基于类比推理的模型建构教学实践

模型建构是小学科学思维的核心内容之一，模型建构以事实经验为基础，对现实世界中的事物进行抽象与概括，进而帮助学生建构模型，并运用模型解释现象和原理。教师在实际教学中要渗透建构模型的意义，鼓励学生用自制的简单模型验证或展示某些原理、现象和设想，让他们在模型的建构、迭代与运用中发展科学思维。

五年级《身体的运动》一课，通过引导学生观察体验上肢运动和制作实物模型，理解上肢运动原理。复盘课堂发现教学时存在两个“堵”点：一是肌肉的结构特征难以观察，学生仅通过外部观察并不能知道肌肉本质的结构特征；二是实物模型中肌肉的模拟材料不符合肌肉的结构特征，导致学生难以用模型解释运动。教师可以通过实物类比推理建模来突破学习“堵”点，引导学生用模型解释运动系统的结构与原理。

一、精选类比材料，唤起建模意识

类比推理是科学发现、建构科学模型、解释科学现象的方式。[1]类比推理是根据两个或两类事物在一系列属性上相似，从而推出它们在另一个或另一些属性上也相似。《身体的运动》一课中，通过类比推理建构运动系统模型，首先要选择对比物和类比物，人体的上肢作为对比的对象，称为对比物；上肢运动模型称为类比物。对比物和类比物必须具备至少一个相同或相似的属性，否则就失去了类比的基础。本课中，肌肉的类比物不管是用橡皮筋还是用气球，在用力时都是伸长变细，与真实肌肉用力收缩变粗的状态是相反的，没有结构或形状上的相似性，不是理想的类比物。

如果选择肌肉、骨的图片作为类比物，两者之间具备形状上的相似性，这样进行类比推理更符合学生的年龄特征和思维水平。考虑到五年级学生在平时对肌肉只有模糊的认识，让他们自己画图很困难，因而选择绘制好的骨、肌肉的磁性贴图，配合小白板进行类比更符合他们的认知水平。

当学生说出手臂的运动由骨、关节、肌肉参与时，教师在黑板上贴出对应的图片（如图1），让他们一看到图片就能在脑海中与对比物一一对应。教师告知学生类比建模的方法——可以移动这些拼图来表示人体上肢的骨、关节和肌肉的位置和相互关系，建一个上肢运动的图片模型，来研究骨、关节、肌肉是如何协调完成运动的。这有效唤起学生的建模意识，能促进他们在后续的探究中聚焦物体结构的类比、功能的推理。

图片模型方式形象、便捷，方便模型修改、迭代；可以即时、灵活地显现学生的思维路径，帮助教师了解他们的概念建构水平；小组汇报时方便移动图片，“动态”展示手臂的运动，能让其他学生更容易听懂。

二、直接类比结构，建构初代模型

学生通过举哑铃的体验活动，直接观察人体上肢的外部结构。获得一些经验和事实后，教师引导他们用拼图进行类比推理，呈现他们的认知模型（如图2）。学生进行小组研讨时出现了分歧，有的认为“骨是手臂运动的动力”，有的说“肌肉是手臂运动的动力”，但这两个小组上台汇报时都难以“自圆其说”。

教学片段

（第一组上台汇报。）

生：我们小组认为骨是手臂运动的动力。（边说边演示）推动骨头，手臂就抬起来了。

师：那肌肉呢？有没有出现收缩与舒张的现象？

生：没有。

师：骨和骨是怎么连接的？仅靠皮肤吗？

（学生陷入思考。第二组上台汇报。）

生：我们小组认为肌肉是手臂抬升的动力，肌肉收缩就会把骨头抬起来。

师：哪块肌肉收缩，哪块骨抬起来？请演示一下。

（学生开始移动贴图演示，发现不成功。）

生：好像也不行。

师：看来我们目前掌握的信息还不能解释手臂的运动，还得获得更多的证据。怎么获得更多的证据？

认知冲突是促进学生思维发展和深入的关键因素。教师要善于引发认知冲突，引导学生解决冲突，达成共识。学生发现，根据生活经验和外部形态观察类比推理的运动模型难以解释上肢的运动情况，他们对“谁是运动的动力”这一问题产生了强烈的认知冲突，很想弄清楚到底是怎么回事。此时，教师适时追问“怎么获得更多的证据”，引发学生更深入地思考，鼓励他们从多种途径寻找证据，也为教师引出后续迭代模型提供了清晰的方向。

三、间接类比结构，修正迭代模型

运动系统的特征是模型建构和实现的基础，学生在建构模型之前需对运动系统充分研究和分析，以确保模型的准确性和有效性。[2]该课中，“外部结构观察”与“制作模型”之间出现了器官结构特点的知识空白，学生在直接类比活动中仅能感受到肌肉收缩时变硬和舒张时变软，根本无法获得更多的结构特征，导致建模失败。

想要充分了解肌肉的结构特征，可以用结构类似的动物上肢进行间接类比，让学生在“人体上肢—鸡翅—模型”之间进行类比推理。鸡翅是学生熟悉的类比物，与人类手臂在外形结构和运动原理上有高度的一致性，可以很好地呈现肌肉结构特点及三者的运动状态。为减少其他因素对实验的干扰，教师可提前将鸡翅的皮肤剔除、剪掉鸡翅尖，与人体手臂结构特征做一个间接实物类比的观察推理活动（如图3）。教师引导学生将人体上肢与鸡翅进行类比推理，从鸡翅的结构特征推理出人体上肢的结构特征，进而类比建模，建构易于理解和应用的可视化模型。

