Обучение школьников моделированию
Моделью называют любой мысленный, знаковый или материальный образ оригинала: отображение объектов и явлений в виде описаний, теорий, схем, чертежей, графиков. Модель – это представитель, заместитель оригинала, используемый в процессе познания или в практической деятельности[1].
Моделирование для школьного естествознания, географии не является чем-то необычным. Издавна глобус использовался в качестве модели земного шара. Школьники еще десятилетия назад могли привлекаться к моделированию форм рельефа, работы текучих вод. Однако тогда речь шла в основном об использовании предметных (материальных) моделей.
Следуя за ОГЛАВЛЕНИЕм ФГОС, можно говорить о двух типах моделирования: материальном (предметном, физическом) и знаково-символическом.
Материальные модели строятся из каких-либо вещественных материалов или живых существ. Их особенностью является то, что они существуют реально, объективно. В свою очередь материальные модели делятся на статические (неподвижные) и динамические (действующие, подвижные). При изучении "Окружающего мира" статическими моделями являются, например, макеты форм рельефа, муляжи внутренних органов человека, глобус (при изучении формы Земли). К динамическим моделям можно отнести опять же глобус (при показе вращения Земли), теллурий, действующую модель вулкана.
Среди материальных моделей следует выделить особую группу моделей, пока еще не нашедших широкого применения в школьной практике – природные модели[2]. Природные модели – это миниатюрные аналоги природных процессов и их проявлений. У многих школьников имеется представление о смерчах – воздушных вихрях ограниченных размеров, часто возникающих перед грозой, всасывающих в себя пыль, различные предметы и поднимающих все это на значительную высоту. Иногда смерчи вызывают повреждения построек, ломают деревья и т.п. С известной долей условности это явление можно назвать миниатюрным аналогом такого грозного явления, как торнадо, или циклон, о котором школьники часто слышат из прогноза погоды по телевидению. На участке перевеваемых песков (например, на песчаной косе у реки), можно познакомить детей с формированием рельефа пустынь – барханов, песчаных гряд; для этой же дели может быть использован и микрорельеф заснеженного участка. Конус выноса ручья – модель дельты (устьевой части долины крупных рек). Небольшая промоина, образовавшаяся после дождя, может рассматриваться как миниатюрный овраг. Наблюдаемый школьниками туман – аналог облака, внутри которого как бы находятся дети и т.п.
Знаково-символические модели представляют собой запись каких-то особенностей, закономерностей оригинала с помощью знаков какого-либо искусственного языка. Например, при формировании понятий "птицы", "звери" составляется таблица существенных признаков. Эти признаки обозначены соответствующими символами. Например, это знаки, напоминающие по внешнему виду перо, шерстинки, клювы, конечности животных. Это и экологические пирамиды, показывающие соотношение количества организмов (энергии, биомассы) в экосистемах. Это и рисунки (символы) живых организмов, связанных стрелками, означающими те или иные пищевые связи биоценозов. Сюда же отнесем и географические карты, с которыми дети начинают работать при изучении цикла тем о родном крае и планете в целом. Учащиеся совместно с учителем в процессе обсуждений чертят план местности, строят простейшие графики и диаграммы но результатам наблюдений за погодой, чертят схемы всевозможных связей и т.п. Особое место отводится моделированию экологических связей. Например, при изучении темы "Круговорот веществ" строится схема круговорота веществ в экосистемах (рис. 12.3).
Для чего используется моделирование? Процесс познания окружающего – процесс, главным образом, опосредованный. Школьники, находясь преимущественно в классной комнате, редко имеют дело с реальными (натуральными) объектами изучения. В большинстве своем они работают с их заместителями – моделями. То есть, даже в таком обыденном понимании процесса использования моделей, учи-
Рис. 12.3. Круговорот веществ
телю приходится постоянно этим заниматься. Однако это лишь внешняя, поверхностная сторона вопроса.
