785.科學(xué)教學(xué)中應(yīng)加強(qiáng)建模能力的培養(yǎng)

1、科學(xué)教學(xué)中應(yīng)加強(qiáng)建模能力的培養(yǎng)內(nèi)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(zhì)抽象成一定的模型，便于得出科學(xué)結(jié)論。教學(xué)時可以借助實(shí)物、圖片、掛圖、動畫、實(shí)驗、習(xí)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(xué)中，通過實(shí)驗、探究以及一些開放性的思維訓(xùn)練，結(jié)合課內(nèi)外教學(xué)，分層次地推進(jìn)。關(guān)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(lián)系多么緊密融合，大都可以歸結(jié)為學(xué)生熟悉的模型。教師要善于指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用已知的科學(xué)原理、規(guī)律、熟悉的

2、解題方法、經(jīng)驗去分析、尋找事物間的本質(zhì)聯(lián)系，尋求解決問題的途徑和方法，從而不斷提高他們解決實(shí)際問題的能力。但學(xué)生在應(yīng)用時往往就事論事，就題論題，缺乏處理實(shí)際問題的思維策略和技巧，不善于運(yùn)用“模型”的巧妙溝通?，F(xiàn)行中考的命題趨向，要求在教學(xué)中體現(xiàn)“從生活走向科學(xué)，從科學(xué)走向生活”的思想。即要引導(dǎo)學(xué)生在研究問題時建立最簡單的、最貼切的模型。 所以，在科學(xué)教學(xué)中加強(qiáng)學(xué)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(xiàn)象或過程等）跟已知的事務(wù)（現(xiàn)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(jìn)一步的表述：“模型”是事物或過程的內(nèi)在特性及其相互關(guān)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(jī)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(fù)雜的條件，突出解決研究對象的本質(zhì)因素，準(zhǔn)確而簡明地得出科學(xué)結(jié)論。例如，簡單機(jī)械的許多結(jié)論，就是在忽略機(jī)械的自重、摩擦、形變等條件下，即在“理想機(jī)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(jié)論。分析和解答科學(xué)問題的過程，就是建立模型，

4、使用科學(xué)規(guī)律的過程。引入了模型，就可以用模型來解釋某些運(yùn)動規(guī)律、實(shí)驗現(xiàn)象，進(jìn)行嚴(yán)格地計算；有時還能根據(jù)模型作出科學(xué)預(yù)言。模型法是一種重要的科學(xué)思維方法，能培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力和解決實(shí)際問題的能力。那么怎樣在實(shí)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(yùn)用來看，有如下的特點(diǎn)：“問題 建模 擴(kuò)展完善模型 應(yīng)用 新的問題和更廣泛的模型 ”。用式子概括為：理論 模型 實(shí)踐。建模的主要程序是：按照研究對象的運(yùn)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(rèn)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(zhì)、更深刻的認(rèn)識。建立模型的主要途徑有：（1）借助

5、實(shí)物、圖片、掛圖、動畫等多媒體直觀演示，建立模型心理學(xué)研究表明，人腦對事物的認(rèn)識是從表象開始的。初中學(xué)生正處在形象思維偏強(qiáng)，抽象思維相對偏弱的階段，在教學(xué)中，應(yīng)盡量多地借助實(shí)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(chǔ)；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(xiàn)象最容易引起學(xué)生的興趣和注意。（2）列舉生活實(shí)例、開展模擬實(shí)驗和學(xué)生親身體驗，建立模型科學(xué)來源于生活，取之于生活，生活中的自然現(xiàn)象，既是科學(xué)教學(xué)的良好素材，又是學(xué)生運(yùn)用科學(xué)知識解決問題的“廉價實(shí)驗田”。例如：我在復(fù)習(xí)電路故障的檢測方法時，先展示一個真實(shí)的臺燈故障，讓學(xué)生猜測、嘗試檢測，之后

