基于核心素養(yǎng)的高中生物模型建構(gòu)教學(xué)研究

郝琦蕾 姚燦

摘? ?要?生物模型建構(gòu)教學(xué)對(duì)學(xué)生形成科學(xué)思維、培養(yǎng)創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力具有重要意義。建構(gòu)物理模型的教學(xué)有助于培養(yǎng)學(xué)生的空間認(rèn)知能力;建構(gòu)數(shù)學(xué)模型的教學(xué)有助于培養(yǎng)學(xué)生的類(lèi)比推理能力;建構(gòu)概念模型的教學(xué)有助于培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維與邏輯思維能力;圖示圖表模型建構(gòu)教學(xué)有助于培養(yǎng)學(xué)生的形象思維能力。模型建構(gòu)教學(xué)存在的問(wèn)題有：教師對(duì)模型建構(gòu)教學(xué)不重視，引導(dǎo)學(xué)生建模意識(shí)不強(qiáng);輕易否定學(xué)生所建立的模型，沒(méi)有引導(dǎo)學(xué)生對(duì)建構(gòu)的模型進(jìn)行檢驗(yàn)和完善;模型教學(xué)中以教師為中心，學(xué)生極少動(dòng)腦動(dòng)手建構(gòu)模型。基于研究提出相應(yīng)建議。

關(guān)鍵詞 核心素養(yǎng)? 高中生物? 模型建構(gòu)教學(xué)

2017年頒布的《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》[1]強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，在模型建構(gòu)過(guò)程中探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，逐步發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，形成生命觀念。學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，主要通過(guò)教學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)。生物模型建構(gòu)教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生思維能力、創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力具有重要意義。

一、模型的概念及分類(lèi)

模型是由元素、關(guān)系、操作以及控制其相互作用的規(guī)則組成的概念系統(tǒng)，是由一些外部表征體系來(lái)呈現(xiàn)的[2]。模型作為一個(gè)工具或一種媒介，幫助科學(xué)家們描述、解釋或者預(yù)測(cè)現(xiàn)象。在教育領(lǐng)域中將模型引入，通過(guò)模型將困難的知識(shí)點(diǎn)簡(jiǎn)化、具體化、形象化，有助于學(xué)生掌握并理解所學(xué)知識(shí)。哈里森（A.G.Harrison）和揣古斯特（D.F.Treagust）于2000年將模型分類(lèi)為[3]尺度模型、類(lèi)比模型、圖像和符號(hào)模型、數(shù)學(xué)模型、理論模型、示意圖、圖表和表格、概念—過(guò)程模型等等。

生物模型是將生物學(xué)研究原型的一些次要的、非本質(zhì)聯(lián)系舍去，形象簡(jiǎn)約地表現(xiàn)生物原型或突出反映原型的主要特征和聯(lián)系的一種理想物質(zhì)、過(guò)程或假想結(jié)構(gòu)[4]。對(duì)生物教學(xué)而言，物理模型、數(shù)學(xué)模型、概念模型、圖示圖表模型已成為生物課堂上的主要模型。物理模型：是一種實(shí)物模型，或者是一種裝置，也可以是按照比例大小制作的模型，如檢驗(yàn)植物呼吸作用中是否存在CO2的實(shí)驗(yàn)裝置，心臟的模型，人腦的模型等。數(shù)學(xué)模型：能夠表示事物之間的數(shù)學(xué)關(guān)系、性質(zhì)的方程式，應(yīng)用數(shù)學(xué)的圖表等。如種群增長(zhǎng)“J”型曲線模型的構(gòu)建是在推導(dǎo)數(shù)學(xué)公式的基礎(chǔ)上完成的。概念模型：對(duì)概念等進(jìn)行歸納整理，以知識(shí)結(jié)構(gòu)體系來(lái)呈現(xiàn)，常用的概念模型是概念圖和思維導(dǎo)圖，通常用于復(fù)習(xí)總結(jié)課中。圖示圖表模型：是一種將描述的概念用圖形或者圖表來(lái)表示，區(qū)別于數(shù)學(xué)模型，并沒(méi)有表示數(shù)學(xué)關(guān)系，如有絲分裂的過(guò)程用畫(huà)圖的方式清晰地展現(xiàn)出來(lái)，用表格的形式比較主動(dòng)運(yùn)輸和被動(dòng)運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)。

