新課程標(biāo)準(zhǔn)理念下的高中生物學(xué)建模教學(xué)策略

趙萍萍 劉恩山*

（1 河北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 河北石家莊 050024 2 北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 北京 100875）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》（以下簡稱“新課程標(biāo)準(zhǔn)”）明確提出生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會責(zé)任［1］。教師如何在新課程標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下，促進(jìn)學(xué)生逐步發(fā)展、 完善并最終達(dá)成這4 個(gè)維度的核心素養(yǎng)， 成為當(dāng)下生物學(xué)教育研究者和一線教師亟待思考和解決的問題。 建模教學(xué)策略作為近幾年全球科學(xué)教育領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一， 其讓學(xué)生通過建?；顒由钊肜斫庵R形成過程的核心理念，成為當(dāng)前課堂上促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，尤其是科學(xué)思維能力提升的重要教學(xué)策略之一［2-3］。

本研究主要以人教版高中生物學(xué)《遺傳與進(jìn)化》模塊，及其第3 章第2 節(jié)“DNA 分子的結(jié)構(gòu)”內(nèi)容為例，結(jié)合實(shí)際教學(xué)，闡述如何恰當(dāng)?shù)厥褂媒＝虒W(xué)策略以發(fā)展學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 建模教學(xué)策略簡介

研究認(rèn)為凡是涉及模型構(gòu)建、模型使用、模型評價(jià)和修正的教學(xué)都稱之為建模教學(xué)［4］。 建模教學(xué)和建模歷程密切相關(guān)。 由于建模歷程具有過程性、復(fù)雜性、多因素性等特點(diǎn)，以建模為核心教學(xué)活動的建模教學(xué)也因此呈現(xiàn)較為復(fù)雜、 較難掌控等特點(diǎn)［5］。研究者認(rèn)為基于學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的規(guī)律，建模教學(xué)策略實(shí)施之初， 教師可采用示范如何建模為主的教學(xué)形式， 將建模的主要步驟潛移默化地滲透到教學(xué)中。 隨后待學(xué)生逐漸熟悉和理解這些步驟，教師就可采用以學(xué)生構(gòu)建模型為主、教師引導(dǎo)為輔的教學(xué)形式。

1.1 建模教學(xué)策略主要實(shí)施步驟 構(gòu)建模型遵循一定的步驟。 本研究以尤斯蒂（R. S. Justi）和吉爾伯特（J. K. Gilbert）于2002 年提出的建?？蚣茏鳛槔碚摶A(chǔ)［5］。 建模教學(xué)的步驟主要包括：①明確模型構(gòu)建目的；②選擇和使用合理的模型表征方式；③構(gòu)建模型；④檢驗(yàn)和評價(jià)模型；⑤修正模型。

表1 建模教學(xué)策略適用范圍（以“遺傳與進(jìn)化”為例）

以上5 個(gè)步驟貫穿建模教學(xué)的每個(gè)建?；顒樱⒊尸F(xiàn)先后的邏輯順序。 首先，明確模型構(gòu)建目的。這要求建模者能全面理解模型的功能，從而確定構(gòu)建模型的作用和目的。 模型的功能主要包括描述、解釋和預(yù)測［6］。模型可用于描述難以直接觀測到的太大或太小及人工難以控制的事物或現(xiàn)象，可用于解釋事物發(fā)生的原因和機(jī)理，還可用于預(yù)測事物的發(fā)展趨勢［5］?；谝陨? 個(gè)功能，建模者就容易理解構(gòu)建模型并非是手工制作， 而是為了幫助人們描述、解釋或預(yù)測事物和現(xiàn)象，從而更有目的性、針對性地構(gòu)建模型。 第2，選擇和使用合理的模型表征方式。 在明確模型構(gòu)建目的后，需將模型用合理的方式呈現(xiàn)。 常見的表現(xiàn)形式有實(shí)物、視覺、符號、語言和行為手勢等，并可將不同的形式自由組合，從而更全面多樣化地表現(xiàn)模型［7-8］。 第3，構(gòu)建模型。 在此過程中，教師需聆聽并可參與學(xué)生的討論， 及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生的疑問和困惑，有助于后續(xù)建模教學(xué)的順利開展。 第4，檢驗(yàn)和評價(jià)模型。建模完成后，需基于一定的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)審視該模型。 促使建模者反思模型和模型所表征事物之間的關(guān)系是否科學(xué)正確， 有助于建模者真正地理解和運(yùn)用知識，并表達(dá)自己的觀點(diǎn)。 第5，修正模型?；谀Ｐ驮u價(jià)產(chǎn)生的優(yōu)、缺點(diǎn)或改進(jìn)建議， 對模型進(jìn)行修改或更新從而最終達(dá)成建模目的。 教師將以上5 個(gè)步驟滲透和融入到建模教學(xué)設(shè)計(jì)中，在幫助學(xué)生完成建模的同時(shí)，也促使學(xué)生獲得知識和能力，提升科學(xué)素養(yǎng)。

