推进模型建构能力螺旋上升的策略

科学课程标准指出，模型建构能力作为科学思维的重要组成部分，强调以经验事实为基础，对客观事物进行抽象和概括，进而建构模型；强调运用模型分析、解释现象和数据，描述系统的结构、关系及变化过程。模型建构能力的培养是螺旋上升的，对学生的科学学习非常重要。基于学习进阶，不同年级有不同的具体培养要求，教师可以基于学习进阶的思想，从模型分析、模型建构、模型运用三个维度，对低、中、高年级提出不同的培养要求，推进学生模型建构能力的螺旋上升。

一、模型分析

模型分析主要是指分析模型与原型之间的关系，是培养学生模型建构能力的第一步。从区分异同到比对要素，再到分析要素，体现了学生在不同年级模型分析能力不断螺旋上升的发展过程。

1.低年级：区分异同，明确特征

低年级学生通过观察能够大致比较模型和原型的异同点，明确特征。教师可通过驱动问题引导学生寻找证据，呈现他们模型分析的自我认知过程。

例如，教科版教材（下文均指该教材）一年级“动物”单元第1课《我们知道的动物》，教师展示玩具熊，提问：“玩具熊是动物吗？”并引导学生说出玩具熊不是动物的理由。有的学生从是否有运动能力、是否吃食物、能否繁殖等方面思考，认为玩具熊不是活的，通过多维度比较模型和原型之间的异同点，他们发现动物的一些共同特征，初步发展模型建构能力。

2.中年级：比对要素，寻找方法

教师可通过驱动问题促使学生观察，比对模型与原型之间的核心要素，寻找实验的方法，以此来提升他们的模型构建能力。与低年级学生相比，中年级学生的比较能力有了明显提高，从大致能区分模型和原型，到能够对模型和原型的核心要素一一对比，从而更好地分析模型。

例如，四年级“声音”单元第4课《我们是怎样听到声音的》，教师出示耳朵的结构图，让学生推测鼓膜的作用。

教学片段

师：用什么材料来模拟能更接近真实的鼓膜呢？

生：我觉得可以借助气球皮、保鲜膜等，因为它们和鼓膜的特点很像，很薄、有弹性。

生：我觉得还要用上小纸屑等轻、小的物体帮助我们观察鼓膜的振动。

生：我觉得用气球皮好，因为我观察了耳朵的结构，猜测了它的作用，发现鼓膜应该是很薄的，容易振动的。

学生在设计模拟实验时，先对鼓膜的特点进行归纳，然后基于材料特点的相似性，用气球皮来模拟鼓膜，并用轻小物体来放大鼓膜的振动，为理解鼓膜的作用奠定基础。

3.高年级：分析因素，归纳概念

随着学生能力的提升，高年级教材上不仅有实物模型，还会有小部分思维模型。教师可通过驱动问题，让学生逐一分析实物模型或思维模型与原型之间的核心要素，一步一步地理解模型，归纳概念。

例如，五年级“生物与环境”单元第7课《设计和制作生态瓶》，教师让学生设计和制作生态瓶，让他们进一步认识生物与生物之间、生物与非生物之间相互依存、相互作用的关系。

教学片段

师：绿豆苗田里和生态瓶有什么相同点和不同点呢？

生：绿豆苗田里的非生物因素有阳光、空气、水、温度、泥土。生态瓶里的非生物因素有阳光、空气、水、温度、沙子。

生：绿豆苗田里的生物因素有绿豆苗、蚜虫、蚯蚓等，生态瓶里的生物因素有水草、小鱼、螺等。

生：我发现无论是绿豆苗田里还是生态瓶里，植物都为动物提供氧气、食物、栖息的环境，动物都为植物提供二氧化碳等。

生：我发现动植物的生长会改变空气、水等非生物因素，而非生物因素会影响动植物的生存。

师：你们觉得共同点是什么？

生：相互依存、相互作用。

生：相互联系、相互影响。

学生从非生物因素、生物因素和两者之间的联系这3个因素出发，开展有依据的分析，发现绿豆苗所在的生态系统与虚拟的生态系统的共同因素。通过对虚拟生态系统和真实生态系统之间的核心因素进行分析，学生发现各自的非生物因素和生物因素有不一致的地方，但是它们又是有联系的，非生物因素和生物因素之间相互依存，从而一步一步归纳抽象出生态系统的概念，更好地理解生态系统模型。

