基于心智模型進(jìn)階的探究式建模教學(xué)

科學(xué)建模已成為全球科學(xué)教育領(lǐng)域改革的焦點，眾多國家將培養(yǎng)學(xué)生的模型構(gòu)建能力列為科學(xué)教育的關(guān)鍵目標(biāo)。在小學(xué)科學(xué)教育中，科學(xué)建模是連接學(xué)生主觀認(rèn)知與客觀科學(xué)現(xiàn)象的橋梁，有助于學(xué)生理解抽象概念，提升科學(xué)素養(yǎng)，因此其重要性越發(fā)凸顯。然而，當(dāng)前小學(xué)科學(xué)中的建模教學(xué)面臨著許多挑戰(zhàn)。以教科版《科學(xué)》六年級下冊《八顆行星》的教學(xué)為例，后測發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生學(xué)過該內(nèi)容后依然缺乏對太陽系大小的感性認(rèn)識，難以建立起太陽系的認(rèn)知模型。例如，學(xué)生僅能零散地說出部分天體，對行星特征及其關(guān)系的認(rèn)識較為模糊。為了突破這樣的困境，本文嘗試從心智模型進(jìn)階與科學(xué)思維發(fā)展的角度出發(fā)，有效培養(yǎng)學(xué)生的建模能力及科學(xué)探究精神。一、心智模型進(jìn)階與科學(xué)思維發(fā)展心智模型這一概念源于認(rèn)知心理學(xué)，指的是學(xué)生在長時記憶中形成的內(nèi)部表征和認(rèn)知結(jié)構(gòu)。這些內(nèi)部表征與認(rèn)知結(jié)構(gòu)通過與外部情境或刺激相互作用，幫助學(xué)習(xí)者加深對新知識的理解。在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，學(xué)生學(xué)習(xí)和理解科學(xué)概念的過程就是構(gòu)建心智模型的過程。研究表明，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中會形成不同層次的心智模型。在小學(xué)科學(xué)課堂中，可以將學(xué)生的心智模型分為四個層級：無模型、非科學(xué)模型、科學(xué)瑕疵模型、科學(xué)模型。隨著學(xué)生對知識及其相互關(guān)系的理解逐漸深人，其心智模型也會不斷豐富和完善。具體如圖1所示。圖1（一）無模型學(xué)生的知識零散且缺乏聯(lián)系，未能圍繞核心概念形成系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)。在這一階段，學(xué)生通常對科學(xué)現(xiàn)象存在誤解。如學(xué)生對于太陽系中的八顆行星的認(rèn)知非常有限且零散。他們可能僅僅知道地球是一顆行星，或許還聽說過火星或金星等個別行星的名字，但對于行星的定義、特征以及八顆行星之間的關(guān)系缺乏基本認(rèn)識。（二）非科學(xué)模型學(xué)生雖然能將知識組織成一個系統(tǒng)，但對核心概念的認(rèn)識仍存在錯誤或不全面，且未能在知識間建立科學(xué)的聯(lián)系。這一階段對應(yīng)學(xué)生科學(xué)思維的初步發(fā)展。如學(xué)生開始嘗試探討八顆行星間的聯(lián)系，但存在較多錯誤，或無法建立完整的認(rèn)識。部分學(xué)生可能認(rèn)為行星的大小相差不大，或者認(rèn)為離地球越近的行星溫度越高?？梢娝麄儧]有正確理解行星大小、與恒星的距離和溫度之間的關(guān)系。學(xué)生雖然意識到需要對這些知識進(jìn)行整理，但由于缺乏科學(xué)指導(dǎo)，他們構(gòu)建出的模型也缺乏科學(xué)性。（三）科學(xué)瑕疵模型學(xué)生圍繞核心要素組建知識結(jié)構(gòu)，但仍可能存在偏差或不夠完整。此時，學(xué)生已經(jīng)能理解事物的基本特征，但其科學(xué)思維仍不夠成熟。如學(xué)生對八顆行星的大小和距離等都有一定的了解，但將這兩種特征納入一個模型時，他們?nèi)詿o法建立正確的關(guān)系。