基于創(chuàng)新與創(chuàng)客教育的高中生物學(xué)建模活動(dòng)

石進(jìn)德

（廈門(mén)第一中學(xué)集美分校，福建 廈門(mén) 361023）

STEM教育是在科學(xué)探究的基礎(chǔ)上融入工程學(xué)、數(shù)學(xué)的一種創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，突顯創(chuàng)新與創(chuàng)客。創(chuàng)新是指應(yīng)用已有知識(shí)和物質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)造；創(chuàng)客是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意的轉(zhuǎn)化，創(chuàng)新與創(chuàng)客教育理念是注重異想天開(kāi)，尊重首創(chuàng)，鼓勵(lì)分享。

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出“學(xué)生應(yīng)該在學(xué)習(xí)過(guò)程中逐步發(fā)展科學(xué)思維，基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)運(yùn)用模型與建模等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律”；對(duì)必修1模塊的學(xué)業(yè)要求是，應(yīng)能夠“建構(gòu)并使用細(xì)胞模型”。因此，基于創(chuàng)新與創(chuàng)客教育理念構(gòu)建高中生物學(xué)模型，能更好地反映生命活動(dòng)規(guī)律，提高學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)。

一、理論學(xué)習(xí)夯基礎(chǔ)、掌握方法識(shí)意義

利用生物學(xué)研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)，開(kāi)設(shè)“創(chuàng)客與創(chuàng)新教育”“創(chuàng)新在我身邊”“模型建構(gòu)與生物學(xué)學(xué)習(xí)”“高中生物學(xué)模型分類”“高中生物學(xué)模型建構(gòu)與生物學(xué)概念學(xué)習(xí)”“高中生物學(xué)模型設(shè)計(jì)”等專題講座，組織學(xué)生學(xué)習(xí)創(chuàng)新-創(chuàng)客教育理念、3D模型打印技術(shù)、高中生物學(xué)模型分類、高中生物學(xué)模型建構(gòu)方法與意義等理論知識(shí)，并指導(dǎo)學(xué)生觀看模型建構(gòu)案例視頻，如生物模型制作比賽、血糖調(diào)節(jié)模型建構(gòu)、3D模型打印操作等視頻，讓學(xué)生依據(jù)模型建構(gòu)中可能用到的儀器設(shè)備、材料、數(shù)據(jù)及可能遇到的困難，初步預(yù)設(shè)建模成果及呈現(xiàn)形式，提出具體可行的建模方案，以此了解模型建構(gòu)的方法，明確模型建構(gòu)的生物學(xué)意義。

二、創(chuàng)客活動(dòng)顯身手、建構(gòu)模型促認(rèn)知

利用學(xué)校生物學(xué)探究實(shí)驗(yàn)室與3D打印科普教育實(shí)踐基地，設(shè)計(jì)、制作、評(píng)價(jià)與修正高中生物學(xué)模型，進(jìn)行模型建構(gòu)創(chuàng)客活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)高中生物學(xué)核心概念的理解與應(yīng)用。

1.建構(gòu)高中生物學(xué)尺度模型

高中生物學(xué)尺度模型的建構(gòu)是指將生物體的特定結(jié)構(gòu)按一定的比例建構(gòu)，能充分體現(xiàn)生物體的外部特征和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。

【案例1】建構(gòu)DNA雙螺旋平面結(jié)構(gòu)模型

指導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手制作DNA雙螺旋模型，模型建構(gòu)活動(dòng)步驟是，畫(huà)出DNA雙螺旋模式圖—尋找工具與材料—制作“配件”—組裝、修飾—模型展示、評(píng)價(jià)與修正。

（1）學(xué)生分組設(shè)計(jì)、畫(huà)出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模式平面圖（如圖1）。

