基于心智模型进阶的建模教学实践研究

摘    要：建模教学强调学生对模型的自主构建，形成个人的心智模型，并通过相关问题的解决，使心智模型趋向于理想模型。教师可分析传统建模教学的局限性，明晰心智模型特点，依据初始模型、修正模型、科学模型、整合科学模型的进阶设计教学。具体教学中，教师可从感知、假设、检验、评价四个思维层次，根据知识内部联系创设不同的情境，引导学生体会模型的构建、修正与整合，从而激发兴趣，锻炼思维能力，提升核心素养。

关键词：模型构建；心智模型进阶；建模教学；初中物理

建模在科学研究中具有重要意义，这是因为模型能够摒弃次要因素，凸显主要因素，便于观察和研究。科学教学并不要求学生死记硬背有关概念，而是要关注引导学生理解并运用概念，解决实际问题或解释相关科学现象。建模教学强调学生对模型的自主构建，形成个人的心智模型，并通过相关问题的解决，使心智模型趋向于理想模型。教师需要通过多样化的教学设计，让学生经历科学建模的过程，促进学生心智模型的发展，提升学生的核心素养。

一、传统建模教学与心智模型

（一）传统建模教学的局限性

模型构建一直是物理学习中非常重要的一环，然而不少学生直到初中毕业，也未能真正领会其要领。传统教学所暴露出的学生在建模方面的问题，可归纳为建模经验缺乏，即学生脑中的知识要素零碎且缺乏练习，没有围绕核心要素形成知识结构和系统，表现出来的多是零碎知识或迷思概念，或者虽然形成了知识系统，但核心要素存在错误或缺失。

如传统的“杠杆”教学仅仅是按照教材的编排顺序进行，知识要素之间缺乏逻辑关系，学生往往只记得杠杆五要素的名称以及杠杆平衡的条件。由于对概念辨析不清，学生容易将二力平衡与杠杆平衡等概念混淆，导致不能构建物理模型，也就不能解决问题。

（二）心智模型的特点

心智模型源自认知心理学，是指长时记忆中的要素与外在情境或刺激物互相作用形成的动态的内部表征和认知结构，是学生理解、推论和预测的基础［1］。美国《K-12科学教育的框架》指出，学生学习和理解科学概念的过程，实质上就是心智模型构建的过程。沃斯尼亚杜和布鲁尔提出了心智模型发展的理论模型，将学生的心智模型分为三类：初始心智模型，综合模型和科学模型［2］。而从科学性以及完整性的角度，则可将心智模型层级分为无模型、非科学模型、科瑕模型和科学模型四个层级［3］。

二、整合建模教学要素的心智模型进阶设计

笔者采用基于心智模型进阶的引导性建模教学模式［4］，对浙教版义务教育教科书《科学》九年级上册第3章第4节《简单机械》中的“杠杆”内容进行教学尝试。该教学模式从建模教学要素和学生心智模型进阶两个层面进行整合创新，每一教学阶段对应学生心智模型的某一进阶水平。

（一）初始模型

模型选择和构建。在开始学习之前，学生对现象的认知只停留在非常片面的阶段，只有一些直观的经验或者不完整的概念，根据心智模型，此时的模型层级为无模型或者非科学模型。在这一环节中，教师需要结合某一具体模型的特点，有针对性地设计实验或现象，激发学生选择和构建模型的需求。同时，学生也会暴露出自己的心智模型。教师可以用文字、草图、动画等多重定性表征，或曲线图、表格、公式等多重定量表征，帮助反馈学生原有的心智模型。

（二）修正模型

模型检验。教师通过不同的实验、情境，或者不同的现象以及评价方法，引导学生利用初始模型来解释、预测新现象，并比较实际结果与预测结果的差异，在此基础上对初始模型进行重新评估，思考初始模型的缺陷性与局限性。然后根据新获取的证据对初始模型进行修正与改进。这一过程给了学生批判思考的机会，当遇到用现有模型无法解决的问题，或者应用已有模型预测结果与事实不符时，学生应学会主动修正模型，进而从初始模型转化为科瑕模型。

