新課標(biāo)背景下小學(xué)科學(xué)模型建構(gòu)的教學(xué)理解與實(shí)踐

史加祥

【摘 要】《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》首次明確地將模型建構(gòu)作為科學(xué)思維核心素養(yǎng)的重要組成部分。模型經(jīng)常被應(yīng)用于小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，但存在對(duì)小學(xué)科學(xué)模型建構(gòu)的研究與教學(xué)重視程度不夠的情況。文章在對(duì)模型建構(gòu)內(nèi)涵理解的基礎(chǔ)上，明確了科學(xué)模型建構(gòu)教學(xué)的過程與水平，在具體化和細(xì)化模型建構(gòu)教學(xué)過程的基礎(chǔ)上進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐，為培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維提供了方向。

【關(guān)鍵詞】科學(xué)課程;核心素養(yǎng);模型建構(gòu);科學(xué)思維

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）明確了科學(xué)課程核心素養(yǎng)的內(nèi)涵與組成[1]4，模型建構(gòu)作為科學(xué)思維核心素養(yǎng)的重要組成部分被首次直接表述，意味著模型建構(gòu)教學(xué)對(duì)于學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)有著重要的意義及價(jià)值。模型在科學(xué)的歷史發(fā)展與當(dāng)前實(shí)踐中普遍存在，離開模型的科學(xué)是難以想象的?？茖W(xué)教育中的模型建構(gòu)是科學(xué)的關(guān)鍵特征，也是科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分[2]。還有研究將科學(xué)直接定義為科學(xué)建模的過程，認(rèn)為科學(xué)學(xué)習(xí)過程中的觀察、描述、解釋、預(yù)測、推理微觀和宏觀自然事物、自然現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)就是建構(gòu)和應(yīng)用科學(xué)模型的過程[3]。由此可見，模型建構(gòu)在科學(xué)教學(xué)中至關(guān)重要，教師需要在深刻理解其內(nèi)涵的基礎(chǔ)上開展扎實(shí)的教學(xué)實(shí)踐。

一、模型建構(gòu)教學(xué)的現(xiàn)狀與發(fā)展要求

目前，針對(duì)小學(xué)科學(xué)模型建構(gòu)的教學(xué)實(shí)踐整體偏少，主要原因是研究者對(duì)小學(xué)階段科學(xué)模型建構(gòu)的理解存在差異，沒有厘清模型建構(gòu)與學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)之間的關(guān)系。

1.小學(xué)科學(xué)模型建構(gòu)教學(xué)的現(xiàn)實(shí)理解

模型對(duì)于小學(xué)科學(xué)教學(xué)來說并不陌生，教師在科學(xué)教學(xué)中經(jīng)常會(huì)使用各種標(biāo)本、裝置或模型進(jìn)行教學(xué)，也會(huì)采用模擬活動(dòng)來幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)和理解科學(xué)現(xiàn)象。在很多科學(xué)教師的理解中，模型必須是實(shí)體、可觸摸的。有研究者在模型的實(shí)物特點(diǎn)上對(duì)其含義進(jìn)行了擴(kuò)展，認(rèn)為模型還可以用觀念、數(shù)學(xué)符號(hào)將自然世界中的現(xiàn)象和事物表達(dá)出來[4]。也有研究者將模型分為實(shí)體模型、概念過程模型和數(shù)學(xué)模型三種類型。實(shí)體模型是指根據(jù)相似性理論制造的按原系統(tǒng)比例縮小、放大或與原系統(tǒng)等大的實(shí)物，概念過程模型指呈現(xiàn)概念之間的關(guān)系和影響方式的模型，數(shù)學(xué)模型則指利用數(shù)理邏輯方法和數(shù)學(xué)語言符號(hào)建構(gòu)的模型。[5]在小學(xué)科學(xué)中，采用模型建構(gòu)方法進(jìn)行教學(xué)以地球與宇宙科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)容居多。如賀子聰，高曉燕在“月相”的教學(xué)中使用模型幫助學(xué)生理解月相何時(shí)可見、朔月為何不易見以及月相變化規(guī)律等[6]。錢星星則在認(rèn)識(shí)月球環(huán)形山內(nèi)容的教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生通過動(dòng)手“造”環(huán)形山，對(duì)月球環(huán)形山形成的可能原因進(jìn)行了探究[7]。從已有文獻(xiàn)可以看出，教師對(duì)小學(xué)科學(xué)模型建構(gòu)的研究與教學(xué)重視程度不夠，對(duì)其內(nèi)涵的認(rèn)識(shí)與理解不足，究其原因主要是原有課程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)模型建構(gòu)的要求不夠清晰和明確。

