借助模拟实验，建构科学概念

陶怡

湘科版五年级下册第四单元《地球的运动》属于《义务教育小学科学课程标准中》中“地球与宇宙科学”领域。教学内容主要聚焦在课标13.1“地球每天自西向东围绕着地球自转，形成昼夜交替等有规律的自然现象”及13.2“地球每年自西向东围绕太阳公转，形成四季等有规律的自然现象。”由于该领域内容具有时间和空间的复杂性，对于空间想象力、抽象思维能力都不够成熟的小学生来说难以进行理解和内化。课标中明确指出要运用建构模型、模拟实验、逻辑推理等方法进行研究。笔者将借助教学实践、谈一谈如何借助有效模拟实验帮助学生理解本单元的科学概念，建构知识体系，发展科学思维。

一、感知原型  推测成因

虽然我们感受不到地球的自转和公转，但是地球的这两种运动却是无时无刻不在进行着的。在模拟实验开展前，需要尽可能得让学生获取关于研究对象的全面信息。这些信息帮助建立学生与研究对象的联系，使学生对研究对象有认同感，同时也是对模拟实验是否科学的检验。例如在《昼夜交替》一课中，在上课伊始，教师就提出“在生活中，你能观察到哪些昼夜交替的现象？”在教师的引导下，学生归纳出了太阳东升西落、影子在一天中的长短、方向变化、北京与澳大利亚堪培拉、日本东京等城市同昼同夜，却与美国纽约昼夜相反等现象。在《四季形成》一课中，教师也提出了“关于四季的变化，你能观察到哪些现象？”的问题，学生结合自己的生活经验，回答出了“温度不同、同一时刻影子长短有变化冬季影子长、夏季影子短、昼夜长短不同。”这些都是学生都昼夜交替、四季形成原型的感知，对原型了解得越深入越详细，在进行模拟实验时就能考虑得越周密，模拟实验就越科学有效。

在对原型进行充分感知后，就要引导学生对形成这些现象的成因进行推测。推测成因是模拟实验顺利完成的阶梯，是一种重要的思维活动。如在《昼夜形成》一课中，不少学生通过网络、科普书接受到的信息是“地球自转导致昼夜交替”，但是这与我们日常的感知是相反的，我们感受不到自己在动，反而是能看到太阳的东升西落。这个矛盾是本节课要解决的重点，只有解决了学生表面上接受地球围绕太阳转，才能让他们对地球自转导致昼夜交替这个概念的认同。所以，在引导学生进行成因推测时，我鼓励学生推测出两种能看到太阳东升西落的运动形式，即地球不动，太阳自东向西运动（地心说）和太阳不动，地球自西向东转动（日心说）两种太阳与地球的相对运动形式。

在《四季的形成》一课中，教师也引导学生对地球和太阳怎样运动才能形成四季的变化进行了推测，由于学生之前学习过昼夜交替，知道太阳的位置是相对不动的，地球围绕太阳转动才能形成四季，但运动轨道没有准确地认识，他们认为地球离太阳的距离导致了四季的形成，离太阳距离近，温度高，是夏季;离太阳远，温度低，是冬季。

二、建构模型，模拟实验

在建构模型的过程中，应尽可能地贴近原型和学生实际，以小学生认知特点为基础，在模型材料、结构以及形态方面要尽量与原型相似，以此来更好地帮助学生建立模型与原型之间的类比关系，从而实现对科学概念的建构。

在《昼夜交替》一课中，教师引导学生进行了两次模拟实验。第一次是让学生头戴扎有小孔的纸袋模拟地球，手电筒模拟太阳。学生在模拟实验中发现，无论是地球（学生）不动，太阳（手电筒）自东向西运动，还是太阳（手电筒）不动，地球（学生）坐在旋转椅上自西向东转动，都可以感受到太阳的东升西落。在这个环节，教师意在解决这样一个问题，即以地球的视角观察太阳的东升西落。在以往的教学中，教师会直接让学生用地球仪和手电筒进行模拟，在这个过程中，学生需要思考地球仪上应该看到的是什么景象，对这对于五年级的学生来说，有一定难度，它们要研究的没有直接观察到。而本次模拟实验就直接解决了这个问题，在转动中，学生能直接观察到太阳东升西落的运动轨迹，与我们日常所见是一致的。这样建立在实证基础上模拟为学生理解宇宙中的地球与太阳的运动奠定了基础。

有了第一次模拟实验的基础，学生借助类比思维，用地球仪模拟地球，LED灯模拟太阳再对两种形式进行模拟实验，完成了教学目标，发展了空间想象力和抽象思维能力。

在《四季的形成》一课中，教师抓住了不同季节同一时刻影子长短不同的典型特征，给出了经过测算的影长数值和变化趋势让学生将四季“转”出来，而不是“摆”出来，帮助学生认识到地球是在近似圆的轨道上进行公转的。

三、回到原型，明确概念

（一）有根有据 建构概念

在《昼夜交替》一课中，既然地球不动，太阳围绕地球运动（地心说）和太阳不动，地球围绕太阳运动（日心说）都能形成昼夜交替，那么哪种运动形式才是正确的呢？在这个环节中，教师用了出示证据的方法帮助学生明确概念。教师出示了随着宇航技术和太空观测技术的发展，人类得以离开地球前往宇宙去观察太阳与地球之间的相对运动和傅科摆实验，建构了地球围绕太阳转动的（日心说）的正确概念。

在《四季形成》一课中，教师也预设学生可能会摆出一条线上的“四季”，也用了出示四季星空不同，南北半球季节相反的证据进行建构地球公转轨道近似圆形的概念。

《地球与宇宙科学》领域的内容，需要实地观察和长期的观测。而科学家们的研究成果就是长期观测、研究的成果。

（二）现象检验 明确概念

模拟实验的目的就是通过对实验过程与现象的解析，形成概念或建立假说。实验后教师还必须带领学生对模拟实验进行还原思考，以确定模拟实驗的科学性和准确性。

在教学中，教师采用的方法就是用生活中观察到的现象进行检验，如果模拟实验是科学的、正确的，那么生活中我们看到的现象应当能“重现”。

在《昼夜交替》一课中，当建构我们了太阳不动，地球围绕地轴自西向东自转这一概念后，我们用课程伊始讨论到的现象来检验，发现这些现象均能在这个模型上有所体现，进一步验证了模拟实验的科学性和所建构概念的正确性。

在《四季变化》一课中，当我们，找到春分、夏至、秋分、冬至四个点确定了地球的近似圆形的公转轨道后，我们对冬至和夏至的温度和昼长情况进行了检验，发现符合生活实际，也证实了模型构建、模拟实验的科学性。

综上所述，小学科学中“地球与宇宙科学”的教学内容具有时间和空间的复杂性，对学生的抽象思维能力、空间想象能力要求较高。