建构模型，启迪思维：以《我们来做热气球》为例
作者： 张丽婷【摘 要】《义务教育科学课程标准》（2022年版）的课程目标明确指出：科学课程要培养的学生核心素养包括科学观念、科学思维、科学实践、态度责任等方面。模型建构能够呈现出学生学习的思维过程、对知识的理解、对知识的内化过程，从而促进学生对知识的深层理解。可见模型建构在小学科学教学中是非常重要的一环，是培养核心素养的重要途径。以热气球升空的模型建构为例，阐明在小学科学教学中如何开展模型建构活动，便于更好地促进学生科学思维的发展。
【关键词】核心素养；科学思维；模型建构
《义务教育科学课程标准》（2022年版）的课程目标明确指出：科学课程要培养的学生核心素养包括科学观念、科学思维、科学实践、态度责任等方面。模型建构能够呈现出学生学习的思维过程、对知识的理解、对知识的内化过程，从而促进学生对知识的深层理解。模型建构体现在：以经验事实为基础，为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。可见模型建构在小学科学教学中是非常重要的一环，是培养核心素养的重要途径。
小学科学课堂要帮助学生“建模”。即要让学生从自己已有的知识经验出发，通过一些简单的、类似的材料，将所要表达的科学方面的原型予以呈现出来，突出所要呈现现实的本质特征，将复杂的、难以理解的内容简单化，用学生能够理解的形式表现出来。模型建构能够呈现出学生学习的思维过程、对知识的理解、对知识的内化过程，从而促进促进学生对知识的深层理解。但在实际教学中，出现学生对所要建构的模型整体认识不清；对所要建构模型的构成要素认识得不全面；模型与实际现象中各部分的作用对应不上等问题。下面以三年级上册《我们来做热气球》一课为例，谈一谈如何在教学中开展有效的模型建构活动。
一、现实情境导入，感知模型
模型的建立最重要的是要选择良好的科学问题情境，唤醒学生对科学模型的认知，初步建立有关的科学模型，为后续科学模型的抽象和概括打下基础。选择的情境要和模型有直观相似的结构，这样学生更容易建立模型与现实相互联系。
在《我们来做热气球》一课中，我利用点燃热气球的视频引入，激发学生兴趣的同时，引发学生对热气球为什么会升到空中的原有认知。学生观看热气球上升的同时可能会观察到热气球的基本结构，从而有助于学生在头脑中抽象出热气球升空的基本模型。
在构建热气球升空的模型时，教师要帮助学生分析模型建构的要素，使学生对模型的整体认识更全面。首先，教师通过谈话，进一步强化“加热”“点火”等关键词，并引导学生思考“为什么点火就能让热气球飞起来”，将“点火”与“热气球飞起来”联系在一起，有意识地为学生建构模型提供支架。
二、基于原有认知，设计模型
模型的建构不是一蹴而就的，是一个“具体——抽象——具体”的过程。首先需要学生根据已有的知识经验，自己设计模型，实现从“具体”到“抽象”的飞跃。然后用画图、粘贴图示或语言表述的方式将设计的模型记录下来，让思维可视化。
选择材料的过程即对热气球模型的抽象概括，使模型简单化、合理化。为了让模型进一步具体化、可视化，我选择以画图的方式呈现小组构建的热气球的模型。这些模型图显示出的也许是学生存在的各种模糊的、错误的观念，暴露出他们思维中的认识局限。通过模型图比较和分析，帮助学生清晰认识热气球升空的基本条件，确定建模方向，找到解决问题的方法，为后续进一步验证这一“抽象”建模奠定基础。
三、实验探究验证，构建模型
在《我们来做热气球》这一课的教学实践中，大多数教师会直接告知学生这种模型如何建构，这样做的弊端在于学生没有经历建模的过程，只是被动接受建模的结果，无法有效提升学生的科学建模能力和科学思维。为了让学生深刻体会科学建模的过程，领会科学建模的思想，教师要指导学生通过实验探究的方式检验设计的模型。实验探究是模型建构的主要途径。学生根据自主设计的模型进行实验，一方面能够培养学生的动手操作能力，另一方面在实验的过程中对自主设计的模型是否能够得到与现实情境相同的结果进行验证，即验证自主设计的模型是否合理。
四、探究要素关系，分析模型
模型的各个要素相互作用，就会有不同的效果。学生从相互作用的效果能够更深入地理解模型个要素的作用，从而更深入地理解模型。在实验探究验证的环节中，学生会发现每组建构模型的效果都有不同之处。造成这种结果的原因是什么？让学生去尝试探究模型各要素之间的关系，从中找到原因。在此环节，我让学生观察对比各组构建的模型，找到不同之处，然后在进行实验探究去验证是否是此原因导致模拟实验的结果不尽相同。
大多数小组选择的只有加热装置和球囊，其中两只蜡烛的要比一只蜡烛的效果好。由此可引导学生思考“加热装置”与“球囊”能否升空之间的联系。直观地看，它们之间是通过“空气”相连。这不由得让学生想到，“是空气让球囊升空”。加热前的空气并不能让球囊升空，那么为什么加热后的空气能让球囊升空呢？进而联想到一般的物质都具有“热胀冷缩”的性质。
此环节学生既理解构成各要素的相互作用是影子发生变化的原因，同时也分析并表达出各要素之间的关系，深刻理解了热气球升空这一科学模型的本质。
五、结合实际现象，运用模型
建构模型的目的是更好地认识现实情境，从而掌握有关现实情境的客观规律和科学知识。因此在模型建构后，我引导学生将对建构的模型还原到现实之中，利用模型解释简单的科学现象，站在现实现象的层面来认识。
在《我们来做热气球》拓展应用环节，我以孔明灯为实例，让学生以粘贴图示和语言表达的方式来解释“孔明灯为什么会飞上天空”。最后，让学生观察发现孔明灯和热气球升空模型的共性，认识到科学模型的意义。学生根据实际情境，运用模型解释原因，进一步理解模型，并将原型与模型相互关联。
模型的建构是一个“具体——抽象——具体”的过程。用模型建构的方式来教学，是培养学生科学核心素养重要的途径。它能用最简单的形式，呈现出难理解的、抽象的内容。在模型构建的过程中，学生不仅掌握基本的思维方法，同时又可以实验探究。动手操作等环节，使学生带着好奇心进行学习，提高学生的动手操作能力，加深对科学概念的理解，加强与日常生活情境的联系，实现科学核心素养的提升。