通过《火山喷发的成因及作用》教学增强学生建模能力

廖玉萍

〔摘    要〕  如何积极有效地引导学生进行深度学习？我们要充分发挥信息技术的优势，利用信息技术中的声音、图片、视频等功能，把抽象的科学知识具体化、复杂的实验过程明了化、短暂的实验现象深刻化，激发学生深度学习的积极性和主动性，提高学生科学素养。

〔关键词〕  小学科学；信息技术；探究；深度学习；科学素养

〔中图分类号〕  G424                〔文献标识码〕  A         〔文章编号〕  1674-6317    （2024）  02    038-039

纵观小学科学新教材，有很多以模型建构为主的课。尤其在小学科学“地球与宇宙”领域，建构模型是最为有效的探究方法之一。如何通过这样的课型培养学生良好的科学思维能力，是科学教师必须解决的重要教学问题。然而，笔者发现，目前的模型建构课普遍存在着各种各样的问题，如学生操作困难、实验现象不明显、呈现方法不恰当、分析和论证不够全面深入等。这些问题使课堂教学效果难以保障。为了提升教学效果，本文以《火山喷发的成因及作用》一课为例，将模型作为探索的重要工具和手段，以期增强学生的建模能力，促进科学思维能力的发展。

一、剖析模型，明确问题

本实验来源于教科版小学科学五年级上册“地球表面的变化”单元《火山喷发的成因及作用》一课，是本单元的重难点所在。五年级的学生虽说对火山喷发的自然现象不陌生，但更多停留在文字、图片以及视频等感性认识的水平上，对其发生原因及对地形地貌变化造成的影响了解不多。如何让小学生直观地、从根本上理解火山喷发的成因，模型的建构就显得尤为重要。

（一）实验原型分析

在教材中，使用番茄酱来模拟岩浆，利用土豆泥来模拟地壳中的岩层。实验时，学生需要在金属罐内用土豆泥堆成小山的形状，然后在山的顶部向下挖一个小洞，将一定量稀释过的番茄酱倒入小洞中，并用一层薄薄的土豆泥封住洞口。接着，将金属罐放在铁架台上，用酒精灯加热，观察“火山”喷发现象。

（二）实验问题分析

笔者根据教材进行教学，发现不仅学生活动时间长，而且实验成功率低，难以在一堂课中完成教学任务。分析学生的火山模型，发现主要存在以下问题：（1）操作麻烦，耗时长。土豆泥过干或过湿都不利于塑造山的形状，致使学生在这一环节浪费过多时间。（2）喷出成功率低。有些小组加热二十几分钟也未喷发。若底部番茄酱加得太少不仅不容易喷发，还容易导致土豆泥烧焦。（3）观察受限。材料不透明，学生只能等待火山喷发后，从土豆泥顶部观察模型的变化。若番茄酱没有成功喷出，除了看到洞口冒热气和洞口的土豆泥微微振动，看不到其他明显变化。学生能获得的信息量有限。

二、优化模型，现象可视

建构模型需要将复杂的研究对象简化，以便进行有针对性的探究和学习。模型的材料和可操作性都会直接影响到模拟实验的效果。基于原有实验存在的问题，笔者尝试了不少材料，以期找到实验效果更明显的材料替代。最后改进材料的灵感来自真实的火山模型。改进过程如表1。

如图1所示，从左至右依次为：加茶漏的实验效果；改进材料；改进后的实验效果。

最终，笔者选用100毫升的烧杯作为容器，取直径4厘米的漏斗，剪去颈部放于烧杯中。这两个装置可以辅助学生制作土豆泥小山，且给番茄酱预留出足够的空间（大约加12～15毫升）。用针筒从漏斗口加番茄酱，不容易外溢。将铁架台换成三脚架和石棉网，同时把酒精灯的灯芯打一个小结稍微增高外焰，使加热更充分

改进后，不仅可以更加逼真地模拟出火山喷发的情景，而且操作起来更加简单、高效，大大缩短了实验时间。学生可以自己决定土豆泥的用量、堆积的厚度及形状，建构自己认为合理的火山模型。大约加热6分钟左右，多数小组就能观察到烧杯底部番茄酱涌动、沿裂缝上升或从漏斗口喷发等现象。为后面的观察研讨环节留出更多的时间。

三、应用模型，提升思维

建构好模型后，更重要的是要“引导学生使用模型来获得相关证据，以探究物质的本质及其变化之间的关系”。然而，学生的思维轨迹往往转瞬即逝，我们应提供一些支架，帮助学生多角度地观察，科学地获取证据以便进行深入的推理和论证，从而提高学生的科学探究能力和信息处理能力。