換言之，學(xué)生已經(jīng)能把握事物的基本特征，但其科學(xué)思維尚不成熟，需要進(jìn)一步深化和完善。（四）科學(xué)模型在這一層級，學(xué)生圍繞核心要素組建知識結(jié)構(gòu)，且各要素之間的關(guān)系與科學(xué)概念相符，表明其科學(xué)思維已經(jīng)達(dá)到較高水平。學(xué)生能夠運用科學(xué)知識解釋現(xiàn)象并解決問題，如能夠準(zhǔn)確理解和描述八大行星各個方面的特點，包括在太陽系中的相對位置以及它們之間的大小關(guān)系等。且學(xué)生能夠運用這些知識解釋相關(guān)的天文現(xiàn)象，如“為什么在晴朗的清晨，能在地球上看到水星\"等等。通過《八顆行星》這一課的學(xué)習(xí)，可以看到學(xué)生在不同心智模型層級的表現(xiàn)以及其心智模型逐步從低級向高級發(fā)展的過程。學(xué)生不斷構(gòu)建更為科學(xué)和系統(tǒng)的心智模型，提升自身的科學(xué)思維能力。這也為教師實施差異化教學(xué)提供了重要依據(jù)。二、基于心智模型進(jìn)階的探究式建模在小學(xué)科學(xué)教育領(lǐng)域，如何將抽象的科學(xué)概念轉(zhuǎn)化為學(xué)生可理解、可操作的模型，是教師需要思考的問題?；谛闹悄Ｐ瓦M(jìn)階的探究式建模旨在通過引導(dǎo)學(xué)生主動探究并建構(gòu)科學(xué)模型，實現(xiàn)從直觀經(jīng)驗向科學(xué)概念的過渡。該模式借鑒了國際上的建模教學(xué)理念，并針對我國小學(xué)科學(xué)教育的實際情況進(jìn)行了本土化調(diào)整?？紤]到小學(xué)生的認(rèn)知特點和班級規(guī)模，教師設(shè)計了以下四個教學(xué)要素一一模型的引入與建構(gòu)、驗證與修正、分析與深化、應(yīng)用與拓展（如圖2），從而將教學(xué)要素和心智模型聯(lián)系起來，支持學(xué)生的心智模型進(jìn)階。圖2（一）模型的引入與建構(gòu)在教學(xué)的起始階段，學(xué)生通常依賴直觀的生活經(jīng)驗。該階段與心智模型的初步構(gòu)建緊密相關(guān)，教師可以設(shè)計貼近學(xué)生生活的實驗，激發(fā)學(xué)生構(gòu)建新模型的興趣。對于處于無模型階段的學(xué)生而言，其知識零散且缺乏聯(lián)系，教師需要從熟悉的事物入手加以引導(dǎo)。例如，在八天行星的模型引入與建構(gòu)階段，教師充分考慮學(xué)生的特點，向?qū)W生呈現(xiàn)了距地面10米處拍攝的操場照片。這是學(xué)生日?？梢姷氖挛铮纤麄兊恼J(rèn)知水平。此時，學(xué)生處于無模型狀態(tài)，僅能感知眼前熟悉的事物。接著，教師呈現(xiàn)了1000米高處拍攝的城市照片，學(xué)生十分感興趣。他們對處于不同范圍的事物有了直觀的對比，初步構(gòu)建起事物間的簡單聯(lián)系，但仍未觸及科學(xué)概念。隨著教師逐步出示10千米上空拍攝的市域照片、1000千米上空拍攝的省域照片、1萬千米上空拍攝的地球照片及100億千米上空拍攝的太陽系的照片，學(xué)生不斷拓展視野，開始從無模型階段向非科學(xué)模型階段過渡。此時，教師展示了兩幅在大小、相鄰天體的距離等方面存在差異的太陽系圖片，一幅源自科學(xué)教材，另一幅源自科普網(wǎng)站。學(xué)生一時難以判斷哪幅圖片反映的是真實情況，這正暴露了他們在非科學(xué)模型階段對核心概念的理解不夠到位的情況。這種認(rèn)知缺陷推動學(xué)生用模型開展研究，標(biāo)志著學(xué)生向更高級的心智模型進(jìn)階。教師通過層層遞進(jìn)的引導(dǎo)，使教學(xué)與學(xué)生的心智模型發(fā)展階段相適應(yīng)，為學(xué)生的成長奠定了基礎(chǔ)。（二）模型的驗證與修正學(xué)生在初步構(gòu)建模型后，需要通過實驗和觀察來驗證其有效性，這一環(huán)節(jié)對促進(jìn)學(xué)生從非科學(xué)模型階段或科學(xué)瑕疵模型階段向科學(xué)模型階段進(jìn)階至關(guān)重要。