芻議模型建構在初中科學概念教學中的運用

孫麗莉

摘? ? 要：模型建構是科學思維的主要內容之一，對指導學生快速理解相關概念體系有著重要作用。教師可引導學生在真實情境中開啟模型建構，在問題鏈中形成模型建構，在深度學習中研析模型建構，并應用大概念完善模型建構，然后在解決問題中應用模型建構，在歸納實踐中具化模型建構，進而建構科學概念，提升探究素養。

關鍵詞：模型建構;核心素養;《簡單機械》

《義務教育科學課程標準（2022年版）》指出：科學思維是從科學的視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式。模型建構是科學思維的主要內容之一，科學知識學習中有很多核心的理論概念需要教師帶領學生分析歸納并系統掌握，而模型建構法對指導學生快速理解相關概念體系有著重要作用。下面，筆者以浙教版義務教育教科書《科學》九年級上冊（以下簡稱“浙教版《科學》九上”）第3章第4節《簡單機械》的教學為例，闡述模型建構在初中科學概念教學中的運用。

一、在真實情境中開啟模型建構

情境指教學真實客觀的知識問題背景，在課程內容設計和教學評價過程中，教師要同樣重視問題情境的科學創設。導入的課堂情境應該是學生所熟悉并理解的，這樣教師就能從課堂一開始吸引住學生的注意力，使學生廣泛參與?！逗唵螜C械》開篇第一句就說“我們用筷子吃飯、用剪刀剪紙，都在使用簡單機械”，然后講到了自行車等的每個部件都是簡單機械，接著給出開瓶器等圖片，讓學生仔細觀察并體驗它們在使用過程中有什么共同特征，其目的就是讓學生通過熟悉的生活情境來建構杠桿的模型。

二、在問題鏈中形成模型建構

（一）實踐中找問題

科學學科的形成和發展是在實踐中進行的，脫離實踐中的問題，科學將失去本質意義。毋庸置疑，科學學科中的概念既是教學的重點又是難點。而問題情境教學往往能使學生獲得相應概念的感性思考和理性認知，產生強烈的認知共鳴或認識沖突，引發學生對現象進行深入思考。因此，教師應該有意識、有針對性地創設各種問題情境，設計由相互關聯、有內容指向、有進階關系的多個問題組成的問題鏈。問題鏈的設計能使模型建構更加豐滿立體，拓寬學生思維的張力。

（二）簡單機械中的問題鏈

教師可借助問題鏈進行有效的課堂提問，基于高階思維建構以核心素養為導向的科學課堂。

1.圍繞教學目標提問

針對“讓學生明白杠桿定義”的教學目標，教師可讓學生嘗試使用給出的各種工具，并找出這些工具的共同特征。

2.從“最近發展區”提問

設計的問題鏈要有一定的難度和挑戰性，并且讓學生能根據舊知來整合回答。如讓學生從常用工具中總結出杠桿有哪些要素。又如力臂是新的概念，但學生學過力的概念，教師就可提問：“力臂與力的三要素有什么不同？僅從力的三要素出發能描述杠桿嗎？”

3.以進階式程序提問

學習的過程往往是新知代替舊知、先易后難、層層深入的，問題鏈的實踐過程也一樣需要循序漸進、抽絲剝繭。如學生知道物體的平衡狀態、物體在水平面上做勻速直線運動時拉力等于摩擦力，教師可分別提問“杠桿平衡是怎樣的”“物體在斜面上，拉力等于摩擦力嗎”。

4.基于拓展遷移提問

教是為了不教，所有的教學到最后一定是培養學生的理解應用能力。教師要引導學生將所學知識重構、內化，幫助學生學會遷移應用知識。在提問的過程中，教師也要有意識地強化這一點。如剛學完杠桿基礎后，教師可以引導學生思考“除了平常會接觸到的一些杠桿形式，有沒有發現什么特別的杠桿或變形的杠桿”，從而引出滑輪。在滑輪原理的實踐教學過程中，教師要先讓學生自己動手并根據杠桿原理的五大要素找一找滑輪的五要素，培養學生的知識整合遷移能力。

三、在深度學習中研析模型建構

要掌握概念的本質，學生必須對概念有深度的理解和加工過程，因為“思維是構成學生核心素養的重要方面，科學教育的根本目標是發展學生的思維……觀察和實驗只能為我們提供感性的材料，而對事物本質的認識則需要借助比較分析、抽象概括、歸納演繹等思維方法而獲得”[1] 。數學模型是解決復雜問題的常用方法之一，在這一節的教學中，筆者就讓學生運用數學模型來分析簡單機械中力的變化關系，引導學生進入深度學習。

例：吸盤式掛桿掛有平底鍋的掛鉤沿光滑水平橫桿從P點開始向吸盤B移動（圖略），若吸盤與橫桿的重力、吸盤大小均忽略不計，設掛鉤與吸盤A的距離為l，則吸盤B受到的摩擦力F的大小與l的關系圖應該怎么畫？

要解決這個問題，就需要不斷地去研析模型。第一步，找到杠桿的五要素，尤其要確定支點位置;第二步，利用杠桿的平衡條件F1×L1=F2×L2;第三步，建立數學模型。通過分析得到G×l=F×LAB，所以F=lG/ LAB，這是一個正比例函數。而在現實生活中，掛鉤與吸盤A的距離l是不可能為0的，因此數學模型中的前面一段是取不到的。