圖1 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)平面圖

（2）學(xué)生自行準(zhǔn)備顏色不同的正方形手工紙、剪刀、透明膠布、記號(hào)筆、鉛筆、小尺等。學(xué)生發(fā)揮各自想象力，除用這些常用的材料外，還可以充分利用身邊的簡(jiǎn)易材料，如廢舊包裝盒、硬質(zhì)泡沫塑料、礦泉水瓶蓋、小刀、即日貼、鐵絲、牙簽、硬紙片、細(xì)絲繩、釘書(shū)丁等。

（3）制作“配件”。準(zhǔn)備不同顏色的正方形紙若干，連續(xù)對(duì)折三次，并將其剪為小紙條，制成A、T、G、C四種堿基；取水紅色正方形紙、利用折星星的方法將其折為脫氧核糖模型；取深藍(lán)色正方形紙，將其剪為比脫氧核糖稍小的“磷酸”。

（4）組裝DNA雙螺旋平面結(jié)構(gòu)模型。先用透明膠布粘起一面，再用記號(hào)筆畫(huà)出化學(xué)鍵，最后用透明膠布粘起另一面；按堿基互補(bǔ)配對(duì)原則制作堿基對(duì)，再按磷酸和脫氧核糖反向平行的原則組裝DNA雙螺旋平面結(jié)構(gòu)模型（如圖2）。

圖2 DNA雙螺旋平面結(jié)構(gòu)模型

（5）展示、評(píng)價(jià)與修正。各小組展示所制作的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，相互評(píng)價(jià)，對(duì)存在的制作的配件大小比例不當(dāng)、脫氧核糖擺放的位置不對(duì)、兩條脫氧核苷酸鏈沒(méi)有反向平行等問(wèn)題進(jìn)行修正和完善。

學(xué)生構(gòu)建高中生物學(xué)尺度模型，以此直觀地描述生物學(xué)微觀結(jié)構(gòu)的事實(shí)性知識(shí)，有助于學(xué)生對(duì)生物體結(jié)構(gòu)的認(rèn)知、理解與應(yīng)用高中生物學(xué)概念性知識(shí)，形成生物體結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點(diǎn)。

2.建構(gòu)高中生物學(xué)概念-過(guò)程模型

概念-過(guò)程模型是以文字描述形式來(lái)體現(xiàn)生命的本質(zhì)與規(guī)律屬性，用文字概括研究對(duì)象的主要特征和聯(lián)系，并可對(duì)其個(gè)性和共性特征進(jìn)行有效的區(qū)分和聯(lián)系，厘清錯(cuò)綜復(fù)雜的概念關(guān)系，簡(jiǎn)化知識(shí)，使知識(shí)結(jié)構(gòu)化，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力。

【案例2】建構(gòu)豚鼠胰腺腺泡細(xì)胞分泌物形成過(guò)程模型

（1）畫(huà)概念-過(guò)程圖。指導(dǎo)學(xué)生思考豚鼠胰腺腺泡細(xì)胞分泌物形成過(guò)程，了解各細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)與功能等，領(lǐng)會(huì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體、高爾基體與細(xì)胞膜間沒(méi)有直接聯(lián)系，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)初步加工來(lái)自核糖體的多肽鏈，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜形成囊泡運(yùn)到高爾基體進(jìn)行加工后，再以囊泡的形式運(yùn)到細(xì)胞膜處，以胞吐的方式將蛋白質(zhì)吐出，在此過(guò)程中，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜與高爾基體膜、高爾基體膜與細(xì)胞膜相互轉(zhuǎn)化，說(shuō)明在細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能上具有統(tǒng)一性。理解各細(xì)胞器間的關(guān)系，畫(huà)出相應(yīng)的概念-過(guò)程圖（如圖3）。

圖3胰腺腺泡細(xì)胞分泌物形成過(guò)程圖

（2）建構(gòu)概念-過(guò)程模型。學(xué)生依據(jù)概念圖設(shè)計(jì)相應(yīng)的概念模型，并嘗試在電腦上用畫(huà)圖軟件制作出概念模型結(jié)構(gòu)動(dòng)畫(huà)圖，注意體現(xiàn)各種概念間的關(guān)系。

