更好地发挥模型实验的育人功能

◇韩 慧（北京：北京市大兴区教师进修学校）

小学科学模型实验具有发展学生建构模型意识和能力的重要作用。在2022 版《义务教育科学课程标准》中，模型建构是科学课程要培养的核心素养之科学思维的重要内容。在目前常态化的小学科学模型实验教学中，存在教师用模型讲知识、忽视学生主动建构模型过程的现象。教师需要深入理解模型实验研究方法的本质和内涵，结合小学生的认知特点，梳理模型实验教学设计的思路。

一、小学科学模型实验内涵及育人功能

（一）小学科学模型实验内涵

模型实验是科学实验的一个重要类型，是小学科学实验教学中经常引导学生采用的探究问题的方法。模型实验不是对某些客体或自然现象本身进行实验观察，而是先设计与该客体或自然现象相似的模型，用它们模拟原型，再通过对模型的实验观察来间接研究原型的性质和特点。

小学科学课中包含大量的模型实验。在小学科学实验中遇到因受客观条件限制而无法对某些自然现象进行直接实验时，便寻求间接实验的方法，设计与该自然现象或过程（称作原型）相似的模型，然后通过模型间接地研究原型的规律性。模型实验在小学科学课不同领域均有涉及，尤其是地球与宇宙科学领域，因其研究对象时空范围较大，生命科学领域研究对象复杂，难以对实际的研究对象进行实验，所以只能先建立模型，然后在模型的基础上进行实验。比如，日食、昼夜交替、四季变化、消化系统工作过程等实验内容。

（二）小学科学模型实验的育人功能

模型实验学习过程需要学生经历建构模型的过程，因此小学科学模型实验具有发展学生建构模型意识和能力的重要作用，利于学生用科学观点系统认识世界，具有独特的育人功能。模型建构体现在以经验事实为基础，对客观事物进行抽象和概括，进而建构模型。因此模型实验需对客观事物进行抽象和概括，但是小学生处于具体运算认知阶段，学生抽象逻辑思维需要实物支撑，所以模型实验时必须建构实体模型，支撑学生进行抽象和概括等思维活动。

学生自主选择材料建构实体模型的过程，就是锻炼建构模型能力的过程。这个过程需要学生提前在自己的大脑中形成抽象的模型，明确模型要素的本质特征及要素之间的关联，然后物化为实体模型。学生自主选择材料，搭建实体模型，能体现学生自己对问题或现象本质特征及要素关联的理解。

二、小学科学模型实验教学现状

在目前小学科学模型实验课上，大部分教师直接利用实体模型讲解知识，忽视学生积极主动思考，未能开展促进学生积极思考的思维型探究和实践，错过了培养学生建构和应用模型的机会，学生建构模型的意识和能力水平较低。

（一）教师的模型实验教学

为调研小学科学模型实验教学现状，我观看了本区《风的形成》《昼夜交替》《呼吸》《日食》等二十余节常态课例，发现目前小学科学教师面对模型实验教学内容，更多的是直接利用实体模型给学生讲解原型，而忽略了指导或引导学生自主建构模型、应用模型的过程。课堂中缺乏从模型研究结论回归原型问题的类比推理分析过程，学生缺乏利用建构模型解决问题的意识。

大部分教师对于模型实验教学内容的教学理念及教学方法不恰当，没站在学生学习主体的立场进行设计，学生不能亲身经历建构模型及应用模型的过程，所以学生建构模型的意识和能力不能得到有效培养。

（二）学生在模型实验方面的表现

在对全区进行学生科学实验探究能力调研中发现，学生建构实体模型解决问题的意识较弱，存在动手不动脑的问题，不会思考。学生的模型思维水平较低，会操作，但是不知道为什么这样做，在实验学习中没有学习到建构模型的思维方法。调研中，在模型实验探究实践时，大部分学生只是在介绍模型的结构，没有关注模型结构元素之间的关系，未能利用模型结论解释原型现象或过程，缺乏利用模型探究原型问题的意识。

三、小学科学模型实验教学建议

为了增强学生在模型实验中的思维能力，促使学生在科学实验学习中手脑并用，开展思维型探究实践，提出如下教学建议。

（一）在真实情境中激发解决问题的需求，引导学生主动建构模型

教师引导学生深入分析原型中的问题，基于真实的问题情境，引发认知冲突，激发学生主动建构模型的需求。比如，在《八颗行星》一课中，教师首先给学生原型的相关资料，学生在认识原型的过程中，即对八颗行星的资料进行分析时，发现资料中的图并不能真实反映八颗行星的相对位置，引发了学生建构八颗行星相对位置模型的需求。

师：刚才有学生说这张图片中的行星间距和数据不一致，就是说它不能真实地反映八颗行星相对位置关系，谁能来具体说一下呢？

生：数据表中木星距离太阳是火星距离太阳的3～4倍，与图片展示有出入；海王星的距离是天王星的一倍还多，但是图上并不是。

师：如果你想直观感受八颗行星的相对位置，你可以怎么做呢？

生：根据数据制作一个模型。

师：我们将数据与图片信息进行对比，可以看出图片中八颗行星相对于太阳的顺序是正确的，但是你们也发现了，图片上的行星是等距离分布的，而科学家观测出的数据不是这样的，说明图片不符合客观事实。如果我们想真实地感受八颗行星的相对位置，需要建构一个与事实相匹配的模型，即八颗行星的相对位置模型。

