模型是人們對客觀事物及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律做出的簡化描述、概括、模仿或抽象。[1]科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中共計(jì)出現(xiàn)“模型”208次，且首次明確地將模型建構(gòu)作為科學(xué)思維的重要組成部分。模型建構(gòu)是運(yùn)用模型直觀和簡約地描述或呈現(xiàn)客觀世界中無法直接觀察的對象、原理或過程，[2]它既是科學(xué)探究的重要方法，又是認(rèn)識(shí)事物的重要手段。模型建構(gòu)體現(xiàn)在：以經(jīng)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ)，對客觀事物進(jìn)行抽象和概括，進(jìn)而建構(gòu)模型；運(yùn)用模型分析、解釋現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、關(guān)系及變化過程。在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力，是提升他們核心素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。

一、核心素養(yǎng)下模型建構(gòu)能力的內(nèi)涵

模型建構(gòu)能力是指通過分析、推理等方法認(rèn)識(shí)研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型，或借助類比、想象等方法，得出切合實(shí)際的、有助于理想問題解決的理想模型，并能運(yùn)用模型解釋科學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律的能力。[3]課程標(biāo)準(zhǔn)將科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)劃分為四個(gè)學(xué)段，其中關(guān)于模型建構(gòu)的具體描述見表1。

根據(jù)小學(xué)科學(xué)模型的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)思維的學(xué)段劃分，模型建構(gòu)能力可以細(xì)分為模型理解能力、實(shí)體模型體驗(yàn)、模型建構(gòu)能力三個(gè)層次（見表2）。這三個(gè)層次相輔相成，都是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的重要環(huán)節(jié)。學(xué)生通過學(xué)習(xí)和實(shí)踐，可以加深對科學(xué)模型的理解，提高使用模型的能力，進(jìn)而提升科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。

二、模型建構(gòu)能力培養(yǎng)的教學(xué)實(shí)踐

六年級《太陽系》一課的內(nèi)容有其特殊性。在地球與宇宙領(lǐng)域中，有關(guān)現(xiàn)象、規(guī)律的知識(shí)往往是抽象、復(fù)雜的，這部分內(nèi)容對學(xué)生來說存在一定的認(rèn)知難度。而模型作為科學(xué)研究中認(rèn)識(shí)事物的一種特殊工具，正是架在學(xué)生主體認(rèn)識(shí)與原型客體之間的“橋梁”，它將不可見的、抽象的事物和現(xiàn)象形象化，便于學(xué)生理解和研究。課程標(biāo)準(zhǔn)在核心概念“宇宙中的地球”中對5～6年級的建議是：制作以太陽為中心、由八顆行星組成的太陽系模型， 呈現(xiàn)太陽系的大致結(jié)構(gòu)，了解恒星、行星與衛(wèi)星的區(qū)別?！澳芨鶕?jù)證據(jù)改進(jìn)實(shí)物模型的設(shè)計(jì)和制作”是該學(xué)段學(xué)生在探究實(shí)踐中應(yīng)達(dá)成的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

1.審辨思考，喚醒建模認(rèn)知

教師向?qū)W生展示兩張關(guān)于太陽系的圖片（如圖1），一幅源自科學(xué)教材，一幅源自科普網(wǎng)站。兩幅圖片在天體之間的大小比例、相鄰天體之間的距離關(guān)系等方面都存在著差異。那么，哪幅圖片能夠反映太陽系的真實(shí)情況呢？學(xué)生一時(shí)難以判斷。

師：要想知道太陽系中八顆行星真實(shí)的大小與位置關(guān)系，我們需要知道哪些數(shù)據(jù)？

生：太陽系中各天體的大小和到太陽的距離。

師：課前，我們收集了太陽與八顆行星的直徑以及八顆行星到太陽的距離等數(shù)據(jù)。利用這些數(shù)據(jù)，我們可以建構(gòu)一個(gè)太陽系的模型，幫助我們更加準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)太陽系。

