以建模實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)推進(jìn)科學(xué)概念學(xué)習(xí)

〔摘""要〕"以建模實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，推進(jìn)科學(xué)概念學(xué)習(xí)。結(jié)合學(xué)生認(rèn)知水平、思維能力等特點(diǎn)，從形成心智模型、心智模型外顯、測(cè)試模型效果、遷移應(yīng)用模型的建模能力出發(fā)，促進(jìn)前概念向科學(xué)觀念的轉(zhuǎn)化。從科學(xué)探究到科學(xué)實(shí)踐，有利于提升學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力，這樣的模型建構(gòu)方式才具有價(jià)值?！碴P(guān)鍵詞〕"小學(xué)科學(xué)；建模實(shí)驗(yàn)；科學(xué)概念一、問(wèn)題的提出《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》要求教師在教學(xué)中注重大概念的落實(shí)，即需要把大概念作為課堂教學(xué)的主要目標(biāo)之一?？茖W(xué)概念的落實(shí)一直是課堂教學(xué)中的重難點(diǎn)。然而在日常教學(xué)中學(xué)生往往難以理解科學(xué)知識(shí)，究其原因，是對(duì)概念的建構(gòu)過(guò)程邏輯不清、認(rèn)知模糊，最終難以形成系統(tǒng)性的理解和靈活應(yīng)用。現(xiàn)象一：《用種子繁殖》這一課中有這樣一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)：觀察種子，猜測(cè)種子的傳播方式并驗(yàn)證。這樣設(shè)計(jì)的意圖在于指導(dǎo)學(xué)生在已知生活經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)先觀察、做出猜想，然后模擬其在自然狀態(tài)下的傳播情況來(lái)驗(yàn)證。但是在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)雖然學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，經(jīng)歷了探究過(guò)程，鍛煉了觀察、分析、總結(jié)的能力，但是難以明確本課的科學(xué)概念，難以建立種子結(jié)構(gòu)的多樣性是為了適應(yīng)環(huán)境變化的概念，科學(xué)目標(biāo)與概念之間的互相滲透微乎其微?，F(xiàn)象二：《太陽(yáng)系大家族》這一課要求學(xué)生知道太陽(yáng)系中有八顆行星，并描述它們?cè)谔?yáng)系中的相對(duì)位置。全班絕大部分學(xué)生可以直接說(shuō)出標(biāo)準(zhǔn)答案，這是他們已經(jīng)具備的基礎(chǔ)宇宙知識(shí)。但若是需要更詳細(xì)地向別人介紹，將抽象概念轉(zhuǎn)換為具象的事物則有了難度。如果一個(gè)問(wèn)題拋下去，學(xué)生可以非常輕松地回答出來(lái)，這說(shuō)明學(xué)生有著豐富的前概念，對(duì)他們而言這個(gè)問(wèn)題不具備任何挑戰(zhàn)性。那么學(xué)生真的理解概念了嗎？顯然，在拓展延伸中，他們不會(huì)運(yùn)用已學(xué)知識(shí)分析解決新的問(wèn)題，也就說(shuō)明科學(xué)概念的框架在學(xué)生知識(shí)體系中沒(méi)有完整的建構(gòu)。因此，為了更好地幫助學(xué)生進(jìn)行概念的建構(gòu)，有效促進(jìn)學(xué)生抽象邏輯思維能力的發(fā)展，建立模型的教學(xué)策略成了重要的紐帶。二、問(wèn)題的分析（一）科學(xué)課堂教學(xué)現(xiàn)狀的分析由于教學(xué)環(huán)境的限制，大部分學(xué)校資源有限，通常在教室進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)。由于課程內(nèi)容的復(fù)雜性和多樣性，有限的課堂時(shí)間都被安排得滿滿當(dāng)當(dāng)毫無(wú)間隙。而建?；顒?dòng)所需要的材料、時(shí)間、場(chǎng)地較之一般的探究實(shí)驗(yàn)，要求更多，因此難以讓學(xué)生在課堂上進(jìn)行直接觀察和深入研究。這樣的教學(xué)難接地氣，稍不留神就會(huì)使得理論與實(shí)際脫節(jié)或者是知識(shí)灌輸較多的情況，難以達(dá)到讓學(xué)生保持興趣、能知其然還能知其所以然的效果。（二）學(xué)生認(rèn)知水平現(xiàn)狀的分析在皮亞杰認(rèn)知發(fā)展四個(gè)階段中，小學(xué)四年級(jí)的學(xué)生正處于具體運(yùn)算階段，此階段的兒童認(rèn)知結(jié)構(gòu)已經(jīng)較前運(yùn)算階段發(fā)生了重組和改變，具備一定的思維邏輯能力，但是這階段的兒童思維尚需具體事物的支持，抽象邏輯思維能力不成熟。而有些科學(xué)概念又比較抽象，相關(guān)知識(shí)較難，容易造成學(xué)習(xí)乏味枯燥，妨礙學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和效率的提高。