史加祥

【摘 要】《义务教育科学课程标准（2022年版）》首次明确地将模型建构作为科学思维核心素养的重要组成部分。模型经常被应用于小学科学教学中，但存在对小学科学模型建构的研究与教学重视程度不够的情况。文章在对模型建构内涵理解的基础上，明确了科学模型建构教学的过程与水平，在具体化和细化模型建构教学过程的基础上进行了教学实践，为培养学生的科学思维提供了方向。

【关键词】科学课程;核心素养;模型建构;科学思维

《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）明确了科学课程核心素养的内涵与组成[1]4，模型建构作为科学思维核心素养的重要组成部分被首次直接表述，意味着模型建构教学对于学生的科学学习有着重要的意义及价值。模型在科学的历史发展与当前实践中普遍存在，离开模型的科学是难以想象的。科学教育中的模型建构是科学的关键特征，也是科学素养的重要组成部分[2]。还有研究将科学直接定义为科学建模的过程，认为科学学习过程中的观察、描述、解释、预测、推理微观和宏观自然事物、自然现象的实质就是建构和应用科学模型的过程[3]。由此可见，模型建构在科学教学中至关重要，教师需要在深刻理解其内涵的基础上开展扎实的教学实践。

一、模型建构教学的现状与发展要求

目前，针对小学科学模型建构的教学实践整体偏少，主要原因是研究者对小学阶段科学模型建构的理解存在差异，没有厘清模型建构与学生科学素养之间的关系。

1.小学科学模型建构教学的现实理解

模型对于小学科学教学来说并不陌生，教师在科学教学中经常会使用各种标本、装置或模型进行教学，也会采用模拟活动来帮助学生认识和理解科学现象。在很多科学教师的理解中，模型必须是实体、可触摸的。有研究者在模型的实物特点上对其含义进行了扩展，认为模型还可以用观念、数学符号将自然世界中的现象和事物表达出来[4]。也有研究者将模型分为实体模型、概念过程模型和数学模型三种类型。实体模型是指根据相似性理论制造的按原系统比例缩小、放大或与原系统等大的实物，概念过程模型指呈现概念之间的关系和影响方式的模型，数学模型则指利用数理逻辑方法和数学语言符号建构的模型。[5]在小学科学中，采用模型建构方法进行教学以地球与宇宙科学领域内容居多。如贺子聪，高晓燕在“月相”的教学中使用模型帮助学生理解月相何时可见、朔月为何不易见以及月相变化规律等[6]。钱星星则在认识月球环形山内容的教学中，引导学生通过动手“造”环形山，对月球环形山形成的可能原因进行了探究[7]。从已有文献可以看出，教师对小学科学模型建构的研究与教学重视程度不够，对其内涵的认识与理解不足，究其原因主要是原有课程标准中对模型建构的要求不够清晰和明确。

《义务教育小学科学课程标准》中，模型建构并没有作为科学探究的重要组成部分，相关要求出现在“地球与宇宙科学领域”中，让学生通过实地观察、长期观测、建构模型、模拟实验、逻辑推理等方法对地球与宇宙中的有关现象、事物和规律有一定的了解[8]。由此可见，教师在地球与宇宙科学领域对模型建构的实践较多也在情理之中，也充分说明模型建构教学的价值还未得到应有的认可与重视。

2.模型建构的科学课程核心素养要求

新课标将科学课程核心素养分为科学观念、科学思维、探究实践、态度责任等，模型建构作为科学思维的重要组成部分被明确提出，并指出模型建构体现在：以经验事实为基础，对客观事物进行抽象与概括，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[1]4-5。新课标不仅指出了模型建构的路径，还明确了如何运用与分析模型。笔者对新课标中课程总目标和学段目标的模型建构要求进行了梳理（见表1）。模型建构的过程可分为模型意识、模型理解、模型建构、模型运用等不同阶段和水平。

表1 新课标的模型建构分阶段学习要求

[学段 学段目标 1～2年级 能利用材料和工具，通过口述、绘画、画图等方式表达自己的想法 3～4年级 能利用模型解释简单的科学现象 5～6年级 能使用或建构模型，解释有关的科学现象和过程 7～9年级 针对真实情境中的简单问题，能基于事实与证据，利用分析、比较、抽象和概括等思维方法建构模型，能运用简单模型解释常见现象，解决常见问题 ]