二、高中生物模型建構(gòu)教學(xué)案例及分析

1.物理模型建構(gòu)教學(xué)有利于培養(yǎng)學(xué)生的空間認(rèn)知能力

【案例1】建構(gòu)真核細(xì)胞三維立體結(jié)構(gòu)模型（以動(dòng)物細(xì)胞為例）

教學(xué)目標(biāo)：嘗試制作真核細(xì)胞的三維立體結(jié)構(gòu)模型，體驗(yàn)建構(gòu)模型的過(guò)程。

教學(xué)器材：各種顏色的橡皮泥和卡紙，大頭針。

教學(xué)過(guò)程：（1）教師在課堂上講授模型的概念、類(lèi)型以及原則（科學(xué)性、準(zhǔn)確性、美觀性）。（2）安排學(xué)生小組活動(dòng)，確定使用的材料用具，討論細(xì)胞器之間如何連接以及規(guī)定各個(gè)細(xì)胞器的顏色，制作時(shí)注意突出各細(xì)胞器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以便于觀察。（3）分工制作各細(xì)胞器;將各細(xì)胞器組合在一起，完整地呈現(xiàn)真核細(xì)胞結(jié)構(gòu)模型。（4）小組成員查漏補(bǔ)缺，完成之后集體展示模型，進(jìn)行組內(nèi)自評(píng)、組間互評(píng)、教師評(píng)價(jià)，并提出完善建議。

在這節(jié)課上教師對(duì)模型概念及建模方法進(jìn)行了介紹，讓學(xué)生對(duì)模型建構(gòu)有了初步認(rèn)識(shí)，教師將學(xué)生分為幾組進(jìn)行合作學(xué)習(xí)，隨后學(xué)生充分發(fā)揮自己的想象力和創(chuàng)造力建構(gòu)物理模型。建模教學(xué)是以全體學(xué)生積極參與為前提，鼓勵(lì)所有學(xué)生都參與到建構(gòu)、驗(yàn)證和應(yīng)用模型的過(guò)程中[5]。通過(guò)模型建構(gòu)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、合作學(xué)習(xí)能力和科學(xué)探究能力。

2.數(shù)學(xué)模型建構(gòu)教學(xué)有利于培養(yǎng)學(xué)生的類(lèi)比推理能力，形成科學(xué)思維

【案例2】教師引導(dǎo)學(xué)生回憶“大腸桿菌數(shù)量變化”，使用多媒體展示“澳大利亞野兔成倍數(shù)增長(zhǎng)”數(shù)量變化，提出澳大利亞野兔數(shù)量增長(zhǎng)的原因是什么，大致的數(shù)量增長(zhǎng)曲線又當(dāng)如何，學(xué)生討論分析澳大利亞野兔增長(zhǎng)規(guī)律，確定與“大腸桿菌增長(zhǎng)”曲線類(lèi)似（假設(shè)在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和生存空間沒(méi)有限制的情況下），幾次分裂之后發(fā)現(xiàn)大腸桿菌種群數(shù)量的公式為N=2n，呈“J”型。接著教師提出，若最初野兔的數(shù)量為10個(gè)，那么野兔的數(shù)量增長(zhǎng)公式又是怎樣的呢？隨后教師帶領(lǐng)學(xué)生推理出Nt=No×λt這個(gè)數(shù)學(xué)模型。

教師將此節(jié)課堂分為兩部分，第一部分通過(guò)實(shí)例來(lái)計(jì)算并推導(dǎo)出數(shù)學(xué)公式，讓學(xué)生產(chǎn)生初步的建模意識(shí);第二部分教師通過(guò)建構(gòu)數(shù)學(xué)模型引出新知識(shí)的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生意識(shí)到模型的重要性，隨后教師帶領(lǐng)學(xué)生由特殊到一般，從大腸桿菌種群數(shù)量N=2n推導(dǎo)出Nt=No×λt。此過(guò)程中學(xué)生探索數(shù)據(jù)背后的規(guī)律，培養(yǎng)了類(lèi)比推理能力;借助數(shù)學(xué)模型學(xué)生更加容易理解生物學(xué)知識(shí)，促進(jìn)科學(xué)思維的形成;同時(shí)幫助學(xué)生探索生命活動(dòng)規(guī)律，形成生命觀念，嘗試將所學(xué)知識(shí)用于解決實(shí)際問(wèn)題。

3.概念模型建構(gòu)教學(xué)有助于培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維與邏輯思維能力

【案例3】教室里正在進(jìn)行“走進(jìn)細(xì)胞”的復(fù)習(xí)總結(jié)課的講授。課堂上，教師首先陳述生命結(jié)構(gòu)和功能的基本單位是細(xì)胞，并將其作為概念圖中心，隨后引導(dǎo)學(xué)生依次從細(xì)胞的類(lèi)型、作為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的原因、生命系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次等方面回憶知識(shí)，然后教師繪制概念圖，并讓學(xué)生抄到筆記本上。