數學模型能將簡單機械的本質概括出來，化繁為簡，使概念更加深化具體。教師引導學生對數學模型結合實際不能取的一些點進行分析，可讓學生在懂得如何用數學模型作簡化的同時，又不忘生活中的實際情況，幫助學生發展理解能力和探究能力。

四、應用大概念完善模型建構

（一）對概念的整合內化

模型建構是新舊知識間跨越、理解、應用和遷移的過程。通過模型建構，我們不僅能把圖表數據整合起來，培養學生的理性思維，還能把很多小概念整合在大概念中，使學生所學的知識由零碎變得整體化。

（二）簡單機械中的大概念

溫·哈倫指出：“科學大概念是有組織、有結構的科學知識和模型，這些大概念能夠解釋大范圍內的一系列的相關現象?！盵2]浙教版《科學》九上第三章以“能量”為主線，并貫穿整章。在實際問題中，機械克服阻力作用所做的功一般由兩部分組成：一部分是克服有用阻力做的功，稱為有用功;另一部分是克服機械摩擦力等額外阻力所做的功，稱為額外功或無用功。兩者的和就是總功。那么對于簡單機械，我們如何從大概念的角度去理解呢？

1.確定合適的大概念

在學習簡單機械之前學生已經學習了力和功的基本知識。簡單機械內容是對前面知識的綜合和提高。這其中包含了兩個大概念：力和功。力是改變物體運動狀態的原因;功是能量轉化的量度。教師要引導學生從這兩個角度去理解簡單機械。

2.利用概念視覺圖

《簡單機械》一節包括杠桿、滑輪、斜面。其中，杠桿的定義、平衡條件、分類，滑輪組的動力、阻力的分析，斜面上物體的受力分析等，均可以由“力”這個大概念統領;有用功、額外功、總功、機械效率等的分析，則可以由“功”這個大概念切入。為了讓學生能夠更好地理解復雜的知識，教師可以使用概念視覺圖讓知識整體化、結構化。

3.抓住概念間的聯系

教師必須讓學生清楚力和功的關系。力（重力、摩擦力、彈力）是物體與物體之間的相互作用;而物體在力的作用下沿力的方向通過了一定距離，就說明該力對物體做了功。重力做的功與路徑無關，只與物體的始末位置有關。彈力做功的多少與發生的彈性形變量有關。摩擦力做的功與實際路徑有關。

五、在解決問題中應用模型建構

對學生來說，有效的概念學習，不是機械的記憶，而是深刻理解從大量的實驗和廣泛的數據統計中揭示的規律和原理，并將其應用于解決實際問題，進而在應用過程中逐漸提高知識獲取、實踐操作、思維認知等能力。知識的遷移與應用是知識概念建構的拓展和延伸。

而以核心素養為指向的教學，在很大程度上指向的是一種“解決問題”的能力。教師引導學生利用模型建構可以解決以下幾個問題：（1）杠桿的動態平衡（解決方法：確定杠桿的五要素，利用杠桿的平衡條件）;（2）杠桿如何最省力（解決方法：確定支點，找到最大的力臂）;（3）變形杠桿，如滑輪、滑輪組（解決方法：受力分析、功的原理）。

例如，浙教版科學九上在第88頁中呈現了用木棒撬動石塊的生活實例，其目的是讓學生明白杠桿的支點、動力、阻力、動力臂、阻力臂。筆者認為可以深化此圖的作用，如讓學生思考“要撬動大石塊，教材中給出的是最省力的方式嗎？怎樣才能最省力”等問題，通過實際問題的應用，讓學生產生思維沖突，感知杠桿的支點是可以改變的，要省力就得讓動力臂盡可能地長一些。在實踐中建構模型，可使學生更加靈活地學習知識，并抓住知識的本質。

六、在歸納實踐中具化模型建構

科學是一門重視怎么做的學科，模型的建構就是做的過程。學生往往要反復觀察，仔細思考，在動手的過程中領悟模型建構的方法。

如筆者讓學生課后自制杠桿，學生利用一次性筷子或食堂里撈面的木棍等完成。學生還用自制的杠桿稱量了文具、水果等，這讓學生明白了確定支點的重要性及生活中處處有科學的道理。此外，教師還可以引導學生利用廢棄的硬紙片、針筒或樂高玩具制作簡易的起重機，讓學生在動手實踐中體會簡單機械的應用。通過這些活動使模型具化，讓學生深刻理解簡單機械的理論知識。

意大利教育家蒙臺梭利有一句風靡全球的教育名言：“聽了，會忘記;看了，能記住;做了，能理解?！边@句話告訴我們，通過灌輸，學生對知識的理解是膚淺的，要讓學生對知識有深刻的理解，必須讓學生多活動、多體驗。同時在做的過程中，教師還需要不斷地引導學生對活動中所獲得的信息進行理性分析，讓學生透過現象看本質，進而對概念形成深刻的理解。

綜上，模型的建構有利于把復雜的科學事物和概念抽象化，有利于學生的科學探究和思維能力的培養。當然，科學的本質內涵非常豐富，教學的方式靈活多樣，模型建構只是認識世界的一種方法，而不是萬能的。模型的建構是一個需要不斷修正的過程，而在這樣的過程中，學生的探究素養會逐步提高。[□][◢]

參考文獻：

[1]鄭青岳.指向理解的科學教學[M].杭州：浙江教育出版社，2021：45.

[2]溫·哈倫.以大概念理念進行科學教育[M].韋鈺，譯.北京：科學普及出版社，2016：6.