二、模型建构教学的内涵理解

教师对模型建构的理解存在差异主要源于对课程标准的解读以及在教学实践中形成的认知不同。在进行模型建构教学之前，教师有必要从新课标角度对其内涵、原则等进行再理解。

1.多维视角下的模型建构

从不同的视角审视模型建构，会有不同的理解与诠释，如有研究将模型建构的过程解释为通过关注关键特征来解释和预测科学现象，抽象、简化并进行系统表达的过程[9]。还有研究将科学建模能力定义为针对自然现象抽象出主要特征，依據科学直觉建构关系、结构等概念模型，并用科学语言进行表征的能力[10]。不同的定义与解释有共通之处，也有不同的视角差别。

有研究从刺激与反应的行为视角对科学模型建构进行分析，将科学建构作为操作性过程，包括建模语言、系统表征和从表征到模型的过程等[11]。行为视角观点虽然增强了科学模型建构教学实践的可操作性，学生在反复的行为训练中建模能力得到提升，但对学生在建模过程中的心理认知变化无法进行科学的解释。鉴于此，很多研究从心理与认知视角对模型建构的心理、意识的内在机理进行解读。心理认知视角认为科学建模不是简单的表征模型的过程，而是完整的信息输入、接受、加工、提取和输出的过程，也是信息抽象，理解关系及结构的过程。心理认知视角关注了科学建模过程中学生心理加工的过程，但在教学实践中却无法直接进行评价与探测，只能通过学生的学习表现来推测。在对科学建模的行为与认知观点优缺点分析整合的基础上产生了建构主义。建构主义认为科学建模的过程是学生在面对问题情境和学习任务下，主动应用和建构概念的过程。建构主义视角是将外部环境刺激、内部心智的操作性过程和模型建构过程作为统一连贯的整体进行理解，既强调建模的刺激反应的外在行为表现，也重视心理加工与内在思维活动。

不同视角对模型建构的理解不是完全隔绝和独立的，而是在继承的基础上发展。笔者在综合不同观点并结合新课标的基础上，将科学模型建构解释为学生主体从经验事实出发，对科学情境、任务和问题中涉及的科学现象、事物进行抽象和概括等建构模型，并运用模型分析、解释、描述系统的结构与关系等复杂加工后逐渐形成科学模型的过程。科学建模能力则指在此过程中学生表现出来的稳定的、个性化的心理素质。

2.模型建构的过程与水平理解

基于不同的视角会形成不同的模型建构。笔者结合新课标中模型建构的总目标和分阶段目标，将小学阶段科学的模型建构教学从过程与学生表现两个方面进行整体理解，将学生科学模型建构的过程与水平以交叉、螺旋的方式呈现，使科学建模的教学与评价达成一致（如图1）。

由图1可知，小学科学模型建构教学的起点是“情境、任务、问题”。教師通过创设情境、提出问题，让学生基于原始模型进行观察、分析、比较、抽象、概括，在心智参与后对模型进行选择并初步形成新的模型，即过渡模型。教师让学生在交流、解释中通过图画、文字、数据等对模型进行表征，进而对模型进行认知分析。同时，教师通过实验、模拟等活动，让学生积极、主动地使用或调用加工形成的模型，对模型进行验证、修正，最终形成科学模型，并能在新的情境中进行迁移。

另外，科学模型建构的教学并不是分析不同学习阶段差异后简单的线性化与流程化处理，而是从学生已有认知、经验、心智发展水平出发，在不同的科学知识内容学习中迭代与循环。因此，在不同的学习阶段，学生会有不同的表现、发展可能与空间。对学生模型建构的表现可以从“对科学现象、事物解释与预测的生成性理解”和“模型建构生成的科学知识是暂时的、动态的、可改变的”两个角度进行理解。两种理解虽然角度不同，但对科学模型的多重作用，以及科学知识学习过程和科学本质具有发展性和复杂性的认识是相同的。笔者结合新课标，对科学模型建构中的学生表现进行分析，形成了科学模型建构的水平理解（见表2），将教学过程与表现水平整体设计，注重实现“教—学—评”一致性。

三、小学科学模型建构的教学实践

1.科学模型建构教学的具体流程

模型建构教学是科学思维与方法培养的重要手段，教师需要在分析学生已有经验和模型认知水平的基础上，结合新课标要求和教材内容，对教学目标进行重点梳理与分析，在扎实的课堂教学实践中培养与发展学生的模型建构能力。基于此，笔者总结了科学模型建构教学过程的具体流程如下（如图2）。