（3）準(zhǔn)備材料。尋找簡(jiǎn)易材料和用具如毛線、妞妞棒、雙面膠、硬紙板、磁鐵塊、粘合劑等。

（4）DIY制作。利用準(zhǔn)備的材料和用具，DIY制作出生物學(xué)概念-過(guò)程模型（如圖4）。

圖4胰腺腺泡細(xì)胞分泌物形成過(guò)程模型

（5）檢測(cè)反饋。將構(gòu)建的生物概念-過(guò)程模型應(yīng)用于課堂教學(xué)實(shí)踐，檢測(cè)是否能產(chǎn)生合理的結(jié)果，若無(wú)法達(dá)成預(yù)期目標(biāo)，進(jìn)一步搜集各種反饋意見(jiàn)并加以修正，最終完成作品。

生物概念—過(guò)程模型的構(gòu)建活動(dòng)從理論到實(shí)踐具有不同的難度梯度，構(gòu)建過(guò)程可能遇到各種各樣的困難和問(wèn)題，但活動(dòng)緊貼學(xué)生學(xué)習(xí)和生活的自然環(huán)境，學(xué)生較感興趣，所以會(huì)想方設(shè)法解決問(wèn)題，構(gòu)建出相應(yīng)的模型，以促進(jìn)學(xué)生深入理解和應(yīng)用生物學(xué)概念。

3.建構(gòu)高中生物學(xué)數(shù)學(xué)模型

高中生物數(shù)學(xué)模型的建構(gòu)是依據(jù)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)形式對(duì)合理假設(shè)的佐證與確認(rèn)，能概括性地描述和闡述生命的本質(zhì)或生命規(guī)律或生物結(jié)構(gòu)與功能間的關(guān)系，從而提高學(xué)生的數(shù)學(xué)模型建構(gòu)能力，有助于學(xué)生開(kāi)放性思維與創(chuàng)新能力的提升。

【案例3】構(gòu)建酵母菌種群數(shù)量增長(zhǎng)模型

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。首先設(shè)計(jì)探究酵母菌種群數(shù)量變化實(shí)驗(yàn)方案，主要圍繞影響酵母菌種群數(shù)量變化的因素、計(jì)數(shù)等實(shí)驗(yàn)用具選擇、實(shí)驗(yàn)操作步驟、利用原理的分析等擬定本次探究方案。

（2）實(shí)驗(yàn)探究。每天定期取樣、計(jì)數(shù)、得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；檢測(cè)后采用分裝至更大容器培養(yǎng)與不分裝培養(yǎng)兩組實(shí)驗(yàn)；獲取每天的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（3）繪曲線圖。在同一坐標(biāo)中依實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制酵母菌種群數(shù)量隨時(shí)間變化曲線圖。

（4）形成數(shù)學(xué)模型。依據(jù)數(shù)學(xué)模型的特征要求，在曲線坐標(biāo)上標(biāo)注曲線名稱、曲線相互關(guān)系，分析種群數(shù)量變化因素，形成預(yù)期的數(shù)學(xué)模型（如圖5），體現(xiàn)生命本質(zhì)與生命規(guī)律。

圖5酵母菌種群數(shù)量增長(zhǎng)模型

（5）模型檢測(cè)。教師對(duì)模型進(jìn)行審核，提出修正意見(jiàn)，學(xué)生再完成模型作品。

學(xué)生在探究實(shí)驗(yàn)中將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果構(gòu)建高中生物數(shù)學(xué)模型，既體會(huì)到探究性學(xué)習(xí)過(guò)程的樂(lè)趣，又拓展對(duì)高中生物學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)，在探究基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新與創(chuàng)客實(shí)踐，進(jìn)一步提升了學(xué)生的生物學(xué)素養(yǎng)。

