经典课例 | 《太阳系》建模的课例研究

小学科学的学习要以学生亲身经历的探究活动为主要途径。科学实验时学生认识自然规律、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，而必须采取模拟的方法进行。夸美纽斯认为：“一切知识都是从感官知觉开始的，一切知识都不应该根据书本的权威去灌输，要尽量利用感官去施教。”

研究起因 教科版小学《科学》六下《太阳系》一课，重点活动是让学生根据八大行星距太阳的平均距离及各行星赤道直径数据表建立太阳系模型。这一活动，不仅可以加深太阳系中的组成天体在学生头脑中的印象，更重要的是可以培养学生的空间想象力和理解力，建立有关宇宙空间的概念。然而教师在教学中，不是纯粹的引领学生分析太阳系的行星数据让学生理解太阳系，就是脱离数据的处理建构模型，使学生对太阳系的认知仍是一知半解。因此，科学组的教师决定以本课为实例，研究如何科学有效地指导学生处理数据，根据处理后的数据建立太阳系模型，使学生在建模过程中清晰地认识到：八大行星在太阳系的空间分布不是均匀的，八大行星的大小差异很大，及在太阳系中，八大行星是十分渺小的等，从而促进学生科学思维的发展。

第一次建模：失败的理想建模 过程描述 本课是根据数据进行建模，仔细分析教材后，发现建模活动有较大难度。其一，对数据进行理解有一定的难度。数据表中的数据项目较多，有行星与太阳的距离，行星的赤道直径，还有自转周期、公转周期。其二，处理数据有难度。在建模时，需要对这些数据进行处理，即按一定的比例缩小天体距离太阳的距离和直径。其三，实际操作有一定难度。要求学生按处理后的数据用橡皮泥捏出各大行星，再按比例建立太阳系模型。 我们进行分析后，决定分两课时施教，本课时重在依据行星距离太阳的距离和行星直径，利用橡皮泥捏出各大行星进行建模。 在教学中，学生认识到表中数据值太大，不易看出数据之间的关系，提出了缩小数据的想法。第一次学生提出缩小20亿倍，算出了各大行星的直径大小分别为： 行星 水星 金星 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星 直径 6.1px 15.129999999999999px 15.945px 8.49px 178.75px 150.625px 63.9px 61.875px 接下来的环节是利用橡皮泥捏出八大行星。看似简单的活动，足足耗费了学生20分钟的时间。临下课10分钟，教师引导学生建模，算各大行星距离太阳的距离，按缩小20亿倍，发现水星距离太阳29米，海王星距离太阳2252米，根本无法在教室乃至操场上完成模型建构。等学生提出再次缩小数据时，下课铃声已经响起。 思考 第一次的建模，只完成了预设教学内容的二分之一，问题在哪里？ 1.对学生处理数据的要求过高。要求学生快速算出各大行星缩小后的直径及距离太阳的距离，学生因数据过于大而算错，尽管教师让学生选择感兴趣的行星进行计算，但还是比较费时。 2.对学生操作要求过高。要求学生根据算出的直径用橡皮泥捏出各大行星，学生在测量上“精益求精”费时良久，而且并不十分精确。 进一步研究的建议 通过教师的合作分析，认识到要让学生通过模型建构来认知太阳系，必须降低要求，提升体验： 1.降低数据处理难度。学生在提出缩小数据时，教师直接给出缩小后的数据。 2.把重点放在模型建构上。舍去捏橡皮泥的环节，直接用配套的缩小20亿倍的八大行星的塑料球模型代替。 3.强化对太阳系的体验，让学生依据最后缩小500亿倍的数据在操场上建模直观体验太阳系。 第二次建模：为了建模的建模 过程描述 这次的跟进教学，旨在降低要求，提升体验，让学生在建模中获得对太阳系八大行星的体验，从而认识到行星的大小差异及渺小。 教学中，学生同样提出了缩小数据的想法。教师给出八大行星缩小20亿倍后的数据及模型，要求学生在桌面上摆出八大行星的模型。学生在摆完模型相互评价的过程中提出各组行星间的距离不一样，提出要统一行星间的距离。教师给出缩小20亿倍后的行星距离太阳的距离，学生发现这个模型在校内根本无法完成建构，提出进一步缩小数据的想法。当教师给出缩小500亿倍的数据后，学生发现虽然在距离上这个模型能在校园操场上建构，但是水星的直径只有0.00976厘米，就是最大的木星也只有0.286厘米。 