基于模型建构促进科学概念发展

模型建构作为科学学习中必备的、关键的科学思维能力之一，在小学科学课程中有大量的体现。科学课程标准指出，科学思维主要包括模型建构、推理论证、创新思维等。其中，模型建构体现在：以经验事实为基础，对客观事物进行抽象和概括，进而建构模型；运用模型分析、解释现象和数据，描述系统的结构、关系及变化过程。

课程标准在总目标中明确要求，具有初步的模型理解和模型建构能力。从模型建构的价值出发，现以人教鄂教版《科学》教材的《生物栖息地》一课为例，分析科学教学中通过模型建构、运用模型建构的思维能力对科学概念发展的促进作用。

一、模型建构在科学教学中的价值

模型是人们按照特定的科学研究目的，在一定的假设条件下，再现原型客体某种本质特征（结构特性、功能、关系、过程等）的物质形式或思维形式的类似物。[1]简单来说，模型就是对原型简化、纯化的产物，和大众的想象不同，模型不一定是具象化的物质，也可以是非物质的，一般分为物理模型、概念模型和数学模型。无论哪种模型，在不同的学习内容和阶段，都会对科学教学起到至关重要的作用。

1.有助于科学概念的建构

有学者认为，通过（模型的）实验探求学生的前概念，让他们对实验现象进行深入分析，修正前概念，生成基本概念，并利用核心概念解决现实问题，可以促使他们形成对核心概念全面而深刻的理解，提高他们对复杂问题全面而准确的判断。[2]在科学概念学习中，模型作为学习对象，使学生的认知过程显化、思维方式内化，主动进行知识建构；学生合作建模，共建共构，实现深度思考和思维外化；教师通过合理评价与监控，及时反馈与调整，促进学生重构科学概念。[3]

科学概念是客观事物的共同属性和本质特征在人脑中的反映，是客观事物的抽象概括。模型是思维的产物，相比原型更简洁直观，可以帮助学习者更好地理解原型。课堂上，教师可以引导学生抓住原型的典型特征，建构模型理解进而有效地掌握科学概念，并举一反三，提高学习效率。例如，地日月三球关系的实物模型，可以帮助学生理解昼夜交替、月相变化、四季成因等。

2.有助于形成跨学科概念

模型能更清晰地反映系统的特征，[4]根据理解和解释的需要，系统可以用不同形式的模型来解释。

模型的一个基本功能就是有助于厘清系统中的复杂概念、变量等之间的关系，便于帮助学生建立对系统的认识，发展他们的系统思维。[5]模型建构可以帮助学生从更上位的跨学科概念“系统与模型”去重新认识世界，让他们在学习科学概念时，将复杂问题简化、典型化为模型，进而理解、解释自然界中的系统。例如，在研究简单电路时，建构在闭合回路中电器工作的概念模型，可以促进学生分析和理解断路、短路等现象。

3.有助于解决真实问题

教育的目的之一是提升学生在真实情境中解决问题的能力。在科学学习中，学生抓住原型的典型特征，运用模型建构对原型进行简化和抽象，发现事物的一般规律，有助于他们应用迁移到真实情境中，解决生活中的真实问题。例如，一年中物体正午的影长呈规律的长短变化，古人据此设计了圭表，这就是一个模型，可用于确定春分、夏至、秋分、冬至等节气并划分季节。

二、《生物的栖息地》一课的概念模型建构

课程标准核心概念“生命系统的构成层次”下有“生态系统由生物与非生物环境共同组成”这一学习内容。《生物的栖息地》一课的学习目标正对应这一学习内容的相关要求，即能够举例说出常见的栖息地为生物提供光、空气、水、适应的温度和食物等基本条件。栖息地概念的建构，需要有实物模型的介入，以便学生达成对更抽象概念的认识。