Глубинная же суть процесса учебного моделирования заключается в том, что моделирование входит в структуру целенаправленной учебной деятельности и является необходимым элементом учебного действия. Процесс познания в этом случае идет следующим образом. После уяснения проблемы (вопроса) школьники путем известных им способов разрешения проблемы, например, путем наблюдения и "примитивно житейского" описания выходят на модельный уровень (схема, чертеж, модельная конструкция) понимания сути явления. Затем вновь возвращаются опять к словесному, но уже более точному описанию. Образно выражаясь, схема, чертеж в данном случае становятся для детей "очками", через которые ребенок начинает видеть мир[3].
Сознательное введение в учебный процесс моделирования сближает его с процессом научного познания, подготавливает школьников к самостоятельному решению возникающих перед ними проблем, самостоятельному добыванию знаний. Моделирование является необходимым инструментом формирования теоретического, в том числе и естественно-научного мышления школьников. Нельзя забывать и о том, что моделирование реализуется в рамках деятельностного подхода, столь актуального для современной педагогики.
Приобщение школьников к предметному моделированию. Материальные (предметные, физические) модели строятся из каких-либо вещественных материалов или живых существ. Их особенностью является то, что они существуют реально, объективно.
В школьном естествознании используют физические модели разных типов. Модели, имитирующие внешний вид отдельных форм рельефа или ландшафта – это модели оврага, холма, вулкана, речной долины, горной страны с прилегающей равниной и т.п. Эти модели называют также макетами. Макеты, как и муляжи, являются трехмерным отображением реальных объектов, но в отличие от вторых воспроизводят предметы в уменьшенном или увеличенном виде с известной долей условности – в частности, в них могут допускаться искажения пропорций. Сюда же можно отнести диорамы, представляющие собой объемную картину, на которой виден только ближний план. Это может быть компактное изображение какого-либо природного комплекса: части леса с соответствующими растениями, животными, участка водоема и т.п., которые могут быть использованы при изучении соответствующих природных сообществ.
Другой тип моделей – рельефные карты. Они воспроизводят рельеф земной поверхности, соответствующий рельефу определенной местности. В основе такой модели лежит географическая карта. В начальных классах возможно использование рельефной карты своей местности (прибегающей к школе территории, области, республики). Изготовить такую карту можно следующим образом. Из фанеры или картона вырезают контуры, соответствующие высотным ступеням (горизонталям) карты. Накладывая одну ступень на другую, получаем ступенчатый рельеф изображаемой местности. Затем эти высотные ступени можно сгладить с помощью пластилина и соответствующим образом раскрасить.
Третий тип моделей – модели-разрезы, показывающие внутреннее строение вулкана, строение почвенного разреза, залегание подземных вод между водоупорными и водопроницаемыми пластами и т.п.
Особый тип моделей – динамические (действующие) модели, воспроизводящие процессы, явления. К таковым можно отнести модель земного шара – глобус, который используется для демонстрации формы Земли и вращения Земли вокруг своей оси и для решения других дидактических задач. Для демонстрации обращения Земли вокруг
Солнца на уроках природоведения, географии используется и модель системы "Земля – Солнце" – теллурий.
В настоящее время используется и так называемое живое моделирование, когда в качестве средства моделирования выступают дети. Например, при моделировании движения Земли вокруг Солнца один школьник выступает в качестве "Солнца", другой – в качестве "Земли".
Сюда же относятся и упомянутые выше природные модели.
Рассмотрим некоторые примеры предметного моделирования.
1. Моделирование движений Земли. Движение Земли вокруг своей оси (вращение) и связанная с этим смена времени суток моделируется с помощью глобуса (Земля) и настольной лампы (Солнце). Показывается, что земной шар не может быть одновременно освещен со всех сторон: на освещенной стороне Земли – день, на неосвещенной – ночь. Поскольку Земля вращается вокруг своей оси, происходит смена дня и ночи.
С помощью этих же средств иллюстрируется движение (обращение) Земли вокруг Солнца и главное следствие этого – смена времен года. Для этих же целей может быть использован и теллурий, однако в описываемом варианте с глобусом и настольной лампой есть одно преимущество: передвигая глобус вокруг "Солнца", детям нетрудно допустить ошибку – изменить наклон земной оси, и тогда смена времен года может не произойти. Давая задание на показ и объяснение, отчего происходит смена времен года, учитель добивается сознательных, безошибочных действий учеников (в теллурии же все это осуществляется автоматически, что лишает школьников возможности ошибиться).