4.建構(gòu)高中生物學(xué)3D模型

在生物教學(xué)中指導(dǎo)學(xué)生利用3D虛擬仿真軟件構(gòu)建生物學(xué)模型，不僅能夠?qū)⑽⒂^的物質(zhì)、動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程更形象地呈現(xiàn)出來(lái)，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)生物學(xué)知識(shí)的理解，提高學(xué)生學(xué)習(xí)生物想的興趣，還能引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行發(fā)散思維，提升學(xué)生的探究能力和分析解決問(wèn)題的能力。

【案例4】建構(gòu)細(xì)胞結(jié)構(gòu)3D模型

（1）模型選擇。根據(jù)高中生物學(xué)學(xué)習(xí)的需要，選擇需要突顯立體空間結(jié)構(gòu)生物模型。

（2）圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。采用Maya建模軟件，對(duì)高中生物模型進(jìn)行設(shè)計(jì)圖像模型，

將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，進(jìn)行圖像優(yōu)化處理（如圖6）。

圖6細(xì)胞結(jié)構(gòu)3D圖像

（3）模式轉(zhuǎn)換。用建模軟件一般默認(rèn)的格式都是常用的obj、xxx、xxx等格式，而3D打印所需要的打印格式是stl格式，所有要把圖像模型導(dǎo)出成stl格式文件。

（4）打印制作。將設(shè)計(jì)好的模型打印成型，完成細(xì)胞結(jié)構(gòu)3D模型（如圖7）。

圖7細(xì)胞結(jié)構(gòu)3D模型

（5）拓展探究。進(jìn)一步深入探究不同材質(zhì)打印細(xì)胞3D模型的差異。

學(xué)生在DIY生物3D模型的建構(gòu)中獲取實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，拓展和提升了學(xué)習(xí)及其能力，解決實(shí)際問(wèn)題，讓學(xué)生學(xué)有所用，從課堂走向?qū)嵺`。

三、展示交流共分享，挖掘拓展促延伸

1.展示交流，評(píng)比分享

首先由各組學(xué)生代表展示各自的創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路和創(chuàng)客作品，并以課題答辯的方式交流建模體會(huì)。以美觀實(shí)用、解決生物學(xué)難點(diǎn)、突顯生物特點(diǎn)、具有創(chuàng)意、設(shè)計(jì)思路科學(xué)規(guī)范、材料選擇最佳等作為模型評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，師生共同評(píng)選優(yōu)秀的模型。同時(shí)對(duì)創(chuàng)新性提出新問(wèn)題、新方法的數(shù)量最多與質(zhì)量最佳的小組和個(gè)人進(jìn)行表?yè)P(yáng)和鼓勵(lì)。將評(píng)選出的優(yōu)秀設(shè)計(jì)方案、活動(dòng)照片、參考文獻(xiàn)、過(guò)程性文字資料和實(shí)物材料等進(jìn)行展示與分享。

2.探究拓展，實(shí)踐創(chuàng)新

教師引導(dǎo)學(xué)生探究不同生物學(xué)模型建構(gòu)的差異性，嘗試開(kāi)展高中生物學(xué)大概念建模研究，拓展與高中生物模型建構(gòu)活動(dòng)有關(guān)的創(chuàng)新性課題研究。教師還協(xié)助學(xué)生提交生物學(xué)模型專利申請(qǐng)。基于前期模型建構(gòu)活動(dòng)所取得的成果，組織學(xué)生開(kāi)展“頭腦風(fēng)暴”，鼓勵(lì)用自己獨(dú)特的思維方式去創(chuàng)新，引導(dǎo)學(xué)生互相質(zhì)疑，設(shè)計(jì)新的創(chuàng)意項(xiàng)目，參加創(chuàng)新比賽，促進(jìn)建?；顒?dòng)的深入開(kāi)展。

參考文獻(xiàn)：

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