培養(yǎng)學(xué)生“模型建構(gòu)能力”的教學(xué)策略

邰玉韋 吳曉麗

《辭?！分械摹澳Ｐ汀敝概c具有原型相似特征的替代物，是系統(tǒng)或過程的簡化、抽象和類比表示。根據(jù)代表原型的不同方式，可分為物質(zhì)模型和思想模型兩大類。模型建構(gòu)是以研究模型來體現(xiàn)原型的形態(tài)、特征和本質(zhì)的方法，常用模型來描述系統(tǒng)的因果關(guān)系或相互關(guān)系的過程。而生物學(xué)教學(xué)中的模型類型一般包括三種：數(shù)學(xué)模型、概念模型和物理模型。因此，本研究中的“模型建構(gòu)能力”主要指數(shù)學(xué)模型建構(gòu)能力、概念模型建構(gòu)能力和物理模型建構(gòu)能力。

1 培養(yǎng)學(xué)生“數(shù)學(xué)模型建構(gòu)能力”的教學(xué)策略

數(shù)學(xué)工具是數(shù)學(xué)模型中不可或缺的元素，能夠表現(xiàn)和描述真實世界某些現(xiàn)象、特征和規(guī)律的數(shù)學(xué)系統(tǒng)，常稱之為數(shù)學(xué)模型。在生物學(xué)教學(xué)中，教師常常引導(dǎo)學(xué)生將數(shù)據(jù)巧妙地轉(zhuǎn)化為柱形圖、折線圖、餅狀圖、表格、函數(shù)、幾何圖等，建構(gòu)直觀的數(shù)學(xué)模型。因其模型形象具體，便于學(xué)生從中找到規(guī)律，得出正確的結(jié)論，也有利于培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)新情境中數(shù)學(xué)模型的能力，發(fā)展思維。

案例1：在植物生長發(fā)育過程中，不同的植物對同種無機鹽需求量不同。為直觀求證這個觀點，常常把事實用數(shù)字表格形式來呈現(xiàn)，見表1。同一植物不同生長時期對某種無機鹽需要量不同，也可以基于數(shù)據(jù)用柱形圖表達，如圖1所示。

案例2：鑒于學(xué)生對于數(shù)字符號比較熟悉，教師可以引導(dǎo)學(xué)生在生物學(xué)教學(xué)中賦予其新的意義，使教學(xué)簡單化、容易化和具體化。例如，在學(xué)習(xí)“細胞分裂”一節(jié)時，細胞核中的染色體數(shù)目在分裂前后的變化是教學(xué)的重難點，某學(xué)生就用了數(shù)字的形式在黑板上很好地表達了細胞分裂過程中染色體變化規(guī)律（圖2）：細胞分裂過程中，染色體中的遺傳物質(zhì)已經(jīng)復(fù)制加倍，在細胞分裂開始后，分散在細胞中的染色體逐漸排列于細胞的中央，然后染色體平均分成兩等份，向細胞的兩端移動;細胞質(zhì)也平均分成兩等份，一個細胞變成兩個細胞。親代和子代細胞中染色體在數(shù)目和形態(tài)上保持一致，對生物的遺傳具有重要的意義，保證物種的連續(xù)性。

數(shù)學(xué)模型的生物學(xué)意義是：可以使抽象的概念具體化、抽象的指標(biāo)定量化、復(fù)雜的問題簡單化、難理的概念清晰化。教師利用模型教學(xué)，學(xué)生會很積極主動地參與到互動的教學(xué)環(huán)境中，可以在學(xué)習(xí)過程中進行定量化、可視化分析，利于學(xué)生開展更細致的研究。同時，數(shù)學(xué)模型比較條例清楚，邏輯關(guān)系明顯，可以幫助提高學(xué)生的系統(tǒng)性思維能力。學(xué)生的智能結(jié)構(gòu)不同，興趣和愛好不同，建構(gòu)知識模型的方式也不同。因此，教師讓學(xué)生選擇自己喜歡的方式建構(gòu)模型，可最大可能發(fā)揮學(xué)生的主動性、積極性和創(chuàng)造性。