Очевидно, что моделирование движений "Земли" не должно осуществляться только па объяснительно-иллюстративном уровне, когда изучаемые явления моделирует учитель. Сознательное усвоение этих явлений возможно лишь в случае, если дети сами будут работать с глобусом и лампой, решая задачи типа: поставь глобус в положение, когда в Москве будет ночь; поставь глобус в положение, когда в нашей местности будет зима (весна, лето, осень) и т.п.
2. Моделирование угла падения солнечных лучей на поверхность Земли. При изучении природных зон моделирование с помощью глобуса может быть использовано и при изучении следующих вопросов:
– Отчего в арктической пустыне, тундре холодно, а в пустынях южных широт жарко? Причина этого может быть раскрыта путем показа характера падения солнечных лучей на приполярные области (солнечные лучи имеют малый угол падения, как бы скользят по поверхности и почти не нагревают ее) и на приэкваториальные области (Солнце там всегда стоит высоко над горизонтом и хорошо прогревает поверхность). Характер падения солнечных лучей можно показать с помощью обыкновенной линейки;
– Отчего в арктической пустыне, в тундре бывают полярные дни и полярные ночи? Вопрос решается аналогично путем показа прохождения (падения) солнечных лучей в момент, когда Северное полушарие обращено к Солнцу (за Полярным кругом тогда Солнце постоянно освещает поверхность – полярный день), и в момент, когда Северное полушарие повернуто от Солнца (тогда солнечные лучи в эту область не попадают – полярная ночь).
3. Моделирование рельефообразующих процессов. В одном из учебников "Окружающего мира" по "Школе 2100" дается задание: "Возьми песок и построй из него гору. Зарисуй ее. Затем полей гору из лейки и зарисуй полученный результат..." В данном случае моделируется разрушительное действие текучей воды. Это очень важно для понимания детьми процессов рельефообразования. Моделирование помогает ответить на вопрос: почему на месте горных стран в конечном счете формируется равнина? (Кстати, ныне подзабытое моделирование форм рельефа посредством текучей воды известен давно, его еще в середине прошлого века рекомендовалось проводить на уроках начальной географии.)
Для показа соотношения эндогенного и экзогенного рельефообразования этот вариант моделирования целесообразно дополнить другим, иллюстрирующим процессы горообразования. Идею можно позаимствовать в "Окружающим мире" за 4-й класс по Д. Б. Эльконину – В. В. Давыдову. Суть моделирования состоит в показе того, что происходит при столкновении движущихся континентальных плит (теория дрейфа континентов). В упрощенном варианте это может выглядеть следующим образом (из практики работы учителя Е. И. Гимазовой, г. Набережные Челны). Дети кладут на стол две пачки газет, имитирующих континентальные плиты, и надвигают их друг на друга. Происходит вздыбливание "земных слоев", их смятие – горообразование. Действия же с песком и водой иллюстрирует обратный процесс – разрушение гор. Подобного рода моделирование уместно и при изучении соответствующих тем географии.
Можно моделировать и другие виды рельефообразования. Например, дети с помощью тарелки с мукой моделируют образование кратеров при падении метеоритов (бросая камешки в тарелку с мукой) и др.
Возможны и другие варианты использования материальных моделей. Например, в курсе "Мир и человек" для доказательства шарообразности формы нашей планеты, при изучении темы "Земля – шар", учитель совместно с учащимися изображает кругосветное движение какого-либо игрушечного предмета вокруг мячика. При этом школьники по очереди наблюдают, как нижние части предмета будут скрываться за "линию горизонта". Для сравнения дети наблюдают за движением этой же игрушки по плоской "Земле" – столу.
Обучение школьников знаково-символическому моделированию. Знаково-символическое моделирование отнесено в ФГОС к метапредметным умениям, формируемым и используемым не только в "Окружающем мире", но и при изучении других дисциплин.
В образовательной системе Д. Б. Эльконина – В. В. Давыдова авторы курса "Окружающий мир" выделяют "два плана" моделирования, которые должен различать учитель:
1) первый – это детализированные схемы способов действий (схема наблюдений, экспериментирования, схема измерения и др.);
2) второй – моделирование собственно научных понятий (таких, например, как смена дня и ночи, рост и развитие).