當(dāng)學(xué)生處于非科學(xué)模型階段時，其知識雖有所組織，但對核心概念的理解仍不夠到位。此時教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行模型驗證，可幫助他們發(fā)現(xiàn)并解決這些問題。例如在《八顆行星》的教學(xué)中，當(dāng)學(xué)生提出想要研究八大行星的大小后，教師出示八天行星的直徑數(shù)據(jù)。此時學(xué)生憑借已有的知識嘗試建立模型，但可能會出現(xiàn)各種不準(zhǔn)確的判斷。教師提供事先準(zhǔn)備好的實物模型，引導(dǎo)學(xué)生感受八大行星的大小，同時引出太陽模型，讓學(xué)生直觀感受太陽的“巨大”。學(xué)生重新審視之前的認(rèn)知。處于非科學(xué)模型階段的學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)自己原有認(rèn)知中的錯誤；處于科學(xué)瑕疵模型階段的學(xué)生能夠清晰地發(fā)現(xiàn)自己建構(gòu)的模型中不完整或不準(zhǔn)確的部分。接著，教師引導(dǎo)學(xué)生思考所構(gòu)建模型與事實的接近程度，促使學(xué)生主動進(jìn)行批判性思考，從單純的模型構(gòu)建轉(zhuǎn)向?qū)δＰ蜏?zhǔn)確性的評估。這就是心智模型進(jìn)階過程中的思維轉(zhuǎn)變。隨后，教師帶領(lǐng)學(xué)生在紙帶上建立太陽系行星的距離模型。學(xué)生進(jìn)一步深人探究，認(rèn)識到八大行星在太陽系中并不是等距離均勻分布的。兩次建模的過程中，學(xué)生不斷將自己預(yù)測的結(jié)果與實際數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并積極地調(diào)整自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，糾正錯誤的概念。這一過程培養(yǎng)了學(xué)生的批判性思維能力和科學(xué)探究能力，使他們的心智模型逐步向科學(xué)模型進(jìn)階。（三）模型的分析與深化在模型驗證與修正的基礎(chǔ)上，教師利用圖像、視頻等多媒體工具開展教學(xué)活動，幫助學(xué)生從科學(xué)瑕疵模型階段向科學(xué)模型階段進(jìn)階。當(dāng)學(xué)生處于科學(xué)瑕疵模型階段時，他們已能夠圍繞核心要素組織知識結(jié)構(gòu)，但仍存在部分錯誤或不完整之處，需要進(jìn)一步完善模型，強化對科學(xué)概念的理解。在《八顆行星》一課的教學(xué)中，當(dāng)學(xué)生研究了八天行星的大小模型和距離模型后，教師引導(dǎo)他們思考如何建立真實比例的太陽系模型。這一問題促使學(xué)生運用已有的知識和經(jīng)驗，對現(xiàn)有模型進(jìn)行更加深人的剖析。學(xué)生分析后認(rèn)為要把大小模型和距離模型合二為一，并積極探討建立真實比例模型的方案，對知識進(jìn)行重整。教師適時播放相關(guān)視頻，讓學(xué)生獲取準(zhǔn)確的科學(xué)信息，并從中提煉方法。這種從具體模型到抽象概念的跨越過程也是學(xué)生填補知識漏洞，糾正錯誤認(rèn)知的過程。由此，學(xué)生逐步構(gòu)建起與科學(xué)知識一致的心智模型，實現(xiàn)了從科學(xué)瑕疵模型階段向科學(xué)模型階段的進(jìn)階，為今后運用科學(xué)概念解釋和解決相關(guān)問題奠定了堅實基礎(chǔ)。（四）模型的應(yīng)用與拓展完成了模型的分析與深化后，教師創(chuàng)設(shè)包含多個模型的綜合情境，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用模型解決實際問題。