785.科學教學中應加強建模能力的培養(yǎng)

1、科學教學中應加強建模能力的培養(yǎng)內容摘要：模型是一種重要的研究方法，研究問題時可忽略一些次要因素的干擾，將客觀事物的本質抽象成一定的模型，便于得出科學結論。教學時可以借助實物、圖片、掛圖、動畫、實驗、習題等建立模型，也可以采用虛擬、類比的方法建立模型。建模能力的培養(yǎng)需要貫穿在整個教學中，通過實驗、探究以及一些開放性的思維訓練，結合課內外教學，分層次地推進。關鍵字： 模型 建模方法 建模能力一、 問題的提出“模型”是一種很重要的研究方法。它是分析研究問題的主要手段。無論試題情景多么新穎多變、與日常生活聯系多么緊密融合，大都可以歸結為學生熟悉的模型。教師要善于指導學生運用已知的科學原理、規(guī)律、熟悉的

2、解題方法、經驗去分析、尋找事物間的本質聯系，尋求解決問題的途徑和方法，從而不斷提高他們解決實際問題的能力。但學生在應用時往往就事論事，就題論題，缺乏處理實際問題的思維策略和技巧，不善于運用“模型”的巧妙溝通。現行中考的命題趨向，要求在教學中體現“從生活走向科學，從科學走向生活”的思想。即要引導學生在研究問題時建立最簡單的、最貼切的模型。 所以，在科學教學中加強學生建模能力的培養(yǎng)，顯得尤其重要和迫切。本文將從模型的概念、建模的方法和途徑、建模能力的培養(yǎng)等方面作以下闡述。二、 問題的研究1、什么是模型通俗地說，如果被研究的對象（現象或過程等）跟已知的事務（現象或過程等）中的一部分相似，則后者可稱作

3、是前者的模型。但是這種表述是粗略的，還可做進一步的表述：“模型”是事物或過程的內在特性及其相互關系的簡潔性、仿真性的表述，是眾多事物或過程的典型代表，是抽象思維的形象化表示，是理論的基本框架。例如：船閘、茶壺是一個連通器模型；盤山公路、螺絲、斧子是一個斜面模型；抽水機抽水、人爬樓梯是一個做功模型等。2、 什么要引入模型引入模型的目的在于簡化復雜的條件，突出解決研究對象的本質因素，準確而簡明地得出科學結論。例如，簡單機械的許多結論，就是在忽略機械的自重、摩擦、形變等條件下，即在“理想機械”的條件下得出的。如將上述因素一概予以考慮，則無法得到一個普遍的結論。分析和解答科學問題的過程，就是建立模型，

4、使用科學規(guī)律的過程。引入了模型，就可以用模型來解釋某些運動規(guī)律、實驗現象，進行嚴格地計算；有時還能根據模型作出科學預言。模型法是一種重要的科學思維方法，能培養(yǎng)學生的抽象思維能力和解決實際問題的能力。那么怎樣在實際問題中建立正確的模型呢？3、 建立模型的方法、途徑從模型的形成和運用來看，有如下的特點：“問題 建模 擴展完善模型 應用 新的問題和更廣泛的模型 ”。用式子概括為：理論 模型 實踐。建模的主要程序是：按照研究對象的運動規(guī)律和研究目的，舍去或忽略其余的諸因素，將客觀事物的原型抽象為認識論上的模型；通過對模型的研究，獲得對客觀事物原型的更本質、更深刻的認識。建立模型的主要途徑有：（1）借助

5、實物、圖片、掛圖、動畫等多媒體直觀演示，建立模型心理學研究表明，人腦對事物的認識是從表象開始的。初中學生正處在形象思維偏強，抽象思維相對偏弱的階段，在教學中，應盡量多地借助實物、圖片、掛圖、動畫等多媒體直觀手段，演示抽象問題，為模型的建立形成表象基礎；而且色彩鮮艷的畫面、具體生動、活動多變的事物、奇異罕見的現象最容易引起學生的興趣和注意。（2）列舉生活實例、開展模擬實驗和學生親身體驗，建立模型科學來源于生活，取之于生活，生活中的自然現象，既是科學教學的良好素材，又是學生運用科學知識解決問題的“廉價實驗田”。例如：我在復習電路故障的檢測方法時，先展示一個真實的臺燈故障，讓學生猜測、嘗試檢測，之后

