模型建構(gòu)在小學(xué)科學(xué)技術(shù)與工程領(lǐng)域中的教學(xué)策略研究

湖北省武漢市恒大城學(xué)校(430040) 胡 蓉

湖北省武漢市東西湖區(qū)吳家山第一小學(xué)(430040) 王傳松

1 模型建構(gòu)的概念

模型建構(gòu)，旨在將復(fù)雜事物的本質(zhì)提煉出來，從而簡化為能解釋原事物的概括化的模型。在教學(xué)中的模型建構(gòu)亦是如此，將學(xué)生可能難以理解的或直接研究原事物存在障礙的內(nèi)容，抽絲剝繭為能簡單理解的知識。一個(gè)完整的模型教學(xué)至少要經(jīng)過5個(gè)階段，即觀察、建模、調(diào)查、驗(yàn)證、應(yīng)用、評價(jià)。學(xué)生只有親歷模型建構(gòu)的各個(gè)過程，才能體會模型建構(gòu)的特點(diǎn)，才能得到科學(xué)思維的鍛煉，進(jìn)而提升科學(xué)素養(yǎng)。

2 在小學(xué)科學(xué)技術(shù)與工程領(lǐng)域開展模型建構(gòu)的意義

2017年頒布的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中明確提出，技術(shù)與工程領(lǐng)域的學(xué)習(xí)可以使學(xué)生有機(jī)會綜合所學(xué)的各方面知識來體驗(yàn)科學(xué)技術(shù)對個(gè)人生活和社會發(fā)展的影響。技術(shù)與工程實(shí)踐活動(dòng)可以使學(xué)生體會到在做中學(xué)的成功和樂趣，并養(yǎng)成通過動(dòng)手做來解決問題的習(xí)慣。而模型建構(gòu)則強(qiáng)調(diào)根據(jù)已知的事實(shí)建立起對研究對象簡潔仿真的表述。它從原型出發(fā)，根據(jù)某一特定目的，抓住原型的本質(zhì)特征，對原型進(jìn)行抽象，建構(gòu)一個(gè)能反映原型本質(zhì)聯(lián)系的模型。模型建構(gòu)可以發(fā)展學(xué)生抽象思維、體現(xiàn)學(xué)生本真探究。模型本身越逼真，實(shí)驗(yàn)效果就越好。在建模的過程中，學(xué)生的創(chuàng)新精神和科學(xué)素養(yǎng)將會得到一定的提升。美國的教育家杜威指出：對于科學(xué)，要求學(xué)生掌握的不僅是知識，還應(yīng)該包括過程、方法，在科學(xué)探究中創(chuàng)建出實(shí)際問題的模型的過程和方法訓(xùn)練，應(yīng)該是科學(xué)探究教學(xué)的重要內(nèi)容之一。

3 模型建構(gòu)在小學(xué)科學(xué)技術(shù)與工程領(lǐng)域中的教學(xué)策略

3.1 用充足的原型啟發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)模型

對于低年段的小學(xué)生，他們還停留在具象思維的階段，對于抽象事物還難以把握，更不必說從事物中抽象出本質(zhì)。因此，教師在低年段學(xué)生中開展模型建構(gòu)的教學(xué)，需要提供大量的、豐富的原型來幫助學(xué)生找到這些原型的共同點(diǎn)，從而啟發(fā)他們?nèi)ピO(shè)計(jì)。以教科版科學(xué)教材二年級下冊“做一頂帽子”為例。該內(nèi)容是小學(xué)科學(xué)技術(shù)與工程領(lǐng)域中典型的一課。本節(jié)內(nèi)容要求學(xué)生基于對材料的認(rèn)識，能根據(jù)功能和用途選擇不同材料，設(shè)計(jì)制作一頂帽子。在“設(shè)計(jì)—選材—制作—展示”的過程中進(jìn)一步體會人工世界是由人設(shè)計(jì)并制造的，用不同材料制作的同種物品，它們的功能和用途可能不同。在本課中，學(xué)生首次以“設(shè)計(jì)師”的角色參與課堂活動(dòng)。“設(shè)計(jì)師”不僅僅需要表達(dá)美術(shù)上的創(chuàng)意，更需要選擇合適的材料以滿足所需功能。學(xué)生將通過做帽子活動(dòng)初步體驗(yàn)工程設(shè)計(jì)的過程，其中包括簡單設(shè)計(jì)和展示交流兩個(gè)環(huán)節(jié)。這對學(xué)生來說有一定困難。因而，在學(xué)生開始進(jìn)行設(shè)計(jì)前，教師需給學(xué)生提供大量的帽子實(shí)例，用充足的原型來啟發(fā)學(xué)生在模仿的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新。教師可以直接出示大量的帽子照片，也可以直接展示帽子的實(shí)物。比如工地上的安全帽、遮陽用的遮陽帽、冬天佩戴的氈帽、游泳使用的泳帽、廚師帶的廚師帽等等。學(xué)生通過觀察這些不同的帽子，很容易就得出帽子的材料不同，帽子的使用用途也不同的結(jié)論。接下來，教師再提出“制作一頂帽子”的建模要求，學(xué)生也就自然而然地明白該如何去設(shè)計(jì)。