學(xué)生對太陽系的認(rèn)識(shí)往往源于曾經(jīng)閱讀過的圖片資料，但圖片資料上的太陽系是準(zhǔn)確的嗎？為了說明這一點(diǎn)，教師呈現(xiàn)了兩幅關(guān)于太陽系的圖片，引導(dǎo)學(xué)生通過對比發(fā)現(xiàn)兩幅圖片呈現(xiàn)的太陽系中天體的大小和位置關(guān)系并不一致，由此引發(fā)他們思考，進(jìn)而意識(shí)到要收集和分析太陽系的相關(guān)數(shù)據(jù)，并利用數(shù)據(jù)建構(gòu)模型。此環(huán)節(jié)中，教師通過引導(dǎo)學(xué)生批判性地審視資料，讓他們產(chǎn)生認(rèn)知沖突，激發(fā)他們認(rèn)識(shí)太陽系的興趣，為建構(gòu)模型活動(dòng)的開展奠定情感基礎(chǔ)。

2.軟件模擬，構(gòu)建整體圖景

課程標(biāo)準(zhǔn)建議，教師應(yīng)利用信息技術(shù)，如虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)等輔助手段，讓學(xué)生比較直觀、便捷地學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，人們可以在虛擬的數(shù)字空間中模擬真實(shí)世界中的事物，建立起一個(gè)逼真的、虛擬的、交互式的三維空間環(huán)境，從而更好地理解和解決復(fù)雜的問題。

在浩瀚的宇宙中，人類已經(jīng)觀察到的星系數(shù)以億計(jì)。銀河系中有幾千億顆恒星，太陽就是銀河系中具有代表性的一顆恒星，在太陽的周圍，又有眾多的天體圍繞它運(yùn)轉(zhuǎn)。這個(gè)以太陽為中心的天體系統(tǒng)就是太陽系，它與人類的生存有著密切的關(guān)系。宇宙之宏大使其難以在學(xué)生的頭腦中形成清晰的圖景，而虛擬仿真軟件建構(gòu)的三維立體模型可以多角度、全方位地呈現(xiàn)研究對象，是重要的認(rèn)識(shí)工具，對學(xué)生認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)宇宙、星系、天體等宏觀對象起到重要作用。了解組成太陽系的天體是本課的教學(xué)目標(biāo)之一，部分學(xué)生雖然對它有一定的認(rèn)識(shí)，但認(rèn)識(shí)不夠完整，而虛擬仿真軟件“太陽系3D：太陽系的地圖集和模擬器”可以讓他們生動(dòng)直觀地觀察人類所觀測到的宇宙面貌。通過軟件構(gòu)建的模型，學(xué)生的注意力一步一步從浩瀚的宇宙聚焦到太陽系，從而對組成太陽系的天體有更直觀的認(rèn)識(shí)，了解到太陽系由太陽、八顆行星、冥王星、衛(wèi)星、慧星以及數(shù)量龐大的小行星組成。這樣既讓學(xué)生對宇宙的整體情況有了初步的認(rèn)識(shí)，又激發(fā)了他們研究太陽系的濃厚興趣。

3.聯(lián)系生活，建構(gòu)實(shí)物模型

為了了解太陽與八顆行星之間的大小關(guān)系，教師可以引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)天體的直徑建立太陽與八顆行星的大小關(guān)系模型。于是，教師在課前組織學(xué)生收集了太陽與八顆行星的直徑的數(shù)據(jù)，培養(yǎng)了他們收集、整理信息的能力。但直接用天體的直徑建構(gòu)等比例模型是無法操作的，學(xué)生意識(shí)到需要先縮小，再建模。

