以建模实验为基础推进科学概念学习

〔摘""要〕"以建模实验为基础，推进科学概念学习。结合学生认知水平、思维能力等特点，从形成心智模型、心智模型外显、测试模型效果、迁移应用模型的建模能力出发，促进前概念向科学观念的转化。从科学探究到科学实践，有利于提升学生分析和解决问题的能力，这样的模型建构方式才具有价值。〔关键词〕"小学科学；建模实验；科学概念一、问题的提出《义务教育科学课程标准（2022年版）》要求教师在教学中注重大概念的落实，即需要把大概念作为课堂教学的主要目标之一。科学概念的落实一直是课堂教学中的重难点。然而在日常教学中学生往往难以理解科学知识，究其原因，是对概念的建构过程逻辑不清、认知模糊，最终难以形成系统性的理解和灵活应用。现象一：《用种子繁殖》这一课中有这样一个教学环节：观察种子，猜测种子的传播方式并验证。这样设计的意图在于指导学生在已知生活经验的基础上，通过先观察、做出猜想，然后模拟其在自然状态下的传播情况来验证。但是在实际教学中发现虽然学生在教师的引导下，经历了探究过程，锻炼了观察、分析、总结的能力，但是难以明确本课的科学概念，难以建立种子结构的多样性是为了适应环境变化的概念，科学目标与概念之间的互相渗透微乎其微。现象二：《太阳系大家族》这一课要求学生知道太阳系中有八颗行星，并描述它们在太阳系中的相对位置。全班绝大部分学生可以直接说出标准答案，这是他们已经具备的基础宇宙知识。但若是需要更详细地向别人介绍，将抽象概念转换为具象的事物则有了难度。如果一个问题抛下去，学生可以非常轻松地回答出来，这说明学生有着丰富的前概念，对他们而言这个问题不具备任何挑战性。那么学生真的理解概念了吗？显然，在拓展延伸中，他们不会运用已学知识分析解决新的问题，也就说明科学概念的框架在学生知识体系中没有完整的建构。因此，为了更好地帮助学生进行概念的建构，有效促进学生抽象逻辑思维能力的发展，建立模型的教学策略成了重要的纽带。二、问题的分析（一）科学课堂教学现状的分析由于教学环境的限制，大部分学校资源有限，通常在教室进行教学活动。由于课程内容的复杂性和多样性，有限的课堂时间都被安排得满满当当毫无间隙。而建模活动所需要的材料、时间、场地较之一般的探究实验，要求更多，因此难以让学生在课堂上进行直接观察和深入研究。这样的教学难接地气，稍不留神就会使得理论与实际脱节或者是知识灌输较多的情况，难以达到让学生保持兴趣、能知其然还能知其所以然的效果。（二）学生认知水平现状的分析在皮亚杰认知发展四个阶段中，小学四年级的学生正处于具体运算阶段，此阶段的儿童认知结构已经较前运算阶段发生了重组和改变，具备一定的思维逻辑能力，但是这阶段的儿童思维尚需具体事物的支持，抽象逻辑思维能力不成熟。而有些科学概念又比较抽象，相关知识较难，容易造成学习乏味枯燥，妨碍学生学习的兴趣和效率的提高。三、以建模实验为基础，落实学生科学概念的建构2011年，美国国家研究理事会发布的《K-12科学教育框架》（以下简称《框架》）报告中，核心关键词由“科学探究”转变为“科学实践”，这表明科学教育界正在努力扭转当前课堂探究教学的模式化倾向，突出强调科学“知行合一”的实践观。在《框架》中，“建立和使用模型”被认为是学习真正的科学的最为重要的实践活动。科学建模能力是主体意识对客体现象复杂加工过程中表现出来的个性化心理品质，建模从原有认知、观察和分析物理现象中形成初步的心智模型，然后通过推理、论证等复杂的认知行为对心智模型进行修正，最后形成概念模型。科学建模能力是一种主动的内隐的心智行为能力，是一种外显的科学探究能力。培养和提升学生的科学建模能力可以参考如图1的教学流程图。用科学建模的方式建构科学概念。引入情境为学生提供推测依据，暴露学生的前概念，初步形成心智模型，激发学生的探究欲和好奇心，进一步引导学生，根据环境和实物在大脑中的形象通过表征表述的方式使心智模型外显，在这个环节中，学生会出现偏差、不完整甚至是错误的认知。随着实践深入，经历分析、比较、综合、概括等过程逐步搭建出较为完整正确的科学模型。最后利用其与外部因素相联系得出的相应规律，迁移到较为复杂的真实生活中去，形成对科学概念完整清晰的建构。（一）暴露科学前概念，形成心智模型美国著名教育心理学家奥苏贝尔说：假如我把全部教育心理学仅仅归纳为一条原理的话，影响学生唯一最重要的因素就是学生已经知道了什么，要探明这一点，并应据此进行教学。