基于建模思想的教学支架策略在“地球与宇宙”教学中的运用

◇沈卫东（浙江：海宁市周王庙小学）

“地球与宇宙”教学中的有关现象、事物和规律，具有时间和空间的复杂性，需要进行实地观察、长期观测。实地观察、长期观测，既能丰富学生的感性认识，更有助于激发学生对地球和宇宙的探究热情，发展学生的空间想象、模型思维、逻辑推理等能力。由于宇宙天体与小学生所处的生活空间距离较远，进入该领域时，小学生的抽象思维和空间想象普遍都难以实现学习这一领域知识所需要的水平，积累的事实很难主动上升到概念化水平，空间思维的运行也由于缺少载体而难以发展，逻辑推理亦由于缺少运载过程而显得模糊不清、断断续续。实际教学时，“地球与宇宙”单元的教学难点多，负载的培养学生空间想象、模型思维、逻辑推理能力的任务难以实现。如果不能给学生搭建攀爬的台阶，课堂上就很难有效突破。

一、小学科学“地球与宇宙”教学现状与分析

从“地球与宇宙”单元的教学内容看，虽然我们生活在宇宙之中，但其与我们的生活时空差距很大。相对而言，宇宙中的时空是宏观的、抽象的，而我们生活的时空是中观的、具体的。我们对宇宙中的现象缺乏具体的生活经验与感受，在实际教学中，受天气、时间、空间、评价方式、教师不同的教学价值观等影响，会出现几种不同的教学问题。

教师对“地球与宇宙”中的有关现象、事物和规律的复杂性没有充分认识，因此在教学中存在以教师灌输代替学生自主探究和教师为考而教的现象。这不仅不能让学生理解掌握宇宙天体知识，感受到浩瀚宇宙无穷的魅力，而且容易让学生产生厌倦怕学情绪，继而影响到学生探索宇宙的兴趣。

教师没有实地观察、长期观测的实践经历，也缺乏长期观测的意识，对长期观测中积累的感性认识、主体思维历程缺乏必要的认识。教师没有提早布置观察任务，往往在学生经验不足、积累不够时就开展教学活动，这样，在后续的活动中把大量的时间都用在事实性材料的呈现上，学生还没来得及产生体验与思考，就指向了结果，显然对过程与方法的领悟未实现目标。

对一线教师造成困惑的最主要原因是，教师重视实地观测，也坚持观测的长期性，后续亦对事实进行了整理，但教学活动中对小学生的抽象思维和空间想象能力把握不精准，没有在关键处为学生的学习搭建有效的支架，造成学生对知识的理解是一种“嵌入式”的，而不是在原有知识与生活经历的基础上的一种演绎、归纳与提升。因此学生对浩瀚宇宙中天体之间的相对运动形成的月相、日食、月食等现象，难以在脑海中加以想象，构建不了应有的天体运行模型。

小学生的抽象思维和空间想象能力有限，对形象直观的事物比较容易接受，对认识事物的本质规律有相当大的难度。虽然学生对浩瀚宇宙中天体之间的相对运动形成的月相、日食、月食等现象理解困难，难以在脑海中予以想象，但科学课堂教学却可以利用这种空间大、时间跨度长的优势，让学生充分经历后实现“知其然且知其所以然”的目的，抓住这个空间想象、模型思维、逻辑推理等能力可迅速有效发展的关键时期，优化学生学习能力。

二、基于建模思想的教学支架策略

要了解一些天文现象产生的原因，主要是让学生通过活动，建立模型，提出假说，并简单地进行科学解释。建立模型的科学探究活动是本单元的学习方式，也是为了理解事物而对事物做出的一种抽象，是对事物的一种描述方法。小学科学课堂中的建模，主要指运用多手段、多途径，帮助学生建立宇宙空间模型，从而理解宇宙运行变化的一些简单规律。本文所指的宇宙空间模型，不仅指将宇宙空间小型化的模型，还指帮助学生建立一种合理的想象，让宇宙中各种天体不断运动变化及产生的现象在学生的面前展现，并最终组合形成大脑中的宇宙空间模型。它是学生学习过程中的一种支架，是帮助学生从具体走向抽象的一种实物，也是转化的一种需求。

（一）趣味参与，搭建立体支架

遥远的天空看起来像一个大锅反过来盖在上面，无数的星星像一个个亮点贴在锅上。小学生对于平面和立体有了一定的认识，但局限于学生周围的世界。离开身边的实物，一下子要认识如此庞大的宇宙空间，对学生来说不可想象。如，在教学《认识星座》一课时，先PPT 出示星空图片，引导学生观察星空，此时，学生感受到了平面上几个天体之间的位置关系。如何通过学生的建模过程，帮助学生从“平面”的星座一步步走向“立体”的星座，是本活动的学习重点。星座的远近和我们视觉上形成的平面构图之间的关系，是本课教学的难点，也是学生生活经验和已有知识的薄弱地方，更是学生最难理解之处，需要教师想办法突破。教科书设计让学生按要求去做模型，打孔挂线吊小球。然而，在试教过程中我发现，这个环节需要非常多的时间，会减少学生对模型的观察与思考时间。另外，悬挂的小球由于不停地晃动，需要学生不断地去控制小球，对学生活动的有效性也造成了一定的影响。建立星座模型，不仅仅是建立一个模拟模型，更重要的是，在学生的脑海中形成一个星座模型。鉴于这几点思考，我在建立模型的过程中制作了一个大型的北斗七星模型，并将书上悬挂后照射的模型改成了自己发光的模型。这样的模型更符合星空的特点，能把更多的时间让给学生开展更有价值的观察活动，提高课堂的教学效率。