師：直接用這些數(shù)據(jù)建立太陽系模型可以嗎？

生：不可以，太大了，要縮小。

師：我們先來考慮太陽。如果我們希望太陽模型能夠放進(jìn)教室里面，縮小10倍行嗎？

（編者注：本文保留了課中“縮小10倍”的說法，下同。）

生：不行。

師：縮小100倍呢？

生：不行。

師：如果我們把太陽縮小到這么大（在黑板上貼上太陽的圖片，直徑是140厘米），知道我縮小了多少倍嗎？這個(gè)太陽模型是我們在真實(shí)太陽的基礎(chǔ)上縮小了10億倍。如果我們把操場縮小1000倍，操場就只有手機(jī)屏幕那么大，如果再縮小1000倍，就只有一粒鹽那么大。把太陽縮小10億倍后，它的直徑就只有140厘米。接下來，我們繼續(xù)想想，要建構(gòu)太陽系模型，只縮小太陽行嗎？

生：不行，八顆行星的大小及其到太陽的距離都要縮小10億倍。

師：八顆行星的直徑以及它們到太陽系的距離縮小10億倍之后是多大呢？大家可以算一算。老師給大家提供了一些生活中常見的物體：胡椒、豌豆、彈珠、椰子、臺(tái)球、皮球。請大家根據(jù)縮小后的數(shù)據(jù)，選擇合適的物體模擬各行星，并按照與太陽的距離從近到遠(yuǎn)的關(guān)系排序。

太陽系中的天體距離學(xué)生的日常生活過于遙遠(yuǎn)，這將導(dǎo)致學(xué)生出現(xiàn)認(rèn)知困難。因此，在建構(gòu)模型時(shí)，教師要充分喚醒學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)他們主動(dòng)觀察和研究。怎樣將八顆行星與學(xué)生的生活聯(lián)系起來，幫助他們建構(gòu)對行星之間大小關(guān)系的認(rèn)識(shí)呢？教師可以選擇生活中常見的球狀物，如用臺(tái)球、椰子等模擬縮小10億倍之后的行星，這樣做能有效幫助學(xué)生建構(gòu)對太陽系中天體大小關(guān)系的認(rèn)識(shí)，更能夠培養(yǎng)他們用身邊的物體建構(gòu)模型的意識(shí)和能力，讓他們在今后研究或解決太陽系的相關(guān)問題時(shí)，能立即與身邊的物體產(chǎn)生聯(lián)系。反之，當(dāng)學(xué)生看到身邊的這些物體時(shí)，也能立即聯(lián)想到太陽系中天體的大小關(guān)系。

建構(gòu)模型可以分步驟完成。學(xué)生基于八顆行星的大小數(shù)據(jù)，利用身邊常見的球狀物體建立了描述八顆行星大小關(guān)系的實(shí)物模型之后，教師就可以引導(dǎo)他們在此基礎(chǔ)上繼續(xù)建立八顆行星與太陽之間的距離關(guān)系模型了。

師：通過數(shù)據(jù)處理，我們把太陽系的主要成員都集中在了我們的課桌上。請問，太陽系模型建構(gòu)完成了嗎？

生：沒有，盡管縮小了10億倍，但它們到太陽的距離還是太遠(yuǎn)，根本沒辦法按縮小后的距離在教室里擺出來。

師：既然教室里面擺不出來，我們可以考慮在哪兒擺呢？

生：操場！

（教師出示學(xué)校衛(wèi)星地圖，如圖2。）

師：如果我們把太陽放在操場中央，水星應(yīng)該放在哪兒呢？

生：距太陽模型58米遠(yuǎn)的地方。

師：將太陽系縮小10億倍之后，代表水星的胡椒應(yīng)該放在距離太陽58米遠(yuǎn)的地方，也就是在操場外面的工地上。

（隨后，教師在衛(wèi)星地圖上依次展示太陽系縮小10億倍之后各天體模型相對于太陽模型的位置如圖3所示。例如，太陽系縮小10億倍之后，代表海王星的臺(tái)球距離太陽模型4504米，應(yīng)該放在四川大學(xué)校園里面。）

