江苏省常熟市碧溪中心小学 俞维军

“模型是指通过主观意识借助实体或者虚拟表现构成客观阐述形态结构的一种表达目的的物件（物件并不等于物体，不局限于实体与虚拟、不限于平面与立体）。”本文中阐述的“直观模型”是更狭义的，指借助图片、视频、实物、场景等工具，将学生头脑中形成的对事物原理解释予以直观展示。“直观模型”可使理论知识具体化，简化科学解释的逻辑过程，有效激发学生的直觉力和思维创造力。

小学科学课程是一门综合性课程，观察和实验是学习科学最基本的方法。科学课应从学生的认知特点和生活经验出发，通过“直观模型”的介入，指导学生将抽象的思维具体化来开展科学推理，可以很好地帮助学生系统建构科学概念，逐步学会分析和解决与科学有关的实际问题。

一、“直观模型”应用到科学学习中的必要性

1.一些自然现象和原理的认知必须借助“直观模型”

科学学科涉及物质科学、生命科学、地球与宇宙科学、技术与工程四个领域，研究的对象包罗万象，大到无限宇宙，小到微分子结构。很多自然现象和原理，不能直接观察到内部结构特征，需要学生基于对事物表象的观察，开展抽象推理，才能明白科学道理，从而应用和解决生活中的问题。

例如在“研究空气受热体积膨胀、受冷体积缩小”的实验中，学生很难理解“空气是由微粒组成的，微粒在不断运动着，微粒之间是有距离的。受热后微粒加快运动，微粒之间距离增大，物体就膨胀；受冷后微粒减慢运动，微粒之间距离缩小，物体就收缩。”教学这个内容时，教师可以组织五名学生模拟空气微粒，外围一圈学生手拉手模拟气球，然后喊口号“受热”，中间五名学生就手舞足蹈散开，学生观察到围住他们五人的圈子（模拟的气球）要变大，再喊口号“受冷”，中间五名学生就安静地紧紧挤在一起，围住他们的圈子（模拟的气球）就变小。通过这样的“直观模型”演示，很形象地解释了空气的热胀冷缩原理，容易帮助学生建立科学的概念。

2.一些事实性知识发展到概念性知识必须借助“直观模型”

看到简单的表象仅是掌握了事实性的知识，这样的知识具有“点滴性和孤立性”的特征。从表象中抽象出事物本质的特征，形成了概念性的知识，就能够迁移和应用解决同类问题或相关问题，这样的知识具有“概括性和组织性”的特征。从事实性知识（孤立的）发展到概念性知识（概括的），思维经历了一个质的飞跃，才算真正学会。而中年级学生的思维特征决定了他们很难跨越这个思维的“鸿沟”，于是，模型的介入就起到了“桥梁”的作用。

如组织中年级学生学习“溶解”这一内容时，要求学生通过观察高锰酸钾固体在水中变化的过程，引导学生抓住“高锰酸钾在水中变成肉眼看不见的微粒，均匀分布在水中，无沉淀，不可以过滤”这四个方面的性质特征，建立溶解的概念。“无沉淀、不可以过滤”这两个性质特征可以通过实验和肉眼观察即可获取。而“物体变成肉眼看不见的微粒，均匀分布在水中”这两个性质特征需要学生在观察表象获取信息后，经过严密的科学推理得出，一般学生是很难完成。如果有了视听媒体、图像说明等“直观模型”作为媒介，他们就很容易理解了。

二、“直观模型”应用到科学推理中的策略

伟大科学家爱因斯坦曾说过：“提出问题往往比解决问题更重要。”“研究一杯水能溶解多少盐”是教科版小学科学四年级上册中一个有趣的探究活动。它是在学生已经掌握了溶解概念的基础上开展的。学生经过细致的实验探究，发现了100毫升的水大概只能溶解35克左右的盐。按理一个阶段的探究可以告一段落，有学生忽然提问，这些再也不能溶解盐的盐溶液（饱和盐溶液）还能继续溶解糖吗？这是一个高质量的创意研究课题，是学生全身心投入探究溶解实验，水到渠成自然而生成的问题。

