模型思想在生物探究教學(xué)中的運用

【摘 要】以蘇科版“探究家鴿適應(yīng)空中飛行的特征”的教學(xué)實踐為例，探討在初中生物課堂中運用模型思想設(shè)計并開展探究活動。

【關(guān)鍵詞】初中生物；科學(xué)探究；模型思想；學(xué)科核心素養(yǎng)

【中圖分類號】G633.91 【文獻標(biāo)志碼】A 【文章編號】1005-6009（2019）03-0050-04

【作者簡介】姚國平，江蘇省無錫市蠡園中學(xué)（江蘇無錫，214072）教師，高級教師，江蘇省特級教師，無錫市濱湖區(qū)兼職生物教研員。

科學(xué)模型是人們按照特定的科學(xué)研究目的，在一定的假設(shè)條件下，用物質(zhì)形式或思維形式再現(xiàn)原型客體的結(jié)構(gòu)、功能、關(guān)系、過程等本質(zhì)特征的類似物。借助于模型來獲取、拓展和深化對于客體的認(rèn)識的方法，是科學(xué)研究中常用的模型方法。[1]課堂教學(xué)中通過開展建模這一探究活動，有利于學(xué)生體驗運用模型和模型方法解決問題，領(lǐng)悟模型思維的特點，并掌握生物學(xué)重要概念，從而切實提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。以蘇科版生物教材七年級下冊“探究家鴿適應(yīng)空中飛行的特征”的教學(xué)實踐為例，探討在初中生物課堂中運用模型思想設(shè)計并開展探究活動。

一、形成心智模型，優(yōu)化探究思路

“心智模型”最早由英國心理學(xué)家克雷克提出，他認(rèn)為個體心智構(gòu)建現(xiàn)實的“小型模型”，可用于預(yù)測事件、進行推理或者把它作為解釋的基礎(chǔ)。我國學(xué)者認(rèn)為，心智模型既是個體對外在事物內(nèi)在表征后形成的概念框架，又是一種動態(tài)的內(nèi)在運作機制。[2]學(xué)生的心智模型通常是不完善的并且是不斷發(fā)展的，影響著個體對外在事物進行描述、解釋和預(yù)測的行為與方式。因此，教學(xué)中需要引導(dǎo)學(xué)生完善、優(yōu)化心智模型，形成一定的探究思路或解決問題的整體策略，這樣能使探究活動具有明確的目標(biāo)指向性，有利于開放、靈活地實施探究活動，從而提高學(xué)生自主參與的積極性和實效性。

對于“飛行”這一現(xiàn)象，學(xué)生具備零散的認(rèn)識，也能做出某些解釋，但這都以經(jīng)驗為主，并不能有效指向問題的科學(xué)解決。不同于紙飛機的滑行，鳥類飛行是通過翅膀靈活運動和羽毛共同作用產(chǎn)生升力和推力，鳥類飛行時產(chǎn)生升力以托舉其重量，產(chǎn)生推力以克服身體各部分阻力。[3]升力和推力是飛行的充分必要條件，而體重相對較輕、身體呈流線型是有利飛行的充分條件，也就是說鳥類的高效飛行是諸多因素綜合作用的結(jié)果。由此，提煉、構(gòu)建如圖1所示的“家鴿適應(yīng)空中飛行的特征”的心智模型——減小阻力、減輕體重、增強推力、增加升力。以形象化的方式表征模型，更符合初一學(xué)生的認(rèn)知心理。

鳥類的飛行運動需要發(fā)達的動力器官和充足的能量供應(yīng)。生物體通過呼吸作用產(chǎn)生能量這一生理過程，不僅和呼吸系統(tǒng)有關(guān)，還和消化系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)都有直接關(guān)系，這樣，探究的視角必然會觸及家鴿的生理結(jié)構(gòu)特點。因此，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生回憶此前學(xué)過的人體對食物的消化和吸收、能量的釋放和利用等內(nèi)容，并適當(dāng)補充血液循環(huán)的知識，以能量的產(chǎn)生為核心，運用概念圖這一可視化的形式架構(gòu)如圖2所示的心智模型。