2 培養(yǎng)學(xué)生“概念模型建構(gòu)能力”的教學(xué)策略

概念模型是由節(jié)點和連線組成的一系列概念的結(jié)構(gòu)化表征。節(jié)點表示某一命題或領(lǐng)域內(nèi)的各概念;連線則表示節(jié)點概念間的內(nèi)在邏輯關(guān)系。其主要理論依據(jù)是意義學(xué)習(xí)理論、圖式理論、建構(gòu)主義理論和最近發(fā)展區(qū)理論等。繪制概念圖、構(gòu)建概念模型可以幫助學(xué)生更加直接、直觀地理解生物概念的內(nèi)涵，幫助學(xué)生培養(yǎng)良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣和思維方式。概念模型既是教師教學(xué)的工具，也是學(xué)生學(xué)習(xí)的工具，亦是師生反思的工具，還可以作為有效評價的工具。

案例3：新授課“神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)”教學(xué)中，認識神經(jīng)系統(tǒng)的組成是學(xué)習(xí)神經(jīng)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)。在蘇教版生物學(xué)教科書中，這部分內(nèi)容摻雜著大量的概念，要讓學(xué)生掌握并理解如此之多的概念確實有一定的難度。如何讓學(xué)生在有限的時間內(nèi)理清它們之間的聯(lián)系？基于以上思考，同時又能順應(yīng)概念的認知規(guī)律，避免出現(xiàn)死板沉寂的課堂氣氛，可采用構(gòu)建概念圖的方法，以填圖的方式完成概念圖，如圖3所示。這樣學(xué)生能將看起來零散繁多的概念整合起來，從整體框架中把握概念之間的區(qū)別和聯(lián)系。

復(fù)習(xí)課上，在學(xué)生自主回顧舊知識的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生以概念圖的形式把整章的內(nèi)容進行串聯(lián)并梳理清楚其內(nèi)在的關(guān)聯(lián)，有利于學(xué)生的思維發(fā)展和核心概念的把握，能夠使學(xué)生在生物學(xué)習(xí)中起到事半功倍的效果。

生物學(xué)概念的形成并不是一個被動的接受過程，而是一個主動的建構(gòu)過程。建構(gòu)的過程需要學(xué)生對原有的知識去總結(jié)歸納、分析概括，把零散知識進行良好地整合，使知識梳理完整化、關(guān)聯(lián)化，促進學(xué)生的思維發(fā)展。教師通過分析、比較、歸納、判斷和推理等思維活動，促進了概念的正確建構(gòu)與思維能力的培養(yǎng)。課堂上，教師可以多留時間讓學(xué)生進行知識概念的梳理。實踐還發(fā)現(xiàn)，自主繪畫“趣味概念圖”的形式，學(xué)生比較喜歡，效果也比較好，可以讓學(xué)生充分展示表達、發(fā)展和提升學(xué)生的模型建構(gòu)能力。

3 培養(yǎng)學(xué)生“物理模型建構(gòu)能力”的教學(xué)策略

3.1 結(jié)構(gòu)化物理模型建構(gòu)

生物學(xué)教學(xué)中，物理模型是指客觀實物或與客觀實物的相似模型，可以直觀地表達認識對象特征的模型。物理模型的類型有多種，根據(jù)內(nèi)容和性質(zhì)又分為結(jié)構(gòu)型、功能型、動態(tài)型和開放型等。其中，靜態(tài)的結(jié)構(gòu)物理模型，如蘇教版生物學(xué)教科書七年級上冊中的植物細胞和動物細胞結(jié)構(gòu)模式圖、根尖的結(jié)構(gòu)模式圖等。實際教學(xué)中，結(jié)構(gòu)化物理模型常常用實物或模擬實物材料和文字組成的結(jié)構(gòu)模型或圖畫形式等直觀地表達重要概念的特征。