（二）体验活动，搭建距离支架

广阔的宇宙无边无际，在学生眼中，遥远的天空中所有的星星远近都差不多。学生大多认为，所有的星星分布在广阔的天穹之中，只是位置不同而已。学生还有一个认识误区，即“近大远小”。学生从自己观察的角度出发，获得信息，认为远方看起来大的星球离我们近，看起来小的离我们远。如何打破学生认知的误区呢？我们可以带学生到操场上建立一个模型。在操场上放置一个垒球和一个足球，其中足球离学生远一点，垒球近一点。让学生观察大小、预测它们的远近后，慢慢靠近两个球，让他们逐渐调整自己的认知，逐步建立一定的空间观念。

理解北斗七星是距离我们有不同远近的天体，对学生的空间想象能力提出了很大的挑战，对空间的想象和理解，学生是有较大的困难的。让学生凭空建模、建立起立体的概念是有难度的，应将学生建模的过程，根据学生的认知规律和知识的内在逻辑进行分解，从认知星星的远近和我们视觉上形成的平面构图的关系开始。这就需要教师借助具体的实物材料，在学生理解出现困难时，及时提供支架，帮助学生逐步完成概念的建构。在这个过程中，进一步丰富学生对距离的感受，2 颗星是理解7 颗星距离的基础，7 颗星是理解宇宙中天体距离的基础。

（三）经历位移，搭建角度支架

学生在以前的学习中初步感知过空间位置和角度变化。在课堂上，我们可以通过建立模型、搭建支架来帮助学生理解。根据天空中北斗七星的相互距离关系，建立一个北斗七星模型。先让学生站在地球的角度观察模型，学生发现，北斗七星看起来确实像勺子。这个时候可以让学生闭上眼睛想一想：当我们再绕过一定角度来观察北斗七星，它们还是勺子的形状吗？在此过程中，学生由眼前的模型展开思考，化具象为抽象，发展了抽象思维。然后让学生离开地球的位置，转过一定的角度进行观察。学生发现，随着观察角度的不同，看到的北斗七星不再是勺子的样子。继续绕模型观察，学生会发现，不同的角度看到的北斗七星的图形会不同。让学生在观察的过程中，不断想象，不断思考，不断修正，逐步建立空间观念。

（四）软件模拟，优化运动支架

随着现代教学技术的发展，多媒体进入课堂，成为辅助教学的有效手段。在学生认识宇宙、了解宇宙的过程中，科学教师利用多媒体技术将大大提高课堂效率，有助于对学生空间观念的培养，使学生的空间思维能力、逻辑推理能力得到提高。例如，在“月相变化规律”这一知识的教学中，很多学生的前概念是，太阳东升西落，月亮西升东落，因为晚上看到的月亮大部分时间都是先出现在西边的天空中。即使在上课前布置学生观察一段时间的月相，还是有学生这么认为。主要是由于学生观察时间短，有时只注意形状的变化，没有关注位置的变化。再加上天气原因，学生很难系统地观察记录。教师在课堂上利用软件模拟月球东升西落，圆缺变化，学生发现，随着一天中时间的改变，月亮形状不变，位置逐渐向西移动；随着一个月时间的变化，月亮的形状发生了变化，每天同一时间出现的位置也有了变化。一个月的长期观察，利用软件模拟可以让学生在一堂课中实现，学生的学习效率提高了。

在探究过程中，学生的积极参与只是一种外在的表现形式，思维参与才是参与活动的最高层次。教师在和学生一起建模的过程中，要适时适度地为学生搭建成功体验的阶梯，引导学生积极思维，进行分析、比较、归纳、判断和推理，以思维的主动、深入参与，实现正确建构科学概念和发展探究能力的目标。

三、结语

在科学课教学中，在小学生以感官认识为主、思维跟进为辅的情况下，模型的直观性可以给予学生深刻印象，作为现代科学认识手段和思维方法，模型具有形象化和具体化的含义。通过模型，学生看到了平时肉眼无法观察到的科学现象，解释了科学规律。经历这个过程，更有助于激发学生对地球和宇宙的探究热情，发展学生的空间想象、模型思维、逻辑推理等能力，更有利于学生把眼中看到的模型转换成深刻在脑中的模型，在未来的学习中将转化成学生解决类似问题的一种方式。