传统的教学方式一般是教师鼓励设问的学生，然后马上和学生开展实验来研究证明。这样做的结果，只是简单回答了饱和盐溶液能否再溶解糖的问题，获取的是一个相对孤立的事实性知识。有经验的老师会借助这个契机，深挖问题后面所蕴含的丰富的思维发展性训练资源。在提出问题后，我们对这个创意课题开展了深入研究，借助“直观模型”的介入，精心组织学生开展科学推理，很好地促进了他们科学思维的发展，为解决同类（微观和宇观世界结构）教学问题提供了借鉴。

1.“图示式”模型介入科学推理

在正式系统学习教材上某一科学内容之前，基本上每一个学生个体都已对这一内容存在独立的主观认知。这些是学生通过日常生活中接触感知事物表象，长期经验积累形成的对事物的非本质认知。我们把它称为“前概念认知”。学生的“前概念认知”有些是正确的，更多的是片面的，甚至是错误的。研究发现，前概念认知对学生学习建立科学概念的影响非常大。在充分展示学生前概念的基础上，再通过教学活动建立科学概念是行之有效的方法。小学中年级学生的抽象思维和语言叙述能力相对较弱，我们可以通过图示的方式，将学生的思维直观呈现出来。

例如，在开展创意研究“不能再溶解盐的盐溶液（饱和盐溶液）是否还能溶解糖”这个课题中，教师请学生结合溶解的特征，想象一下盐的微粒在水中的分布状态，并用图示的方式画出来。

通过图示汇总分析和学生的交流发现，大部分学生都能通过观察到的实验表象，按自己的理解想象出水的中间是有空隙的，盐微粒均匀分布在水中，占据着水的空隙，并认为盐的微粒已经将水的这些空间都填满；也有学生认为水也是由微粒构成的，水的微粒将盐的微粒包裹起来了……可以说，这些深度思维的推测，是借助了图示的方式可视化出来了，它帮助学生展开思维的碰撞。“图示式”模型的展示，让我们的教学看见了思考的力量，为实现高效能的课堂提供了可能。

“图示式”模型介入科学推理的教学，要防止几个误区。一是防止教师和学生把关注的重心放在画图上，甚至主次不分，把画得漂亮当成了重要内容，忽视了“通过图示介入科学推理，促进思维发展”这个中心任务。二是防止为画图而画图，缺少相互之间的评价交流，忽视了图的生成过程，忽视了对图后面蕴含的学生思维的分析。

2.“实体样”模型介入科学推理

“实体样”模型是依据物质的基本形态或者相似性理论所做的模仿。它最大的优势是可以三维立体式全方位展示，有效克服了“图示式”平面两维的局限性，使科学解释的逻辑过程简约化，使科学理论知识具体化。20世纪的科学家卢瑟福等人就是通过对α粒子(氦核)散射的实验，综合并制作了原子结构的“太阳——行星模型”向公众予以展示，轰动了科学界。

小学生不能直接感知宇观世界与微观世界的结构，将“实体样”模型介入科学推理的教学中，会有效帮助他们研究、理解并建立宇观（微观）世界的科学概念。

例如有学生认为不能再溶解盐的盐溶液（饱和盐溶液）还能溶解糖。他们的理由是，盐的微粒比较大，相互之间还有空间。而糖的微粒可能更小，可以占据盐和水剩下的那些更小空间。许多学生对他的推测及阐述的理由不能理解。教师当堂和学生做了以下演示实验。

演示实验：取一个烧杯，里面装上满满一杯小石子，反复摇晃压实。教师设问，这个杯子里还能再装小石子吗？大家一致摇头表示否定。教师再拿出一把细沙问学生，那这把细沙还能装到杯子里面吗？在得到肯定答复后，大家顿时明白了上面这学生推理的原理：可能盐的微粒较大，占据满水的空间后再也不能占据了，而糖的微粒可能相对较小，还能继续占据盐与盐、盐与水之间的空间。所以，这样的盐溶液可能还能继续溶解糖。