建模的5 個(gè)步驟并非完全單向線性， 而是可循環(huán)往復(fù)的。 如若在第3 步構(gòu)建過程中發(fā)現(xiàn)模型的表征方式不合理，可返回第2 個(gè)步驟，重新思考選擇合理的模型表征方式。

1.2 建模教學(xué)策略適用范圍示例 值得注意的是，建模教學(xué)策略雖使學(xué)生受益，但并非所有高中生物學(xué)內(nèi)容都需或適合運(yùn)用建模教學(xué)。 研究者認(rèn)為應(yīng)從模型的功能視角衡量是否使用建模教學(xué)策略。 當(dāng)教學(xué)內(nèi)容運(yùn)用建模的方法有助于學(xué)生更好地描述、解釋和預(yù)測事物或現(xiàn)象時(shí)，教師可考慮使用該策略。研究者以人教版高中生物學(xué)《遺傳與進(jìn)化》為例，整理歸納該模塊適合建模教學(xué)的主要內(nèi)容，并給出詳細(xì)理由，以期為廣大生物學(xué)教師的教學(xué)提供有效參考（上頁表1）。

2 建模教學(xué)策略發(fā)展學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

建模教學(xué)策略通過鼓勵學(xué)生基于科學(xué)問題動手動腦構(gòu)建模型， 在促進(jìn)其理解知識形成過程的基礎(chǔ)上，著重發(fā)展學(xué)生模型與建模等科學(xué)思維，提高了其運(yùn)用科學(xué)思維解決實(shí)際問題的能力。 與此同時(shí)，基于不同教學(xué)內(nèi)容，建模教學(xué)策略也在不同程度上體現(xiàn)了生命觀念，結(jié)合科學(xué)探究，并為社會責(zé)任形成奠定基礎(chǔ)， 最終為促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成添磚加瓦（圖1）。本文以“DNA 分子的結(jié)構(gòu)”為例，闡述建模教學(xué)在發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的具體操作和價(jià)值。

圖1 建模教學(xué)與生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)關(guān)系圖

2.1 建模教學(xué)著重發(fā)展科學(xué)思維 建模教學(xué)策略鼓勵學(xué)生在尊重生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用建模思維和方法， 探討和闡釋有關(guān)生命現(xiàn)象及規(guī)律。 本文主要闡述模型和建模思維在建模教學(xué)中的運(yùn)用和發(fā)展。由于DNA 分子結(jié)構(gòu)的空間復(fù)雜性和組成要素多樣性， 此模型的構(gòu)建遵循由淺入深，由易到難的漸進(jìn)原則。 脫氧核苷酸是DNA分子的基本組成單位， 眾多脫氧核苷酸這一基本單位構(gòu)成脫氧核苷酸單鏈， 之后2 條單鏈通過堿基配對等形成DNA 分子的平面結(jié)構(gòu)，最后通過旋轉(zhuǎn)形成雙螺旋的空間結(jié)構(gòu)。因此，建模時(shí)從構(gòu)建脫氧核苷酸模型入手， 依次分別構(gòu)建脫氧核苷酸長鏈模型、DNA 分子平面結(jié)構(gòu)模型、DNA 分子立體結(jié)構(gòu)（雙螺旋結(jié)構(gòu)）模型。 前文所述建模的5 個(gè)步驟均在這些模型的構(gòu)建中體現(xiàn)。 本文以2 個(gè)模型為例進(jìn)行說明。

首先，在構(gòu)建脫氧核苷酸基本單位模型時(shí)，教師第1 步應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生明確建模目的， 即構(gòu)建此模型是為了能準(zhǔn)確描述脫氧核苷酸的基本組成要素， 為后續(xù)建模打下基礎(chǔ)。 教師可引導(dǎo)學(xué)生回顧《分子與細(xì)胞》模塊所學(xué)的“遺傳信息的攜帶者——核酸”一節(jié)內(nèi)容，重溫組成DNA 分子的基本單位脫氧核苷酸，這是建模的依據(jù)和證據(jù)。 第2 步，需考慮選擇和使用何種模型表征方式。 為節(jié)約課堂時(shí)間，教師可將提前準(zhǔn)備好的材料發(fā)放給學(xué)生。 例如，用球形塑料片代表磷酸、五邊形塑料片代表脫氧核糖、4 種不同顏色的長方形塑料片代表4 種堿基等。 同時(shí)向?qū)W生介紹如何在建模時(shí)選擇模型表征方式，即學(xué)生應(yīng)明白為何使用這些材料，以及用何種材料將它們連接才是合理的。 第3 步，學(xué)生分小組進(jìn)行建?；顒?。 在此過程中，教師需留意學(xué)生的活動操作和討論內(nèi)容， 及時(shí)反饋和糾正學(xué)生出現(xiàn)的錯誤理解和認(rèn)知。 第4 步，檢驗(yàn)和評價(jià)模型。教師評價(jià)學(xué)生的模型，并鼓勵學(xué)生互評，檢驗(yàn)和評價(jià)模型遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)，對于此模型而言，著重關(guān)注脫氧核苷酸組成結(jié)構(gòu)的連接位置是否出現(xiàn)錯誤。 對出現(xiàn)錯誤的模型提出修改意見，幫助學(xué)生形成對脫氧核苷酸的正確認(rèn)知。 第5 步，修正模型。教師通過控制管理課堂時(shí)間， 鼓勵學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)修正原有錯誤模型， 形成科學(xué)合理的脫氧核苷酸模型。