（一）实验设计

视频展示：大西洋中部一夜之间出现了一座小岛，这座小岛是怎么来的？请学生猜测并说理由。

学生通过观察视频梳理真实火山喷发的现象。依据现象推测火山喷发的成因。

学生思考真实的火山结构，提炼需要模拟的模型组成部分。

介绍实验材料，学生根据材料的特征分别与真实的火山结构一一对应。

微课：实验操作过程。

借助希沃授课助手，现场投屏直播各组的实验现象。

笔者按照这种方式进行教学后，发现学生实验的成功率显著提高。首先，由于改进后的实验现象直观，不管他们的火山模型最终是否成功喷发，学生都容易搜集到相应的证据进行分析交流。其次，在微课的輔助指导下，学生目标明确，操作顺利，合作有序。最后，借助希沃授课助手的投屏功能呈现模型成果，既能直观展现不同小组的实验结果，又能让学生感到新奇、兴奋，从而更加投入，为研讨做好准备。

（二）巧设问题链

在通过探索获得证据之后，学生要对证据进行辩证分析，进而对火山喷发成因进行整理归纳，尝试得出正确的结论。然而，大多数学生容易存在研讨深入不够、思维含量较低的情况。因此，在对火山喷发成因进行推理时，应当善于追问，通过设计有层次的“问题链”引导学生进行深入思考，促进信息的搜集和利用。

【教学片段】

提问：你的记录单体现了哪些发现？你观察到模拟火山喷发时有哪些现象？与实际火山喷发相符吗？

生1：一开始没变化，要加热一段时间才能喷发。（师：这说明了什么呢？）这说明了要达到一定的温度才能喷发。

生2：我发现喷发前会冒出大量热气，然后番茄酱冒泡从洞口喷出。没喷发时土豆泥底下的番茄酱在不断沸腾，会沿裂缝上升。

生3：我观察到还没喷发时，洞口的土豆泥在上下振动。（师：你观察得很仔细，别处的土豆泥振动了吗？为什么呢？）可能是这里比较薄。

生4：我们组番茄酱没喷出，但是整座土豆泥山都上升浮空了！

师：你认为是什么原因造成的呢？你能结合你们组的火山模型分析一下吗？

生4：可能是我们组洞口的土豆泥加太厚了，所以热气出不来，就把山顶起来了。

通过追问和引导，学生能充分挖掘模型的價值。成功与不成功的小组都能结合自己的模型进行分析，形成解释。建模之前，学生对火山喷发的成因大多停留在高温上。建模之后，学生可以看到高压的影响，且能深刻体会到真实的火山喷发类型多样，并意识到其受到复杂地形的影响。通过建模，学生的实证意识和逻辑推理能力在探究活动中得到了很好发展。

四、实验教具的教学优势

（一）材料易得，操作便利

原实验用不锈钢罐作为盛装的容器，需要手动捏出山的形状再挖洞。不仅无法观察到底部的变化，而且容易出现坍塌、翻倒、耗时过长等现象。而借助漏斗制作土豆泥山十分方便，学生只要顺着漏斗进行填充和修补即可，操作简单，节省了大量时间。

（二）变化可视，凸显过程

改进后，由于番茄酱受热会从漏斗底部边缘溢出，汇集在烧杯底部一圈，因此学生很容易透过烧杯观察到番茄酱翻滚、冒着气泡、沿着裂缝上升等现象。从“地下”至“地上”，从喷发前到喷发后的变化，学生都能清晰地看见。

即使部分小组由于土豆泥加的量过多，番茄酱不能喷出，学生也能观察到底部和侧边的变化，从而方便引导学生关注过程与结果的联系，了解地壳的厚薄程度会影响火山的喷发结果。在探索过程中，出现异常现象是培养学生实证意识的绝佳机会。对异常现象的合理分析，有利于引导学生深层思考，为他们建构新的科学概念提供切入点。这就是一次思维提升的过程。

（三）符合实际，成功率高

原实验成功率较低。由于学生不一定能精准预留出足够的空间给番茄酱，往往会产生底部的土豆泥烧焦、番茄酱受热不足，而迟迟不能喷发的现象。而引入漏斗，一方面，可以给番茄酱预留足够的空间，提高番茄酱喷发的成功率；另一方面，漏斗的形态更接近现实中火山通道与岩浆房上小下大的整体形态，符合实际情况。

实践证明，采用改进后的教具建构模型，有助于学生形成对火山喷发现象的直观感受，进而更深刻地理解火山喷发的成因，让学生体会到真实的火山喷发也受复杂的地形影响。同时，通过模型可视化的手段、依托评价量表，能丰富学生的感知，促进他们在积极思考中提高模型探究、类比推理等高阶思维能力。

参考文献

[1]陈斌.基于学具改进拓展模型建构的思维深度：以“在星空中（一）”一课为例[J].实验教学与仪器，2019（Z1）：120-122.

[2]章俐鑫.“火山喷发的成因”模拟实验设计与改进[J].中小学实验与装备，2022（1）：36-37.

[3]王文清.科学教育中的建模理论［J］.科技信息，2011（8）：551-552.

[4]曾夏招.指向高阶思维培养的科学探究实验数据处理[J].教学与管理，2022（11）：66-70.