朱濤

教科版教材“地球與宇宙”部分內(nèi)容的教學(xué)，除了小學(xué)科學(xué)教師受到有關(guān)“地球與宇宙”的知識(shí)儲(chǔ)備的挑戰(zhàn)之外，教學(xué)中學(xué)生的主要探究活動(dòng)——模擬實(shí)驗(yàn)的有效組織也是一個(gè)值得破解的疑難問(wèn)題。筆者認(rèn)為，該疑難問(wèn)題破解的著眼點(diǎn)應(yīng)該是正確認(rèn)識(shí)“地球與宇宙”教學(xué)中的模擬實(shí)驗(yàn)；而著力點(diǎn)應(yīng)該是運(yùn)用建模思想，有效組織“地球與宇宙”教學(xué)中的模擬實(shí)驗(yàn)。

一、 “地球與宇宙”教學(xué)中的模擬實(shí)驗(yàn)

模擬實(shí)驗(yàn)是指在科學(xué)研究中，由于受客觀條件的限制，不允許或不能對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行直接實(shí)驗(yàn)，為了取得對(duì)研究對(duì)象的認(rèn)識(shí)，人們可以通過(guò)模擬的方法，選定研究對(duì)象的替代物 （即模型 ），模擬研究對(duì)象 （即原型）的實(shí)際情況，對(duì)替代物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這種實(shí)驗(yàn)就是模擬實(shí)驗(yàn)。模擬實(shí)驗(yàn)的一個(gè)突出特點(diǎn)，就是既能使研究對(duì)象微型化，又能使研究對(duì)象擴(kuò)大化，還能找出并控制研究對(duì)象的理想特征與要素。模擬實(shí)驗(yàn)作為類比思維在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，根據(jù)的是相似性原理，它往往要求模型和研究對(duì)象之間具有相似性、模型所處的實(shí)驗(yàn)條件與研究對(duì)象所處的實(shí)際條件之間具有相似性。

在“地球與宇宙”教學(xué)中開(kāi)展的一些科學(xué)探究活動(dòng)，學(xué)生受到探究時(shí)間、空間以及環(huán)境條件的限制，他們無(wú)法對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行直接的探究，這就需要教師和學(xué)生一起對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行模擬，并用模擬建立的認(rèn)識(shí)去解釋研究對(duì)象，從而達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。地球與宇宙盡管廣袤浩瀚、復(fù)雜特殊，但就小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)要求的學(xué)習(xí)內(nèi)容來(lái)看，研究對(duì)象的替代物還是有條件準(zhǔn)備的，操作模型和理論模型學(xué)生也能在教師的指導(dǎo)下建立的。

雖然多媒體教學(xué)能把事物、現(xiàn)象、情景、過(guò)程等化大為小、化難為易、化繁為簡(jiǎn)，利用視頻也能展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，但學(xué)生只能在屏幕上作單一的、平面的觀察；這種間接的觀察與學(xué)生直接的動(dòng)手實(shí)驗(yàn)探究相比，其親身感受的程度和思維培養(yǎng)的力度，是有天壤之別的，因此，有效組織模擬實(shí)驗(yàn)亟待加強(qiáng)。

二、建模思想在“地球與宇宙”教學(xué)中運(yùn)用

在科學(xué)探究活動(dòng)中，為了研究問(wèn)題的方便常常采用“簡(jiǎn)化”或“理想化”的方法，對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行抽象化處理，得到一種能反映原事物本質(zhì)特性的理想狀態(tài)（過(guò)程）或假想結(jié)構(gòu)，即“科學(xué)模型”。在探究活動(dòng)開(kāi)展的過(guò)程中逐步建立科學(xué)模型的過(guò)程稱為“建?！薄Ｔ谀M實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用“建?！钡乃枷牒头椒ǎ茌^好地提高探究活動(dòng)的有效性。筆者在教學(xué)實(shí)踐研究中總結(jié)出基于模擬實(shí)驗(yàn)的三步“建模”法。下面以《日食和月食》一課的教學(xué)作為案例，闡述如下。

1.靜態(tài)“建?！?/p>

靜態(tài)“建模”指的是根據(jù)相似性原則，確定研究對(duì)象的替代物，這個(gè)替代物一般也應(yīng)該是有結(jié)構(gòu)的材料。說(shuō)它靜態(tài)，指的是這時(shí)的材料還都是靜物，只是靜態(tài)的模擬。

在《日食和月食》一課的教學(xué)中，讓學(xué)生在觀察教師創(chuàng)設(shè)的日食視頻情景之后，討論日食現(xiàn)象的特點(diǎn)，猜想日食發(fā)生的原因。在以上鋪墊的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入模擬實(shí)驗(yàn)的靜態(tài)“建?！边^(guò)程，思考：①日食的形成可能與哪些天體有關(guān)？②這些天體各有什么特點(diǎn)，它們之間具有什么樣的關(guān)系？③要模擬日食現(xiàn)象，可選用哪些材料來(lái)替代這些天體？通過(guò)討論交流確定有關(guān)天體的替代物，并按照這些天體的相對(duì)位置、距離等結(jié)構(gòu)組裝、擺放替代物。如用手電筒替代太陽(yáng)、用足球替代月球、學(xué)生套上地球模樣的大頭娃娃替代地球上的觀察者，而這三者之間的距離要有合適的比例。