6、讓學生小組之間互設故障，互相檢測，由學生自行分析故障，介紹檢測方法，教師進行匯總，抽象概括出常見電路故障的檢測方法。由于親身體驗，解決的又是接近真實生活的問題，學生既興奮又快捷地投入活動，并積極主動地建構模型。又如，在速度教學時引入劉翔跨欄實例，根據觀眾和裁判判斷物體運動快慢的方法對比建立速度概念，使速度模型建立得順理成章，同時又極大地激發(fā)了學生的學習熱情。生活素材真實、可靠，實驗現象直觀、生動、事實結果令人信服，親身體驗使概念賦予了具體意義，這些經歷都為今后解題提供認識基礎。經后遇到類似比較陌生、復雜的問題只要加以認真分析，抓住其本質，建立正確的模型，就可以迎刃而解。（3）用虛擬法建立模型有

7、些模型是看不見、摸不著的， 甚至是不存在的。但為了研究問題方便，我們通常形象地引入一虛擬的物質結構或過程。典型的例子有：為了便于描述光的傳播，我們引入了光線；為了便于描述磁場的方向，我們引入了磁感應線。（4）用類比法建立模型有些模型建立起來有些抽象，較難理解，或者不便于展示，這時可以選一些已知的、較形象的事物作類比，幫助學生建立新的合理的模型。例如：電壓和電流的概念很抽象很陌生，也無法通過實驗來展示研究，但水壓和水流學生是比較熟悉的，通過合理的類比，可以幫助學生建立電壓、電流的模型。又如講到幾種基本化學反應類型時，把置換反應類比于“第三者插足”，魅力強的單身金屬甲搶走了魅力弱的金屬乙的伴侶，金

8、屬乙變?yōu)閱紊?；（開個玩笑）復分解反應則類比于交換同桌。串、并聯電路類比于臭豆腐串、幼兒園排隊等直觀事物，嬉笑的同時建立起正確的模型。（5）在習題中引導學生認真審題，建立模型解題時的審題就是通過閱讀題文和題圖，理解題意，弄清題目中所涉及的科學過程，想象科學圖景，明確已知條件與所求問題之間的關系等而進行的分析與綜合相結合的思維活動。審題的質量將直接決定解題的成敗。有些題目看起來復雜、隱晦，無從下手，這時需要認真審題，充分挖掘隱含條件，緊扣關鍵詞句，抓住題目的本質特征，把題中描述的實例情景轉化成我們熟悉的模型，運用相應的科學規(guī)律確定解題思路，正確解題。下面通過一典型例題，探討如何正確審題及建立模型。

9、水的沸點與水面上方氣體的壓強有關，氣體壓強越大，水的沸點越高，下表給出了水面上方氣體壓強與沸點的對應關系。技術員小陳利用這一關系，設計了如下圖所示的鍋爐水溫控制裝置，圖中oc為一可繞o點旋轉的橫桿(質量不計)， 在橫桿上的b點下方連接著閥門s，閥門的底面積為3 cm2，ob長度為20 cm， 橫桿上a點處掛著重物g，oa長度為60 cm.對水加熱時，隨著水溫升高，水面上方氣體壓強增大.當壓強增大到一定值時，閥門s被打開，使鍋爐內氣體壓強減小，水開始沸騰。當重物g掛在不同位置時，鍋爐內水面上方氣體壓強可達到的最大值不同 ，從而控制鍋爐內水的最高溫度. (1)當鍋爐內水的溫度達到120沸騰時，鍋爐

