模型法在初中科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用例談

童建鶴

[摘要]模型法是初中科學(xué)教學(xué)中用于簡(jiǎn)化問(wèn)題、解決問(wèn)題的常見方法。科學(xué)課程中涉及大量抽象的概念和理論，模型法的運(yùn)用有利于將隱藏在復(fù)雜現(xiàn)象中的規(guī)律以更加直觀的方式呈現(xiàn)出來(lái)，能夠有效加深學(xué)生的理解。在初中科學(xué)教學(xué)中，教師應(yīng)將模型法應(yīng)用到科學(xué)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，以不斷提高科學(xué)教學(xué)的質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]模型法；初中科學(xué)教學(xué)；概念模型；物理模型；數(shù)學(xué)模型

[中圖分類號(hào)]G633.98[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]16746058（2018）08008702

錢學(xué)森先生曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“人認(rèn)識(shí)世界的過(guò)程像小孩子一樣，是從形象思維開始的，而不是抽象思維。”由此可見，人更容易接受形象的、直觀的東西。初中階段，學(xué)生大腦處于發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期，也是形象思維向抽象思維發(fā)展的過(guò)渡時(shí)期。如果在科學(xué)教學(xué)的過(guò)程中，為學(xué)生搭建一個(gè)形象思維和抽象思維互相轉(zhuǎn)換的橋梁，則能更有利于學(xué)生厘清知識(shí)脈絡(luò)，探尋知識(shí)的內(nèi)在規(guī)律。在初中科學(xué)課堂上，教師經(jīng)常會(huì)用到模型，如牛頓第一定律如果忽略外力作用就是一個(gè)相對(duì)理想的模型；光線、杠桿、磁感線等內(nèi)容的學(xué)習(xí)也會(huì)經(jīng)常將研究對(duì)象設(shè)置為直觀模型。因此，在初中科學(xué)課堂教學(xué)中，教師更應(yīng)重視建模，將模型法應(yīng)用到教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)中。

一、模型的分類

所謂模型，通常有概念模型、數(shù)學(xué)模型和物理模型三種形式。概念模型，就是以文字的形式來(lái)表述事物之間的聯(lián)系與本質(zhì)的模型。概念模型的構(gòu)建能夠促進(jìn)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化整理和歸納總結(jié)，提高學(xué)生的語(yǔ)言表述和綜合概括能力。

例如，八年級(jí)下冊(cè)《原子結(jié)構(gòu)模型》中的盧瑟福模型，我們的目標(biāo)是了解黑箱方法，并依據(jù)輸出信息構(gòu)建原子結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

具體的教學(xué)步驟為：先讓紅外線水平射入空箱，觀察箱壁上光斑的數(shù)量，再在箱內(nèi)懸掛實(shí)體的大小球，讓紅外線光束射向黑箱，再觀察光斑數(shù)量并測(cè)算內(nèi)球的大小。在這一過(guò)程中，教師可以借助微視頻向?qū)W生介紹盧瑟福粒子散射實(shí)驗(yàn)的操作流程，幫助學(xué)生分辨輸入信息和輸出信息，并推斷金原子中有一個(gè)帶正電的極小極重的中心體原子核，從而建立概念模型。這一過(guò)程不僅能讓學(xué)生將實(shí)驗(yàn)與模型相結(jié)合，還能使學(xué)生成為模型的主動(dòng)構(gòu)建者，有效提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

數(shù)學(xué)模型指的是用來(lái)描述一個(gè)系統(tǒng)及其性質(zhì)的數(shù)學(xué)形式，多應(yīng)用于速度計(jì)算、歐姆定律、血糖變化以及阿基米德原理等內(nèi)容中。初中科學(xué)教學(xué)中的數(shù)學(xué)模型一般分為兩類，一是坐標(biāo)系模型，二是數(shù)學(xué)公式類模型。前者多用于表示某因素與某個(gè)量之間的變化關(guān)系。