《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中，模型建構(gòu)并沒有作為科學(xué)探究的重要組成部分，相關(guān)要求出現(xiàn)在“地球與宇宙科學(xué)領(lǐng)域”中，讓學(xué)生通過實(shí)地觀察、長期觀測、建構(gòu)模型、模擬實(shí)驗(yàn)、邏輯推理等方法對(duì)地球與宇宙中的有關(guān)現(xiàn)象、事物和規(guī)律有一定的了解[8]。由此可見，教師在地球與宇宙科學(xué)領(lǐng)域?qū)δＰ徒?gòu)的實(shí)踐較多也在情理之中，也充分說明模型建構(gòu)教學(xué)的價(jià)值還未得到應(yīng)有的認(rèn)可與重視。

2.模型建構(gòu)的科學(xué)課程核心素養(yǎng)要求

新課標(biāo)將科學(xué)課程核心素養(yǎng)分為科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐、態(tài)度責(zé)任等，模型建構(gòu)作為科學(xué)思維的重要組成部分被明確提出，并指出模型建構(gòu)體現(xiàn)在：以經(jīng)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ)，對(duì)客觀事物進(jìn)行抽象與概括，進(jìn)而建構(gòu)模型;運(yùn)用模型分析、解釋現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、關(guān)系及變化過程[1]4-5。新課標(biāo)不僅指出了模型建構(gòu)的路徑，還明確了如何運(yùn)用與分析模型。筆者對(duì)新課標(biāo)中課程總目標(biāo)和學(xué)段目標(biāo)的模型建構(gòu)要求進(jìn)行了梳理（見表1）。模型建構(gòu)的過程可分為模型意識(shí)、模型理解、模型建構(gòu)、模型運(yùn)用等不同階段和水平。

表1 新課標(biāo)的模型建構(gòu)分階段學(xué)習(xí)要求

[學(xué)段 學(xué)段目標(biāo) 1～2年級(jí) 能利用材料和工具，通過口述、繪畫、畫圖等方式表達(dá)自己的想法 3～4年級(jí) 能利用模型解釋簡單的科學(xué)現(xiàn)象 5～6年級(jí) 能使用或建構(gòu)模型，解釋有關(guān)的科學(xué)現(xiàn)象和過程 7～9年級(jí) 針對(duì)真實(shí)情境中的簡單問題，能基于事實(shí)與證據(jù)，利用分析、比較、抽象和概括等思維方法建構(gòu)模型，能運(yùn)用簡單模型解釋常見現(xiàn)象，解決常見問題 ]

二、模型建構(gòu)教學(xué)的內(nèi)涵理解

教師對(duì)模型建構(gòu)的理解存在差異主要源于對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)的解讀以及在教學(xué)實(shí)踐中形成的認(rèn)知不同。在進(jìn)行模型建構(gòu)教學(xué)之前，教師有必要從新課標(biāo)角度對(duì)其內(nèi)涵、原則等進(jìn)行再理解。

1.多維視角下的模型建構(gòu)

從不同的視角審視模型建構(gòu)，會(huì)有不同的理解與詮釋，如有研究將模型建構(gòu)的過程解釋為通過關(guān)注關(guān)鍵特征來解釋和預(yù)測科學(xué)現(xiàn)象，抽象、簡化并進(jìn)行系統(tǒng)表達(dá)的過程[9]。還有研究將科學(xué)建模能力定義為針對(duì)自然現(xiàn)象抽象出主要特征，依據(jù)科學(xué)直覺建構(gòu)關(guān)系、結(jié)構(gòu)等概念模型，并用科學(xué)語言進(jìn)行表征的能力[10]。不同的定義與解釋有共通之處，也有不同的視角差別。