3.2 使用有結(jié)構(gòu)的材料支撐設(shè)計(jì)

在模型建構(gòu)中，教師需要給學(xué)生提供材料來制作模型。這里的材料分為非結(jié)構(gòu)材料和有結(jié)構(gòu)材料兩種。非結(jié)構(gòu)材料是指那些無固定玩法、無具體形象特征的材料，即結(jié)構(gòu)簡單、獲取方便、可塑性強(qiáng)的基本簡單材料。與之對應(yīng)的有結(jié)構(gòu)材料則是較難獲取的，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但容易理解的材料。非結(jié)構(gòu)材料對學(xué)生來說，更具有挑戰(zhàn)性，思維難度更大，對動(dòng)手能力的要求也更高。對于低中學(xué)段的學(xué)生而言，他們的動(dòng)手能力還處于剛剛發(fā)展起來的階段，如果提供非結(jié)構(gòu)材料，在課上他們可能面臨不會制作或多次試驗(yàn)都不能取得成功的問題。而有結(jié)構(gòu)的材料雖然在獲得上存在一些難度，但是在實(shí)際的課堂中能起到較好的效果。

以教科版科學(xué)教材三年級下冊“我們的‘過山車’”為例，該節(jié)課的設(shè)計(jì)要求有：①過山車總長2 m以上；②小球要跑完全程，中途不脫軌；③過山車要穩(wěn)固；④過山車有曲線軌道和直線軌道；⑤過山車有斜坡。這里制作“過山車”的材料，教師一般提供橡膠管、塑料管等，這些材料生活中很容易得到。但是實(shí)際教學(xué)時(shí)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生需要許多支架固定管道，時(shí)間一點(diǎn)一滴地浪費(fèi)在搭建的過程中，學(xué)生關(guān)注的因素早已不是小球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而是要怎么才能固定好管道。因此，教師如果優(yōu)先提供有結(jié)構(gòu)的材料，比如積木，學(xué)生可以節(jié)約大量的搭建時(shí)間，集中注意力在設(shè)計(jì)要求上。當(dāng)然，這里并無排斥使用非結(jié)構(gòu)材料之意。教學(xué)本應(yīng)循序漸進(jìn)，在學(xué)生用有結(jié)構(gòu)材料厘清模型的特征后，教師可以再提供非結(jié)構(gòu)材料深化教學(xué)內(nèi)容。