1. Моделирование способов учебных действий. Работа со схемами способов действий в названной образовательной системе начинается с моделирования процесса получения ответов на тот или иной вопрос. Уже на первых уроках на доске появляется схема, состоящая из знаков вопроса, ответа (вос-
Рис. 12.4. Способ действия
клицательный знак) и символа, означающего способ получения ответа (рис. 12.4).
По мере освоения способа наблюдения эта схема детализируется. На втором году обучения основная задача состоит в освоении детьми моделирования как средства построения гипотез исследования. При этом схема наблюдения дополняется и переходит в схему экспериментирования, где "?" так же, как и в схеме наблюдения, обозначает возникшую перед детьми проблему, "!" – уже не ответ, а только предположение (гипотеза), рука – условие, которое мы создаем для экспериментального (э) и контрольного (к) предмета, глаз в схеме обозначает наблюдение (рис. 12.5).
Рис. 12.5. Способ действия
Можно моделировать и другие способы учебных действий. Например, при изучении природных зон посредством такой модели может быть передана последовательность (план) изучения (характеристики) природной зоны. Модель характеристики природной зоны может быть представлена следующим образом:
– положение зоны на географической карте (в графическом варианте модели изображается символ карты: например, контур России);
– характеристика климата (символ климата
– например, солнце, поскольку именно от положения солнца – наклона солнечных лучей – зависят климатические характеристики той или иной природной зоны);
– особенности поверхности (символ рельефа: например, схема холма);
– водоемы (контуры озера с впадающей в него рекой);
– почвенный покров (в качестве символа может служить схема почвенного разреза);
– растительность (символ растения);
– животный мир (контур какого-либо животного);
– жизнь человека (схематический рисунок человека);
– экологические проблемы (в качестве символа может выступать, например, контур Красной книги).
Моделирование учебных действий позволяет школьникам овладевать ими более осознанно. В приведенном выше примере такое моделирование приучает детей:
1) к логике описания природной зоны на базе географического подхода (от компонентов неживой природы к живой природе и от этого – к жизни человека, к вопросам охраны природы);
2) к комплексной характеристике зоны (обыкновенно внимание обращается лишь на климат, растения и животных, забывая о том, что и другие компоненты природы в разных зонах специфичны: например, водоемы тундры, конечно же, отличаются от водоемов пустыни).
Эту схему можно усложнить, добавив сюда стрелки, обращенные в обратную сторону, например, от растений к климату. Эти стрелки, обозначенные как-то иначе – например, другим цветом или пунктиром, – означают, что при характеристике растительности желательно связать особенности растительного покрова с климатическими особенностями рассматриваемой зоны.
2. Моделирование объектов и явлений окружающего мира. Это направление знаково-символического моделирования для учителя более привычно. Любой учебник окружающего мира включает такие модели. Это и схемы круговорота веществ, и смены сезонов года. Сюда же можно отнести и разрезы Земли, показывающие ее внутреннее строение (ядро, мантия, земная кора), разрезы родника и т.п.
Однако использовать знаково-символические модели можно по-разному:
– вариант первый – ученики воспринимают готовую модель-схему изучаемого объекта или явления. Например, после рассказа учителя о перемещении воды с океана на сушу и о возвращении ее снова в океан ("капля-путешественница") на доске появляется нарисованная учителем схема круговорота воды;
– вариант второй – ученики участвуют в составлении модели-схемы. Например, после изучения соответствующего материала (тема "Ледяная пустыня") детям предлагается дополнить недостающие звенья пищевой цепи водной экосистемы Ледовитого океана: водоросли (фитопланктон) → ? → ? → ? → белый медведь. (Вариант: водоросли → зоопланктон (рачки) → рыба сельдь → рыба треска → тюлень → медведь);
– вариант третий – ученики сами составляют модель- схему на основе имеющейся и вновь получаемой информации об изучаемом объекте, явлении.
Очевидно, что в свете названного выше требования ФГОС к овладению учениками знаково-символическими средствами для создания моделей изучаемых объектов, процессов наиболее продуктивными являются второй и, особенно, третий варианты.
