孫麗莉|浙江省杭州市第十五中學(xué)教育集團(tuán)

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》指出：科學(xué)思維是從科學(xué)的視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式。模型建構(gòu)是科學(xué)思維的主要內(nèi)容之一，科學(xué)知識學(xué)習(xí)中有很多核心的理論概念需要教師帶領(lǐng)學(xué)生分析歸納并系統(tǒng)掌握，而模型建構(gòu)法對指導(dǎo)學(xué)生快速理解相關(guān)概念體系有著重要作用。下面，筆者以浙教版義務(wù)教育教科書《科學(xué)》九年級上冊（以下簡稱“浙教版《科學(xué)》九上”）第3章第4節(jié)《簡單機(jī)械》的教學(xué)為例，闡述模型建構(gòu)在初中科學(xué)概念教學(xué)中的運用。

一、在真實情境中開啟模型建構(gòu)

情境指教學(xué)真實客觀的知識問題背景，在課程內(nèi)容設(shè)計和教學(xué)評價過程中，教師要同樣重視問題情境的科學(xué)創(chuàng)設(shè)。導(dǎo)入的課堂情境應(yīng)該是學(xué)生所熟悉并理解的，這樣教師就能從課堂一開始吸引住學(xué)生的注意力，使學(xué)生廣泛參與?！逗唵螜C(jī)械》開篇第一句就說“我們用筷子吃飯、用剪刀剪紙，都在使用簡單機(jī)械”，然后講到了自行車等的每個部件都是簡單機(jī)械，接著給出開瓶器等圖片，讓學(xué)生仔細(xì)觀察并體驗它們在使用過程中有什么共同特征，其目的就是讓學(xué)生通過熟悉的生活情境來建構(gòu)杠桿的模型。

二、在問題鏈中形成模型建構(gòu)

（一）實踐中找問題

科學(xué)學(xué)科的形成和發(fā)展是在實踐中進(jìn)行的，脫離實踐中的問題，科學(xué)將失去本質(zhì)意義。毋庸置疑，科學(xué)學(xué)科中的概念既是教學(xué)的重點又是難點。而問題情境教學(xué)往往能使學(xué)生獲得相應(yīng)概念的感性思考和理性認(rèn)知，產(chǎn)生強(qiáng)烈的認(rèn)知共鳴或認(rèn)識沖突，引發(fā)學(xué)生對現(xiàn)象進(jìn)行深入思考。因此，教師應(yīng)該有意識、有針對性地創(chuàng)設(shè)各種問題情境，設(shè)計由相互關(guān)聯(lián)、有內(nèi)容指向、有進(jìn)階關(guān)系的多個問題組成的問題鏈。問題鏈的設(shè)計能使模型建構(gòu)更加豐滿立體，拓寬學(xué)生思維的張力。

（二）簡單機(jī)械中的問題鏈

教師可借助問題鏈進(jìn)行有效的課堂提問，基于高階思維建構(gòu)以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的科學(xué)課堂。

1.圍繞教學(xué)目標(biāo)提問

針對“讓學(xué)生明白杠桿定義”的教學(xué)目標(biāo)，教師可讓學(xué)生嘗試使用給出的各種工具，并找出這些工具的共同特征。

2.從“最近發(fā)展區(qū)”提問

設(shè)計的問題鏈要有一定的難度和挑戰(zhàn)性，并且讓學(xué)生能根據(jù)舊知來整合回答。如讓學(xué)生從常用工具中總結(jié)出杠桿有哪些要素。又如力臂是新的概念，但學(xué)生學(xué)過力的概念，教師就可提問：“力臂與力的三要素有什么不同？僅從力的三要素出發(fā)能描述杠桿嗎？”

3.以進(jìn)階式程序提問

學(xué)習(xí)的過程往往是新知代替舊知、先易后難、層層深入的，問題鏈的實踐過程也一樣需要循序漸進(jìn)、抽絲剝繭。如學(xué)生知道物體的平衡狀態(tài)、物體在水平面上做勻速直線運動時拉力等于摩擦力，教師可分別提問“杠桿平衡是怎樣的”“物體在斜面上，拉力等于摩擦力嗎”。