三、以建模實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，落實(shí)學(xué)生科學(xué)概念的建構(gòu)2011年，美國(guó)國(guó)家研究理事會(huì)發(fā)布的《K-12科學(xué)教育框架》（以下簡(jiǎn)稱《框架》）報(bào)告中，核心關(guān)鍵詞由“科學(xué)探究”轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱茖W(xué)實(shí)踐”，這表明科學(xué)教育界正在努力扭轉(zhuǎn)當(dāng)前課堂探究教學(xué)的模式化傾向，突出強(qiáng)調(diào)科學(xué)“知行合一”的實(shí)踐觀。在《框架》中，“建立和使用模型”被認(rèn)為是學(xué)習(xí)真正的科學(xué)的最為重要的實(shí)踐活動(dòng)?？茖W(xué)建模能力是主體意識(shí)對(duì)客體現(xiàn)象復(fù)雜加工過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的個(gè)性化心理品質(zhì)，建模從原有認(rèn)知、觀察和分析物理現(xiàn)象中形成初步的心智模型，然后通過(guò)推理、論證等復(fù)雜的認(rèn)知行為對(duì)心智模型進(jìn)行修正，最后形成概念模型。科學(xué)建模能力是一種主動(dòng)的內(nèi)隱的心智行為能力，是一種外顯的科學(xué)探究能力。培養(yǎng)和提升學(xué)生的科學(xué)建模能力可以參考如圖1的教學(xué)流程圖。用科學(xué)建模的方式建構(gòu)科學(xué)概念。引入情境為學(xué)生提供推測(cè)依據(jù)，暴露學(xué)生的前概念，初步形成心智模型，激發(fā)學(xué)生的探究欲和好奇心，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生，根據(jù)環(huán)境和實(shí)物在大腦中的形象通過(guò)表征表述的方式使心智模型外顯，在這個(gè)環(huán)節(jié)中，學(xué)生會(huì)出現(xiàn)偏差、不完整甚至是錯(cuò)誤的認(rèn)知。隨著實(shí)踐深入，經(jīng)歷分析、比較、綜合、概括等過(guò)程逐步搭建出較為完整正確的科學(xué)模型。最后利用其與外部因素相聯(lián)系得出的相應(yīng)規(guī)律，遷移到較為復(fù)雜的真實(shí)生活中去，形成對(duì)科學(xué)概念完整清晰的建構(gòu)。（一）暴露科學(xué)前概念，形成心智模型美國(guó)著名教育心理學(xué)家奧蘇貝爾說(shuō)：假如我把全部教育心理學(xué)僅僅歸納為一條原理的話，影響學(xué)生唯一最重要的因素就是學(xué)生已經(jīng)知道了什么，要探明這一點(diǎn)，并應(yīng)據(jù)此進(jìn)行教學(xué)。生活處處有科學(xué)，學(xué)生通過(guò)日常生活中的各種見聞和學(xué)習(xí)經(jīng)歷，腦中不再是一片空白，早已對(duì)各種事物建構(gòu)起了自己的認(rèn)知框架，在此基礎(chǔ)上初步形成了自己的思維方式，存在著豐富的科學(xué)前概念。在《人的呼吸》這一課中，探究吸入的空氣與呼出的氣體有什么不同，學(xué)生普遍認(rèn)為吸入的是空氣，呼出的是二氧化碳，明顯是錯(cuò)誤的。學(xué)生從課外書、視頻中學(xué)習(xí)到了一些知識(shí)，但一知半解或是不完整，形成了最初的心智模型。但正因?yàn)榕c自己的前概念形成了強(qiáng)烈的認(rèn)知沖突，恰好激發(fā)了學(xué)生一探究竟的熱情和決心，有了動(dòng)力，后面的探究將事半功倍。此外，在日常教學(xué)備課中，備學(xué)生，備教材，其中很重要的一點(diǎn)便是了解學(xué)生前概念，及時(shí)了解學(xué)生當(dāng)前認(rèn)知水平，每個(gè)學(xué)生、班級(jí)的認(rèn)知水平與家庭文化水平、父母專業(yè)、學(xué)習(xí)環(huán)境、學(xué)習(xí)途徑等參差不齊，我們進(jìn)行教學(xué)時(shí)要與學(xué)生水平相適應(yīng)。在前概念調(diào)查中，讓學(xué)生先畫一畫山地、盆地、高原、丘陵、平原地形的特點(diǎn)，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生無(wú)法清晰地區(qū)分山地丘陵，對(duì)于海拔只有基礎(chǔ)的簡(jiǎn)單知識(shí)，如圖2所示。有的班級(jí)的學(xué)生，對(duì)各種地形的名稱、特點(diǎn)認(rèn)知較為清晰，那么教師則不用在講授地形特點(diǎn)這一板塊花費(fèi)太多時(shí)間，可以將更多的時(shí)間使用在建立模型上，繪圖、用超輕黏土建成立體模型。而有的班級(jí)則需要調(diào)查前概念后進(jìn)行調(diào)整，從圖片、視頻、資料閱讀多角度觀察、描述、總結(jié)地形的特點(diǎn)，形成初步的心智模型?！扒案拍睢币卜Q為“迷思概念”，通常是在對(duì)日常生活現(xiàn)象觀察的基礎(chǔ)上建立的。