有研究從刺激與反應(yīng)的行為視角對(duì)科學(xué)模型建構(gòu)進(jìn)行分析，將科學(xué)建構(gòu)作為操作性過程，包括建模語言、系統(tǒng)表征和從表征到模型的過程等[11]。行為視角觀點(diǎn)雖然增強(qiáng)了科學(xué)模型建構(gòu)教學(xué)實(shí)踐的可操作性，學(xué)生在反復(fù)的行為訓(xùn)練中建模能力得到提升，但對(duì)學(xué)生在建模過程中的心理認(rèn)知變化無法進(jìn)行科學(xué)的解釋。鑒于此，很多研究從心理與認(rèn)知視角對(duì)模型建構(gòu)的心理、意識(shí)的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行解讀。心理認(rèn)知視角認(rèn)為科學(xué)建模不是簡單的表征模型的過程，而是完整的信息輸入、接受、加工、提取和輸出的過程，也是信息抽象，理解關(guān)系及結(jié)構(gòu)的過程。心理認(rèn)知視角關(guān)注了科學(xué)建模過程中學(xué)生心理加工的過程，但在教學(xué)實(shí)踐中卻無法直接進(jìn)行評(píng)價(jià)與探測，只能通過學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)來推測。在對(duì)科學(xué)建模的行為與認(rèn)知觀點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)分析整合的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了建構(gòu)主義。建構(gòu)主義認(rèn)為科學(xué)建模的過程是學(xué)生在面對(duì)問題情境和學(xué)習(xí)任務(wù)下，主動(dòng)應(yīng)用和建構(gòu)概念的過程。建構(gòu)主義視角是將外部環(huán)境刺激、內(nèi)部心智的操作性過程和模型建構(gòu)過程作為統(tǒng)一連貫的整體進(jìn)行理解，既強(qiáng)調(diào)建模的刺激反應(yīng)的外在行為表現(xiàn)，也重視心理加工與內(nèi)在思維活動(dòng)。

不同視角對(duì)模型建構(gòu)的理解不是完全隔絕和獨(dú)立的，而是在繼承的基礎(chǔ)上發(fā)展。筆者在綜合不同觀點(diǎn)并結(jié)合新課標(biāo)的基礎(chǔ)上，將科學(xué)模型建構(gòu)解釋為學(xué)生主體從經(jīng)驗(yàn)事實(shí)出發(fā)，對(duì)科學(xué)情境、任務(wù)和問題中涉及的科學(xué)現(xiàn)象、事物進(jìn)行抽象和概括等建構(gòu)模型，并運(yùn)用模型分析、解釋、描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與關(guān)系等復(fù)雜加工后逐漸形成科學(xué)模型的過程?？茖W(xué)建模能力則指在此過程中學(xué)生表現(xiàn)出來的穩(wěn)定的、個(gè)性化的心理素質(zhì)。

2.模型建構(gòu)的過程與水平理解

基于不同的視角會(huì)形成不同的模型建構(gòu)。筆者結(jié)合新課標(biāo)中模型建構(gòu)的總目標(biāo)和分階段目標(biāo)，將小學(xué)階段科學(xué)的模型建構(gòu)教學(xué)從過程與學(xué)生表現(xiàn)兩個(gè)方面進(jìn)行整體理解，將學(xué)生科學(xué)模型建構(gòu)的過程與水平以交叉、螺旋的方式呈現(xiàn)，使科學(xué)建模的教學(xué)與評(píng)價(jià)達(dá)成一致（如圖1）。

由圖1可知，小學(xué)科學(xué)模型建構(gòu)教學(xué)的起點(diǎn)是“情境、任務(wù)、問題”。教師通過創(chuàng)設(shè)情境、提出問題，讓學(xué)生基于原始模型進(jìn)行觀察、分析、比較、抽象、概括，在心智參與后對(duì)模型進(jìn)行選擇并初步形成新的模型，即過渡模型。教師讓學(xué)生在交流、解釋中通過圖畫、文字、數(shù)據(jù)等對(duì)模型進(jìn)行表征，進(jìn)而對(duì)模型進(jìn)行認(rèn)知分析。同時(shí)，教師通過實(shí)驗(yàn)、模擬等活動(dòng)，讓學(xué)生積極、主動(dòng)地使用或調(diào)用加工形成的模型，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證、修正，最終形成科學(xué)模型，并能在新的情境中進(jìn)行遷移。

