地下结构的认知进行地层结构模型搭建。在地下结构模型的建构中，出现了不同的建构方式，如
表1所示。
在活动中，小组模拟降水后出现了不同的情况，有的小组观察到碎石层集聚了大量的水，有的小组观察到碎石层的水量不多，还有的组碎石层没有水。由此引发学生思考：地下水与降水量有什么关系？地下水与地下结构组成有什么关系？在这些问题的铺垫下学生进一步深思：地下水储存在哪一层？井应该打在地下的哪一个位置？此时，学生仍处于思维的矛盾冲突中，大部分学生认为应该将井打到碎石层，仍有小部分学生认为应该将井打到土壤层。教师借机让学生根据自己的想法打井。小部分认为打井打到土壤层的学生发现：土壤层只是潮湿了，但并未在土壤层挖到水，或者井中出水量非常少且浑浊。结合非洲地区不易开采地下水的原因，再次引发学生思考，发现真实的地质结构相对复杂，并不是简单的三层结构，从而让学生真正建立起地下水位置与地层结构之间关联的科学认知。
4.2 借助概念模型，设置递进问题，形成知识联结
概念是学生在感性认识的基础上，通过分析、比较、综合、抽象、概括等思维过程而最终形成的。在科学课堂中，诸多的科学概念常成为学生的学习难点。在教学时，教师可以借助概念模型，层层推进，架设新旧知识之间的逻辑关联，帮助学生形成对概念的认知，从而达到提升学生逻辑分析、归纳概括等高阶思维能力的目的。
以苏教版科学六年级上册“化石告诉我们什么”一课为例，在学习化石概念的时候教师并不急于出示化石概念，而是通过一系列学习活动不断挖掘与深化学生对化石的前概念和认知（
图2）。在教学中，教师先出示化石的图片，引导学生进行观察和对比，发现印迹化石等不同化石图片的异同。随后教师带领学生观察、触摸化石实物，亲身感受真实的化石。最后借助化石形成过程的视频完成化石概念的建构。由化石图片到实物化石再到化石形成及发现的相关视频，3种不同认识化石的方式逐步呈现，最后引导学生说一说化石是什么。在教师的引导下，有的学生认为化石是动物的实体，有的学生认为化石是动物活动形成的印记，还有的学生认为化石是在地层之中形成的，形成的时间比较长。教师根据学生的回答相机板书在黑板上，通过梳理学生形成的认知，最后形成了化石的概念——保存在地层中的古生物遗体或古生物活动所留下的遗迹，如骨骼、外壳、叶子、脚印化石等。
4.3 聚焦数学模型，分析科学内涵，指向深度学习
在科学课中，数据是学生探究活动的真实反馈，是学生认识和解释已有知识经验和客观世界的依据。在科学课堂中，教师借助信息技术手段处理学生的实验数据，以形成大数据，将零散的信息整合为数学模型，形成有效的教学素材。教师引导学生聚焦主要数据，并对数据进行整理、分析、归纳，发现背后隐藏的科学本质和科学规律，从而将学习活动推向深层次的思维进阶。
以苏教版科学六年级的“有利于生存的本领”一课为例，教师聚焦动物的保护色展开教学，结合达尔文的进化论，创设了“天敌捕食青蛙”的情境体验，用黄、绿两色橡皮泥模拟青蛙，将其放置在绿色草坪中。随后以小组为单位，4名学生扮演捕食者，在设定时间内进行“捕食”（找取黄绿橡皮泥），同时记录捕食到的黄、绿色青蛙数量。在整个体验活动中，共进行2次模拟捕食、1次模拟繁殖。在第1次模拟捕食后，在Excel表中汇总了全班不同体色青蛙的捕食数量。随后，学生模拟第一代青蛙繁殖后代的过程：将草坪中剩余的不同体色“青蛙”随机进行两两交配（将2块橡皮泥混合后再一分为二），此时出现了黄绿相间的混色青蛙，将其放入草坪中。学生再进行第二次模拟捕食活动，将捕食到的“青蛙”体色再次进行统计。
通过小组数据收集、全班数据汇总，数据变成了可视化的社会交互，关联的统计图则可以马上对比出结果，学生更容易发现青蛙数量变化背后隐藏的秘密——与草坪颜色差异性小的青蛙存活率更高。学生在两次模拟捕食的“猜想—模拟尝试—解释”过程中结合数学模型，逐渐建构起环境对生物的影响，最终习得本课的主要概念“自然选择”。在此基础上，教师再进一步追问：“如果再将留下的青蛙进行交配，产生的后代又会出现怎样的结果呢？”“一百年、两百年以后这块草地上的青蛙体色会怎样？”学生就可以借助本节课建构起的数学模型进行进一步推理，加深对自然选择的认识。
综上所述，教师要立足教材和学生的认知特点，以模型为支架关联课堂与生活，在建构过程中引发学生的深度思考与探究，提升认知水平，发展科学思维。
福建省教育科学“十四五”规划2023年“研究共同体”专项课题“聚焦创新思维的小学科学‘理·趣’课堂模式构建与区域化实践研究”(Fjygzx23-088)
京公网安备11010202008535号
PDF
(415KB)
