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1、 鎏遵 堂 教 学 中 建 构 模 型 的 策 略 陆 逊 一种 重 要 的科 学 学习内容中蕴含 l j 的 素材 。 用好 挥 模 型 的作 用 ， 学 学 习的 质量 。 扰是模 拟所 要 研 勾 形 态 或运 动 形 ) 某个 表征 和体 系型的抽象和概 型 的全 部特 征 ， 质特征 。模型 习中事物之间的 可模拟生活经验 ， 建筑模型可 以 览 ； 人体构造复 ； 条 件 ， 利 用模 型 方法 。 勿 理 学家钱学森 是这样 概括的 ： “ 模型是通过对 问 题 的分 析 ， 利用 我们 考察来 的机 理 ， 吸收一切主要 因素 ， 略去一切 不 主 要 因素 所 创 造 出来
2、的一 幅 图 画 。 ” 建 构 模 型 包 括模 型 和 模 型方 法两 部 分 。 模型一般可分为物理模型 、 数 学模型和概念模型。 模 型 物理模 型也叫实体模型， 就是 根据相似原理 ， 把真实事物按 比例 大小放 大或缩小制成的模型 ， 其状 臣蔓 匝圃 8 态 变 量和 原 事物 基 本相 同 可 以模 拟 客观 事物 的某 些 功能 和性 质 。 数 学模 型就是对 一个特定 的 事 物 ， 为 了 一 个 特定 目标 ， 根 据 特 有的内在规律， 作出一些必要 的简 化假设 ， 运用适 当的数学工具 ， 得 到 的一个数学结构 。数学结构可 以是 数学公 式 、 算法 、
3、表格 、 图示 等。如果其变量中不含时间因素 ， 则 为静态模型 ； 如与时问有 关 ， 则 为动态 模 型 。 概念模型是用抽象 的语言 、 图 表 、 数 学符 号 等 表述 的模 型 ， 主 要 是 概 念 图 。概 念 图 是 一 种 组 织 和 表征 知 识 的 工 具 。 它 通 常 是 将 有 关 某一 主 题 的 不 同 级 别 的概 念 或 命题置于方框或圆圈中 ， 再 以各种 连线将相关 的概念或命题连接 ， 形 成关 于该 主 题 的 概念 或 命 题 网 络 。这 种把 概念 之 间 的意 义 联 系 ， 以科学 命 题 的 形 式 有 机 地 联 系 起 来 的空 间
4、 网络 结 构 图 ， 就称 为概念 图 。 常 见的概念模 型可 以分 为以 下几 种类 型 ： 第 一 ， 用 抽 象 语 言 表 述 的模 型 。如“ 物体一般都有遇热膨胀 、 遇 冷 收缩 的性 质 ( 热 胀 冷缩 ) ” ； “ 由 于大气 中二氧化碳等温室 气体的 浓度增加 ， 地球散发热能的本领减 弱 ， 地 球 大气 温 度 缓 慢 升高 ( 温 室 效应 ) ” ； “ 繁殖 是 生物 的共 同特 征 ” ； “ 光合作用是一切生命生生不息 的 动力” 等 ， 都是从一般事物和现象 型型 型型 模 模 模 模 物拟片态态 实 模 图静 动 型 型 型 模 模 模 理 学 念
5、 物 数 概 中归 纳 出来 的语 言 。 第二 ， 图表模 型 。图 表是 注 明 各种数字并表示各种进度情 况的 图 册 和 表 格 ， 直 观 、 一 目了 然 。如 “ 太阳系 8 颗行 星的卫 星数量柱形 图” “ 科学实验步骤循环图” 。 第 三 ， 用数 学 语 言描 述 的模 型 。它可 以是一个或 一组代数方 程 ， 也可 以是某 种 数学符 号 的组 合 ， 由此可以定量或定性地描述系 统各变量之 间的相互 关系或 因果 关系。如 1 光年大约等于 9 5 万亿 千米 ； 21 2 岁儿童 的身高= 年龄 5 + 7 5 ( 厘 米 ) ： 1 T = 3 1 4 1 5