由于概念圖直觀形象、簡(jiǎn)明扼要，是學(xué)生進(jìn)行有意義學(xué)習(xí)的重要工具，故被用在復(fù)習(xí)時(shí)查漏補(bǔ)缺，鞏固知識(shí)。一般來(lái)說(shuō)，學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)、建構(gòu)的知識(shí)要比教師灌輸、學(xué)生記憶獲得的知識(shí)更為牢固。在這節(jié)課中，學(xué)生只是回憶知識(shí)，概念圖的構(gòu)建基本是由教師完成，學(xué)生沒(méi)有動(dòng)手繪制概念圖，可見(jiàn)，教師培養(yǎng)學(xué)生建模的意識(shí)不強(qiáng)。建模應(yīng)以學(xué)生為中心，鼓勵(lì)學(xué)生搜集相關(guān)信息并自主建構(gòu)知識(shí)概念圖，便于學(xué)生整體把握知識(shí)框架，更好地理解并記憶知識(shí)。學(xué)生自主歸納總結(jié)構(gòu)思，有助于形成科學(xué)思維，而且學(xué)生自主繪制概念圖模型，強(qiáng)化和深化了原有的認(rèn)知，提高了學(xué)習(xí)效率。

【案例4】在“人類(lèi)遺傳病”這一節(jié)復(fù)習(xí)課上，教師引導(dǎo)學(xué)生回顧本章的知識(shí)要點(diǎn)，包括染色體異常遺傳病、多基因遺傳病、單基因遺傳病等，然后系統(tǒng)地講述思維導(dǎo)圖的制作方法，讓學(xué)生建立整體認(rèn)識(shí)，形成人類(lèi)遺傳病的知識(shí)結(jié)構(gòu)。（第一步提煉“主題”和“次主題”。第二步按照思維導(dǎo)圖繪制的一般步驟，完成思維導(dǎo)圖。第三步師生共同進(jìn)行補(bǔ)充、完善。）“主題”即是人類(lèi)遺傳病，“次主題”是與人類(lèi)遺傳病有關(guān)的知識(shí)要點(diǎn)，涉及的內(nèi)容比較多。

思維導(dǎo)圖可以直觀地表達(dá)抽象的生物學(xué)概念和規(guī)律，簡(jiǎn)潔明了地表現(xiàn)復(fù)雜的知識(shí)結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生在宏觀上把握生物學(xué)知識(shí)體系，促進(jìn)學(xué)生有意義學(xué)習(xí)，形成生命觀念。

4.圖示圖表模型建構(gòu)教學(xué)能增強(qiáng)直觀性，培養(yǎng)學(xué)生的形象思維能力

【案例5】“有絲分裂”教學(xué)片段

活動(dòng)過(guò)程：安靜的教室里正播放著“一個(gè)細(xì)胞經(jīng)有絲分裂增殖為兩個(gè)細(xì)胞”的視頻，學(xué)生們聚精會(huì)神地觀看。教師帶領(lǐng)學(xué)生觀察有絲分裂前期內(nèi)容，要求學(xué)生簡(jiǎn)要描述主要變化。學(xué)生迅速地瀏覽，爭(zhēng)先恐后地回答：有“染色質(zhì)絲”“縮短變粗”“并列”“一個(gè)著絲點(diǎn)”“核膜解體”“核膜消失”“紡錘體”。接著教師讓小組成員發(fā)揮自己的想象繪制前期的圖式模型，并在組內(nèi)和組間討論比較展示，課堂氣氛非?；钴S。教師對(duì)前期進(jìn)行總結(jié)概括并畫(huà)出科學(xué)的“前期”圖，學(xué)生認(rèn)真比較老師和自己的圖，修改完善。同樣的方式，教師帶著學(xué)生一起繼續(xù)發(fā)現(xiàn)，繪制分裂期其他階段的圖。

課堂上教師帶領(lǐng)學(xué)生找關(guān)鍵詞，并根據(jù)關(guān)鍵詞發(fā)揮想象，用示意圖直觀地表示出來(lái)，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的規(guī)律，形成認(rèn)識(shí)生命的基本觀念。

示意圖是一種清晰、簡(jiǎn)單、明了的模型，學(xué)生獲得了直觀認(rèn)識(shí)更易理解知識(shí)，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的記憶，有利于培養(yǎng)學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力以及形象思維能力。