在临下课的15分钟时，教师提出按缩小500亿倍各大行星距离太阳的距离，到操场上事先划好100米的跑道上，找到八大行星所处的位置。 思考 这一次的建模，虽然预设的任务基本完成，但在教师讨论后，发现学生是在为了教师的建模而建模： 1. 学生建模缺乏动机。建模是为了观察、体验和感悟，建模是为了解决学生原有并不明晰甚至是错误的认识，形成新的科学概念。教师忽视了学生对太阳系的原有认知概念，在教学中不能发现学生对太阳系的前概念认识，教学后学生对太阳系的新认识与原认识之间的矛盾冲突不深刻。 2. 科学思维比科学建模更重要。建模仅仅是一种建构科学概念的手段，脱离思维的建模，只是一种形式上的建模，并不能真正促进学生在科学思维层次上的发展。 进一步研究的建议 1.关注学生对太阳系认识的前概念，引起学生前概念与新认识的矛盾冲突，聚焦学生的矛盾焦点，促进学生科学思维的发展。 2.淡化数据处理过程，强化模型建构体验，重视学生模型建构后的交流，以期达到学生对太阳系的新认识形成共鸣。 第三次建模：前概念冲突下的模型建构 过程描述 有了前两次的建模，这次的教学思路比较明朗化了——基于学生的前概念，以数据为基准，通过建模，修正学生的前概念。 教学伊始，教师先让学生谈谈对太阳系的认识，学生说到了九星连珠、世界末日、行星大冲撞等“天文事件”。教师并不置可否，而是提出让学生参考数据表，用橡皮泥捏一捏八大行星，摆一摆八大行星，来认识了解太阳系。 学生小组间相互评价模型后，提出了行星大小和距离的问题。教师给出了缩小20亿倍后的行星距离、直径的数据表和塑料行星球模型，让学生再次进行模型建构。学生在建构过程中提出需要再次缩小数据。教师给出缩小500亿倍的数据，学生发现在校园内根本无法按比例缩小来建构太阳系模型。 教师在学生有此认识的基础上，让学生谈谈对太阳系有什么新的认识。学生说到了太阳系的范围很广大、行星间的大小差异很大。教师进一步引导学生到操场上摆一摆塑料模型球，再看一看太阳系，有什么新的发现。学生通过找、摆、看后，在进一步的交流中体会到了太阳系中行星的渺小，行星间的距离不均等，对九星连珠、世界末日、行星大冲撞等“天文事件”提出了自己新的看法。 后续的研讨与观点 这一次的建模，颠覆了前两次教师主导下的建模，以学生的前概念为出发点，引导学生以数据为基准点，通过建模寻找证据，在建模过程中不断反思，形成新的认识，修正自己原有的错误前概念。学生有了模型建构下的太阳系的新认识，也对教材中的太阳系插图提出了质疑：行星大小比例和距离都不科学，达到了科学模拟实验促进学生科学思维发展的目的。 在研究的过程中，我们也逐步体会到了作为学生探究实验的重要组成部分——模拟实验，在教学中必须注重它自身的特点： 1.模型尽量接近原型。 模拟是一种间接的实验方法，它是根据模拟对象的本质特性，建立或选择一种与对象客体一致或相似的模型，在模型上进行实验研究然后将研究的结果推广到对象客体中，从而达到解释对象、认识对象的目的。所以模型的科学性，直接关系到学生科学概念建构的正确性。 当模型的建构需要放大或缩小、加快或减慢，以便于学生更细致地观察时，教师必须让学生明确更改的变量。如第三次建模时，教师要求学生到操场上按缩小500亿倍的距离摆放缩小20亿倍的模型，学生明白如果摆放缩小500亿倍的行星，那根本就看不到行星，就是缩小20亿倍的行星，行星之间用肉眼也很难看到，从而体会到了行星的渺小和太阳系的浩瀚。 2. 要建立模型与原型之间的沟通。 建构模型的目的是为了更好地认识原型，从而掌握有关原型的客观规律和科学知识。因此，在模型的建构后，教师要引导学生将对模型的观察、思考、分析的结果推理到原型之中，站在原型的层面来认识。如第三次建模过程中，教师两次要求学生根据模型来谈谈对太阳系的新认识，就是为了唤起学生从模型中看原型的意识，并以此引起学生原有对太阳系的前概念与新认知之间的冲突，达到模型与原型之间建立良好的认知沟通，发挥模型对认知建构的作用。 总之，在小学科学模拟实验的实践教学中，教师必须牢牢把握促进学生科学思维发展这一核心任务，只有这样，学生才能在不断的科学实践过程中，体验学习科学的乐趣，增长科学探究能力，获取科学知识，形成尊重事实、善于质疑的科学态度，从而获得科学素养的提升。