教学片段

师：看来我们目前掌握的信息还不能解释手臂的运动，还得获得更多的证据。怎么获得更多的证据？

生：用动物的手臂代替，看看里面的情况。

师：今天老师带来了鸡翅来类比手臂，研究骨、关节和肌肉是如何协调作用的，弄清楚谁是动力。

（出示鸡翅、手臂图。）

师：翅根相当于人的大臂，翅中相当于小臂，翅根上这块会收缩和舒张的肌肉是肱二头肌。请大家先思考怎样模拟肌肉的收缩和舒张。

生：用手提拉一下肌肉模拟收缩，手放开就是舒张。

师：看到什么现象说明肌肉是动力？

生：骨头抬起来了。

师：怎么证明骨是动力？

生：用手推两根骨。

师：看到什么现象说明骨是动力？

生：骨向上运动时，肌肉会收缩；骨向下运动时，肌肉会舒张。

师：关节是怎么连接两根骨头的？肌肉是附着在哪里的？请你们仔细观察，记录在小白板上，修正自己的模型。

学生通过观察去皮的鸡翅，了解到肌肉是中间鼓、两头尖的橄榄状，附着在不同的两根骨上，关节是肌肉、肌腱等把骨和骨连起来的。他们通过提拉肌肉模拟肌肉的收缩和舒张，看到了肌肉、关节、骨的位置关系和协同作用过程。通过两次由表及里、由浅入深的探究活动，学生积累了丰富的表象，奠定了类比推理的基础。他们对图片模型进行修改完善，并用文字标注了特点和功能，实现模型的迭代（如图4）。从图可以清楚看到，学生已经更正运动模型为：肌肉附着在两根不同的骨上，关节是通过肌肉、筋等把骨和骨连起来的。

四、论证类比结果，理清建模原理

类比推理其结论具有可错性，因此类比推理得到的结论需要进一步论证。该课图片模型可以动态留痕，完整地呈现学生的思维过程，帮助他们回顾整理实验过程中的现象、思考，直观表达自己的观点。学生通过操作模型，更易于解释手臂的运动原理。教师引导学生完整地说一说骨、关节、肌肉是如何协调完成运动的，帮助他们将大脑中的思维逻辑理顺。在小组集体汇报时，教师将学生的两次建模图呈现出来，让他们根据模型阐述自己的发现、证据和观点，这也引发了他们对自己学习过程的反思。

教学片段

（第一组上台汇报。）

生：我们小组认为肌肉是手臂运动的动力。我们一提拉肌肉（边说边演示），骨马上就动起来了；放下肌肉，骨又恢复到原来的位置了。

师：你认为肌肉为什么能抬起肌肉？与它的什么结构有关？

生：肌肉是附着在两根骨上的，肌肉一收缩，骨就被拉起来了；肌肉舒张，没有拉力，骨就下降了。

师：你们有理有据地进行了推断，所以认为肌肉是运动的动力。那么下面请开始认为骨是动力的小组也来说说你们的发现。

（第二组上台汇报。）

生：我们现在也认为肌肉是动力。

师：为什么改变了主意？

生：我们通过实验也发现，提拉肌肉，骨确实会跟着运动，但是推骨时，肌肉几乎没有什么变化，这与我们屈臂时肌肉变硬收缩不相符，所以肌肉才是动力。

通过交流结合模型展示的方式，各小组描述了上肢是如何完成运动的，推翻了之前不合理的猜想，实现了用模型解释运动系统结构和原理的目的，增加了类比推理结论的可靠性。教师从正反两方面引导学生论述、辨析类比推理的结果，归纳出物体的结构与功能的关系，这指向对核心概念的理解。

五、嵌入评价量表，学习建模思维

课程标准注重过程性评价，强调以评价促进学生核心素养的发展。教师应基于学业质量标准，让学生明确课程内容的学习目标，指导他们用自评和互评的方式寻找更好的学习方法。该课中，教师嵌入了对类比思维的逆向评价量表（见表1），随时观察学生在活动中的表现，引导他们关注对模型的理解和运用。根据理解为先的逆向教学模式（先明确预期目标，再确定评价标准，最后设计教学活动），[3]教师在课堂教学过程中对“学生的建模思维发展到哪里”做出即时性评价，帮助他们反思和整理建模过程和方法，从而学习建模思维。

通过课堂评价量表，教师能更好地了解学生建模思维的发展过程。在经历两次类比建模的过程中，学生感受到了科学建模的意义，并在运用类比、联想、想象等思维方法建构模型的过程中，学习了建模方法，形成了建模思维。

（作者单位：浙江省杭州市余杭区长乐中心小学）

参考文献

[1]叶宝生，冯煤生，曹温庆.类比推理在小学科学教学中的意义和作用[J].中小学教材教学，2020（01）.

[2]邵发仙，潘波.基于模型建构过程的思维型探究策略[J].现代中小学教育，2024（04）.

[3]格兰特·威金斯.理解为先模式：单元教学设计指南[M].福州：福建教育出版社，2018.