案例4：蘇教版教科書中“植物莖的基本結(jié)構(gòu)與功能”的內(nèi)容較多，教師要精心安排課堂流程，并將重點放在培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)能力上。下列教學(xué)設(shè)計共有三部分：①觀察實物植物的莖;②建構(gòu)植物莖的結(jié)構(gòu)和功能;③制作植物莖的結(jié)構(gòu)模型。其設(shè)計層次清晰，符合學(xué)生的認知規(guī)律。放手讓學(xué)生在“做”中學(xué)，教師嘗試讓學(xué)生制作莖的結(jié)構(gòu)模型，采用的方式先利用珊瑚樹作為學(xué)生觀察的實驗材料，在觀察實物模型的基礎(chǔ)上，注釋各個結(jié)構(gòu)（圖4）;然后，再為學(xué)生提供多種模擬材料，讓學(xué)生自主選擇材料設(shè)計與制作模型。建構(gòu)過程是對莖的結(jié)構(gòu)與功能再次鞏固和應(yīng)用的過程，符合學(xué)生的認知發(fā)展規(guī)律。

運用結(jié)構(gòu)化物理模型教學(xué)可以幫助學(xué)生形成生物學(xué)的重要概念，有助于加深對概念的理解，突破教學(xué)重難點，促進學(xué)生思維能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在結(jié)構(gòu)化物理模型建構(gòu)培養(yǎng)學(xué)生思維的教學(xué)中，常用的教學(xué)策略有實物展示交流、制作實物貼圖加文字標(biāo)注、模型制作加文字標(biāo)注、設(shè)計并繪制結(jié)構(gòu)圖等。

3.2 功能化物理模型建構(gòu)

生物學(xué)教學(xué)中，物理模型的類型除了有靜態(tài)的結(jié)構(gòu)物理模型外，還可以建構(gòu)功能物理模型。這種模型不僅能直觀表達一定的概念結(jié)構(gòu)，而且在動態(tài)演示操作過程中能體現(xiàn)出與結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的功能，如簡易透明呼吸運動模型，人體內(nèi)的氣體交換和運輸模型、尿液的形成過程模型等。

案例5：蘇教版教科書七年級下冊第四單元第十章第三節(jié)“人體和外界環(huán)境的氣體交換”、濟南版七年級下冊第二章第一節(jié)“人體與外界的氣體交換”、魯教版七年級下冊第二章第一節(jié)“人體與外界的氣體交換”等章節(jié)中，呼吸運動中膈肌、胸廓及肺的變化關(guān)系都是教學(xué)的重難點。而且“呼吸運動”也是新課標(biāo)中要求的一個重要概念，是整個初中生物教學(xué)中的重點和難點。由于學(xué)生沒有物理學(xué)知識作鋪墊，加上胸廓概念抽象不透明不可見，在學(xué)習(xí)這一部分內(nèi)容時，學(xué)生看不到胸廓變化引起肺部變化的過程。

多數(shù)學(xué)生的經(jīng)驗里總認為，是吸氣導(dǎo)致肺增大，進而引起胸廓擴大。教師利用簡易透明呼吸運動模型（圖5），可以突破這一教學(xué)難點，使學(xué)生能夠清楚地看到呼吸運動中胸廓、呼吸肌及肺的變化關(guān)系。該模型既可以用于教師演示，也可用于學(xué)生分組實驗。

教師利用功能化物理模型教學(xué)，教學(xué)效果明顯，可以使抽象概念具體化、直觀化，生動有趣，降低了學(xué)習(xí)的難度，有效突破了重難點，促進了學(xué)生對重要概念的深入理解。

3.3 動態(tài)物理模型建構(gòu)

生物學(xué)教學(xué)中，物理模型的類型除了有靜態(tài)的結(jié)構(gòu)物理模型外，還可以建構(gòu)動態(tài)物理模型。這種模型能夠直觀地動態(tài)演示生命過程中所體現(xiàn)出的生物現(xiàn)象和規(guī)律，如“人體基因?qū)π誀畹目刂啤眲討B(tài)物理模型，“細胞分裂”動態(tài)物理模型等。

