建構(gòu)科學(xué)模型，提升學(xué)生科學(xué)思維能力

王芳

摘要：湘科班五年級下冊教材中的《地球的運(yùn)動(dòng)》一單元屬于地球與宇宙科學(xué)領(lǐng)域。本領(lǐng)域的學(xué)習(xí)，有助于激發(fā)學(xué)生對地球和宇宙的探究熱情，發(fā)展空間想象，模型思維。本單元按照有結(jié)果及現(xiàn)象追溯原因的思路，以人類探索地球及其運(yùn)動(dòng)的科技史為線索，編排了《晝夜的交替》《四季的變化》《四季的形成》3課內(nèi)容。其中《四季的形成》位于第三課時(shí)。在第一課時(shí)中學(xué)生認(rèn)識到地球與太陽位于同一水平面內(nèi)，地球自轉(zhuǎn)以及地軸的相關(guān)知識;第二課時(shí)中學(xué)生認(rèn)識到一年四季中的不同現(xiàn)象及這些現(xiàn)象的規(guī)律。學(xué)生通過前兩課時(shí)的學(xué)習(xí)，為《四季的形成》一課進(jìn)行了鋪墊。

關(guān)鍵詞：科學(xué)模型;思維;四季變化;地球

杜威認(rèn)為：“思維是教學(xué)的基礎(chǔ)和目的，教學(xué)成功的關(guān)鍵是要激發(fā)、培養(yǎng)并發(fā)展兒童的思維?！?/p>

對于本單元中《四季的形成》一課筆者有以下幾點(diǎn)思考：

一、科學(xué)模型的定義

科學(xué)模型是按照科學(xué)研究的特定目的，用物質(zhì)形式或思維形式對原型客體本質(zhì)關(guān)系的再現(xiàn)。學(xué)生在學(xué)習(xí)《地球的運(yùn)動(dòng)》這一單元的知識時(shí)，如果想要準(zhǔn)確、透徹地掌握本單元知識，肯定要借助模型的幫助。但是有些學(xué)生沒有對地球運(yùn)動(dòng)的初始認(rèn)知，或是對地球運(yùn)動(dòng)的認(rèn)知不太清晰。所以就需要先經(jīng)歷建構(gòu)模型的這個(gè)過程，然后根據(jù)建構(gòu)的模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

二、科學(xué)模型與原型的關(guān)系

在科學(xué)課堂中建構(gòu)的科學(xué)模型，不一定在各個(gè)方面都與原型一一相似，但是必須按照所要研究的問題和目的，與原型在所研究的方面有相似性，只有這樣的模型才具有研究的價(jià)值。

例如有的學(xué)生知道“公轉(zhuǎn)”這個(gè)詞語，但不清楚地球到底是怎樣公轉(zhuǎn)的，甚至有些學(xué)生不知道地球一直在圍繞著太陽公轉(zhuǎn)。這時(shí)，在《四季的變化》這一課的學(xué)習(xí)中，就需要建構(gòu)地球公轉(zhuǎn)的模型，可以更直觀地讓學(xué)生理解地球公轉(zhuǎn)，從而理解一年中的四季變化是由于地球公轉(zhuǎn)導(dǎo)致的。但建構(gòu)模型還需要做前期的準(zhǔn)備，例如建構(gòu)的模型中要與原型有怎么的聯(lián)系，建構(gòu)的模型中要呈現(xiàn)出原型中出現(xiàn)的哪些現(xiàn)象等。有了聯(lián)系之后，才能夠有建構(gòu)模型的方向。

三、建構(gòu)科學(xué)模型

觀察原型運(yùn)行中的現(xiàn)象、分析現(xiàn)象，得到初步的結(jié)論，提出假設(shè)，有依據(jù)地進(jìn)行模擬，和原型進(jìn)行匹配，如果現(xiàn)象能夠重現(xiàn)，解釋假設(shè)，那么就能把模擬的結(jié)構(gòu)、要素、出現(xiàn)的規(guī)律等呈現(xiàn)出來，就建構(gòu)了模型。