1.教学分析

教材以“学习进阶”的理论设计编写，内容由近及远、由易到难、由具体到抽象、由简单到复杂，强调以科学实践为核心的学习过程。

六年级学生已经具备一定的学习能力和推理论证能力，可以观察、记录、分析和思考科学现象。在之前的学习中学生已经认识到，生物具有区别于非生物的特征，地球上存在不同的动植物，动植物都有基本的生存需要（空气和水）等，动植物之间存在食物链关系。从生活经验来说，乡村学生在生活中接触大自然的机会较多，而城镇学生缺乏对自然环境中栖息地的实地了解，但他们大都有在自然环境中的游玩体验。教师通过联系生活经验和建构模型，有助于学生理解生物栖息地的概念。

本课作为“生物与环境”单元的第一课，是学生学习另外两课《动物对环境的适应》《保护生物与环境》的基础。学生在理解栖息地的概念后，能够更好地理解生物与环境的关系，对生物生存的环境，以及保护环境的意义有着更深刻的理解。

2.教学过程设计

教师设计教学时，不仅要考虑本课的概念建构，还要考虑概念的进阶，让课程的概念发展起到承上启下的作用。

（1）情境引入

情境引入能够有效激发学生的学习兴趣，让他们产生共鸣，这有利于后续教学的开展。

为了让学生理解栖息地的概念，教师提供真实情境的范例参考，让他们认识到栖息地是广泛存在于自然环境中的。教师通过展示单元页的生物栖息地场景，引导学生说出图中的生物和非生物，唤醒他们已学的生命科学相关概念，提示他们思考生物和非生物的关系。

接着，教师根据课文情境页内容提出问题：生物的栖息地有什么不同？栖息地为生物提供了哪些生存条件？这促使学生对动植物及其生活环境的进一步关注和思考，激发他们探究生物与栖息地之间关系的兴趣，聚焦本课要研究的对象——池塘。

（2）要素提炼

池塘是一个相对容易接触的环境，教学以池塘切入，让学生对池塘生态进行观察，并讨论交流相关问题：池塘栖息地中有哪些生物和非生物？以某种生物为例，说一说池塘栖息地为它提供了哪些基本的生存条件？

通过交流，学生形成认知冲突，教师引导他们分析与归纳，并进一步提出问题：栖息地的基本要素有哪些？它们如何影响着栖息地的某种生物？这些问题激发学生进一步探究池塘栖息地与动植物的关系，初步建构栖息地的概念，并为下一步建构模型、深入探究搭建学习支架。教师通过问题引导，开启学生的探究实践活动，让他们从已有经验中进行要素提炼。

（3）建构实物模型

由于自然环境的复杂性和课堂教学的局限性，探究活动无法让每一位学生直接参与到自然的实践中，这时就需要模型建构（建构池塘栖息地模型——生态瓶）的介入，引导学生将认知冲突变成研讨，最终通过自主探究解决认知冲突。

通过生态瓶的设计和制作，学生对池塘中各种生物与非生物因素建立更直观的联系的关系，并认识生态瓶中各要素之间。教师可以提示动植物放入生态瓶中的顺序，提醒学生动植物的生存习性，并让他们在观察前做出预测，观察中撰写观察笔记或拍摄照片，观察后交流研讨。

生态瓶制作完成后，便进入了本课的教学难点：观察记录各变量之间的关系。这个环节需要学生观察生态瓶，将生态瓶放置一段时间，通过简单对比实验、改变单一变量理解变量之间的关系，对前述认知冲突进行思考，归纳总结栖息地的概念。

本课也可以建构其他栖息地模型——沙盘模型，即从某一种自然环境（森林、草原、沙漠等）出发，让学生选择匹配自然环境的生物，自主探究影响这种生物生存的生物与非生物因素，绘制生物与栖息地相关因素关系图。在这个过程中，教师可以事先给出自然环境中生物与非生物的模型，且有干扰项，并提醒学生注意，栖息地是某些生物的生存环境，是一个相对稳定的自然环境，要围绕已选择的生物展开探究。沙盘模型的建构，让学生从对池塘栖息地的初步认识，到自主探究生物栖息地的相关因素，促进了他们对栖息地概念的理解。