教师需要激发学生建模需求，引导学生主动建构模型，不能因为小学生的抽象概括能力有限，而直接略过建构模型的过程。比如，在一些课堂中可见教师直接出示实体模型，然后利用模型直接讲解知识，没有引导学生主动建构模型，这样就难以培养学生的建模意识和能力。所以教师需要激发学生主动建构模型的意识，用以解决问题。这样学生才能主动思考如何建构模型解决问题，提升建构模型的意识和能力。

（二）在小学科学模型实验中，引导学生自主建构实体模型

学生自主选择材料，搭建实体模型的过程，能体现学生对问题或现象本质特征及要素关联的理解。

比如，在消化系统工作模型实验中，教师给学生准备了多样的管，供学生选择，用以模拟消化器官。教师准备的管颜色不同，有直的和弯的、透明的和不透明的、质地硬的和质地软的、比较粗的和比较细的。学生选择材料的过程体现了学生是否理解问题的本质，是否明确指向问题的结构要素本质特征，即指向消化器官在消化系统中功能的主要特征。颜色、透明度、粗细等并不是影响其功能的最主要特征，影响消化功能——蠕动的最主要特征是质地柔软。透明是为了方便我们观察蠕动过程。

师：你为什么选择这个材料模拟消化系统中的？

生：因为它的形状、软硬度与消化器官很像，这个管比较软，所以能实现蠕动，利于食物往下走。

建构实体模型的过程能够直观体现学生从原型到模型的抽象概括过程。这个过程训练的是学生针对原型中的问题，抓住主要因素排除次要因素的能力，然后把这些因素组成系统模型。比如，在上述模型实验过程中，学生应抓住与消化器官的蠕动功能关联最紧密的因素，因为它指向了我们的研究问题：消化系统是如何工作的。所以引导学生自主建构实体模型，利于培养学生的模型思维。

（三）在小学科学模型实验中，利用实体模型进行实验探究

学生建构了实体模型后，需要利用实体模型探究自己对研究问题的预期分析，利用实体模型进行控制变量，改变影响问题的因素，观察实验效果，而不是搭建完了就结束，或者仅仅是展示模型，利用静态实体模型解释原型是什么样子。

比如，在昼夜交替模型实验中，学生明确了模型的结构要素：地球和太阳；明确了要素的主要特征：地球不发光、自转，太阳自身发光，光线基本是平行光。课堂中学生针对地球公转这个特征是否保留，出现了不同意见，所以出现了不同的模型实验探究。学生在实体模型的基础上进行实验，验证自己的假设。A 组学生假设：地球自转引起昼夜交替，学生让地球自转和不自转，看看是否出现昼夜交替，控制变量是自转因素。B 组学生假设：推测自转或公转引起昼夜交替，所以就要利用模型分别尝试自转、公转，推测哪种更符合客观事实，最终验证自己的假设，形成合理解释。

上面两个组建构的实体模型要素一样，但是要素的特征不同，抽象的结果不同，所以建构的模型不同。在这个模型基础上进行探究，利用实体模型分别尝试自转、公转，推测哪种情况更符合客观事实。所以学生需要用建构的实体模型来探究问题，验证假设，形成对问题的合理解释。

（四）利用实体模型的研究结论，解释原型中的问题

学生用实体模型进行实验探究后，对实体模型中的现象能够进行解释，形成结论。但这仅是针对实体模型中现象的解释，教师需要引导学生对应分析原型中的问题。这是类比推理的过程，学生需要明确类比的两个情境结构要素相似之处及区别，这样才能对原型中的问题做出合理的解释。

比如，《风的成因》一课，教师创设了真实情境，引发学生思考大自然中风的成因。学生在经历了对原型的认识和对问题的分析后，建立了抽象模型，制作了实体模型，明确了利用实体模型进行探究实验的思路，并进行了小组探究活动。

在小组活动中，学生观察到明显的实验现象并对现象做出解释。点燃蜡烛时，蜡烛上方的风叶轮转动起来表明空气向上流动，箱内有烟雾水平方向流动，表明外面的冷空气会向热的地方水平方向流动，熄灭蜡烛后，箱内的烟雾不在水平方向流动。这说明冷热不均引起空气流动，形成风。有的教师在此环节后开始强化概念：空气流动形成风。并没回应本节课的起始问题：大自然中的风是如何形成的？在实体模型实验探究后，教师应引导学生利用上述结论解释原型中的问题。比如，教师可以出示简单的海陆风的图片，引导学生利用结论解释该现象。

模型实验研究的问题是原型中的问题，所以利用实体模型探究结束后，需要利用探究结果类比推理解释原型中的问题。需要注意的是，这个过程是或然性推理过程，因为实体模型和原型是不可能完全一样的，所以并不能根据实体模型研究结果，针对原型中的问题做出必然性推理判断。

在小学科学模型实验教学中，教师应创设真实的问题情境，激发学生建构模型的需求，引导学生主动建构实体模型，利用实体模型进行自主探究，利用结论解释原型中的问题，促进学生开展思维型模型探究实践，提升小学生建构模型的意识和能力，更好地发挥模型实验的育人功能。