3.3 提供評價(jià)量表，提高模型的測試效果

工程設(shè)計(jì)一般會經(jīng)歷“問題—設(shè)計(jì)—制作—測試—完善”等過程。測試也是是模型建構(gòu)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。測試是檢驗(yàn)?zāi)Ｐ托Ч谋匾緩剑彩翘岣邔W(xué)生模型建構(gòu)能力的重要方法。學(xué)生在不斷地測試與改進(jìn)的過程中，明確建模的目的，完善模型的結(jié)構(gòu)。教師使用評價(jià)量表，可以細(xì)化測試的條目，增強(qiáng)模型測試的針對性。以教科版科學(xué)教材五年級下冊第2單元“船的研究”為例。教師可以在設(shè)計(jì)上將模型船轉(zhuǎn)化為有實(shí)際使用價(jià)值的船，體現(xiàn)工程設(shè)計(jì)最終服務(wù)需求的特點(diǎn)。在教學(xué)過程中教師先引導(dǎo)學(xué)生按照設(shè)計(jì)圖進(jìn)行制作，制作環(huán)節(jié)中讓學(xué)生像工程師一樣嚴(yán)格按照圖紙進(jìn)行選材和制作，感受設(shè)計(jì)的重要性；制作完成后再進(jìn)行測試，學(xué)生下水試航時(shí)對照教科書的三項(xiàng)測試標(biāo)準(zhǔn)，不斷調(diào)整、改進(jìn)和優(yōu)化小船。教材上給出的評價(jià)量表見表1。

表1 評價(jià)量表

3.4 回歸生活，完善模型

模型是為了解釋原型而衍生的產(chǎn)物，若學(xué)生只停留在設(shè)計(jì)模型、搭建模型的階段，對于他們提升模型建構(gòu)能力將是非常不利的。模型制作任務(wù)下達(dá)之前，教師往往會擬定一個(gè)總的制作要求，然而這只是對于模型建構(gòu)簡單的步驟要求。如果能用該模型去解釋生活中的現(xiàn)象，那么學(xué)生的建模能力將會得到很大提升。以教科版科學(xué)教材四年級下冊“電路中的開關(guān)”一課為例。從內(nèi)容上看，該課不是嚴(yán)格的技術(shù)與工程領(lǐng)域的課程，但是教師稍作調(diào)整，將其設(shè)計(jì)為制作“紅綠燈”，這節(jié)課就有工程技術(shù)領(lǐng)域的味道了。“電路中的開關(guān)”一課，常見的教學(xué)設(shè)計(jì)是：給學(xué)生觀察開關(guān)—提供開關(guān)的材料—制作一個(gè)開關(guān)—連接到電路中檢驗(yàn)開關(guān)—提出紅綠燈的問題作為拓展。這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)也能較好地達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。但是拓展部分，由于時(shí)間關(guān)系學(xué)生并不能深入探究。這里作出調(diào)整，將電路中的開關(guān)明確為“控制紅綠燈的開關(guān)”。圍繞制作“紅綠燈”，本課的趣味性提升，且對于高學(xué)段學(xué)生而言，更能鍛煉其模型建構(gòu)的能力。課程伊始，教師給學(xué)生呈現(xiàn)生活中的紅綠燈，提出制作紅綠燈的要求，學(xué)生的興趣一下被點(diǎn)燃。接著，教師帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識建模的材料，觀察并嘗試依次點(diǎn)亮燈泡。這也是對前面課程“點(diǎn)亮小燈泡”的回顧。通過認(rèn)識易拉罐和絕緣膠布，學(xué)生對導(dǎo)體和絕緣體有進(jìn)一步的認(rèn)識，從而概括出開關(guān)就是一個(gè)由導(dǎo)體和絕緣體組成的結(jié)構(gòu)。教師給予學(xué)生充分的時(shí)間去制作紅綠燈。有了現(xiàn)實(shí)生活做依托，學(xué)生很容易理解：①紅綠燈的順序是紅黃綠；②黃燈出現(xiàn)的時(shí)間最短；③每種顏色的燈必須是交替連續(xù)出現(xiàn)，不能出現(xiàn)中斷的現(xiàn)象。這些要求都是改進(jìn)和完善的依據(jù)?；貧w生活，學(xué)生有一定的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)，無需教師指引，自發(fā)提出改進(jìn)的要求，這無疑對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升有幫助。

(《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》)已經(jīng)頒布，分析新課標(biāo)，我們可以發(fā)現(xiàn)模型建構(gòu)依然占據(jù)著重要的地位。而技術(shù)與工程領(lǐng)域雖不再作為一個(gè)單獨(dú)的內(nèi)容板塊，但它依舊貫穿著每個(gè)單元的始末。研究模型建構(gòu)在小學(xué)科學(xué)中的教學(xué)策略仍然有很大的價(jià)值。