Технологию работы с такого рода моделями авторы "Окружающего мира" по Д. Б. Эльконину – В. В. Давыдову передают следующим образом. Работа строится так, чтобы, отталкиваясь от наблюдаемого и примитивно словесного описания, выйти на смысловой, модельный уровень – уровень понимания процессов. Затем организуется возвратное движение от более глубокого понимания к словесному ряду, сопровождающееся поиском более точных слов, выражающих действительно найденные отношения.
Знаково-символическое моделирование может сочетаться с предметным моделированием. Так, на одном из уроков географии дети выдвигают и фиксируют на схеме возможные причины смены дня и ночи. Варианты: Земля вращается вокруг своей оси при "неподвижном" Солнце, Солнце обращается вокруг "неподвижной" Земли др. После этого эти варианты проигрываются в "живом" моделировании.
Обзор школьных учебников позволяет наметить следующую последовательность обучения школьников моделированию.
Первый этап – ознакомление детей с символами, знаками. Это еще не моделирование, но необходимый подготовительный этап. В "Окружающем мире" (Планеты знаний) это делается в начале 2-го класса. В разделе "Как люди познают мир" рассматривается тема "Знаки и символы". Дети знакомятся с понятиями "рисунок", "пиктограмма", "символ" (голубь – символ мира), "знак" (дорожные знаки); учатся их истолковывать, сами придумывают знаки-символы.
Второй этап – использование в учебном процессе схем, чертежей, постепенное привлечение школьников к их построению. Это уже собственно моделирование, но пока еще для детей, как правило, неосознанное. В рассматриваемом в качестве примера "Окружающем мире" (Планета знаний) графические модели появляются при изучении темы "Мы живем на планете Земля" (схема Солнечной системы, рисунок-схема строения Земли).
Третий этап – ознакомление с понятием "модель". Скорее всего, это целесообразно лишь в варианте предметных моделей. Тема "Что такое глобус?" учебника рассматриваемого курса начинается словами: "Иногда, чтобы изучить какой- либо предмет, ученые делают его уменьшенное или увеличенное изображение – модель". Кроме определения понятия "модель" в ее предметном варианте, дети рассматривают и другие известные им модели. Что касается знаково-символического моделирования, то авторы курса по Д. Б. Эльконину – В. В. Давыдову рекомендуют учителю избегать терминов "модель", "моделирование", а пользоваться теми терминами, которые предложат дети. Скорее всего, это будут термины "схема", "рисунок" и т.п.
Четвертый этап – расширение круга изучаемых объектов, явлений с привлечением моделирования, упражнения в моделировании.
Выделенные этапы достаточно условны и явно присутствуют, видимо, только в цитируемом варианте "Окружающего мира". В других курсах элементы моделирования могут начинаться с самого начала обучения, параллельно с введением знаков, символов, схематических рисунков (курс по Д. Б. Эльконину – В. В. Давыдову). Понятие "модель" может вводиться в первом классе (курс по системе Л. В. Занкова) или не вводиться вообще. Столь значительный разброс подходов к моделированию говорит о том, что методика введения моделирования в процесс изучения окружающего мира пока еще не сложилась. Конечно же, логика введения, характер использования моделей будет зависеть от общей концепции курса. Тем не менее для курсов, где объектом изучения является собственно окружающий мир, а не способы его познания (как в системе Д. Б. Эльконина – В. В. Давыдова), было бы логичным организовать освоение моделирования в последовательности, близкой к названной: ознакомление и освоение пользования знаками, символами – использование учителем в учебном процессе моделей без использования этого термина – знакомство детей с понятием "модель" и видами моделей, используемых при изучении "Окружающего мира" – применение моделирования учителем и упражнения в построении простейших моделей школьниками.
Знаково-символическое моделирование относится к универсальным учебным действиям и таким образом является универсальным средством развития мышления, в том числе и естественно-научного мышления. Очевидно, что в этом направлении будут работать и другие познавательные УУД, реализуемые при изучении естествоведческого материала: сравнение, выявление причинно-следственных связей, классификация и др.