（一）觀察、分析現(xiàn)象

在《四季的變化》這一課中，老師提問四季中都有哪些現(xiàn)象是不同的，學(xué)生就會(huì)想到了在一年四季中溫度不同、晝夜長短不同、影子長短不同等。這些現(xiàn)象都是學(xué)生在日常生活中容易觀測到的，也有些是需要加以注意才能夠發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。例如一年四季中影子長度不同這個(gè)現(xiàn)象就是學(xué)生不容易發(fā)現(xiàn)的，但通過老師引導(dǎo)學(xué)生自己親自對每天中午12點(diǎn)時(shí)對同一個(gè)物體的影子長度進(jìn)行觀察和記錄，以及結(jié)合學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生就不難發(fā)現(xiàn)在每天的中午12點(diǎn)時(shí)，物體的影子長度是不斷變化的。由于這些不同的現(xiàn)象要為后邊的教學(xué)內(nèi)容做準(zhǔn)備，所以需要學(xué)生對一年四季中會(huì)出現(xiàn)這些不同的現(xiàn)象有認(rèn)同感，這時(shí)就需要對現(xiàn)象加以分析，老師便追問：“你通過哪些生活經(jīng)驗(yàn)或是做過的哪些事情能夠說明四季中會(huì)出現(xiàn)這些不同的現(xiàn)象？”學(xué)生便通過感覺、觀察、實(shí)驗(yàn)等方面進(jìn)行分析，最后對這些不同的現(xiàn)象加以認(rèn)同。

（二）提出假設(shè)

在《四季的變化》一課中，學(xué)生已經(jīng)對四季中可能出現(xiàn)的不同現(xiàn)象進(jìn)行了分析、整理，并認(rèn)可。但對于老師提出的更加深入的問題“地球怎樣運(yùn)動(dòng)就能夠出現(xiàn)四季中這些不同的現(xiàn)象”陷入了沉思。有的同學(xué)對形成現(xiàn)象的原因沒有任何頭緒，有的學(xué)生便聯(lián)想到在《晝夜的交替》一課中學(xué)習(xí)過的地球自轉(zhuǎn)是產(chǎn)生晝夜變化的原因等知識，又在其他課外書中學(xué)習(xí)到地球除了在自轉(zhuǎn)，還在不停地公轉(zhuǎn)。所以就進(jìn)行猜測，四季中這些不同的現(xiàn)象可能是因?yàn)榈厍蚬D(zhuǎn)導(dǎo)致的。對于地球公轉(zhuǎn)，學(xué)生可能只知道地球有公轉(zhuǎn)這種運(yùn)動(dòng)方式，但是到底地球是怎樣公轉(zhuǎn)的呢？緊接著讓學(xué)生用道具模擬地球公轉(zhuǎn)，這樣老師既可以了解學(xué)生對公轉(zhuǎn)的了解程度，又為下邊制作地球公轉(zhuǎn)模型的教學(xué)活動(dòng)做鋪墊。

（三）模擬并制作科學(xué)模型

科學(xué)模型是按照科學(xué)研究的特定目的，用物質(zhì)形式或思維形式對原型客體本質(zhì)關(guān)系的再現(xiàn)。而建造科學(xué)模型的過程中會(huì)用到模擬的方法。模擬就是要表現(xiàn)出選定的物理系統(tǒng)或抽象系統(tǒng)的關(guān)鍵特征。模擬的關(guān)鍵是有效信息的獲取、關(guān)鍵特征的選定、假設(shè)的應(yīng)用，以及模擬的重現(xiàn)度和有效性。模擬實(shí)驗(yàn)與各因素又是什么樣的關(guān)系呢？首先，直觀、關(guān)鍵因素為模擬實(shí)驗(yàn)搭建了模型框架，有了直觀、關(guān)鍵條件，模擬實(shí)驗(yàn)就可以進(jìn)行，但是精確性還要尚待檢驗(yàn)。外部條件的限制可以使模擬實(shí)驗(yàn)更加的準(zhǔn)確化。有了直觀、關(guān)鍵因素和外部因素的共同約束，模擬實(shí)驗(yàn)就會(huì)更加接近現(xiàn)實(shí)，再探究規(guī)律或其他問題時(shí)，就會(huì)比較精準(zhǔn)。