10、內氣體壓強是少?(2)當大氣壓強為1.0105pa時，將g掛在a位置，鍋內水沸騰時的溫度為120 ，求此時閥門底部受到的氣體壓力和上部受到的大氣壓力差是多少?所掛物體的重g為多少？ (3)當大氣壓強為1.0105pa時，要使鍋爐內水的溫度達到110沸騰，應將g掛在離 o點多遠處?氣壓（pa）1*10514*1052*10527*105沸點（）100110120130該問題初看繁雜冗長，建模之后又柳暗花明之感。舍去次要因素，透過現象分析，這根橫桿本質上就是一根在動力作用下能繞著固定點轉動的硬棒，此即為杠桿。模型建立后，找到杠桿的五要素（支點、動力、阻力、動力臂、阻力臂），動力可看作活塞通過b點作

11、用在橫桿上向上的內外大氣壓力差，阻力為物體g通過繩子作用在a點的拉力。求出已知力臂，第（2）(3)小題分別運用杠桿平衡原理把已知要素代入，即可解題。所以教師在教學中要重視對學生遷移能力的培養(yǎng)，使學生逐漸積累起一些處理問題的思維策略和技巧，借助模型的建立，對同類、相似的問題進行比較、概括、總結，使學生觸類旁通，舉一反三。綜上所述，在教學中，引導學生合理建立、靈活應用模型，有利于處理和解決實際問題。熟悉并掌握這種科學研究的思維方法，養(yǎng)成良好的思維習慣，不僅能加深學生對科學概念和規(guī)律的理解，化繁為簡，提高解題技巧，而且對開發(fā)學生智力，發(fā)展創(chuàng)造性思維，將起到積極作用。三、問題的解決-科學教學中建模能力

12、的培養(yǎng)學生建模能力的培養(yǎng)，主要經過如下階段：培養(yǎng)建模意識激發(fā)建模欲望實施建模行為形成建模能力。具體的建模教學任務要細化到各個層次(各章、節(jié))的教學目標中去。1、重視科學概念和規(guī)律形成的過程教學從科學的發(fā)展史來看，“建?！逼鹬苿悠淝斑M的作用。每一條科學規(guī)律和定理都與一定的模型有對應的聯系。在教學中有意識地向學生展示科學概念和規(guī)律的發(fā)生、形成和發(fā)展的物理情境和過程，對提高學生的分析概括能力、培養(yǎng)學生的建模意識和能力起到潛移默化的作用。2、重視理論聯系實際，由模型走向生活平時教學主要是把自然現象和其發(fā)生過程進行抽象化、理想化，這樣利于學生學習和掌握科學的研究方法和思維。但也容易使學生只會利用公式、

13、理論解決些直觀的、簡單的理想問題，而面對實際問題時則束手無策。近年來的中考和競賽題中的一些信息題，其實就是考查學生的“建?！蹦芰Γ缯憬〉谑畬贸踔猩茖W競賽復賽試卷的第2題是一個信息題：題為法美三位科學家榮獲2005年度諾貝爾化學獎，獲獎原因就是他們弄清了如何指揮烯烴分子“交換舞伴”，將分子部件重新組合成別的物質。在烯烴分子里，兩個碳原子就像雙人舞舞伴一樣，拉著雙手在跳舞。隨之不同的烯烴分子間經過“交換”后生成了新物質，其過程可用下圖表示：（圖略）這種不同烯烴間重新組合成新物質的過程，可以認為是烯烴分子間發(fā)生了（ ）a.置換反應 b.化合反應 c.復分解反應 d.分解反應 就是考查學生對四種

14、基本反應模型的理解。要適應這樣的考試，科學教學必須加強理論聯系實際，由理想模型走向生活實例，由重視解題訓練轉向重視理論聯系實際。從浩繁的題海訓練中掙脫出來，多給予學生一些實際問題，多進行一些建模訓練，逐步培養(yǎng)學生的建模能力。當然模型都有一定的局限性，所以在解決具體問題時要學會針對實際提供的信息靈活選用和變通，還可能會綜合有多種模型的運用。 3、重視開放式教學，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和發(fā)散思維 傳統(tǒng)的教學試題多為單向封閉式，解題要求過于強調整齊劃一，題解一般都是唯一和固定的。長此以往會使學生形成不良思維定勢，制約學生思維品質特別是發(fā)散思維的發(fā)展；也制約了學生建模能力的形成。要走出這種封閉教學，教師應該