6、讓學(xué)生小組之間互設(shè)故障，互相檢測，由學(xué)生自行分析故障，介紹檢測方法，教師進(jìn)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(shí)生活的問題，學(xué)生既興奮又快捷地投入活動，并積極主動地建構(gòu)模型。又如，在速度教學(xué)時引入劉翔跨欄實(shí)例，根據(jù)觀眾和裁判判斷物體運(yùn)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(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。生活素材真實(shí)、可靠，實(shí)驗現(xiàn)象直觀、生動、事實(shí)結(jié)果令人信服，親身體驗使概念賦予了具體意義，這些經(jīng)歷都為今后解題提供認(rèn)識基礎(chǔ)。經(jīng)后遇到類似比較陌生、復(fù)雜的問題只要加以認(rèn)真分析，抓住其本質(zhì)，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(zhì)結(jié)構(gòu)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(yīng)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(xué)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(shí)驗來展示研究，但水壓和水流學(xué)生是比較熟悉的，通過合理的類比，可以幫助學(xué)生建立電壓、電流的模型。又如講到幾種基本化學(xué)反應(yīng)類型時，把置換反應(yīng)類比于“第三者插足”，魅力強(qiáng)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(fù)分解反應(yīng)則類比于交換同桌。串、并聯(lián)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(xí)題中引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)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(xué)過程，想象科學(xué)圖景，明確已知條件與所求問題之間的關(guān)系等而進(jìn)行的分析與綜合相結(jié)合的思維活動。審題的質(zhì)量將直接決定解題的成敗。有些題目看起來復(fù)雜、隱晦，無從下手，這時需要認(rèn)真審題，充分挖掘隱含條件，緊扣關(guān)鍵詞句，抓住題目的本質(zhì)特征，把題中描述的實(shí)例情景轉(zhuǎn)化成我們熟悉的模型，運(yùn)用相應(yīng)的科學(xué)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(diǎn)與水面上方氣體的壓強(qiáng)有關(guān)，氣體壓強(qiáng)越大，水的沸點(diǎn)越高，下表給出了水面上方氣體壓強(qiáng)與沸點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系。技術(shù)員小陳利用這一關(guān)系，設(shè)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(diǎn)旋轉(zhuǎn)的橫桿(質(zhì)量不計)， 在橫桿上的b點(diǎn)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(diǎn)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(qiáng)增大.當(dāng)壓強(qiáng)增大到一定值時，閥門s被打開，使鍋爐內(nèi)氣體壓強(qiáng)減小，水開始沸騰。當(dāng)重物g掛在不同位置時，鍋爐內(nèi)水面上方氣體壓強(qiáng)可達(dá)到的最大值不同 ，從而控制鍋爐內(nèi)水的最高溫度. (1)當(dāng)鍋爐內(nèi)水的溫度達(dá)到120沸騰時，鍋爐

10、內(nèi)氣體壓強(qiáng)是少?(2)當(dāng)大氣壓強(qiáng)為1.0105pa時，將g掛在a位置，鍋內(nèi)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(dāng)大氣壓強(qiáng)為1.0105pa時，要使鍋爐內(nèi)水的溫度達(dá)到110沸騰，應(yīng)將g掛在離 o點(diǎn)多遠(yuǎn)處?氣壓（pa）1*10514*1052*10527*105沸點(diǎn)（）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(xiàn)象分析，這根橫桿本質(zhì)上就是一根在動力作用下能繞著固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動的硬棒，此即為杠桿。模型建立后，找到杠桿的五要素（支點(diǎn)、動力、阻力、動力臂、阻力臂），動力可看作活塞通過b點(diǎn)作

11、用在橫桿上向上的內(nèi)外大氣壓力差，阻力為物體g通過繩子作用在a點(diǎn)的拉力。求出已知力臂，第（2）(3)小題分別運(yùn)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(xué)中要重視對學(xué)生遷移能力的培養(yǎng)，使學(xué)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(jìn)行比較、概括、總結(jié)，使學(xué)生觸類旁通，舉一反三。綜上所述，在教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生合理建立、靈活應(yīng)用模型，有利于處理和解決實(shí)際問題。熟悉并掌握這種科學(xué)研究的思維方法，養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣，不僅能加深學(xué)生對科學(xué)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(xué)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(xué)教學(xué)中建模能力

12、的培養(yǎng)學(xué)生建模能力的培養(yǎng)，主要經(jīng)過如下階段：培養(yǎng)建模意識激發(fā)建模欲望實(shí)施建模行為形成建模能力。具體的建模教學(xué)任務(wù)要細(xì)化到各個層次(各章、節(jié))的教學(xué)目標(biāo)中去。1、重視科學(xué)概念和規(guī)律形成的過程教學(xué)從科學(xué)的發(fā)展史來看，“建?！逼鹬苿悠淝斑M(jìn)的作用。每一條科學(xué)規(guī)律和定理都與一定的模型有對應(yīng)的聯(lián)系。在教學(xué)中有意識地向?qū)W生展示科學(xué)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(xué)生的分析概括能力、培養(yǎng)學(xué)生的建模意識和能力起到潛移默化的作用。2、重視理論聯(lián)系實(shí)際，由模型走向生活平時教學(xué)主要是把自然現(xiàn)象和其發(fā)生過程進(jìn)行抽象化、理想化，這樣利于學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握科學(xué)的研究方法和思維。但也容易使學(xué)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(shí)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(shí)就是考查學(xué)生的“建?！蹦芰Γ缯憬〉谑畬贸踔猩茖W(xué)競賽復(fù)賽試卷的第2題是一個信息題：題為法美三位科學(xué)家榮獲2005年度諾貝爾化學(xué)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(zhì)。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(jīng)過“交換”后生成了新物質(zhì)，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(zhì)的過程，可以認(rèn)為是烯烴分子間發(fā)生了（ ）a.置換反應(yīng) b.化合反應(yīng) c.復(fù)分解反應(yīng) d.分解反應(yīng) 就是考查學(xué)生對四種