例如，溶解度教學(xué)中，坐標(biāo)系表示的是溫度變化對(duì)物質(zhì)溶解度的影響，如圖2所示。

從圖2中，我們可以清楚地看到，較之氯化鈉，碳酸鈉的溶解度受溫度的影響比較大，結(jié)晶時(shí)氯化鈉只能用蒸發(fā)溶劑的方法，而碳酸鈉除此之外還可以用冷卻熱飽和溶液的方法。這也是人們?yōu)槭裁炊鞊茐A夏天曬鹽的原因。建立數(shù)學(xué)模型的一般步驟為：觀察研究對(duì)象，提出問(wèn)題—做出合理假設(shè)—根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用數(shù)學(xué)形式對(duì)事物性質(zhì)進(jìn)行描述—通過(guò)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)或觀察等對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)和修正。

物理模型就是在解決問(wèn)題的過(guò)程中，忽視非本質(zhì)的因素，強(qiáng)調(diào)本質(zhì)的特征，從而對(duì)物理過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化的模型。具體步驟為：明確研究對(duì)象—分析環(huán)境，建立物理環(huán)境—分析對(duì)象在物理環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。同時(shí)，也可以建立類比或等效變換模型，這樣有利于學(xué)生求同思維的發(fā)展。學(xué)生理解模型后就會(huì)在以后的學(xué)習(xí)中靈活運(yùn)用，進(jìn)而達(dá)到舉一反三、觸類旁通的目的。

二、模型法的應(yīng)用

下面，我們以具體的教學(xué)環(huán)節(jié)為例，對(duì)模型法在初中科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

1.概念模型的應(yīng)用

科學(xué)教學(xué)中，概念是一個(gè)較為抽象的屬性，能夠反映客觀的、本質(zhì)的內(nèi)容，如果學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中沒(méi)有感性認(rèn)知做基礎(chǔ)，則可能會(huì)導(dǎo)致理解錯(cuò)誤或思維障礙。建立概念模型則很好地解決了這一問(wèn)題，它能抓住影響事物發(fā)展的主要因素，加入對(duì)比、分析、綜合、實(shí)驗(yàn)等方式，將抽象的概念與人腦中存在的事物聯(lián)系起來(lái)，使學(xué)生的理解更加清晰和透徹。

例如，在教學(xué)液體浮力相關(guān)內(nèi)容時(shí)，由于液體浮力大小的測(cè)量、沉浮條件等概念理解起來(lái)較為抽象，無(wú)形中增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。因此，教師引導(dǎo)學(xué)生建立液體浮力概念模型顯得十分必要。

在教學(xué)中

教師可精心設(shè)置問(wèn)題，通過(guò)提問(wèn)建立相關(guān)科學(xué)圖景，還可利用相關(guān)容器和材料進(jìn)行引題，通過(guò)鹽水和雞蛋來(lái)演示浮力實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)多種方法計(jì)算浮力大小。通過(guò)實(shí)際操作，小組討論，構(gòu)建相應(yīng)的概念模型，最終學(xué)生深刻理解了“浸入液體中的物體所受到的浮力等于它排開液體受到的重力”這一本質(zhì)內(nèi)涵。

2.數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用

初中科學(xué)課程中涉及很多定律、原理、假說(shuō)以及法則等，這些內(nèi)容都比較抽象，學(xué)生理解起來(lái)有些困難，建立數(shù)學(xué)模型能夠有效降低學(xué)習(xí)難度。

例如，在學(xué)習(xí)“質(zhì)量守恒定律”時(shí)，需要構(gòu)建數(shù)學(xué)等式模型進(jìn)行解題，如“某有機(jī)物R在足量氧氣中完全燃燒后的化學(xué)方程式如下：2R+13O2=8CO2+10H2O，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，求R的化學(xué)式?！辟|(zhì)量守恒定律是指參加化學(xué)反應(yīng)的各物質(zhì)的原子，重新組合形成其他物質(zhì)，反應(yīng)前后物質(zhì)的原子種類和數(shù)目沒(méi)有改變。因此，在解答上述例題時(shí)，考慮到等式右邊O原子為26個(gè)，C原子為8個(gè)，H原子為20個(gè)，而等式左邊需要同樣數(shù)量的相同原子，結(jié)合數(shù)學(xué)模型計(jì)算可知，R為C4H10。