二、模型建构

学生通过细致入微的观察，对原型进行抽象和概括，在模型建构过程中，呈现事物的主要特征和属性。模型的修正是关键，学生需要根据已有经验，抓住模型与原型之间的本质特征，经历分析、类比、演绎、建构的认知过程，把模型建构过程中的思维外显出来。

1.低年级：仿制简单平面模型

由于低年级学生的动手能力较弱，他们经过细致观察后，一般以画图的方式描述原型的显著特征，加上适当的文字进行补充，以此来进行辨析。

例如，一年级“动物”单元第5课《观察鱼》，学生用简图描绘鱼的主要身体特征（鳞片、鳍、鳃等），通过多次的观察，不断地修正模型，从而使建构的平面模型越来越接近原型。

学生第一次主要画出了鱼的纺锤形躯干，有嘴巴、鼻子、眼睛、鳍和鳞片，但是缺少鳃盖。第二次器官画完整了，但是鳍的数量不对。第三次学生不仅把鳍的数量画正确了，并且从侧面看还可以区分出胸鳍、腹鳍、臀鳍、背鳍和尾鳍。在观察的基础上，学生继续完善平面模型，如标注鱼各部分器官的名称等。

在观察和画图后的交流中，教师给予学生充分的展示时间，与鲫鱼的原型进行比较，从躯干是不是纺锤形、器官有没有画齐、鳍的数量是否正确等方面进行分析，重点关注画的平面模型是否突出了鱼的主要特征，从而逐步修正模型。在交流的过程中凸显学生的观察思考过程，发展了他们的模型建构能力。

2.中年级：制作简单实物模型

对于中年级学生来说，根据任务需求制作简单的实物模型，符合他们的认知水平和动手能力，能够促进他们思维能力的提升，同时他们在制作的过程中可以把想法呈现出来，有助于建构科学概念，发展模型建构能力。

例如，四年级“呼吸与消化”单元第1课《感受我们的呼吸》，教师引导学生借助气球、塑料瓶、吸管等材料模拟人体的呼吸，了解呼吸器官在呼吸过程中的协同合作。对于学生来说，用于呼吸的器官就像一个暗箱，他们基于实物模型，呈现原有想法，使思维可视化。

教学片段

师：这是人体的呼吸模拟器，你觉得各部分结构分别模拟了人体的哪些部位呢？

生：吸管模拟气管，气球模拟肺，塑料瓶模拟胸廓，底部的气球皮模拟膈肌。

（第一次模拟：尝试，呈现原有想法。）

师：怎么用这个装置来模拟吸气和呼气呢？

（学生分小组尝试。）

生：我们组是这样来模拟的，用嘴吹气，气球变大，模拟吸气；用嘴吸气，气球变小，模拟呼气。

生：我们组的方法不一样，用手向下拉底部的气球皮，气球变大，模拟吸气；用手向上推底部的气球皮，气球变小，模拟呼气。

师：两个方法都正确吗？

生：我觉得都正确，因为都能看到胸部收缩和舒张。

生：我觉得呼吸时没有外力帮助我们，所以我认为方法1错误。

生：我也觉得方法2正确，因为人体是自主呼吸的，膈肌就是会这样运动，促进胸部舒张和收缩。

师：呼吸的“开关”是哪里呀？

生：膈肌的上下运动。

（第二次模拟：再次尝试用方法2来模拟呼吸。）

师：经过第二次模拟，现在你们有什么新发现？

生：我发现膈肌向下运动，模拟吸气；膈肌向上运动，模拟呼气。

生：膈肌向下运动的时候，肺扩张，吸气；膈肌向上运动的时候，肺收缩，呼气。

在这个过程中，学生两次模拟人体的呼吸。学生一开始无意识地模拟呼吸，经过交流发现呼吸不可能依靠外力而是自主呼吸的，形成了科学认识。第二次就是有目的地模拟，发现膈肌向下运动，胸腔扩张，腹部收缩，此时吸气；膈肌向上运动，胸腔收缩，腹部放松，此时呼气。通过选择材料、实践操作、交流分析等一系列过程，学生的模型建构能力得到了有效提升。