14、基本反應(yīng)模型的理解。要適應(yīng)這樣的考試，科學(xué)教學(xué)必須加強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際，由理想模型走向生活實(shí)例，由重視解題訓(xùn)練轉(zhuǎn)向重視理論聯(lián)系實(shí)際。從浩繁的題海訓(xùn)練中掙脫出來，多給予學(xué)生一些實(shí)際問題，多進(jìn)行一些建模訓(xùn)練，逐步培養(yǎng)學(xué)生的建模能力。當(dāng)然模型都有一定的局限性，所以在解決具體問題時要學(xué)會針對實(shí)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(yùn)用。 3、重視開放式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和發(fā)散思維 傳統(tǒng)的教學(xué)試題多為單向封閉式，解題要求過于強(qiáng)調(diào)整齊劃一，題解一般都是唯一和固定的。長此以往會使學(xué)生形成不良思維定勢，制約學(xué)生思維品質(zhì)特別是發(fā)散思維的發(fā)展；也制約了學(xué)生建模能力的形成。要走出這種封閉教學(xué)，教師應(yīng)該

15、有意識地將試題從單向封閉轉(zhuǎn)向多維開放（包括條件開放、過程開放、策略開放、結(jié)論開放、綜合開放等），給學(xué)生選擇和展示的空間，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。例如： 現(xiàn)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(shè)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(yáng)州市中考題）展示一輛自行車圖片，觀察它的構(gòu)造，想一想你的使用過程，請?zhí)岢鰞蓚€與科學(xué)有關(guān)的問題。（提出問題開放題）由于科學(xué)開放題的命題素材取自人們的現(xiàn)實(shí)生活，內(nèi)容新穎，取材面廣，利于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生建模能力的發(fā)展。 4、重視實(shí)驗探索和科學(xué)探究傳統(tǒng)的知

16、識教學(xué)下學(xué)生只會應(yīng)用，不會探究，缺乏基本的科學(xué)探究和質(zhì)疑精神。新的教學(xué)大綱和教材中增設(shè)科學(xué)探究的內(nèi)容，為配合和促進(jìn)新課程教學(xué)改革，在教學(xué)中要正確引導(dǎo)科學(xué)教學(xué)由重視知識積累轉(zhuǎn)向重視科學(xué)探究。例如可以通過文字表述、圖表數(shù)據(jù)等提供一定的信息和建構(gòu)出一種探究情境。學(xué)生從中獲取有用信息，或得出正確結(jié)論，或探究新的規(guī)律，構(gòu)建模型。也可選取合適的實(shí)驗，提出需要解決的問題，要求學(xué)生設(shè)計并實(shí)際操作，運(yùn)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(shè)計三種確定的方法，并簡要說明理由。學(xué)生在探索過程中把動手和動腦結(jié)合起來，把所學(xué)知識與現(xiàn)實(shí)問題結(jié)合起來，鍛煉和培養(yǎng)自己的建模能力。 5、重視課內(nèi)外

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

18、實(shí)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(xué)習(xí)結(jié)束后，教師要經(jīng)常性地引導(dǎo)學(xué)生對所學(xué)模型進(jìn)行比較、分類，形成完整的知識體系。例如，在化學(xué)復(fù)習(xí)時，對分子和原子，原子和元素，元素和物質(zhì)，單質(zhì)和化合物等相似而易混淆的概念進(jìn)行比較、辨析。對物質(zhì)的組成和構(gòu)成做一總結(jié)。（如下）通過比較、總結(jié)，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(xué)生建模能力培養(yǎng)過程中應(yīng)注意的幾點(diǎn)問題1、在建?；顒又?，應(yīng)把學(xué)生當(dāng)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(yīng)讓學(xué)生親自體驗和經(jīng)歷，充分發(fā)揮學(xué)生的主動性、創(chuàng)造性和協(xié)作精神，讓學(xué)生在經(jīng)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(shí)踐中；活用知識，建立模型，取得培養(yǎng)能力、激發(fā)興趣