案例6：蘇教版教科書七年級上冊第三章第三節(jié)“細胞分裂和分化”。課標(biāo)的具體內(nèi)容：描述細胞分裂的基本過程。本節(jié)課的重難點聚焦在：理解細胞分裂過程中親子代細胞染色體數(shù)目的變化和復(fù)制。學(xué)生雖然對動植物細胞的基本結(jié)構(gòu)和功能有所了解，但對染色體的知識了解還比較少，尤其對比較抽象的細胞的分裂過程感覺陌生和復(fù)雜。在實際教學(xué)中，筆者創(chuàng)設(shè)了如下模型教學(xué)情境：用動態(tài)物理模型擺一擺，分裂過程中親子細胞染色體的數(shù)量變化如圖6所示，展示并評價;用動態(tài)物理模型再擺一擺，探究細胞分裂過程中染色體的復(fù)制和染色體平均分配如圖7所示，展示并評價。建模是問題解決的基礎(chǔ)。學(xué)生在建構(gòu)中學(xué)習(xí)，主動發(fā)現(xiàn)規(guī)律，理解親子細胞染色體的數(shù)量和形態(tài)應(yīng)該是一樣，并理解染色體的發(fā)生和復(fù)制過程。這樣解決了本節(jié)課的兩個重難點。

在教學(xué)中，教師巧妙地創(chuàng)設(shè)與概念屬性相似的動態(tài)模型制作體驗活動。學(xué)生通過類比聯(lián)想的方法，將所得的體驗與將學(xué)習(xí)的新概念聯(lián)系起來，構(gòu)建新的概念體系。教師就可以借助動態(tài)模型的直觀性，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

3.4 開放物理模型建構(gòu)

生物學(xué)教學(xué)中，物理模型的制作可以向?qū)W具方向發(fā)展，具有一定的STEM工程設(shè)計制作和探究理念。這種模型可保存和可拆卸，利于小組重復(fù)建構(gòu)。模型材料的選擇具有一定的開放性，制作材料多來自生活，簡單方便，如日常生活用品、各種工藝紙盒、各種有色飲料吸管、廢棄的電話線、一次性餐具、便利貼等，能形象地模擬建構(gòu)生物學(xué)上的重要概念。不同的學(xué)生會產(chǎn)生自己不同的研究路徑，其作品的設(shè)計和制作充滿學(xué)生的創(chuàng)意，如血液循環(huán)、神經(jīng)元等物理模型。

案例7：“血液循環(huán)”模型制作課，教師提前一節(jié)課給學(xué)生做一定的指導(dǎo)，提出制作模型的要求和方法。學(xué)生可自己選擇制作材料，如吸管、電線等，根據(jù)血液循環(huán)的知識，個性化地設(shè)計和制作血液循環(huán)模型。模型制作要求：①立體模型;②可保存;③可拆卸（最好能夠）;④利用日常生活用品，如盒子、有色吸管、電線、便利貼，能形象地模擬（心臟、血管、血管名稱）;⑤有新創(chuàng)意、作品簡潔明了、美觀。學(xué)生興致很高，創(chuàng)意滿滿（圖8），既學(xué)會了科學(xué)的思維方法，又體驗概念構(gòu)建過程。

制作開放物理模型的過程一般包括三個環(huán)節(jié)。①設(shè)計環(huán)節(jié)：首先，師生共同梳理相關(guān)概念知識，展示學(xué)生優(yōu)秀作品;然后，布置自制模型的任務(wù)，提出制作模型作品的要求;最后，請學(xué)生先初步設(shè)計模型作品的簡易圖，展示并評價。②體驗環(huán)節(jié)。各小組利用自帶的各種模型材料，制作和完善各自特色的作品，展示作品和評價。③模型的拓展應(yīng)用。