傳統(tǒng)教學(xué)偏重“知識本位”，一般是要求學(xué)生綜合利用圖片、標(biāo)本、視頻等資源，從外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等知識體系來觀察、分析家鴿適于飛行的特征，這是一種“機械性”的探究，不利于學(xué)生自主探究意識的培養(yǎng)和探究能力的提升。而心智模型的建立，相當(dāng)于在學(xué)生頭腦中繪就了一張解決問題的路線圖，然后再圍繞核心問題從不同角度尋找證據(jù)去證實，這樣的探究活動更為靈活和開放，而不必拘泥于學(xué)科知識的邏輯，體現(xiàn)了“素養(yǎng)立意”的教學(xué)觀。

二、構(gòu)建物理模型，開展探究活動

基于模型思想，充分開發(fā)和利用模型資源，是提高學(xué)生模型認(rèn)知能力、培養(yǎng)模型思維方法的有效途徑。在學(xué)生形成心智模型、具有明確探究指向性的基礎(chǔ)上，教師可組織他們進行分組自主探究。依據(jù)初一學(xué)生的認(rèn)知心理特點，主要借助直觀性強的物理模型來開展探究活動。物理模型是指以實物或圖畫形式直觀地表達認(rèn)識對象特征的模型[4]，能較好實現(xiàn)知識表征的可視化，有效促進知識信息的傳遞，以及思維的創(chuàng)新發(fā)展。

1.探究增強推力的因素。

胸肌是鳥類的發(fā)動機，能產(chǎn)生巨大的推力，以克服身體各部分阻力。研究表明，飛行時所需的能量有80%來自胸肌。教學(xué)中教師可以利用模型方法，引導(dǎo)學(xué)生對其進行探究。

比較圖片模型和數(shù)據(jù)模型，認(rèn)識龍骨突和胸肌。鳥類胸骨的長度（L）、寬度（W）分別與龍骨突高度（H）的比值（L/H，W/H）可以有效判斷不同鳥類的生態(tài)習(xí)性。教學(xué)中教師以圖片的形式展示家雞和家鴿的龍骨突模型（圖3），同時呈現(xiàn)其他鳥類胸骨測量數(shù)據(jù)[5]（表1），學(xué)生經(jīng)過觀察、分析、比較，發(fā)現(xiàn)飛行能力強的鳥類L/H和W/H值都比較小，進而得出如下結(jié)論：胸骨越寬闊、龍骨突越高聳，胸肌的附著面就越大，胸部的肌肉也就越發(fā)達，這與鳥類扇動兩翼執(zhí)行飛行生活的特點是相適應(yīng)的。

模擬制作氣囊，理解雙重呼吸。準(zhǔn)備一只容量較大的注射器，將條形氣球的氣嘴緊緊箍住注射器的錐頭孔，注射器筒身表示肺部，氣球表示氣囊（圖4）。緩慢推、拉注射器活塞，氣球鼓脹、收縮，表示氣體經(jīng)肺進入氣囊后，再從氣囊經(jīng)肺排出，氣體兩次在肺部進行氣體交換。在感性認(rèn)識的基礎(chǔ)上，輔以雙重呼吸的概念模型（圖5），讓學(xué)生更加深刻理解家鴿呼吸系統(tǒng)發(fā)達，呼吸效率高，可以滿足飛行時對氧氣的大量需求。

2.探究增加升力的因素。

鳥類在滑翔飛行時，其兩翼會產(chǎn)生很大的升力。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，鳥類兩翼的上表面呈上凸下凹的形式，并且剖面呈流線型（圖6）。根據(jù)伯努利原理，當(dāng)氣流以一定的迎角吹過翼型時，會因為上下翼面產(chǎn)生的氣流速度差而產(chǎn)生壓力差（上翼面的空氣流速快、壓力小，下翼面的空氣流速慢、壓力大）從而將鳥翼向上托起，產(chǎn)生升力。家鴿體長一般約為33厘米，但翼展可達60多厘米，足以提供飛行時所需的升力。

在初一學(xué)生還沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)過物理知識的前提下，教學(xué)中教師可以采用模擬演示的方法：準(zhǔn)備一張長寬分別為15厘米和5厘米的紙片，將紙的一端貼在下嘴唇，使其下垂形成一個弧度（模擬鳥翼外形），然后沿紙條的上表面緩緩吹氣，可以觀察到紙片上揚（圖7）。這樣，形象地展示了升力產(chǎn)生的原理，易于學(xué)生理解。