又如，學(xué)習(xí)金屬與酸反應(yīng)的相關(guān)知識(shí)時(shí)，往往需要構(gòu)建數(shù)學(xué)坐標(biāo)模型，研究相關(guān)圖像，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)規(guī)律解決問(wèn)題，如“等質(zhì)量的鎂、鐵、鋅與相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的足量的稀硫酸反應(yīng)，請(qǐng)?jiān)趫D像的曲線上標(biāo)出鎂、鐵、鋅。”在進(jìn)行解題時(shí)，需要考慮到每條曲線中，斜線越陡，說(shuō)明單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的氫氣多，反應(yīng)快，金屬活動(dòng)性越強(qiáng)。等質(zhì)量的不同金屬與足量酸反應(yīng)，化合價(jià)相同時(shí)，“人小志氣大”。在明確相關(guān)知識(shí)的后，結(jié)合數(shù)學(xué)模型，可明確圖像揭示的規(guī)律，如圖3所示。

再如，學(xué)習(xí)有關(guān)溶液的pH值與溶液的關(guān)系時(shí)，往往涉及數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，此時(shí)必須明確數(shù)學(xué)模型的相關(guān)特點(diǎn)。如NaOH溶液中不斷加入稀硫酸，請(qǐng)判斷溶液pH隨加入試劑的體積變化而變化的關(guān)系。由于NaOH為

堿性溶液，稀硫酸為酸性溶液，隨著稀硫酸的加入，溶液的酸堿性由堿性逐漸轉(zhuǎn)向酸性，pH值逐漸下降。以橫軸表示加入試劑的體積，縱坐標(biāo)表示溶液的pH值，建立坐標(biāo)系。可見，圖像應(yīng)呈下降的趨勢(shì)，開始時(shí)pH值逐漸趨向7，并且在稀硫酸加到一定體積后，pH值小于7，由此便可以確定圖像，如圖4所示。

3.物理模型的應(yīng)用

物理模型的建立蘊(yùn)含著豐富的內(nèi)涵。在科學(xué)教學(xué)中，我們不僅要讓學(xué)生理解基本概念和基本規(guī)律，更重要的是引導(dǎo)他們分析問(wèn)題，善于從材料中提取信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)已有知識(shí)的遷移。

例如，一根勁度系數(shù)為k的彈簧，將其一端固定在墻面，而另一端連著質(zhì)量為m的物體，該物體靜止于光滑水平面的O點(diǎn)上，現(xiàn)有一個(gè)質(zhì)量為M的子彈以水平速度v射入且留在物體中，那么最少需要多久物體達(dá)到O點(diǎn)？在此過(guò)程中，我們要忽視子彈的轉(zhuǎn)動(dòng)，將子彈視為平行射入，從而建立質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)模型。然后，選取子彈、物體和彈簧為研究對(duì)象，忽略空氣阻力等因素，建立彈簧振子模型，根據(jù)機(jī)械能守恒，可求得研究對(duì)象的動(dòng)能，進(jìn)而解決問(wèn)題。至此，模型得以建立，所有問(wèn)題也就迎刃而解。

綜上所述，模型法對(duì)于初中科學(xué)教學(xué)來(lái)說(shuō)，是一種較為高效的教學(xué)方法，有利于學(xué)生提取主要信息進(jìn)行對(duì)比、假設(shè)和分析，從而化抽象為具體，促進(jìn)學(xué)生理解知識(shí)，解決問(wèn)題。要想使初中科學(xué)教學(xué)取得理想的效果，教師要引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建各種各樣的模型。學(xué)生通過(guò)構(gòu)建模型能更加清晰直觀地了解事物的本質(zhì)，從而提高學(xué)習(xí)效率。

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（特約編輯安平）