徐春明

小学生理解与思维正由具象逐渐向抽象过渡，这一阶段适合他们的信息表征方式应该是具体、直观的。在探究实验教学中，恰当运用模型建构，更符合小学生的认知特点，更有利于他们自主性、主动性的发挥，从而促进他们对知识的深层次理解，提升其科学素养与学科关键能力。

数据模型建构：让探究数据可视化

科学探究经常需要进行基于数据的实证研究，即通过实验获得相应数据，并在数据分析的基础上概括、提炼出科学规律，建构科学概念。科学探究中的数据是学生通过观察、实验等得到的相关实验数字，实验数字并不意味着得出科学结论，这中间必须经过数据分析的过程。建构数据模型，将探究实验数据用图形、图表等更直观的方式可视化，更符合小学生具体形象思维的特点。

1.静态数据模型建构

在科学探究过程中，为了减少实验数据的误差，学生往往需要收集尽可能多的数据，提高实验的准确性。教师可以借助数字技术，快速、便捷地搜集以班级为单位的实验大数据，并以图表的方式直观呈现，引导学生进行分析。

如探究“冷热与温度”内容时，教师可以创设情境，引导学生亲身参与测量、记录热水的降温变化过程，10分钟内每隔两分钟测量的温度变化数值一共6个。利用自主开发的基于asp的网络实验数据收集平台（如图1），由学生通过平板电脑登录系统在线上传实验数据，服务器端自动收集汇总全班的实验数据，教师下载数据，并通过Excle软件生成水温变化曲线图或条形统计图（如图2），即形成数学模型。根据这个热水温度变化数学模型，学生不仅容易发现水温变化的规律，而且从曲线图中很容易发现水温在哪个时段变化快，哪个时段变化慢。教师通过将一杯热水变凉过程中的水温变化数据转化为数学模型，将原本抽象的、不易直接观察的水温变化规律可视化，以图形的方式更便于学生发现与理解。

2.动态数据模型建构

动态数据模型建构一般是針对有多个因素相互关联、相互影响的研究内容。学生在聚焦问题的基础上，讨论、交流提出合理的假设，再输入初始的数据，依靠相应的平台或技术，自动生成动态数据，并将隐含的数据用直观模型呈现，以研究初始条件会产生怎样的后续结果，检验初始条件的合理性、正确性;也可以预设结果而倒推需要怎样的原始数据，以帮助形成合理的建议和正确的方案。

如探究“生态平衡”内容时，由于生态变化是一个宏观的、变化周期长的自然现象，因此无法直接开展探究活动，而传统的图片与视频讲解相结合的学习方式互动性差。“NetLogo”是一个用来对自然现象进行仿真的建模环境，特别适合对随着时间演化的复杂系统进行建模。我们可以利用这一优势构建一个包含“草、狼、羊”等要素在内的草原生态系统模型，用互动、可视化的方式研究有关生态平衡的问题。具体的过程为：学生围绕“消灭狼是否能更好地保护羊群”“多种草能让羊生活得更好吗”等问题，依据自己原有经验设置“草、狼、羊”等要素的初始数值，随着时间的推移，“草、狼、羊”等要素进行着动态变化，学生通过观察实时呈现的直观动态图形和数据曲线图表，研究“草、狼、羊”等要素之间的动态平衡关系，从而认识到生态系统中的各个要素都非常重要。学生也可以根据自己的需求，加快或减慢模型的推演速度，或改变研究要素，以满足个性化的探究需求。

物理模型建构：让探究对象可视化

以证据为基础，运用各种信息分析和逻辑推理方法得出结论，公开研究结果，接受质疑，不断更新和深入，是科学探究的主要特点。小学科学课程中关于物质科学、地球和宇宙科学等领域中的现象、事物和规律，具有时间和空间的复杂性，如昼夜交替、地球表面地形、电路等，这些内容是宏观的，或是抽象的。如何组织探究实验活动？我们可以通过物理模型建构的方式，培养学生的实证意识。

1.平面模型建构

平面模型建构是将相对复杂的，或不易被观察的具体现象、实验，进行简单化、可视化处理，以平面图例、模型设计图等形式直观地表达认识对象的特征。学生在原有知识结构基础之上，利用可视化的平面模型，有针对性地展开分析，交流自己的认识和观点，从而完成科学概念的建构。

如探究“简单电路”相关内容时，在学生用材料连接电路的同时，教师帮助学生画出电流从电池出发，在电路中流动，经过灯泡，又回到电池形成回路的过程，完成平面图示模型建构（如图3）。学生不仅连接一个简单电路，同时还清楚地知道在这个电路中电的流动路线，这样的平面模型还可以延伸，帮助学生理解断路、短路的现象（如图4），同时可以让学生在修改平面模型的基础上进一步探究点亮多个小灯泡。

2.实物模型建构

实物模型建构是指对自然现象或规律的一种模仿、模拟，主要应用于模拟实验，可以是宏观场景的微缩，可以是微观结构的放大，也可以是“暗箱”内容的类比外显等。通过替代的实物物品的结构性，使一系列的探究活动得以实施与呈现，使难以直接观察的自然现象在课堂上得以重现，有时甚至可以是对所要探究的对象的有意识凸显。