學(xué)生在對太陽系進(jìn)行建模時(shí)，盡管縮小了10億倍，八顆行星模型到太陽模型的距離依然太遠(yuǎn)，在校園里根本無法建立完整的太陽系模型。因此，教師運(yùn)用地圖軟件，通過在衛(wèi)星地圖上標(biāo)注天體模型位置完成建模，將八顆行星與太陽的距離關(guān)系在地圖上模擬展現(xiàn)。一個(gè)宏大的圖景展現(xiàn)在學(xué)生的眼前，最終在他們頭腦中建構(gòu)出一個(gè)令人震撼的思想模型，使他們對太陽系的認(rèn)識(shí)更加完整。

4.綜合思考，完善整體認(rèn)識(shí)

本課的教學(xué)目標(biāo)不局限于讓學(xué)生了解太陽系的相關(guān)知識(shí)，還關(guān)注對他們科學(xué)態(tài)度的培養(yǎng)。教師在引導(dǎo)學(xué)生批判思考的基礎(chǔ)上重點(diǎn)關(guān)注對科學(xué)方法的滲透，通過建構(gòu)模型幫助他們建構(gòu)認(rèn)知。

師：通過剛剛的學(xué)習(xí)，你們有什么體會(huì)？

生：太陽系太大了。

師：是的，太陽系確實(shí)很大。所以我們在研究太陽系時(shí)，用到的一個(gè)重要的方法是什么？

生：建構(gòu)模型。

生：太陽系的天體之間大小差異很大，它們之間的距離也很遠(yuǎn)。

師：那么，我們在書籍、網(wǎng)站上看到的圖片資料能反映真實(shí)的太陽系中的天體關(guān)系嗎？

生：不能。

師：對，通過建模我們發(fā)現(xiàn)，太陽系中的天體很難按照真實(shí)的比例關(guān)系在圖片中展示出來，我們在書籍、網(wǎng)站上看到的太陽系圖片只是太陽系中各天體的示意圖。所以，我們在閱讀資料的時(shí)候要采取科學(xué)的方法，理性地判斷和分析，建構(gòu)模型就是幫助我們認(rèn)識(shí)事物的重要手段。

對科學(xué)模型建構(gòu)教學(xué)的實(shí)踐是落實(shí)課程目標(biāo)的重要探索。[4]本課中，教師引導(dǎo)學(xué)生利用身邊的物體建構(gòu)實(shí)物模型，形成對太陽系天體大小關(guān)系的認(rèn)識(shí)；利用地圖建構(gòu)思想模型，形成對太陽系天體距離關(guān)系的認(rèn)識(shí)。至此，學(xué)生對太陽系整體圖景的建構(gòu)才得以進(jìn)一步完善。綜合運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)、實(shí)物模型和思想模型，可以幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)和研究“地球與宇宙”單元時(shí)，掌握事物和模型間的聯(lián)系和區(qū)別，有助于他們形成系統(tǒng)與模型的跨學(xué)科概念，實(shí)現(xiàn)深度理解，發(fā)展科學(xué)思維，提升探究能力。

參考文獻(xiàn)

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[2]潘利峰，劉國良.模型建構(gòu)在小學(xué)科學(xué)深度探究中的運(yùn)用——以蘇教版科學(xué)為例[J].教學(xué)月刊小學(xué)版（綜合），2020（12）.

[3]張嬌珍，張秀琴.核心素養(yǎng)下“物理模型建構(gòu)能力”培養(yǎng)策略——以“運(yùn)用‘質(zhì)心法’分析水平圓盤連接體模型”為例[J].福建基礎(chǔ)教育研究，2023（07）.

[4]史加祥.新課標(biāo)背景下小學(xué)科學(xué)模型建構(gòu)的教學(xué)理解與實(shí)踐[J].中小學(xué)課堂教學(xué)研究，2022（07）.