3.高年级：制作复杂实物模型

高年级学生的动手能力较强，思维也从具体思维向逻辑思维发展，能够根据任务需求，制作复杂的实物模型，甚至融入独特想法，此时他们也能建构简单的思维模型。教师可以借助真实的项目任务，进一步提升学生的思维能力。

例如，五年级“热”单元第7课《做个保温杯》，既考查学生知识的运用和动手制作的能力，也检验他们控制变量的能力，以及对实验数据整理分析的能力。

保温杯是一个复杂的实物模型，保温的效果与材料的特点、结构、颜色、空隙、角度等都有关。教师采用项目学习的方式可以提高学生的积极性，在项目实践中提升模型建构能力。教师出示不同的材料供他们选择并设计制作一个保温杯模型，同时将评价量规前置。在设计的过程中，学生不仅要实现保温效果，也要考虑材料成本。制作完成后，学生测试保温效果，根据数据分析结果，培养了分析、类比思维，如：分析填充类材料棉花和木屑以及包裹类材料毛巾、泡棉、锡纸等的效果，对比有无盖子的效果等，从而分析各组保温效果不一样的原因。保温效果相同的小组则分析材料的成本。这样，学生根据材料的不同性能，对材料进行重组，并设计迭代复杂实物模型，发展科学思维。

三、模型运用

建构模型不是学习的终点，更在于运用建构的模型来解释现象和数据以及事物间的关系。教师要加强模型与生活实际的联系，分层次推进模型运用，突出交流等过程的丰富性，促进成果的应用迁移。

1.低年级：类比事物，触类旁通

低年级学生要能利用简单的平面模型，类比与之相关的原型，找到两者的共同点，实现模型在生活中的运用。

例如，一年级“比较与测量”单元第7课《比较测量纸带和尺子》，学生要将第6课制作的测量纸带（模型），与尺子（原型）进行对比，观察两者的异同，把用测量纸带的测量能力迁移到正确用尺子测量物体上来。

活动一：比较自制测量纸带和尺子。通过对比，学生将更深刻地认识尺子，明白尺子的读数方法和使用方法。标记线的间距等长迁移成同一标准物的长度，标记线重复出现迁移成标准物首尾相连，数字标记迁移成标准物数量的统计。

活动二：正确用尺子测量橡皮。学生在测量的过程中，自然而然地会想起自制测量纸带的使用方法，从而更深刻地认识尺子，明白尺子的使用方法。

通过两个有层次的实践活动，学生在观察中比较，在实践中测试。这既达到了模型运用的目的，又使学生体会到统一测量工具和计量单位给生产、生活带来的便利，引导他们关注生活中的测量工具。

2.中年级：描述现象，深度迁移

中年级学生要能用简单的实物模型描述原型，尝试解释相关现象，把科学学习成果应用迁移到生活中，意识到科学与生活的密切关系。

例如，五年级“健康生活”单元第2课《身体的运动》，学生通过制作上肢运动模型，进一步理解四肢完成运动的过程，充分认识骨、关节、肌肉的协同工作，为逐步建构“人体是由多个系统组成”的科学概念搭建“脚手架”，提升用系统的、联系的思维方式认识世界的能力。

学生借助木棒套件、软金属、组合网袋制作模拟上肢运动的模型。

环节一：全班演示自制的上肢运动模型及运动过程。多组学生上台演示，发现：①模拟曲臂时，上面的组合网袋鼓起来变短、变粗，下面的组合网袋变细、变长。②模拟伸臂时，上面的组合网袋变细、变长，下面的组合网袋鼓起来变短、变粗。

环节二：思考肢体是怎样运动的。学生发现：骨骼起支撑作用，肌肉提供动力，关节能灵活转动，它们分工协作，使肢体运动起来。

环节三：寻找生活中的类似结构（起重机等）。将科学建模拓展到丰富多彩的生活中，让学生意识到科学与生活的密切联系及提高建模能力的重要性。