事實(shí)上，由于我們的見識(shí)面狹窄，日常生活經(jīng)驗(yàn)往往比較粗淺甚至是錯(cuò)誤的，因此在前概念中容易形成認(rèn)知沖突。那么，在進(jìn)行系統(tǒng)的科學(xué)探究之后，新舊概念的碰撞、重組，隨著時(shí)間、次數(shù)的增加，學(xué)生對(duì)信息處理能力越強(qiáng)，越有利于形成科學(xué)概念的內(nèi)部結(jié)構(gòu)化。（二）心智模型外顯，初建科學(xué)概念建構(gòu)主義認(rèn)為，科學(xué)概念的學(xué)習(xí)就是學(xué)生由前概念向科學(xué)概念的轉(zhuǎn)變過(guò)程。在小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)中，讓學(xué)生單一地學(xué)習(xí)理論知識(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)和落實(shí)科學(xué)概念。所以教師大多會(huì)采用各種策略激發(fā)學(xué)生課堂思維的發(fā)生。構(gòu)建模型使心智模型外顯，更是科學(xué)探究策略中的重要方法。它提供給學(xué)生一些邏輯思考和思路的工具，將抽象思維具象化，落實(shí)概念的建構(gòu)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)概念的理解。在《種子的旅行》一課教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生思考種子借助周圍環(huán)境的力量，需要什么樣的本領(lǐng)才能傳播到更遠(yuǎn)的地方去。設(shè)計(jì)意圖在于讓學(xué)生真正明確種子的結(jié)構(gòu)多樣性其實(shí)是適應(yīng)環(huán)境的結(jié)果，是生物進(jìn)化史上最基礎(chǔ)的偉大進(jìn)程。將學(xué)生置于情境中，從單一到多角度、多方面對(duì)現(xiàn)象做出解釋，將情境當(dāng)作可以支持思考、認(rèn)識(shí)各類現(xiàn)象的工具。將學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)交于學(xué)生手中，使其自主分析該環(huán)境中種子若想實(shí)現(xiàn)傳播的目的，需要什么本領(lǐng)。學(xué)生不再局限于一些典型的種子特征，可以開放地運(yùn)用已有經(jīng)驗(yàn)及材料，設(shè)計(jì)出種類更加豐富的模型，將環(huán)境與結(jié)構(gòu)聯(lián)系得更加密切，思維得到發(fā)散，如下表所示。（三）測(cè)試模型效果，完善概念內(nèi)涵在STEM教學(xué)理念中，設(shè)計(jì)模型是不斷迭代的過(guò)程。從問(wèn)題情境到建構(gòu)模型，再到分析模型、應(yīng)用模型、評(píng)估模型、修正模型，再回到問(wèn)題情境，是一個(gè)不斷修改、優(yōu)化的動(dòng)態(tài)循環(huán)過(guò)程。在實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生對(duì)于初步建構(gòu)的模型還不是很完善，在分享交流的過(guò)程中，匯報(bào)小組傾聽其他同學(xué)的評(píng)價(jià)，接納合理的建議，互相交流的過(guò)程也是對(duì)自我認(rèn)知的一個(gè)進(jìn)階過(guò)程。如在《月球》一課教學(xué)中模擬隕石撞擊地球。未經(jīng)處理的土壤無(wú)法模擬月球表面疏松的土壤層，研磨成細(xì)顆粒再過(guò)篩，細(xì)膩均勻地鋪在盒子中，再在表面撒上面粉，模擬松軟的土質(zhì)、隕石的撞擊。通過(guò)對(duì)比隕石坑與火山口的形狀不同，判斷環(huán)形山的由來(lái)。《觀察星空》一課教學(xué)中用7個(gè)球模擬北斗七星，從正面看形成了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的勺子形，但從另一個(gè)角度看，不同的球體位置引發(fā)學(xué)生思考，在不斷地取證過(guò)程中，明確不同的星體與地球的距離各不相同?！墩J(rèn)識(shí)地形》一課地理概念具象化，從科學(xué)的角度，講授色彩與海拔溫度、植物類型等角度，形成科學(xué)完整的模型，多學(xué)科融合建構(gòu)科學(xué)的概念，如圖3所示。借助模型的自主探究方式，學(xué)生的思考有了更全面的視角。新的發(fā)現(xiàn)源自實(shí)踐。由此可見，學(xué)生不再拘泥于現(xiàn)有的、教師提供的有限證據(jù)之中時(shí)，思維才得以真正發(fā)生。以應(yīng)用、評(píng)估模型作為表達(dá)交流環(huán)節(jié)的方式，解答別人的質(zhì)疑，傾聽別人的建議，修改自己的模型，是學(xué)生對(duì)自己探究過(guò)程的認(rèn)識(shí)，更是對(duì)科學(xué)概念的進(jìn)一步認(rèn)知。（四）遷移應(yīng)用模型，促進(jìn)概念內(nèi)化以建模實(shí)驗(yàn)為探究方式，將科學(xué)探究變?yōu)榭茖W(xué)實(shí)踐，這樣的教學(xué)模式顛覆了以往的傳統(tǒng)教學(xué)，讓學(xué)生站在課堂中央，充分