4.基于拓展遷移提問

教是為了不教，所有的教學(xué)到最后一定是培養(yǎng)學(xué)生的理解應(yīng)用能力。教師要引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識重構(gòu)、內(nèi)化，幫助學(xué)生學(xué)會遷移應(yīng)用知識。在提問的過程中，教師也要有意識地強(qiáng)化這一點。如剛學(xué)完杠桿基礎(chǔ)后，教師可以引導(dǎo)學(xué)生思考“除了平常會接觸到的一些杠桿形式，有沒有發(fā)現(xiàn)什么特別的杠桿或變形的杠桿”，從而引出滑輪。在滑輪原理的實踐教學(xué)過程中，教師要先讓學(xué)生自己動手并根據(jù)杠桿原理的五大要素找一找滑輪的五要素，培養(yǎng)學(xué)生的知識整合遷移能力。

三、在深度學(xué)習(xí)中研析模型建構(gòu)

要掌握概念的本質(zhì)，學(xué)生必須對概念有深度的理解和加工過程，因為“思維是構(gòu)成學(xué)生核心素養(yǎng)的重要方面，科學(xué)教育的根本目標(biāo)是發(fā)展學(xué)生的思維……觀察和實驗只能為我們提供感性的材料，而對事物本質(zhì)的認(rèn)識則需要借助比較分析、抽象概括、歸納演繹等思維方法而獲得”[1]。數(shù)學(xué)模型是解決復(fù)雜問題的常用方法之一，在這一節(jié)的教學(xué)中，筆者就讓學(xué)生運用數(shù)學(xué)模型來分析簡單機(jī)械中力的變化關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入深度學(xué)習(xí)。

例：吸盤式掛桿掛有平底鍋的掛鉤沿光滑水平橫桿從P點開始向吸盤B移動（圖略），若吸盤與橫桿的重力、吸盤大小均忽略不計，設(shè)掛鉤與吸盤A的距離為l，則吸盤B受到的摩擦力F的大小與l的關(guān)系圖應(yīng)該怎么畫？

要解決這個問題，就需要不斷地去研析模型。第一步，找到杠桿的五要素，尤其要確定支點位置；第二步，利用杠桿的平衡條件F1×L1=F2×L2；第三步，建立數(shù)學(xué)模型。通過分析得到G×l＝F×LAB，所以F＝lG/LAB，這是一個正比例函數(shù)。而在現(xiàn)實生活中，掛鉤與吸盤A的距離l是不可能為0的，因此數(shù)學(xué)模型中的前面一段是取不到的。

數(shù)學(xué)模型能將簡單機(jī)械的本質(zhì)概括出來，化繁為簡，使概念更加深化具體。教師引導(dǎo)學(xué)生對數(shù)學(xué)模型結(jié)合實際不能取的一些點進(jìn)行分析，可讓學(xué)生在懂得如何用數(shù)學(xué)模型作簡化的同時，又不忘生活中的實際情況，幫助學(xué)生發(fā)展理解能力和探究能力。

四、應(yīng)用大概念完善模型建構(gòu)

（一）對概念的整合內(nèi)化

模型建構(gòu)是新舊知識間跨越、理解、應(yīng)用和遷移的過程。通過模型建構(gòu)，我們不僅能把圖表數(shù)據(jù)整合起來，培養(yǎng)學(xué)生的理性思維，還能把很多小概念整合在大概念中，使學(xué)生所學(xué)的知識由零碎變得整體化。

（二）簡單機(jī)械中的大概念

溫·哈倫指出：“科學(xué)大概念是有組織、有結(jié)構(gòu)的科學(xué)知識和模型，這些大概念能夠解釋大范圍內(nèi)的一系列的相關(guān)現(xiàn)象?！盵2]浙教版《科學(xué)》九上第三章以“能量”為主線，并貫穿整章。在實際問題中，機(jī)械克服阻力作用所做的功一般由兩部分組成：一部分是克服有用阻力做的功，稱為有用功；另一部分是克服機(jī)械摩擦力等額外阻力所做的功，稱為額外功或無用功。兩者的和就是總功。那么對于簡單機(jī)械，我們?nèi)绾螐拇蟾拍畹慕嵌热ダ斫饽兀?/p>

1.確定合適的大概念

在學(xué)習(xí)簡單機(jī)械之前學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了力和功的基本知識。簡單機(jī)械內(nèi)容是對前面知識的綜合和提高。這其中包含了兩個大概念：力和功。力是改變物體運動狀態(tài)的原因；功是能量轉(zhuǎn)化的量度。教師要引導(dǎo)學(xué)生從這兩個角度去理解簡單機(jī)械。

2.利用概念視覺圖

《簡單機(jī)械》一節(jié)包括杠桿、滑輪、斜面。其中，杠桿的定義、平衡條件、分類，滑輪組的動力、阻力的分析，斜面上物體的受力分析等，均可以由“力”這個大概念統(tǒng)領(lǐng)；有用功、額外功、總功、機(jī)械效率等的分析，則可以由“功”這個大概念切入。為了讓學(xué)生能夠更好地理解復(fù)雜的知識，教師可以使用概念視覺圖讓知識整體化、結(jié)構(gòu)化。