此環(huán)節(jié)有利于推動學(xué)生心智模型的持續(xù)發(fā)展與深度整合，助力學(xué)生鞏固科學(xué)模型并靈活運用。在《八顆行星》一課的教學(xué)應(yīng)用與拓展環(huán)節(jié)，教師要求學(xué)生解釋課文插圖中的注釋“本圖不代表天體大小和距離的實際比例關(guān)系”。學(xué)生運用之前構(gòu)建的太陽系模型，深入分析插圖與真實模型之間的差異，從而進(jìn)一步明晰模型的關(guān)鍵特征及適用范圍，深化對科學(xué)概念的理解。學(xué)生能夠依據(jù)所學(xué)知識準(zhǔn)確指出插圖中可能存在的誤導(dǎo)性信息，如天體大小或距離比例的不準(zhǔn)確之處，體現(xiàn)了對模型的精準(zhǔn)把握。接著，教師創(chuàng)設(shè)如下情境：“探索火星是國家航天局的重要任務(wù)。請你作為未來航天員規(guī)劃前往火星的方案。\"這一情境包含了多個復(fù)雜要素和模型的綜合運用。學(xué)生要考慮火星與地球的位置關(guān)系，這涉及對行星軌道模型、相對位置模型等的整合應(yīng)用。在設(shè)計飛行路線時，學(xué)生必須綜合運用所學(xué)的行星運動規(guī)律、行星間的距離等知識。經(jīng)過嘗試，學(xué)生能夠從整體視角出發(fā)解決實際問題，提升了靈活運用知識和模型的能力。在實際教學(xué)中，模型的引入與建構(gòu)、模型的驗證與修正、模型的分析與深化、模型的應(yīng)用與拓展這四個要素并非線性推進(jìn)，而是相互交織。教師要根據(jù)具體的教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生的實際情況，靈活地選擇和組織這些教學(xué)要素，提升教學(xué)質(zhì)量。三、反思與展望探究式建模教學(xué)作為一種創(chuàng)新的教學(xué)方法，已在小學(xué)科學(xué)教育中展現(xiàn)出獨特的價值和潛力。實踐證明，該教學(xué)模式能夠有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并促使他們進(jìn)一步理解科學(xué)概念。以下是對該教學(xué)模式的反思與展望。（一）關(guān)注心智模型與思維的協(xié)同發(fā)展學(xué)習(xí)進(jìn)階的研究在教育領(lǐng)域日益受到重視。在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，如何從多維度促進(jìn)學(xué)生的發(fā)展，是一個重要的研究方向?！读x務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》強調(diào)了核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，包括科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實踐和科學(xué)態(tài)度。探究式建模教學(xué)不僅關(guān)注心智模型的進(jìn)階，也關(guān)注學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。教師需要在明確學(xué)生所處心智模型階段和建模能力的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體的教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生的實際需求，進(jìn)行連貫的教學(xué)設(shè)計，促進(jìn)學(xué)生思維、能力的全面發(fā)展。（二）探索學(xué)科知識與實踐技能的整合方式隨著科學(xué)課程改革的深入，整合化視角在教學(xué)實踐中的應(yīng)用越來越廣泛。探究式建模需要教師整合不同學(xué)科的知識和技能，以及不同的認(rèn)知和發(fā)展要素。這樣，學(xué)生能在一個連貫的學(xué)習(xí)過程中掌握科學(xué)知識