将“实体样”模型引入学生科学推理的教学过程中时，一要防止把操作“实体样”模型变成游戏化。小学生往往对动手实验的材料感兴趣，如果没有明确的研究目的和操作规范，课堂上就容易失控，造成表面的热闹而没有思维的发展。二是借助“实体样”模型来总结性阐述原理时，一定要讲究科学性、规范性。例如在使用教具箱中提供的太阳系模型时，教师要和学生阐明模型中太阳和小行星的比例是不真实的，否则会传递给学生错误的信息，导致他们对太阳系的错误认知。

3.“视频类”模型介入科学推理

随着视频多媒体辅助教学深入课堂，其直观、形象、生动的优势能一下子吸引学生的注意力。视频媒体教学能够在短时间内传递给学生更多的信息，有效提升教学效能。视频媒体可以变抽象为具体，调动学生各种感官协同作用，很好地解决了教师难以讲清、学生难以听懂的内容，实现精讲多练，突出重点，突破难点。特别是现阶段，虚拟现实技术（VR）正不断成熟和推广，相信不久的将来就会出现在义务教育学校的课堂上。

例如，《百度字条》对溶解的定义是——当固体溶质放到水里时，固体表面的微粒(分子或离子)由于本身的振动和水分子的吸引作用，便渐渐地离开固体表面进入水分子之间，并通过扩散作用，均匀地分散到水的各个部分，这个过程叫做溶解。

对小学生来说，这些专业术语很难理解，教师可以制作FLASH动画模拟演示全过程。学生边看视频边听讲解，会很容易理解并建构起溶解的概念。在海量的网络信息中，教师可以通过注册会员的方式，下载合适的视频素材应用教学中。

4.“置换式”模型介入科学推理

认知心理学研究表明，当个体作为主角参与到活动之中，所获取的体验才是最真实的，这种真切的感受是旁观者体会不到的。本文所述的“置换式”模型，是指引导学生将个体置换为所研究的事物对象，将学习者本人以拟物的角色参与到科学学习中。这种“置换式”体验的学习方式促使个人在形体、情感主动参与，会使得学习效率、知识理解程度、知识记忆持久程度都大幅度提升。

“置换式”模型介入科学推理的教学片断如下。

师：这些再也不能溶解盐的溶液，还能继续溶解糖吗？（师手持一勺糖示范）

生：我认为还能继续溶解。

师：你是怎么想的？

生：可能糖的微粒很厉害，到了水里后把盐的微粒从水里挤出来。就像在电梯里挤满了人，外面的人要进去，就只能从里面出来人。

师：看来外面的人有急事，里面的人非常有礼貌地让出来了。

生：……（大笑）

师生开展实验：五名学生紧挨着站在一起，外面用四张桌子围住。（单人桌围成的空间小，里面的人很拥挤）请一名同学跳上桌子试着挤进去，原来在里面的一名同学爬上桌子让出空间，完成交换。这是一个非常有趣的思维，与人们日常的生活相联系了起来。学生将自己置换设想成为事物主角参与体验，有效地帮助他们开展科学推理。

“置换式”模型的应用要在教室外开阔场地开展，如前述的模拟空气微粒热胀冷缩的实验，模拟太阳、地球、月球三者相互运动关系等。开展活动之前，教师一是要加强组织纪律的教育，二是厘清学生个体被置换的角色，明白周边模拟情景的关系。

建构主义学习理论认为：学习是引导学生从原有经验出发，生长（建构）起新的经验。小学科学教材涉及的宏观和微观世界的内容很多，通过建构“直观模型”介入科学推理的教学方式，必能有效发展学生科学思维，掌握科学知识。