由图2可知，科学模型建构教学实践最开始是“现象、问题锚定”，在此过程中，教师创设情境引出某个现象或提出问题，学生在对现象分析和问题界定的基础上形成想法、观点或假设。“呈现原始模型”是指学生利用文字、图画、表格等构建和呈现一个包含他们自己想法与观点的原始模型。“观察、调查、实践”指学生在分组和合作学习的基础上进行观察、调查，为解决核心问题及修改模型收集资料和证据，在分析、分享中利用模型解释、发现存在的矛盾与冲突。“形成过渡模型”是指学生在矛盾与冲突的基础上评估并修改原始模型，形成与观察、调查较为契合的模型。“探究、实验应用”是指学生运用过渡模型设计科学的实验并实施，输入与实验结果相关的科学概念、理论，在结合实验与理论的基础上形成较为科学的认识。随后学生利用形成的科学思想与观念对模型进行“修正、改进、完善”，在交流中介绍和展示，讨论并判断模型，在小组或整个班级中形成共识的基础上“构建科学模型”。最后是使用模型“预测、解释、迁移”其他相关现象，对模型的优势和局限性进行再思考，以便进一步的修正。

当然，科学模型建构教学并没有固定和统一的方法，教师在实践中并不需要严格按照以上步骤进行教学，可以结合不同的学习内容，尤其是学生已形成的模型情况进行分析后灵活组合与运用。

2.“光的反射”模型建构教学实践

光是学生生活中最常见的科学现象，也是物质科学的重要组成部分。新课标对“光的反射”的学习要求是识别来自物体反射的光（如月光）（3～4年级）和知道来自物体的反射光进入眼睛，能使人们看到光源或该物体（5～6年级）[8]36。笔者在教学中发现，学生对月相是月球反射太阳光的知识建构较为牢固，主要源于学生的阅读和科普视频等。但学生对于人为什么能看到身边的物体却难以理解，即使在“光的反射”学习结束后，很多学生对光反射过程的模型建构依然不完整、不科学。为此，笔者从模型建构的过程出发，设计了“光的反射”一课，具体教学过程如下（如图3）。

由图3可以看出，学生对“光的反射”模型建构过程经历了从清晰到模糊，再到清晰的过程。学生对于月相形成的特定反射现象能够理解，但遇到生活中如何看到其他物体的问题时，学生的原始模型无法进行解释，很多学生形成的过渡模型存在科学性错误。因此，教师设计了暗盒实验。学生在反复对比后，对模型的理解逐步清晰起来。从学生的描述和表达中可以看出，学生建构的模型具有一定的科学性，学生在对现象进行解释、应用和迁移后不仅能对特殊的反射现象进行解释，还能对生活中常见的反射现象进行科学解释，建构的“光的反射”模型逐步稳定。在此基础上，教师可以提出新的问题，如“为什么我们能看到有颜色的物体，不同颜色的光照射同样的物体会出现什么现象”等，引导学生进一步探究与实践，对建构形成的科学模型进行持续的补充与完善，从而全面、整体地理解“光的反射”。

综上所述，对科学模型建构发展的梳理和内涵的理解是对新课标的解读，而对科学模型建构教学的实践则是将新课标课程目标落实的探索。笔者认为，在后续的教学中，教师还需要持续深入的实践，形成适合不同年级、不同学习内容的模型建构的教学方法，为学生科学思维的发展提供抓手。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育科学课程标准（2022年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2022.

[2]SCHWARZ C V，REISER B J，DAVIS E A，et al. Developing a learning progression for scientific modeling：making scientific modeling accessible and meaningful for learners[J].Journal of research in science teaching，2009（6）：632-654.

[3]GILBERT J K，JUSTI R. Modelling-based teaching in science education[M].Switzerland：Springer，2016.

[4]孫可平.科学教学中模型/模型化方法的认知功能探究[J].全球教育展望，2010（6）：76-81.

[5]潘利峰，刘国良.模型建构在小学科学深度探究中的运用：以苏教版科学为例[J].教学月刊·小学版（综合），2020（12）：37-40.

[6]贺子聪，高晓燕.“月相”相关知识及教学策略[J].科教导刊，2021（24）：36-39.

[7]钱星星.小学科学的模型建构：以“我们来‘造环形山”一课为例[J].教育观察，2020（43）：126-128.

[8]中华人民共和国教育部.义务教育小学科学课程标准[M].北京：北京师范大学出版社，2017.

[9]PASSORE C，STEWART J ，CARTIER J. Model-based inquiry and school science：creating conncetions[J].School science and mathematics，2009（7）：394-402.

[10]翟小铭，郭玉英.科学建模能力评述：内涵、模型及测评[J].教育学报，2015（6）：75-82，106.

[11]VANLEHN K. Model construction as a learning activity：a design space and review[J].Interactive learning environments，2013（4）：371-413.

（责任编辑：罗小荧）