（三）科学模型

模型分析。教师通过定量表征手段，引导学生对已有模型的知识要素和结构组成进行分析，提炼模型的主要特征、核心要素，讨论模型的适用范围，从而剔除模型中的瑕疵或不合理的要素结构，构建科学模型。教师提供的图像、动画或数学公式可以增强学生对抽象模型的理解和认知，弥补学生在模型构建能力上的不足。

（四）整合科学模型

模型应用和拓展。教师通过综合化的新情境，引导学生应用构建的科学模型解决问题，建立该科学模型与其他已有科学模型或新要素的联系，进而建立整合化的科学模型，实现学生心智模型的进阶。

结合上述四个阶段的学生心智模型特点，充分利用学生的原有认知与经验，笔者在每个教学环节选择不同的教学策略，并突出学生的认知冲突，激活学生的思维，帮助学生从感知、假设、检验、评价四个维度来逐步构建模型。基于心智模型进阶的引导性建模教学的流程如图1所示。

三、基于心智模型进阶的引导性建模教学案例

笔者将基于心智模型进阶的引导性建模教学分为四个教学环节，并分析各环节的教学要素（如表1所示），下面以“杠杆”建模教学为例作具体分析。

（一）模型选择和构建

科学源于生活，生活中的现象、事物（如撬棒），能带给学生最为直观的感受，但由于要素过多，又缺乏有效的指导思想，学生无法提取出具有科学意义的要素。因此，教师要引导学生对具体事物进行抽象化，使其思维尽可能地发散，从而能更多地说出撬棒的特点，如硬、直、固定使用等。

在第一个教学环节“结合情境，唤醒认知”中，笔者采取创设真实情境的方式，唤醒学生的认知：用最简单的撬棒，让学生感受撬动物体的过程，并自主思考，发掘生活中和撬棒类似的物体。学生会根据已有的经验，用语言、文字或图像的方式定性地描述这一现象，完成概念的抽象化过程。笔者有意识地引导学生将抽象化的知识要素构建成体系，建立初始模型（非科学模型）。如此，笔者引入撬棒，让学生初步构建杠杆的概念，再提出问题引发学生对生活经验的思考，让学生能够对杠杆的模型有初步的认知。

【案例1】教师准备质量较大的石头，让学生帮忙搬动。待学生体验后，再拿出准备好的绳子、硬杆、软杆等工具，让学生自行选择工具，再次搬动石头，思考两次搬运的不同。然后让选择硬杆的学生向大家介绍使用步骤，并分享搬石头的感受。最后，教师总结，引入杠杆概念，让学生介绍分享身边常见的杠杆。

（二）模型检验

第二个教学环节是“基于现象，整合认知”，目标是帮助学生确认概念。从撬棒的初始模型到筷子、开瓶器等，笔者举出生活中的常见实例，引导学生运用归纳、类比的科学思想，整合零散的知识要素，进而从大量实例中提取出杠杆的五要素：支点、动力、阻力、动力臂和阻力臂。然后，笔者引导学生给杠杆下定义，将五要素有机结合，初步构建杠杆的模型。当然，由于学生在此阶段的认知还比较浅、不够科学，在学生初步提出概念后，教师要进一步给出规范、科学的定义（如图2所示），以加深学生对杠杆这一机械的认知。

【案例2】教师归纳学生举出的例子，将杠杆类机械和非杠杆类机械进行区分，询问学生什么类型的机械才能称作杠杆，并让学生归纳杠杆的共同点。学生在教师的帮助下归纳出杠杆的定义，以及杠杆的支点、动力臂、阻力臂。教师再引导学生回到生活中的实例，利用所学知识去寻找杠杆的要素，并通过杠杆的省力、费力，引导学生思考，得出力臂的概念，在杠杆中找出动力臂与阻力臂。