3.探究減小阻力的因素。

現(xiàn)代機車設(shè)計者利用空氣動力學(xué)原理，盡量將車身曲線設(shè)計得圓潤而流暢，使迎面空氣很容易地通過車身，從而達到減少空氣阻力的目的。教師以圖片形式展示“復(fù)興號”動車模型和家鴿實物模型，同時呈現(xiàn)資料：“復(fù)興號”動車組的外形設(shè)計采用全新低阻力流線型頭型和車體平順化設(shè)計，列車在運行過程中的阻力比現(xiàn)有的“和諧號”動車組降低11%，由此整個能耗節(jié)約了17%。通過問題誘導(dǎo)，學(xué)生很容易把家鴿的外形和列車的外形聯(lián)系起來思考，得出相應(yīng)的結(jié)論：家鴿流線形體型易于減小空氣的阻力、減少能量消耗。

4.探究減輕體重的因素。

準(zhǔn)備一張A4紙和一張同樣大小的硬質(zhì)包裝紙，折成形狀一樣的飛機模型，用同樣的力量和同樣的角度使其飛行，觀察飛行情況。多次模擬結(jié)果顯示，質(zhì)量輕的紙飛機更有利于飛行。那么，家鴿的哪些結(jié)構(gòu)特點有利于減輕體重呢？在教師引導(dǎo)下，學(xué)生首先觀察家鴿的骨骼，通過掂量家鴿的骨骼標(biāo)本，體會到比預(yù)計的更為輕巧；用小手電照射頭骨、胸骨、龍骨，發(fā)現(xiàn)其很容易透光；然后結(jié)合資料提示，發(fā)現(xiàn)家鴿口腔內(nèi)沒有牙齒，尾椎骨是愈合的。此外，家鴿的直腸很短，糞便可隨時排出體外。這些特點，都起到了減輕體重的作用。

三、完善概念模型，提升認(rèn)知水平

概念模型以圖示、文字、符號等組成的流程圖形式對事物的活動規(guī)律、機理進行描述、闡明，是對真實世界中某個領(lǐng)域內(nèi)的事物進行描述。[6]學(xué)生的認(rèn)知是一個從混沌到清晰，從無序到有序的螺旋上升過程。在教學(xué)中，概念模型的建構(gòu)不僅能促進學(xué)生形成系統(tǒng)化、整體化的理解，使其有機整合到原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，而且有利于學(xué)生受到思維方法的培育和解決問題能力的訓(xùn)練，從而整體提升學(xué)生的認(rèn)知水平。

在初中生物教材中主要以概念圖、示意圖的形式表達概念模型，系統(tǒng)、直觀地揭示生物及其生命活動過程的主要特征或本質(zhì)。本節(jié)課在師生合作探究過程中，一步步完善、形成如圖8所示的概念模型。

該概念模型以“家鴿適應(yīng)空中飛行的特征”為主題，在動態(tài)的構(gòu)建過程中，實現(xiàn)了“一明一暗”兩條主線的有機融合，并內(nèi)化在原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中。明線即知識線，學(xué)生通過自主探究掌握了家鴿的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、生理方面的知識，并形成了“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”“生物與環(huán)境相適應(yīng)”的進化適應(yīng)觀；暗線即內(nèi)隱的方法線和思維線，在探究中著力培育了演繹與推理、模型與建模等科學(xué)思維方法，為學(xué)生創(chuàng)造性地解決不同領(lǐng)域的新問題提供了較為普適的范例。

【參考文獻】

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[2]張丙香，畢華林.中學(xué)生科學(xué)概念心智模型的理論研究綜述[J].化學(xué)教學(xué)，2017（10）：6-11.

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[5]張玉光，李志恒，劉慶國.鸚形目鳥類胸骨的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征及其相關(guān)功能分析[J].野生動物，2010（1）：17-21.

[6]舒青飛.對高中生物“模型”的認(rèn)識[J].中學(xué)教學(xué)參考，2011（8）：70-71.