其次， 在構(gòu)建脫氧核苷酸單鏈模型時(shí)， 第1步，教師先引導(dǎo)學(xué)生明確建模目的是為了準(zhǔn)確描述2 個(gè)脫氧核苷酸在什么部位，并以何種化學(xué)鍵的形式相互連接成長鏈。 教師可展示科學(xué)家關(guān)于單鏈形成的研究資料，作為建模依據(jù)。 第2 步，基于建模材料，引導(dǎo)學(xué)生思考：①2 個(gè)脫氧核苷酸在什么部位相互連接成長鏈? ②如何表現(xiàn)相互連接的部位和連接方式？ 引導(dǎo)學(xué)生選擇自己認(rèn)為合理的建模材料，即模型表現(xiàn)方式。 第3 步，依據(jù)選擇的材料，學(xué)生分小組合作制作一條DNA 單鏈。 在此過程中，對于可能出現(xiàn)的磷酸二酯鍵連接位置錯誤等問題，教師應(yīng)給予及時(shí)反饋。 在討論過程中，理論和實(shí)踐不斷碰撞，學(xué)生的科學(xué)思維得以發(fā)展。 第4 步，建模完成后，教師評價(jià)學(xué)生的模型，并引導(dǎo)不同小組間互評。 通過評價(jià)，學(xué)生可清楚地認(rèn)識到脫氧核苷酸間的連接位置及磷酸二酯鍵（上一個(gè)脫氧核苷酸的脫氧核糖3 號糖與下一個(gè)脫氧核苷酸的磷酸連接形成的化學(xué)鍵）。 模型不正確的學(xué)生可修正自己的模型， 加深理解，完成建模的第5 步。

建模思維的5 個(gè)步驟同樣適用于構(gòu)建DNA分子平面結(jié)構(gòu)模型和立體結(jié)構(gòu)模型， 在此不加贅述。需要特別指出的是，模型的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不僅僅是正確或錯誤如此簡單，它是多維度的，并與教學(xué)內(nèi)容緊密相關(guān)。在DNA 分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建完成后，評價(jià)模型需考慮如下幾點(diǎn)（表2）。

表2 DNA 分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

以上8 條標(biāo)準(zhǔn)與建模的5 個(gè)步驟密切相關(guān)，且具有普適性， 適合評價(jià)高中及初中生物學(xué)教學(xué)中構(gòu)建的諸多模型，教師應(yīng)基于不同的教學(xué)內(nèi)容，修改和完善每條標(biāo)準(zhǔn)所對應(yīng)的具體釋義。 只有以具體教學(xué)內(nèi)容為依托， 針對每條標(biāo)準(zhǔn)制定詳細(xì)的說明，模型評價(jià)才具有針對性和實(shí)用性，而不是形式化。此外，教師在實(shí)際教學(xué)中還可對上述每條標(biāo)準(zhǔn)賦分，根據(jù)8 條標(biāo)準(zhǔn)的最后得分情況，判斷學(xué)生建模的質(zhì)量， 從而有助于改進(jìn)和提高建模教學(xué)的成效。

除了在建模的5 個(gè)步驟中逐步發(fā)展科學(xué)思維，建模教學(xué)應(yīng)充分尊重生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)，這是發(fā)展科學(xué)思維的重要保障。 建模不是按部就班將一個(gè)模型構(gòu)建完成即可， 而是重在構(gòu)建過程對證據(jù)等的思考和評估， 并基于新的證據(jù)修改完善模型。 DNA 分子結(jié)構(gòu)模型正是在科學(xué)不斷發(fā)展、新證據(jù)不斷產(chǎn)生的基礎(chǔ)上逐步構(gòu)建的。 與此相關(guān)的DNA 分子結(jié)構(gòu)建模教學(xué)，也正是通過教師出示多種證據(jù)資料，逐步引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建科學(xué)合理的模型。