3.抓住概念間的聯(lián)系

教師必須讓學(xué)生清楚力和功的關(guān)系。力（重力、摩擦力、彈力）是物體與物體之間的相互作用；而物體在力的作用下沿力的方向通過了一定距離，就說明該力對物體做了功。重力做的功與路徑無關(guān)，只與物體的始末位置有關(guān)。彈力做功的多少與發(fā)生的彈性形變量有關(guān)。摩擦力做的功與實際路徑有關(guān)。

五、在解決問題中應(yīng)用模型建構(gòu)

對學(xué)生來說，有效的概念學(xué)習(xí)，不是機(jī)械的記憶，而是深刻理解從大量的實驗和廣泛的數(shù)據(jù)統(tǒng)計中揭示的規(guī)律和原理，并將其應(yīng)用于解決實際問題，進(jìn)而在應(yīng)用過程中逐漸提高知識獲取、實踐操作、思維認(rèn)知等能力。知識的遷移與應(yīng)用是知識概念建構(gòu)的拓展和延伸。

而以核心素養(yǎng)為指向的教學(xué)，在很大程度上指向的是一種“解決問題”的能力。教師引導(dǎo)學(xué)生利用模型建構(gòu)可以解決以下幾個問題：（1）杠桿的動態(tài)平衡（解決方法：確定杠桿的五要素，利用杠桿的平衡條件）；（2）杠桿如何最省力（解決方法：確定支點，找到最大的力臂）；（3）變形杠桿，如滑輪、滑輪組（解決方法：受力分析、功的原理）。

例如，浙教版科學(xué)九上在第88頁中呈現(xiàn)了用木棒撬動石塊的生活實例，其目的是讓學(xué)生明白杠桿的支點、動力、阻力、動力臂、阻力臂。筆者認(rèn)為可以深化此圖的作用，如讓學(xué)生思考“要撬動大石塊，教材中給出的是最省力的方式嗎？怎樣才能最省力”等問題，通過實際問題的應(yīng)用，讓學(xué)生產(chǎn)生思維沖突，感知杠桿的支點是可以改變的，要省力就得讓動力臂盡可能地長一些。在實踐中建構(gòu)模型，可使學(xué)生更加靈活地學(xué)習(xí)知識，并抓住知識的本質(zhì)。

六、在歸納實踐中具化模型建構(gòu)

科學(xué)是一門重視怎么做的學(xué)科，模型的建構(gòu)就是做的過程。學(xué)生往往要反復(fù)觀察，仔細(xì)思考，在動手的過程中領(lǐng)悟模型建構(gòu)的方法。

如筆者讓學(xué)生課后自制杠桿，學(xué)生利用一次性筷子或食堂里撈面的木棍等完成。學(xué)生還用自制的杠桿稱量了文具、水果等，這讓學(xué)生明白了確定支點的重要性及生活中處處有科學(xué)的道理。此外，教師還可以引導(dǎo)學(xué)生利用廢棄的硬紙片、針筒或樂高玩具制作簡易的起重機(jī)，讓學(xué)生在動手實踐中體會簡單機(jī)械的應(yīng)用。通過這些活動使模型具化，讓學(xué)生深刻理解簡單機(jī)械的理論知識。

意大利教育家蒙臺梭利有一句風(fēng)靡全球的教育名言：“聽了，會忘記；看了，能記??；做了，能理解?！边@句話告訴我們，通過灌輸，學(xué)生對知識的理解是膚淺的，要讓學(xué)生對知識有深刻的理解，必須讓學(xué)生多活動、多體驗。同時在做的過程中，教師還需要不斷地引導(dǎo)學(xué)生對活動中所獲得的信息進(jìn)行理性分析，讓學(xué)生透過現(xiàn)象看本質(zhì)，進(jìn)而對概念形成深刻的理解。

綜上，模型的建構(gòu)有利于把復(fù)雜的科學(xué)事物和概念抽象化，有利于學(xué)生的科學(xué)探究和思維能力的培養(yǎng)。當(dāng)然，科學(xué)的本質(zhì)內(nèi)涵非常豐富，教學(xué)的方式靈活多樣，模型建構(gòu)只是認(rèn)識世界的一種方法，而不是萬能的。模型的建構(gòu)是一個需要不斷修正的過程，而在這樣的過程中，學(xué)生的探究素養(yǎng)會逐步提高。