三、高中生物模型建構(gòu)教學(xué)的實(shí)施建議

模型建構(gòu)教學(xué)存在的問(wèn)題及建議：（1）學(xué)生在生物學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程中并沒(méi)有形成建模意識(shí)，說(shuō)明教師引導(dǎo)學(xué)生建模的意識(shí)不強(qiáng)，重視不夠。在初中階段教師就應(yīng)當(dāng)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)規(guī)律，探究模型建構(gòu)的過(guò)程，在日常教學(xué)活動(dòng)中滲透建模思想，為高中學(xué)習(xí)夯實(shí)基礎(chǔ)[8]。另外，在建模教學(xué)課開(kāi)始之前教師要介紹模型的定義、類(lèi)型、建構(gòu)模型的方法與原則，在課中教師要引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)模型，要求學(xué)生獨(dú)立完成模型的制作，并在下節(jié)課展示評(píng)價(jià)。（2）在模型完成后，教師不應(yīng)該輕易地否定學(xué)生所建立的模型。在課堂上教師面向全體學(xué)生，讓每個(gè)學(xué)生都能參與到建模中，對(duì)做得不好的地方進(jìn)行啟發(fā)點(diǎn)撥，對(duì)做得好的學(xué)生給予表?yè)P(yáng)鼓勵(lì)。模型完成后引導(dǎo)對(duì)模型持有懷疑態(tài)度以及模型建構(gòu)存有缺漏的學(xué)生，回顧建模過(guò)程，找出存在的問(wèn)題并進(jìn)行查漏補(bǔ)缺。（3）有的教師直接對(duì)照模具講授新課，沒(méi)有引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)模型，這種課堂仍然是以教師為中心，學(xué)生處于被動(dòng)地位。教師應(yīng)講授模型的建構(gòu)方法，引導(dǎo)學(xué)生自己動(dòng)手構(gòu)建模型，教師點(diǎn)撥指導(dǎo)，發(fā)揮學(xué)生的主體作用，培養(yǎng)學(xué)生的建模能力。（4）建模教學(xué)由于圍繞模型展開(kāi)教學(xué)，會(huì)打亂原有的教材順序，并減少內(nèi)容覆蓋，這些會(huì)令教師感到不適應(yīng)，且學(xué)生一開(kāi)始需要花費(fèi)時(shí)間來(lái)深入理解和訓(xùn)練發(fā)展模型的技能[9]。因此，在預(yù)定某節(jié)課進(jìn)行模型建構(gòu)教學(xué)時(shí)，需提前對(duì)整節(jié)課做好時(shí)間安排。

建模實(shí)際就是學(xué)生根據(jù)知識(shí)內(nèi)容，在大腦中將理想的模型構(gòu)建出來(lái)，再動(dòng)手實(shí)踐，并根據(jù)實(shí)際情況加以修改完善的過(guò)程。教師注重將建模思想和方法貫穿在教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)建構(gòu)模型，并適時(shí)給予針對(duì)性的點(diǎn)撥和幫助，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、分析與解決問(wèn)題的能力。由于生物學(xué)與生活密切關(guān)聯(lián)，課堂上通過(guò)建構(gòu)模型有助于學(xué)生深刻地認(rèn)識(shí)生命現(xiàn)象及規(guī)律，形成生命觀念，并將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于解決生活中的問(wèn)題，增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任意識(shí)。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國(guó)教育部.普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)：實(shí)驗(yàn)[S].北京：人民教育出版社，2017.

[2] 陳凱，陳博，周宏.基于Netlogo的化學(xué)建模教學(xué)案例評(píng)析及反思[J].中國(guó)電化教育，2010（01）.

[3] Allan G.Harrison，David F.Treagust.A typology of school science models[J].International Journal of Science Education，2000，22（09）.

[4] 周玲，李其柱.開(kāi)發(fā)與利用生物模型資源釋放學(xué)生潛能的教學(xué)原則和實(shí)施策略[J].中學(xué)生物教學(xué)，2017（21）.

[5] 張蕾.基于建構(gòu)物理模型的學(xué)生評(píng)價(jià)初探[J].中學(xué)生物教學(xué)，2018（Z1）.

[6] 王韜.高考生物復(fù)習(xí)中概念圖的應(yīng)用——以《生物·必修1.分子與細(xì)胞》為例構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)[J].中學(xué)生物教學(xué)，2018（1-2）.

[7] 趙卓，湯婷婷.思維導(dǎo)圖在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用[J].教學(xué)與管理，2016（30）.

[8] 王晶瑩，張躍，張洋.中學(xué)物理教師對(duì)科學(xué)模型教育認(rèn)識(shí)的實(shí)證研究[J].全球教育展望，2016，45（02）.

[9]張靜，郭玉英.物理建模教學(xué)的理論與實(shí)踐簡(jiǎn)介[J].大學(xué)物理，2013，32（02）.

[作者：郝琦蕾（1968-），女，山西臨汾人，山西師范大學(xué)教師教育學(xué)院教授，博士，碩士生導(dǎo)師;姚燦（1995-），女，湖北武漢人，山西師范大學(xué)教師教育學(xué)院在讀碩士研究生。]

【責(zé)任編輯? 楊? ?子】