如探究“月相”相关内容时，在学生经过一段时间实际观察月相并了解了月相变化规律的基础上，教师引导学生建构实物模型（如图5），进一步认识月相的成因：

第一环节，明确替代物品与真实事物之间的类比关系：用圆形塑料圈模拟月球围绕地球运行的公转轨道，用一半涂黑的乒乓球模拟月球在太阳的照射下一半是亮的，一半是暗的，用挂着太阳图形的一面模拟阳光的照射方向;

第二环节，依据自然规律模拟观察月相：首先站到圈外从模拟太阳的一面看月球，将乒乓球白色的一面全部对准太阳的方向，然后保持塑料圈不动，人站到圈子中间，观察各个位置上月球的月相并画下来。

通过月相实物模型建构，再现一个月内的月相变化现象，方便学生寻找月相变化过程的证据，培养实证意识。

3.虚拟模型建构

小学科学探究活动的对象是真实的物质世界，其中有一些内容由于客观原因无法通过操作实物器材展开研究活动，或者说用动手操作的方法直接研究反而不真实，达不到尊重证据、严谨求证的效果。如涉及地球实景观察的内容，地球上的地形和地貌、地表的变迁、水资源的分布等，教师可以借助网络技术、虚拟软件等建构虚拟模型，创设类似真实环境的情境，让学生根据探究需要，搜集证据，进行实证。

如探究“地球的表面”相关内容时，由于现场观察受时空限制不能开展，借助图片或者视频，又不能给学生实时、真实的体验，因此很多问题需要学生通过想象解决，教师借助“谷歌地球”这一虚拟地球模型，可以很好地弥补以上不足。该软件能将全球的各种地形通过虚拟的方式呈现出来，学生可以足不出户进行浏览，通过放大、俯视、平视、旋转观察角度甚至全立体景观虚拟漫游的方式，模拟现场观察高山峡谷、海洋岛屿、高原盆地等地形，详细研究特定地貌特征。有了这样近乎现场的观察，就有了更真实的体验，也就更利于学生建构对地球表面的认知。学生还可以对特定的问题进行系列探究，如“长江入海口岛屿的成因”研究（如图6），从河流的上游到中下游进行“实景考察”，从中观察地形变化、水流变化、岛屿分布等信息，从中寻找更真实的证据，验证自己的猜想：地势平坦、河道宽的地方水流变缓，泥沙容易沉降堆积，易形成冲积岛。

概念模型建构：让探究思维可视化

1.思维导图建构

思维导图是一个简单、高效、放射性、形象化的思维工具，它运用图文并重的方法，把各级主题的关系，用相互隶属的层级图表现出来，把主题关键词与图像、颜色等建立链接。建构思维导图模型，形象直观，符合小学生乐于涂一涂、画一画、喜欢用图画来表达想法的认知规律和表达特点。探究实验，不仅是培养学生的动手能力，更重要的是发展他们的思维能力，所以，学生在探究过程中经常需要互动设计、讨论交流、观点碰撞;教师要引导学生用不同的颜色、关键词、图画，建构、绘制思维导图模型，让思维可视化，一方面有利于清晰、直观地表达观点，另一方面也有利于小组聚集问题，并在比较、反思中发现问题，并不断相互补充与完善，从而获得更大的收获。

如探究“摆”相关内容时，教师可以引导学生用思维导图的方式，边思考边画图（如图7），猜测摆的快慢与哪些因素有关，每一个可能的因素可以用哪些方式进行探究验证。在个体思考的基础上，借助思维导图直观、清晰地表达自我观点，与小组成员进行交流、讨论，在相互启发、不断完善的过程中形成比较成熟的研究方案。

2.概念图建构

概念图是将基本概念网络化，并以结构图的形式呈现出来的一种组织和表征知识的教学方式。合理运用概念图的优势，可以直观形象地表达知识结构，有效呈现思考的过程及知识的关联，并引导学生进行意义建构，既能引导学生自主探究，又能形成整体思维能力。通常可以用气泡图、维恩图、网状图等形式呈现。

如探究“校园里的植物”相关内容时，学生要研究樟树与凤仙花的相同点与不同点，由于樟树和凤仙花之间形态特征差异较大，因此获取的知识点既多又零散。在观察活动中，教师可以引入维恩图，帮助学生收集、分类、记录观察到的樟树和凤仙花的特点，再引导学生梳理观察比较结果，将两个圈内相同的特点并入交叉圈内，交叉圈外保留各自独有的特点。在概念图的帮助下，学生能把这些多而零散的知识点集合为两类，梳理出草、木的概念，并从共同信息中找寻内在联系，理解和建构植物的概念。

3.鱼骨图建构

鱼骨图是一种发现问题“根本原因”的方法，它也可以称之为“因果图”。教师可以利用鱼骨图简捷实用、深入直观的特点，围绕核心概念问题，引导学生列出与概念问题有关的可能原因，来说明各个原因之间的关系。如学生围绕“苹果坏了的原因”进行头脑风暴（如图8），发挥小组的智慧，集思广益，把通过摸、看、闻、测量等方式得到的信息呈现在上方，把经过分析、比较等思考后得到的信息呈现在下方，引导学生区分事实和解释，并认识到在解释一种现象或问题的时候，要通过观察、分析、思考并不断完善。

模型是一种理想化的形态，在科学探究实验中正确建構与使用模型，能使抽象科学原理、不易直接探究的自然现象、复杂的探究问题等可视化，以更直观、具体、形象、鲜明的方式，提高探究实验的效率，从而有效提升学生的科学素养。