另外，科學(xué)模型建構(gòu)的教學(xué)并不是分析不同學(xué)習(xí)階段差異后簡單的線性化與流程化處理，而是從學(xué)生已有認(rèn)知、經(jīng)驗(yàn)、心智發(fā)展水平出發(fā)，在不同的科學(xué)知識(shí)內(nèi)容學(xué)習(xí)中迭代與循環(huán)。因此，在不同的學(xué)習(xí)階段，學(xué)生會(huì)有不同的表現(xiàn)、發(fā)展可能與空間。對(duì)學(xué)生模型建構(gòu)的表現(xiàn)可以從“對(duì)科學(xué)現(xiàn)象、事物解釋與預(yù)測的生成性理解”和“模型建構(gòu)生成的科學(xué)知識(shí)是暫時(shí)的、動(dòng)態(tài)的、可改變的”兩個(gè)角度進(jìn)行理解。兩種理解雖然角度不同，但對(duì)科學(xué)模型的多重作用，以及科學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)過程和科學(xué)本質(zhì)具有發(fā)展性和復(fù)雜性的認(rèn)識(shí)是相同的。筆者結(jié)合新課標(biāo)，對(duì)科學(xué)模型建構(gòu)中的學(xué)生表現(xiàn)進(jìn)行分析，形成了科學(xué)模型建構(gòu)的水平理解（見表2），將教學(xué)過程與表現(xiàn)水平整體設(shè)計(jì)，注重實(shí)現(xiàn)“教—學(xué)—評(píng)”一致性。

三、小學(xué)科學(xué)模型建構(gòu)的教學(xué)實(shí)踐

1.科學(xué)模型建構(gòu)教學(xué)的具體流程

模型建構(gòu)教學(xué)是科學(xué)思維與方法培養(yǎng)的重要手段，教師需要在分析學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)和模型認(rèn)知水平的基礎(chǔ)上，結(jié)合新課標(biāo)要求和教材內(nèi)容，對(duì)教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行重點(diǎn)梳理與分析，在扎實(shí)的課堂教學(xué)實(shí)踐中培養(yǎng)與發(fā)展學(xué)生的模型建構(gòu)能力?；诖?，筆者總結(jié)了科學(xué)模型建構(gòu)教學(xué)過程的具體流程如下（如圖2）。

由圖2可知，科學(xué)模型建構(gòu)教學(xué)實(shí)踐最開始是“現(xiàn)象、問題錨定”，在此過程中，教師創(chuàng)設(shè)情境引出某個(gè)現(xiàn)象或提出問題，學(xué)生在對(duì)現(xiàn)象分析和問題界定的基礎(chǔ)上形成想法、觀點(diǎn)或假設(shè)?！俺尸F(xiàn)原始模型”是指學(xué)生利用文字、圖畫、表格等構(gòu)建和呈現(xiàn)一個(gè)包含他們自己想法與觀點(diǎn)的原始模型。“觀察、調(diào)查、實(shí)踐”指學(xué)生在分組和合作學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行觀察、調(diào)查，為解決核心問題及修改模型收集資料和證據(jù)，在分析、分享中利用模型解釋、發(fā)現(xiàn)存在的矛盾與沖突?！靶纬蛇^渡模型”是指學(xué)生在矛盾與沖突的基礎(chǔ)上評(píng)估并修改原始模型，形成與觀察、調(diào)查較為契合的模型。“探究、實(shí)驗(yàn)應(yīng)用”是指學(xué)生運(yùn)用過渡模型設(shè)計(jì)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)并實(shí)施，輸入與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相關(guān)的科學(xué)概念、理論，在結(jié)合實(shí)驗(yàn)與理論的基礎(chǔ)上形成較為科學(xué)的認(rèn)識(shí)。隨后學(xué)生利用形成的科學(xué)思想與觀念對(duì)模型進(jìn)行“修正、改進(jìn)、完善”，在交流中介紹和展示，討論并判斷模型，在小組或整個(gè)班級(jí)中形成共識(shí)的基礎(chǔ)上“構(gòu)建科學(xué)模型”。最后是使用模型“預(yù)測、解釋、遷移”其他相關(guān)現(xiàn)象，對(duì)模型的優(yōu)勢(shì)和局限性進(jìn)行再思考，以便進(jìn)一步的修正。

當(dāng)然，科學(xué)模型建構(gòu)教學(xué)并沒有固定和統(tǒng)一的方法，教師在實(shí)踐中并不需要嚴(yán)格按照以上步驟進(jìn)行教學(xué)，可以結(jié)合不同的學(xué)習(xí)內(nèi)容，尤其是學(xué)生已形成的模型情況進(jìn)行分析后靈活組合與運(yùn)用。