2.2 建模教學(xué)促進(jìn)核心素養(yǎng)其他方面的發(fā)展 建模教學(xué)還促進(jìn)生命觀念、科學(xué)探究，以及社會責(zé)任這3 個(gè)方面科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展。首先，建模教學(xué)策略有助于學(xué)生生命觀念的形成。 “DNA 分子的結(jié)構(gòu)”一節(jié)內(nèi)容中DNA 分子的結(jié)構(gòu)與DNA 分子的功能（復(fù)制和表達(dá)）密切相關(guān)，并為學(xué)生理解和掌握基因工程等內(nèi)容打下良好的理論基礎(chǔ)， 因此主要體現(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能觀。 教師在進(jìn)行建模教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)可在多處滲透和體現(xiàn)這種生命觀念。 第1，在課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)， 教師可引導(dǎo)學(xué)生思考：DNA 是主要的遺傳物質(zhì)， DNA 應(yīng)具備怎樣的結(jié)構(gòu)才能作為遺傳物質(zhì)行使遺傳功能。這樣的問題引導(dǎo)看似簡單，實(shí)則可幫助學(xué)生思考結(jié)構(gòu)和功能的相互關(guān)系。 第2，在構(gòu)建DNA 分子的平面結(jié)構(gòu)模型時(shí)，由于不同小組模型的堿基對排列順序不盡相同， 教師可引導(dǎo)學(xué)生思考和討論如下問題：①DNA 分子中的遺傳信息蘊(yùn)藏在哪兒?②比較不同組的DNA 模型在此方面有何不同？通過這樣的教學(xué)活動，學(xué)生容易理解DNA 分子的遺傳信息蘊(yùn)藏在堿基對的排列順序中， 不同的堿基對排列順序傳遞不同的遺傳信息，即不同的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的功能。 第3，在構(gòu)建DNA 分子空間結(jié)構(gòu)模型時(shí)，教師可引導(dǎo)和鼓勵學(xué)生嘗試構(gòu)建正向平行和反向平行的雙螺旋，通過試誤和對比，加深對反向平行結(jié)構(gòu)與DNA 分子復(fù)制相關(guān)聯(lián)的理解，進(jìn)一步體現(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能觀。

其次，建模教學(xué)策略與科學(xué)探究相結(jié)合。 《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）解讀》提出在科學(xué)探究活動中，人們提出自己的問題、計(jì)劃、設(shè)計(jì)并開展科學(xué)探究活動回答其中的一些問題［9］。關(guān)于DNA 分子是何種結(jié)構(gòu)這一問題，教師在建模教學(xué)時(shí)引導(dǎo)學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)逐步探索構(gòu)建模型，從而得到DNA 分子結(jié)構(gòu)這個(gè)問題的答案，即學(xué)生通過建?；顒佑H身體驗(yàn)了科學(xué)家是如何探究DNA分子結(jié)構(gòu)的， 能較好地理解科學(xué)探究的過程。 此外，建模教學(xué)還可傳遞沃森和克里克分工合作、善于綜合多學(xué)科知識、鍥而不舍的科學(xué)探究精神。

最后， 建模教學(xué)策略為學(xué)生社會責(zé)任的形成奠定基礎(chǔ)。 社會責(zé)任主要是指教學(xué)能使學(xué)生將生物學(xué)的概念和原理作為觀察和思考社會性議題的視角和立場， 能用生物學(xué)的觀念和規(guī)律對問題或議題進(jìn)行判斷等［9］。 近年一些熱門的社會性議題與DNA 有關(guān)，例如，轉(zhuǎn)基因技術(shù)。轉(zhuǎn)基因技術(shù)的主要步驟涉及DNA 復(fù)制及轉(zhuǎn)錄表達(dá)等基本概念和原理。 由于DNA 分子的復(fù)制涉及雙螺旋解開、互補(bǔ)堿基間的氫鍵斷裂等過程， 只有科學(xué)準(zhǔn)確地理解DNA 分子雙螺旋結(jié)構(gòu)， 才可能很好地理解DNA 分子的復(fù)制。 同樣地，理解DNA 分子結(jié)構(gòu)也是理解DNA 轉(zhuǎn)錄的重要基礎(chǔ)。 可以說，“DNA 分子的結(jié)構(gòu)”一節(jié)的建模教學(xué)設(shè)計(jì)若能為學(xué)生深入理解DNA 打下良好基礎(chǔ)，則有助于學(xué)生理解和解釋與DNA 有關(guān)的轉(zhuǎn)基因技術(shù)等社會性議題，長遠(yuǎn)來看則是為學(xué)生社會責(zé)任的形成奠基。