生活处处有科学，学生通过日常生活中的各种见闻和学习经历，脑中不再是一片空白，早已对各种事物建构起了自己的认知框架，在此基础上初步形成了自己的思维方式，存在着丰富的科学前概念。在《人的呼吸》这一课中，探究吸入的空气与呼出的气体有什么不同，学生普遍认为吸入的是空气，呼出的是二氧化碳，明显是错误的。学生从课外书、视频中学习到了一些知识，但一知半解或是不完整，形成了最初的心智模型。但正因为与自己的前概念形成了强烈的认知冲突，恰好激发了学生一探究竟的热情和决心，有了动力，后面的探究将事半功倍。此外，在日常教学备课中，备学生，备教材，其中很重要的一点便是了解学生前概念，及时了解学生当前认知水平，每个学生、班级的认知水平与家庭文化水平、父母专业、学习环境、学习途径等参差不齐，我们进行教学时要与学生水平相适应。在前概念调查中，让学生先画一画山地、盆地、高原、丘陵、平原地形的特点，我们发现学生无法清晰地区分山地丘陵，对于海拔只有基础的简单知识，如图2所示。有的班级的学生，对各种地形的名称、特点认知较为清晰，那么教师则不用在讲授地形特点这一板块花费太多时间，可以将更多的时间使用在建立模型上，绘图、用超轻黏土建成立体模型。而有的班级则需要调查前概念后进行调整，从图片、视频、资料阅读多角度观察、描述、总结地形的特点，形成初步的心智模型。“前概念”也称为“迷思概念”，通常是在对日常生活现象观察的基础上建立的。事实上，由于我们的见识面狭窄，日常生活经验往往比较粗浅甚至是错误的，因此在前概念中容易形成认知冲突。那么，在进行系统的科学探究之后，新旧概念的碰撞、重组，随着时间、次数的增加，学生对信息处理能力越强，越有利于形成科学概念的内部结构化。（二）心智模型外显，初建科学概念建构主义认为，科学概念的学习就是学生由前概念向科学概念的转变过程。在小学科学课堂教学中，让学生单一地学习理论知识无法实现教学目标和落实科学概念。所以教师大多会采用各种策略激发学生课堂思维的发生。构建模型使心智模型外显，更是科学探究策略中的重要方法。它提供给学生一些逻辑思考和思路的工具，将抽象思维具象化，落实概念的建构，促进学生对概念的理解。在《种子的旅行》一课教学中，引导学生思考种子借助周围环境的力量，需要什么样的本领才能传播到更远的地方去。设计意图在于让学生真正明确种子的结构多样性其实是适应环境的结果，是生物进化史上最基础的伟大进程。将学生置于情境中，从单一到多角度、多方面对现象做出解释，将情境当作可以支持思考、认识各类现象的工具。将学习的主动权交于学生手中，使其自主分析该环境中种子若想实现传播的目的，需要什么本领。学生不再局限于一些典型的种子特征，可以开放地运用已有经验及材料，设计出种类更加丰富的模型，将环境与结构联系得更加密切，思维得到发散，如下表所示。（三）测试模型效果，完善概念内涵在STEM教学理念中，设计模型是不断迭代的过程。从问题情境到建构模型，再到分析模型、应用模型、评估模型、修正模型，再回到问题情境，是一个不断修改、优化的动态循环过程。在实际教学中，学生对于初步建构的模型还不是很完善，在分享交流的过程中，汇报小组倾听其他同学的评价，接纳合理的建议，互相交流的过程也是对自我认知的一个进阶过程。如在《月球》一课教学中模拟陨石撞击地球。未经处理的土壤无法模拟月球表面疏松的土壤层，研磨成细颗粒再过筛，细腻均匀地铺在盒子中，再在表面撒上面粉，模拟松软的土质、陨石的撞击。通过对比陨石坑与火山口的形状不同，判断环形山的由来。《观察星空》一课教学中用7个球模拟北斗七星，从正面看形成了一个标准的勺子形，但从另一个角度看，不同的球体位置引发学生思考，在不断地取证过程中，明确不同的星体与地球的距离各不相同。《认识地形》一课地理概念具象化，从科学的角度，讲授色彩与海拔温度、植物类型等角度，形成科学完整的模型，多学科融合建构科学的概念，如图3所示。借助模型的自主探究方式，学生的思考有了更全面的视角。新的发现源自实践。由此可见，学生不再拘泥于现有的、教师提供的有限证据之中时，思维才得以真正发生。以应用、评估模型作为表达交流环节的方式，解答别人的质疑，倾听别人的建议，修改自己的模型，是学生对自己探究过程的认识，更是对科学概念的进一步认知。（四）迁移应用模型，促进概念内化以建模实验为探究方式，将科学探究变为科学实践，这样的教学模式颠覆了以往的传统教学，让学生站在课堂中央，充分