2.“光的反射”模型建構(gòu)教學(xué)實(shí)踐

光是學(xué)生生活中最常見的科學(xué)現(xiàn)象，也是物質(zhì)科學(xué)的重要組成部分。新課標(biāo)對(duì)“光的反射”的學(xué)習(xí)要求是識(shí)別來自物體反射的光（如月光）（3～4年級(jí)）和知道來自物體的反射光進(jìn)入眼睛，能使人們看到光源或該物體（5～6年級(jí)）[8]36。筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)月相是月球反射太陽光的知識(shí)建構(gòu)較為牢固，主要源于學(xué)生的閱讀和科普視頻等。但學(xué)生對(duì)于人為什么能看到身邊的物體卻難以理解，即使在“光的反射”學(xué)習(xí)結(jié)束后，很多學(xué)生對(duì)光反射過程的模型建構(gòu)依然不完整、不科學(xué)。為此，筆者從模型建構(gòu)的過程出發(fā)，設(shè)計(jì)了“光的反射”一課，具體教學(xué)過程如下（如圖3）。

由圖3可以看出，學(xué)生對(duì)“光的反射”模型建構(gòu)過程經(jīng)歷了從清晰到模糊，再到清晰的過程。學(xué)生對(duì)于月相形成的特定反射現(xiàn)象能夠理解，但遇到生活中如何看到其他物體的問題時(shí)，學(xué)生的原始模型無法進(jìn)行解釋，很多學(xué)生形成的過渡模型存在科學(xué)性錯(cuò)誤。因此，教師設(shè)計(jì)了暗盒實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在反復(fù)對(duì)比后，對(duì)模型的理解逐步清晰起來。從學(xué)生的描述和表達(dá)中可以看出，學(xué)生建構(gòu)的模型具有一定的科學(xué)性，學(xué)生在對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行解釋、應(yīng)用和遷移后不僅能對(duì)特殊的反射現(xiàn)象進(jìn)行解釋，還能對(duì)生活中常見的反射現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)解釋，建構(gòu)的“光的反射”模型逐步穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上，教師可以提出新的問題，如“為什么我們能看到有顏色的物體，不同顏色的光照射同樣的物體會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象”等，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步探究與實(shí)踐，對(duì)建構(gòu)形成的科學(xué)模型進(jìn)行持續(xù)的補(bǔ)充與完善，從而全面、整體地理解“光的反射”。

綜上所述，對(duì)科學(xué)模型建構(gòu)發(fā)展的梳理和內(nèi)涵的理解是對(duì)新課標(biāo)的解讀，而對(duì)科學(xué)模型建構(gòu)教學(xué)的實(shí)踐則是將新課標(biāo)課程目標(biāo)落實(shí)的探索。筆者認(rèn)為，在后續(xù)的教學(xué)中，教師還需要持續(xù)深入的實(shí)踐，形成適合不同年級(jí)、不同學(xué)習(xí)內(nèi)容的模型建構(gòu)的教學(xué)方法，為學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展提供抓手。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

[2]SCHWARZ C V，REISER B J，DAVIS E A，et al. Developing a learning progression for scientific modeling：making scientific modeling accessible and meaningful for learners[J].Journal of research in science teaching，2009（6）：632-654.

[3]GILBERT J K，JUSTI R. Modelling-based teaching in science education[M].Switzerland：Springer，2016.

[4]孫可平.科學(xué)教學(xué)中模型/模型化方法的認(rèn)知功能探究[J].全球教育展望，2010（6）：76-81.

[5]潘利峰，劉國良.模型建構(gòu)在小學(xué)科學(xué)深度探究中的運(yùn)用：以蘇教版科學(xué)為例[J].教學(xué)月刊·小學(xué)版（綜合），2020（12）：37-40.

[6]賀子聰，高曉燕.“月相”相關(guān)知識(shí)及教學(xué)策略[J].科教導(dǎo)刊，2021（24）：36-39.

[7]錢星星.小學(xué)科學(xué)的模型建構(gòu)：以“我們來‘造環(huán)形山”一課為例[J].教育觀察，2020（43）：126-128.

[8]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2017.

[9]PASSORE C，STEWART J ，CARTIER J. Model-based inquiry and school science：creating conncetions[J].School science and mathematics，2009（7）：394-402.

[10]翟小銘，郭玉英.科學(xué)建模能力評(píng)述：內(nèi)涵、模型及測評(píng)[J].教育學(xué)報(bào)，2015（6）：75-82，106.

[11]VANLEHN K. Model construction as a learning activity：a design space and review[J].Interactive learning environments，2013（4）：371-413.

（責(zé)任編輯：羅小熒）