6、9 2 6 ( 圆周率) 等。对于小学生而言 ， 实 物模 型容易理解和运用 ， 而概念模 型相对 比较抽象 ， 可以理解为 ： 在 整理 、 分析信 息基础上得到的“ 结 论 ” 。 认 知 心理 学 认 为 ， 人 的知 识经 验既包括概念 系统 ， 又包括表象 。 前 者 有 概 念 、 原 理 、 规 律 、 理 论 ， 后 者 的成分包含 观念和 印象 。当代 不少学 者都 主张把表象看作是 一 种符号要素 ， 与语言等其他符号要 素一样具有抽 象 、 概括 、 组合 和再 组合 的功能 ， 因而能构成思维的操 作 ， 所 以模 型提供的观念和 印象 ， 不 仅 是 学 生进 一 步
7、 获 取 系 统 知 识 的条 件 ， 而 且 是学 生 认 知结 构 的组 成 部分 。 模 型方 法是通过 构建模 型来 研 究 、 揭示 原 型 的 形 态 、 特 征 和本 质的方法 ， 是逻辑方法的一种特有 形式。在 以往常规 的科学课堂上 ， 大多只讲授科 学研究所取得 的结 果 ， 而对于科学家们在研究过程中 所采用 的方法 ， 以及研究 的思路却 很少提 到 ， 实际上这等于“ 授 之以 鱼” ， 而没有“ 授之 以渔” 。所以 ， 学 生学 习科学探索 的方法是 十分 重 要 的。模型方法是科学研究 中的 ( ： 一种重要方 法， 这种科学方法 的学 习和应用 ， 有利于学生
8、形成系统 的 科 学认 知观 。 一 、问题 透视 模型是表达 自然事物 、 自然现 象 的特 征及其变化规律 的一种方 式 ， 它表现被研究对象各组成因素 及其 因果关 系 ， 反映 自然事物 、 自 然现象的结构 、 特征及 内在联系。 科学实验是学 生认识 自然规 律、 建构科学概念的重要手段。当 学生不能直接将实验手段作用 于 所研究的现象或对象时 ， 就应当采 取模型的方法进行 ， 建构模型是简 洁、 准确地解释探究过程和探究结 果的好方法。 建构模 型具有三大功能 。首 先 ， 它可 以使 问题大为简化 ， 从中 较为方便地得 出许 多科 学的基本 规律 。其次， 可以对模型讨论的
9、结 果稍加修正 ， 然后用于实际事物的 分析和研究中。最后， 它有助于对 客观世界的真实认识 ， 达到认识世 界 、 改 造世 界 、 为 人 类 服务 的 目 的。具体作用包括 ： 建构模 型可 以培养学 生的创 新意识 。模 型本身就很具创新性 ， 模型 的建立也 就是 一个创新的过 程 ， 如果教师在教学过程 中 ， 用建 构模型 的创新思路启发学生， 就可 以培养学生的创新意识。 建构模 型可 以培养学生 正确 的思维方法 。建构模 型也是一种 严密的思维方法 ， 教学 中 ， 通过对 模型的设计思路及分析的教学 ， 能 培养学生对复杂 的科 学问题 进行 具体分析 、 区别主要因素和
10、次要 因 素 、 抓住 问题 的本质特征 、 正确运 用抽象思维 的方法处 理问题的能 力 ， 有助 于学生思维 品质 的提 高 ， 有助于培养学生的创新思维。 学生建 构模型的水平 可以分 臣至互豆圃 9 为 四个 层级 ： 第一层级 ： 建构和使用模型对 单一的 自然现象进行原意描述 ； 将 模 型视 为一种 向他人展示事实现 象而不是生成新知识 的工具。 在该层级 ， 学生尚不能认识到 模 型可根据新的理解进行修改的 性质 ， 而是以正确或错误 的绝对观 讨论模 型 。学生常用好或坏 的标 准比较和评价模型。 第二层级 ： 能基于证据建构和 使用一种模型来说 明某一种 自然 现象产生的原
11、 因； 将模型视为交流 自己的想法而不是支持 自己的思 考 的一 种工 具 。 在该层级 ， 学生能根据从权威 处获得 的信息， 而不是从现象或新 的解释机制 中获得 的证据修 改模 型 。学生进行修改 的 目的是 改进 细节 ， 增加新信息 ， 而不是考 虑模 型 的解 释力 或 加 强 与 经 验证 据 的 吻合度 。 第三层级 ： 建构和使用多种模 型解释 和预测 一系列 相关的 自然 现象 ； 将模型视为一种可以帮助他 们思考 的工具； 在建构模型的过程 中， 能基于不同模型在解释力和预 测力方 面的优劣势进行分析， 认识 到存在非唯一模型的可能。 到达本层级的学生 ， 修改模型 的