15、有意識地將試題從單向封閉轉向多維開放（包括條件開放、過程開放、策略開放、結論開放、綜合開放等），給學生選擇和展示的空間，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神。例如： 現有電壓不變的電源、電流表、電壓表、滑動變阻器（一支最大阻值為r）和待測電阻rx，設計出不同的方案測量rx，要求：每種電路圖只允許任選電流表、電壓表其中的一個。（條件開放）；又如（2002年揚州市中考題）展示一輛自行車圖片，觀察它的構造，想一想你的使用過程，請?zhí)岢鰞蓚€與科學有關的問題。（提出問題開放題）由于科學開放題的命題素材取自人們的現實生活，內容新穎，取材面廣，利于提高學生的綜合素質，促進學生建模能力的發(fā)展。 4、重視實驗探索和科學探究傳統(tǒng)的知

16、識教學下學生只會應用，不會探究，缺乏基本的科學探究和質疑精神。新的教學大綱和教材中增設科學探究的內容，為配合和促進新課程教學改革，在教學中要正確引導科學教學由重視知識積累轉向重視科學探究。例如可以通過文字表述、圖表數據等提供一定的信息和建構出一種探究情境。學生從中獲取有用信息，或得出正確結論，或探究新的規(guī)律，構建模型。也可選取合適的實驗，提出需要解決的問題，要求學生設計并實際操作，運用模型法探索性地去解決問題。例如：有一塊透鏡，不知是不是凸透鏡，請你設計三種確定的方法，并簡要說明理由。學生在探索過程中把動手和動腦結合起來，把所學知識與現實問題結合起來，鍛煉和培養(yǎng)自己的建模能力。 5、重視課內外

17、活動相結合，深入實踐，親身體驗現實模型課外活動是課堂教學的延伸，開展課外活動不僅可拓寬學生的知識面，活化知識，同時也可提高學生的思維能力與實踐能力。教師可根據實際情況開展各類課外活動，深入生活，調查實際，親身體驗，將課堂教學與課外活動緊密結合起來，使模型教學更加完善。例如：學校有個游泳池，每次加水時工人都要跑進游泳池察看水位，到達水位線后再跑去關掉水龍頭。請你設計一個自動水位控制報警裝置，使得水到達水位線后工人師傅能夠方便地得知信息，及時關閉水龍頭?；顒又泄膭顚W生根據實際問題提出多種不同的模型，引導他們對理想模型和現實模型進行比較，對不同模型的可行性、適用性進行比較，增強實用性，使模型教學落到

18、實處，推動建模能力的急速形成。6、重視多種模型的比較、歸類一個階段學習結束后，教師要經常性地引導學生對所學模型進行比較、分類，形成完整的知識體系。例如，在化學復習時，對分子和原子，原子和元素，元素和物質，單質和化合物等相似而易混淆的概念進行比較、辨析。對物質的組成和構成做一總結。（如下）通過比較、總結，可以使頭腦中的各個模型更加清晰，并逐步形成較完整的模型體系。四、學生建模能力培養(yǎng)過程中應注意的幾點問題1、在建?；顒又?，應把學生當作解決問題的主體，而不僅僅是觀眾。問題情景和問題的解決過程應讓學生親自體驗和經歷，充分發(fā)揮學生的主動性、創(chuàng)造性和協(xié)作精神，讓學生在經歷問題、困難、挑戰(zhàn)、挫折、取勝的各種感覺體驗中；在選擇、判斷、協(xié)作、交流的探究實踐中；活用知識，建立模型，取得培養(yǎng)能力、激發(fā)興趣