靜態(tài)“建?！钡年P(guān)鍵是除了相似性外，要求有關(guān)靜態(tài)模型的要素及其細(xì)節(jié)與原型相一致。

2.動(dòng)態(tài)“建?！?/p>

動(dòng)態(tài)“建?！敝傅氖峭ㄟ^(guò)對(duì)替代物的實(shí)際操作，模擬研究對(duì)象——原型變化、運(yùn)動(dòng)的情景、狀態(tài)、特點(diǎn)等現(xiàn)象，為學(xué)生提供理想化的、典型的觀察內(nèi)容，有效獲得針對(duì)性的事實(shí)證據(jù)。而說(shuō)它動(dòng)態(tài)，是指這時(shí)的實(shí)驗(yàn)材料都在發(fā)生相對(duì)的變化、運(yùn)動(dòng)，是動(dòng)態(tài)的模擬。

第一步完成了日食的靜態(tài)建模，接著引導(dǎo)學(xué)生思考、討論：①在這些天體中，我們主要模擬哪個(gè)天體的運(yùn)動(dòng)，怎樣操作？②觀察者應(yīng)該觀察什么？③觀察到什么現(xiàn)象了，我們才說(shuō)日食發(fā)生了？在明確實(shí)驗(yàn)意圖和方法的前提下，學(xué)生進(jìn)行動(dòng)手操作：甲生拿手電筒照射大頭娃娃，模擬太陽(yáng)照射地球；乙生頭戴地球模樣的大頭娃娃眼望手電筒，模擬地球上的觀察者；丙生舉足球逆時(shí)針繞觀察者作圓周運(yùn)動(dòng)，模擬月球的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這樣，當(dāng)丙生緩慢地走過(guò)甲生和乙生之間時(shí)，乙生就會(huì)直觀地觀察到手電筒光從右到左逐漸遮掩又逐漸恢復(fù)的全過(guò)程。這時(shí)所創(chuàng)設(shè)的模擬實(shí)驗(yàn)的情景，就是基于靜態(tài)建?；A(chǔ)之上的動(dòng)態(tài)建模。面對(duì)這個(gè)動(dòng)態(tài)建立的關(guān)于日食的模型，無(wú)論是直接參與實(shí)驗(yàn)的甲、乙、丙學(xué)生，還是旁觀實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，對(duì)于日食發(fā)生的條件、原因、經(jīng)過(guò)和特點(diǎn)等，都會(huì)有充分的感受，留下深刻的印象。

動(dòng)態(tài)“建?！钡年P(guān)鍵是動(dòng)態(tài)模型形成的縱向的“序”和橫向的“法”，模擬實(shí)驗(yàn)必須有目的、有計(jì)劃地進(jìn)行，還應(yīng)有記錄。

3.綜合（抽象）建模

其實(shí)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)的“建模”都屬于操作層面的客觀性的模型，學(xué)生在這個(gè)過(guò)程中獲得感受與體驗(yàn)，建立感性認(rèn)識(shí)。而整理事實(shí)、形成證據(jù)，分析推理、歸納表述，建立理論模型的過(guò)程，稱為綜合“建模”，又由于在“建?！边^(guò)程中更多地運(yùn)用抽象思維，因此，也可稱作抽象“建?！?。

在綜合“建模”活動(dòng)中，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生對(duì)動(dòng)態(tài)建立的模型先進(jìn)行比較、分析、抽象、歸納，然后啟發(fā)學(xué)生作必要的聯(lián)想，聯(lián)系原型形成科學(xué)概念。日食的動(dòng)態(tài)“建模”完成后，教師繼續(xù)組織學(xué)生思考、交流：①在以上模擬實(shí)驗(yàn)中你有什么發(fā)現(xiàn)？②你發(fā)現(xiàn)了什么現(xiàn)象才說(shuō)日食發(fā)生了？③日食發(fā)生時(shí)，哪邊的太陽(yáng)光先被擋住，哪邊的太陽(yáng)光先復(fù)原？④從日食發(fā)生時(shí)日、月、地三個(gè)天體的位置排列來(lái)看，日食一般發(fā)生在農(nóng)歷的哪一天？通過(guò)以上具體的綜合分析，教師要求學(xué)生抽象并表述“日食”的科學(xué)概念：解釋日食的成因。

抽象建立的模型其實(shí)是一個(gè)有關(guān)科學(xué)概念的理論模型。理論模型可以是定義式（描述、解釋），也可以是表式和圖式等。學(xué)生在這個(gè)過(guò)程中所獲得的是理性認(rèn)識(shí)，也就是對(duì)事物本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。