通过学习进阶发展学生对科学概念的理解，帮助学生形成良好的知识结构、深度理解科学概念、提高问题解决能力，已经成为当代基础教育科学课程改革的核心理念。《义务教育小学科学课程标准》（以下简称《课标》）基于学生的思维发展特点，以学习进阶的思想进行学段设计。[1]新修订的人教/鄂教版小学科学教材也落实了这一课程设计理念，并在整合学生思维发展与概念建立的同时，强调指向大概念的学习。地球与宇宙科学领域的学习内容在时间和空间维度有较大跨度，如在认识地球、太阳系等天体系统及其运动时，时间上远远超出课堂学习时长，空间上远远超出肉眼观察所及。这些相关学习内容不易被大脑表征，学生认识和理解起来比较困难，而模型可以将这类学习对象直观化，有利于促进学生对科学概念的理解和迁移。因此，教师要引导学生对现实世界进行模型建构并作模拟实验，以此为基础搜集证据，基于证据进行科学论证得出结论，对科学现象作出解释并进行问题解决。可见，科学建模是突破地球与宇宙科学领域教学难点的关键。 一、基于学习进阶的科学建模教学 （一）突出思维能力发展的科学建模 科学建模源自科学哲学中的科学研究方法，认为科学理论的核心是模型，科学探究的根本任务是建构模型解释和预测自然现象。随着综合科学课程的发展，建模研究从科学视角转变为科学教学视角。[2]大量研究者开始研究科学家的建模过程，教师和学生对模型本质的理解，学生科学建模的影响因素等，科学建模教学的相关研究逐渐成为科学教育研究的热点和焦点。作为连接科学理论与现实世界的桥梁，科学建模可以使抽象事物具象化，使复杂现象简单化，并为科学现象的解释和预测提供依据。大量研究表明，学生对科学建模的了解会加深和促进其对科学知识、科学探究与科学本质的理解。 确定科学建模能力表现既是确立学习目标的前提，又是对学习进行监控或作进一步干预的基础。因此，要有效开展科学建模教学，首先要明确学生的科学建模能力表现。众多研究者从不同维度对科学建模进行了阐述和能力分解，相关研究几乎都涉及在现实问题情境中进行模型表征、通过科学思维实现模型建构和对模型的拓展应用或效度检验三个方面，这成为我们开展教学实践的理论基础。 （二）整合大概念学习的科学建模 《课标》规定了地球与宇宙科学领域的三个大概念（也称主要概念），每个大概念又可分解为若干个一般科学概念。[3]指向大概念的教学是落实学生核心素养发展的重要抓手。概念的理解和建立依赖于学生对相关知识的模型建立，模型的良好建构又离不开学生对探究对象的内涵理解，科学知识和模型建构相互依存，相互制约，相互促进。大概念是科学学科知识结构的骨架，是连接一般科学概念的聚合器，具有较强的迁移和解释力，是学生表现科学素养的基础。鉴于大概念抽象程度较高且统摄一类科学概念，因此其内涵的揭示也需要建立在对一般科学概念的理解之上。一般科学概念是由一系列科学事实支撑的[4]，科学事实源自对现实世界的观察，支撑大概念解释的众多事实往往跨越学生学习的不同年级段。因此，基于学习进阶的科学大概念教学要重视学段内及跨学段的学习经验统整，将学生科学建模能力的培养与科学概念的建立相连接，即在强调大概念学习的基础上注重学生科学建模能力的进阶发展，这也是国际科学教育领域科学概念与科学实践能力整合研究的重要形式。[5] 综上所述，要真正实现学生科学建模能力的有效培养，应基于学习进阶理念实施科学建模教学，即以大概念描绘学生科学建模的思维发展路径，利用大概念统整学生的直接或间接学习经验，并用进阶路线图来刻画大概念的发展路径。 二、设计学习进阶活动路线 （一）分析《课标》与教材，拆解大概念 学习进阶活动路线是整合学生科学概念建立与科学建模思维发展的路线图。教师绘制出学习进阶活动路线图，教学活动便会有迹可循，有据可依。绘制有效的学习进阶活动路线图，需要依据《课标》的学习目标，结合教材内容，梳理相关活动的关系并理解对应科学概念的思维层次，统整学生课内外学习经验，实现指向大概念学习的科学建模能力培养。 前文提到，大概念是由若干个一般科学概念和科学事实支撑的。为了更好地建立大概念，我们首先要分析与之相关的学段内和跨学段科学概念与科学事实。以大概念“地球的运动”为例，结合《课标》的年段目标，分析人教/鄂教版小学科学教材中的相关学习内容，厘清不同内容间的逻辑关系，可拆解出动植物的变化、物体的影子变化等科学概念（见表1）。
可以看出，地球的运动不仅涉及地球自转和公转带来的昼夜交替现象、四季形成原因等，还涉及地球运动带来的动植物变化、物体影子的变化、气温的变化等，这些都是学生真正理解并建立“地球的运动”这个大概念所需的一般科学概念和科学事实。而这些概念和事实分布在不同的年级段和单元，需要发挥大概念的统整作用，将它们关联起来，从而实现科学概念的结构化、系统化。 （二）明晰学习层级，突出思维水平 概念的建立需要学生通过教学活动获取科学事实，通过推理论证建立观点形成概念，进一步抽象不同概念聚合形成大概念，上述概念的形成过程涉及不同层次的思维水平。在分析教学活动时，教师需要结合科学建模过程对分解后的一般科学概念进行层级分析。我们在概念分解及活动分析的基础上，结合科学建模的思维水平，整理出“地球的运动”概念的相关学习活动，得出学习进阶路线（见图1）。 通过图1可以清晰地看出学习活动与学习目标的关系和科学事实与科学概念的关系。以五年级下册《四季的形成》一课为例，学习进阶路线如下。层级1：四季变化规律与气温变化规律建立联系→层级2：初步建构四季成因的模型（观察对比一天的气温变化柱状图与影子变化柱状图，发现气温变化与影子长短变化的关系→回顾影子长短变化与太阳照射角度变化的关系→通过二十四节气的气温变化柱状图与影子变化柱状图的比较，建立一年中气温变化与太阳照射角度变化关系）→模拟实验发现太阳照射角度变化是由地球公转引起的→层级3：修正完善四季成因的模型并解释四季成因（在地轴倾斜和竖直两种不同情况下，模拟实验有不同结果→对比发现，只有地轴倾斜，公转时影子才会发生变化）→应用四季成因模型解释为什么一年有四季。整个学习活动过程中，科学概念与事实相互支撑，设计思维层级递进。