在《四季的變化》一課中，學(xué)生要建立地球公轉(zhuǎn)的模型，建構(gòu)科學(xué)模型要與原型之間有一定的聯(lián)系，這個(gè)聯(lián)系就是學(xué)生提到的四季中的不同現(xiàn)象。學(xué)生建構(gòu)的模型要求能夠出現(xiàn)現(xiàn)實(shí)生活中出現(xiàn)的四季中的不同現(xiàn)象。在古人剛開始研究四季變化時(shí)，也是不知道地球在圍繞著太陽公轉(zhuǎn)的，而是通過日常生活中出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行研究的。四季中有些不同現(xiàn)象是循環(huán)出現(xiàn)的，根據(jù)小學(xué)五年級學(xué)生的年齡特點(diǎn)和觀察思考能力，以及一年四季中出現(xiàn)的有規(guī)律的不同現(xiàn)象，老師進(jìn)行了以下總結(jié)：1.晝夜長短變化：每一年都是夏季晝長夜短，冬季晝短夜長;2.溫度不同：每一年都是冬季溫度最低，夏季溫度最高，春秋季節(jié)溫度在中間變化;3.物體影子長度：在同一時(shí)間時(shí)，同一物體冬季影子較長，夏季影子較短。在這幾種不同現(xiàn)象中，最容易觀察、記錄、研究的就是影子長度不同。古人也是用影子長短不同這一點(diǎn)對四季的變化及形成進(jìn)行研究。本節(jié)課中，老師設(shè)計(jì)的教學(xué)過程也是讓同學(xué)們效仿古人的樣子，從最根本的現(xiàn)象去研究本質(zhì)。為了讓學(xué)生能夠充分感受到太陽與地球之間的位置關(guān)系和地球的運(yùn)動(dòng)方式，在教學(xué)過程中，老師讓學(xué)生圍坐在一圈，中間擺上一個(gè)燈泡和一個(gè)地球儀，還要營造一個(gè)黑暗的環(huán)境，使學(xué)生變成太空中的巨人，站在太空中觀察太陽和地球，讓學(xué)生有一種身臨其境的感覺。

因?yàn)橐ㄟ^影子長度研究四季的形成，所以老師提前在地球儀的北京位置上固定了一根小棍，為了接近實(shí)際，小棍的長度很短，并根據(jù)實(shí)際測量和換算得到了四季中小棍在地球儀上的影子長度。學(xué)生已經(jīng)提前知道并掌握了在同一時(shí)間時(shí)、同一物體冬季影子較長，夏季影子較短這個(gè)現(xiàn)象。根據(jù)這個(gè)現(xiàn)象，找到小棍影子出現(xiàn)最長、最短和中間值狀態(tài)的時(shí)候地球儀的位置，這樣就找到了相對應(yīng)的季節(jié)的位置。在這個(gè)場地當(dāng)中，學(xué)生是在挪動(dòng)地球儀的過程中，找到了在地球儀上影長的位點(diǎn)。實(shí)際上學(xué)生是在努力重現(xiàn)、模擬出地球上正午影子長短的位置，重現(xiàn)原型當(dāng)中的關(guān)鍵特征。在學(xué)生實(shí)際操作過程中，出現(xiàn)了兩種情況，情況一是學(xué)生找的四個(gè)點(diǎn)的位置在太陽的同一側(cè)，出現(xiàn)地球距離太陽的遠(yuǎn)近不同這種運(yùn)動(dòng)方式，這種運(yùn)動(dòng)方式也可以出現(xiàn)影子長短有規(guī)律的變化。情況二是學(xué)生找的四個(gè)點(diǎn)的位置位于太陽的周圍，與實(shí)際的情況相似。出現(xiàn)了兩種情況，肯定有一種是不正確的，但是要怎樣判斷出哪種是不正確的呢？這是就需要用到其他季節(jié)中的不同現(xiàn)象了，通過觀察其他的四季中不同的現(xiàn)象，就可以判斷出情況一是不正確的。