（三）模型分析

第三个教学环节是“指向概念，修正认知”，目的是帮助学生生成科学模型。在第二个环节中，学生已经对模型中的知识要素进行了规范化定义，如果不再次进行提炼，学生的理解就只会停留在概念的字面含义，并不能真正内化。基于此，该环节可采取类似苏格拉底“产婆术”的教学方法，调动学生批判、辩证的科学思维，让学生在矛盾、冲突中逐步形成完善的杠杆模型，从而脱离实物的局限，提升到科学模型层面。在该环节中，教师应当重点关注课堂中的学生生成，随时进行反馈，并及时地设置合理的问题，引导学生思考。因此，在实际教学中，学生可以采用小组讨论的方式，教师则适当地在学生讨论的过程中予以指导。

【案例3】教师引导学生进行分组并讨论以下问题：“（1）杠杆的动力臂和阻力臂是否一定在杠杆上？（2）杠杆的支点是否可以改变？（3）杠杆在什么条件下会平衡？（4）杠杆什么时候省力？什么时候费力？”同时给各组学生准备相关器材，要求学生将讨论结果通过模拟实验进行展示。另外，也可以让学生小组自由发言，归纳总结杠杆的其他特点。

（四）模型应用和拓展

第四个教学环节是“联系实际，深化认知”，指向对模型的应用与评价。经过前面的三个环节，学生对于杠杆的模型要素以及要素间的联系已经有了足够的认知，接下来教师要联系实际、深化认知，引导学生应用所学的杠杆模型对实际问题进行分析。这既是对前面得出的科学模型的评价与检验，又可以在解决实际问题的同时，进一步完善模型。例如，在不同情况下，动力和阻力的大小是不同的，从这一现象可延伸到动力力矩和阻力力矩的比较。在这一环节中，学生结合生活经验，建立已有科学模型和新要素之间的联系，体会模型的拓展，以及模型与模型间的关联，从而逐步形成杠杆的整合科学模型。

【案例4】学生以小组为单位展示讨论成果，举例说明特殊杠杆，如：动力臂不在杠杆上的同样的杠杆，使用方法不同，效果不同等。教师引导学生从杠杆模型的知识要素层面归纳出省力杠杆、费力杠杆以及等臂杠杆的特点。

四、反思与展望

初中阶段，学生的心智模型在快速发展。心智模型会影响、指导学生的思考和行为方式，但它也具有不完整性、局限性、不稳定性等特征。从某种程度上来说，教师授课的过程就是影响、改变学生心智模型的过程。在课堂中，教师应该有意识地引导学生用科学、批判的眼光去看待现象和结论，使其养成自我反思的良好习惯，能在认知遇到矛盾、困难时，通过缜密的思考，对原有的认知进行完善。

初中阶段，几乎所有的物理知识要素都能在模型中得到体现。随着课程改革的推进，物理学科对学生建立模型的能力、构建模型之间联系的能力要求也越来越高。教师要重视模型思想的运用，将复杂的问题简单化、明细化，将抽象的问题形象化、具体化，引导学生培养科学思维。

因此，教师要利用好课堂对学生的影响，聚焦建模教学，对心智模型进阶进行实践研究，明晰心智模型和建模教学的内涵、要素及其关联，进行连贯的教学设计，并充分利用演示实验、生活现象，让学生应用所学知识解决实际生活或实验现象中的问题，从而多角度、过程化地促进学生的整合发展。

参考文献：

［1］［2］VOSNIADOU S， BREWER W F. Mental models of the earth： A study of conceptual change in childhood［J］.Cognitive Psychology， 1992 （4）： 535-585.

［3］［4］张静，郭玉英.从模型进阶到思维发展：物理建模教学设计与实践［J］.课程·教材·教法，2020（2）：113-118.