12、目的在 于与经验证 据相符 和提 升模型机制表 达的清晰程度 。学 生在比较模型的基础上 ， 考虑其中 的不 同成分 和关 系与证据 的匹配 性 ， 以提供一个更具机制的解释。 第 四层级 ： 能很 自然地建构和 使用模 型协助 自己思考 ； 能根据不 同的模 型来思考 自然 界的现象规 律 ； 能建 构和使用模 型 ， 对 自然现 象 提 出新 的问题 。 学生在修改模 型时 ， 首先要考 虑的是增强模型的解释力， 其次才 是支持这些改变的经验证据 ， 其 目 的是发展可进一 步得 到证据检验 的探究性 问题 。学生在评价竞 争 性模型的基础上 ， 整合模型的不同 层 面， 以增强模型的解释
13、力和预测 力 。 在进行建构模 型的教学过程 中 ， 常常存在下面一些问题。 ( 一 ) 片 面 强 调 传 授 知 识 或 培 养应 用 能 力 传统教学中， 片面强调传授知 识或培养应用能力 ， 以“ 传授式” 的 教 学活 动为 主 ， 这种教 学是 一种 “ 掐 头 去尾 ” 式 的教 学 ， 注重 对学 生 进行 已有知识的传授这一 中间段 ， 忽视了科学发现的过程 ， 忽视了知 识 的应 用过 程 ， 而这 些过 程 恰恰 对 学 生 应 用 能 力 的 培 养 至 关 重 要 。 建构模 型中的问题情境是对客观 世界中对象的描述 ， 学生需要根据 自己头脑 中所拥有的知识结构 ，
14、 将 实 际问题进行抽象 ， 转化为模 型。 经过这一过程 ， 学生才能真正掌握 并深刻理解生物学概念 、 生命活动 规律 ， 同时提高解决实际问题的能 力 。 案例 ： 探 究 、 体 验肌 肉 的作用 师 ： ( 课件 出示 ) 下 面我 们 继 续 用 这 种 方 法 来研 究肌 肉有 什 么作 用 。 A 关于肌 肉你 都 知道 些什 么? B 肌肉有什 么特点? C 你 能 猜 测 出肌 肉有 什 么作 用 吗 ? D 你 想 怎样验 证 ? ( 学生讨 论 、 交流 。 ) 师 ： 我 们 已经 知 道 人 体 有 2 0 6 块 骨 头 ， 与之 相 连 的有 六 百 多块肌 肉
15、 。 ( 板 书 ： 六 百 多块 ) 肌 肉有 什 么 作 用 ? 下 面我 们 来做 一 个体 验 活 动 。老师为你们每个 小组都准备 了这样 一个瓶 子 ， 请你 完成伸臂 、 曲臂 运 动 ， 用手 摸 一摸 并观 察 上臂 骨肌 肉的变化 。 ( 学 生活动 。 ) 师 ： 下面请 同学们谈 一谈你在 活动 中的感 受。 生 1 ： 我 感 觉胳膊 向上屈 肘 时 ， 胳 膊 上 面 的 肌 肉鼓 起 来 。伸 开胳 膊这 块 又平 了。 生 2： 上 面 的 肌 肉 还 很 硬 。 下 面 的肌 肉也 跟 着动 。 师 ： 当 同学们 摸 到胳 膊 上 面肌 肉变 大 了， 变硬
16、 了， 鼓起 来 了 。 猜 想 一下 ， 为什 么会这 样 呢? 生 ： 有 可 能是肌 肉往 一起 聚 了 。 师 ： 当肌 肉鼓 起 来 的 时 候 。 这 就 是 肌 肉 的 收 缩 。 什 么 是 肌 肉 的 收 缩 呢 ? 我 们 来 做 一 个 模 拟 实 验 。 ( 出示 海绵 ) 我 们 用 海绵 来模 拟 肌 肉。 ( 模 拟 演 示 ： 怎 样 才能 让 它鼓 起 来 ? ) 肌 肉是 由圆柱状 的肌纤维 组 成 的， 而肌纤维中包含有许多纵 向 排列的肌原纤维 ， 它是肌肉收缩的 装置 。肌原纤维 由粗丝和细丝相 互穿插排列 ， 肌 肉的收缩是粗丝和 细 丝 发 生 相 对 运 动 的 结 果 。教 师 在教学过程中 ， 希望用海绵作模型 来建构肌 肉的收缩机制 ， 因为不理 解 肌 肉 收缩 的 内在 机制 ， 所 以只 是 着 眼于肌 肉收缩 的外在表现 。其 实 研 究 肌 肉 的 收