（4）建构概念模型

栖息地概念的建构，需要学生理解环境中的某一因素变化后对其他生物的生存影响。在生态瓶制作完成后，教师可以引导学生通过改变水的多少、某种动物的多少、某种植物的多少等，进行简单的对比实验，观察这种变化在一定时间段内对某种生物的影响。

以对生态瓶（沙盘模型）探究为基础，学生理解自然界其他类型环境中生物的栖息地，并在认识多个栖息地的基础上建构栖息地的相关概念：栖息地中都有生物和非生物，生物因素有植物、动物；非生物因素有阳光、空气、水、适宜的温度和生物生存的空间；非生物因素的变化对其中的生物会产生影响。

教学中，教师也可以通过对栖息地的破坏行为、后果等反例分析，结合社会化议题，在应用迁移概念的过程中，深化学生对栖息地概念的认识，还可以鼓励他们课后查阅感兴趣的相关资料，下一堂课与同学们分享。

三、从“系统与模型”的视角促进概念的建构

系统与模型是课程标准提出的4个跨学科概念之一。跨学科概念是学科核心概念的上位概念，是科学课程核心概念的提炼和升华。系统是根据研究目的人为界定的，是由一些有关联的物体或元素（成分）组成的有序整体。模型是经过处理的简化系统，但能体现原系统的本质特征，是描述和理解系统的有效工具。真实世界很复杂，但可以用简化的模型来描述。[4]

1.立足系统与模型理解栖息地概念

立足系统与模型去看待模型建构对科学概念发展的促进作用，可以更好地理解为什么建构模型。模型的建构不在于其与原型的外形相像、结构类似或者其他表征特点，而在于核心要素和规律的一致性。同一个系统，为了满足不同的研究需要，可以建构不同的模型。模型建构之初，需要明确探究的目的，抽象出系统的规律性、典型性特征，从而建构对某个科学概念的正确理解。

生态系统可以很大，也可以很小。整个地球其实就是一个生态系统，而一棵树甚至一个岩洞，也可以是一个生态系统。生态系统包括了生物和非生物两大部分，它们相互影响、相互依赖，稳定的生态系统需要各个因素达到微妙的平衡。栖息地与生活在其中的生物就构成了一个生态系统，不同的栖息地虽然生活着不同的动植物，存在着不同的非生物因素，但都有生物和非生物。学生利用生态瓶（沙盘模型）来模拟栖息地，可以探究生态系统中的各个要素对栖息地环境和生活在其中的生物的影响，从而加深对栖息地概念的理解。

2.建构生命科学领域的系统与模型概念

将不同栖息地视为一个系统建构模型，有利于学生理解栖息地的概念。除了生物与生物、生物与环境的关系外，在生命科学领域的学习中，还要观察生物的外部形态结构、生活习性、繁殖方式以及生物的内部组织等，这些都可以利用相关模型（动植物结构模型、人体组织模型、细胞模型等）来模拟系统，促进从跨学科概念“系统与模型”的高度建构概念。

对于小学阶段的生命科学领域而言，建构跨学科概念“系统与模型”，有助于学生直观地理解相关概念，让繁杂的生态系统、多变的生命活动和难以观测的生命组织、器官等，能够以模型展现出来。学生利用模型来研究系统，不仅可以降低认知难度，还可以减少对生命体实验和仪器的依赖，有助于更便捷、更有效地研究生命系统，理解生命的本质。

（作者单位：人民教育出版社科学编辑室）

参考文献

[1]谭永平.高中生物学新课程中的模型、模型方法及模型建构[J].生物学教学，2009（01）.

[2]高芳.在“设计并制作生态瓶”活动中构建生态系统核心概念[J].生物学通报，2018（03）.

[3]陈美卿.基于模型建构深化科学概念的理解——以“地球的表面”一课为例[J].实验教学与仪器，2023（03）.

[4]高云峰.科学教育中的跨学科概念：系统与模型[J].湖北教育（科学课），2022（08）.

[5]姜言霞，王磊，支瑶，等.基于模型建构促进学生“化学反应速率”认识发展的教学研究[J].化学教育，2013（03）.