老師又提出，如果把這幾個(gè)位置連接起來，可能會(huì)形成什么圖形呢？這個(gè)圖形是不是地球的運(yùn)動(dòng)軌跡呢？學(xué)生通過思考和分析，最終確定地球的運(yùn)動(dòng)軌跡是近似圓形，并且一直在圍繞著太陽轉(zhuǎn)動(dòng)。重現(xiàn)的結(jié)果就是地球要圍繞太陽做一個(gè)近似圓形的軌道運(yùn)動(dòng)。這時(shí)學(xué)生根據(jù)地球儀上小棍影子長短初步建立了地球圍繞太陽轉(zhuǎn)動(dòng)的模型。

在建構(gòu)模型時(shí)，學(xué)生根據(jù)影子的數(shù)值，不停地調(diào)整地球儀的位置，在這個(gè)過程中學(xué)生通過建構(gòu)模型的過程鍛煉并提升了分析、抽象、推理等思維能力。

（四）與原型進(jìn)行匹配并確定模型

模型本身既是科學(xué)研究中認(rèn)知階段性的成果，同時(shí)又是進(jìn)一步研究原型的起點(diǎn)。在模型初步制作完成之后，還要與原型進(jìn)行對比匹配。學(xué)生已經(jīng)根據(jù)影子的長短變化，初步建立起了初始的地球圍繞太陽轉(zhuǎn)動(dòng)的模型。但是這個(gè)模型是否與原型匹配呢？還需要進(jìn)行驗(yàn)證。老師提出問題：“我們推測出來的地球圍繞太陽做類似圓形的轉(zhuǎn)動(dòng)是正確的嗎？”將問題拋給學(xué)生，并提示學(xué)生之前一共想到了幾種四季中不同的現(xiàn)象。這時(shí)學(xué)生根據(jù)建構(gòu)模型的過程和已經(jīng)知道的四季中不同的現(xiàn)象，想到了我們剛剛建立的初始模型是不是也能夠出現(xiàn)其他不同的現(xiàn)象呢？于是就想到了要對這個(gè)模型進(jìn)行驗(yàn)證。此時(shí)思考和驗(yàn)證的過程充分鍛煉了學(xué)生的分析、對比等科學(xué)思維能力。通過驗(yàn)證環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)根據(jù)影子長短變化建構(gòu)出來的科學(xué)模型上，同樣也能夠滿足其他三種四季中出現(xiàn)的不同現(xiàn)象，所以可以肯定這個(gè)模型在研究四季知識這個(gè)方面是與原型相匹配的。

四、靈活使用教材，幫助學(xué)生提升科學(xué)思維

根據(jù)近幾年的教育水平的提升，老師們逐漸認(rèn)識到要靈活使用教材，用教材教，而不是教教材。在《四季的形成》這節(jié)課中，教材上直接給出公轉(zhuǎn)的定義，也給出了春分、夏至、秋分、冬至?xí)r地球與太陽之間的四種位置關(guān)系。這樣的教學(xué)安排直接給出了地球公轉(zhuǎn)的模型，方便學(xué)生根據(jù)模型找出四季中不同現(xiàn)象的原因。在課堂上給學(xué)生足夠的探究空間。還要在教學(xué)過程中能夠讓學(xué)生體驗(yàn)一下科學(xué)家探究的過程，最能夠幫助學(xué)生培養(yǎng)科學(xué)思維。

總之，在地球與宇宙科學(xué)領(lǐng)域中，有關(guān)現(xiàn)象、事物和規(guī)律，具有時(shí)間和空間的復(fù)雜性，需要對它們運(yùn)用長期觀察、建構(gòu)模型、模擬實(shí)驗(yàn)、邏輯推理等方法進(jìn)行研究，并幫助學(xué)生重走科學(xué)探索之路，發(fā)展學(xué)生空間想象、模型思維、邏輯推理等科學(xué)思維。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜威著，姜文閔譯.我們怎樣思維·經(jīng)驗(yàn)與教育[M].北京：人民教育出版社，1991.