多方建模培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維

摘 要：模型是人們?yōu)榱苏J(rèn)識(shí)某種事物或過(guò)程，運(yùn)用一定的手段構(gòu)建的既突出其特點(diǎn)、規(guī)律或趨勢(shì)，又比較簡(jiǎn)化的表現(xiàn)形式。本文用初中生物教學(xué)實(shí)例來(lái)探討如何通過(guò)多方建模來(lái)突破生物教學(xué)中的重難點(diǎn)的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

關(guān)鍵詞：多方建模;模型科學(xué)思維;生物教學(xué)

模型是人們?yōu)榱苏J(rèn)識(shí)某種事物或過(guò)程，運(yùn)用一定的手段構(gòu)建的既突出其特點(diǎn)、規(guī)律或趨勢(shì)，又比較簡(jiǎn)化的表現(xiàn)形式。它可以將復(fù)雜的事物和過(guò)程用簡(jiǎn)化和直觀的形式來(lái)呈現(xiàn)，將零散的知識(shí)系統(tǒng)化。學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)的過(guò)程中利用和構(gòu)建模型，通過(guò)了解知識(shí)的形成過(guò)程，融入科學(xué)實(shí)踐中去，嘗試著科學(xué)家們的思考模式，更深入地理解知識(shí)。教師則通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生使用和構(gòu)建模型，解決生物教學(xué)中的重難點(diǎn)的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。生物模型分為物理模型、數(shù)學(xué)模型、概念模型。針對(duì)一個(gè)復(fù)雜的現(xiàn)象，教師還可以聯(lián)合使用不同的模型來(lái)分析說(shuō)明。筆者將以人教版八年級(jí)上冊(cè)第二章第一節(jié)《動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)》一課為例，探討一下如何通過(guò)多方建模突破教學(xué)中的重難點(diǎn)的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

一、 物理模型

物理模型是指用實(shí)物或圖畫(huà)形式直觀反映認(rèn)識(shí)對(duì)象的形態(tài)結(jié)構(gòu)或三維結(jié)構(gòu)，這類實(shí)物或圖畫(huà)就是物理模型。生物課堂中使用物理模型可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)生物學(xué)課程各個(gè)相關(guān)內(nèi)容的過(guò)程中，充分體驗(yàn)這種方式所帶來(lái)的啟發(fā)性作用，在理解知識(shí)內(nèi)容的同時(shí)，學(xué)生也掌握了一種科學(xué)研究的常用方法，并逐步培養(yǎng)其構(gòu)建模型的思維方式。

（一） 利用實(shí)物構(gòu)建物理模型，直觀展示，培養(yǎng)模型越建模的科學(xué)思維

在《動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)》這節(jié)課講解到關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)時(shí)，教師提供了一個(gè)“原型模型”—豬的關(guān)節(jié)，一份是完整的，一份是剪開(kāi)關(guān)節(jié)囊，露出關(guān)節(jié)腔。同時(shí)展示關(guān)節(jié)示意圖，組織學(xué)生進(jìn)行集體探究，對(duì)照著關(guān)節(jié)示意圖找出關(guān)節(jié)各部分的結(jié)構(gòu)?；顒?dòng)活動(dòng)豬的關(guān)節(jié)，思考并討論：在運(yùn)動(dòng)中關(guān)節(jié)起到什么作用？關(guān)節(jié)的靈活性和牢固性通過(guò)關(guān)節(jié)的哪些結(jié)構(gòu)完成？學(xué)生利用物理模型，通過(guò)實(shí)際動(dòng)手操作，集體討論，解決問(wèn)題。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生們注意力集中，興趣高漲，興趣有了，課堂效率也就高了。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生利用豬關(guān)節(jié)這個(gè)實(shí)物構(gòu)建的物理模型，使得抽象的概念變得具體，突破了關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)以及功能的難點(diǎn)。

為了突破骨骼肌的結(jié)構(gòu)和功能這個(gè)教學(xué)重點(diǎn)，教師再次提供了實(shí)物模型——去了皮的雞翅。

通過(guò)利用教師提供的雞翅這個(gè)實(shí)物模型，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與，動(dòng)手操作，通過(guò)體驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪\(yùn)作過(guò)程，進(jìn)而理解原型骨骼肌的結(jié)構(gòu)以及骨骼肌與骨和關(guān)節(jié)的位置關(guān)系及工作原理。讓學(xué)生通過(guò)對(duì)雞翅的解剖充分理解概念，真正融入教學(xué)過(guò)程中，內(nèi)化知識(shí)并提升思維的同時(shí)也突破了教學(xué)的重點(diǎn)。

教育學(xué)家卡美紐斯曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：一切看得見(jiàn)的東西都應(yīng)該放到視覺(jué)的跟前。豬關(guān)節(jié)在生活中比較容易獲取，通過(guò)實(shí)物解剖，非常直觀地觀察到它的結(jié)構(gòu)和功能。在教師的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)下學(xué)生自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)觀察、解剖、比較都有了明確的方向。在每一部的操作過(guò)程中，學(xué)生可以得出相應(yīng)的結(jié)論，在每一個(gè)結(jié)論的基礎(chǔ)上再進(jìn)行下一個(gè)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)，加深對(duì)概念的認(rèn)識(shí)和理解。最終以實(shí)驗(yàn)事實(shí)提取升學(xué)本質(zhì)的內(nèi)容，建立概念體系。

在初中生物學(xué)中，可以常常利用實(shí)物建模的教學(xué)模式，例如在講解腎臟的結(jié)構(gòu)時(shí)，就可以提供豬腎;在講解鳥(niǎo)卵的結(jié)構(gòu)時(shí)可以提供雞蛋。這些都是可以比較容易獲取的實(shí)物，用實(shí)物構(gòu)建物理模型，在突破教學(xué)重難點(diǎn)的同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維。教學(xué)的過(guò)程中也向?qū)W生傳達(dá)了一種生物學(xué)習(xí)的方法，培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建模型的思維方式，提高學(xué)生生物學(xué)素養(yǎng)。

（二） 利用類比法構(gòu)建物理模型，對(duì)比和比較，培養(yǎng)演繹與推理的科學(xué)思維

在講解骨和關(guān)節(jié)在構(gòu)建身體上起到的作用以及骨、關(guān)節(jié)和骨骼之間的關(guān)系時(shí)，教師展示的“原型模型”是傘的骨架。教師首先讓學(xué)生觀察傘骨的結(jié)構(gòu)，動(dòng)手開(kāi)傘收傘，觀察傘骨的運(yùn)動(dòng)，思考傘骨的作用。同時(shí)展示兔子的骨骼的圖片，二者進(jìn)行比較，引導(dǎo)學(xué)生思考他們的相似之處，最后經(jīng)過(guò)演繹和推理，學(xué)生經(jīng)過(guò)思考?xì)w納總結(jié)得出：骨骼是由骨和關(guān)節(jié)構(gòu)成的，起到支撐的作用，上面附著著肌肉，骨圍繞著關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。從而突破骨骼是由骨和肌肉構(gòu)成，以及關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)中起到支點(diǎn)作用這個(gè)教學(xué)重難點(diǎn)。

這種用生活中熟悉的事物來(lái)表征類比不熟悉事物的方法叫做類比法。在類比中被表征的事物稱為“目標(biāo)”，在這里指骨骼;用于類比的事物稱為“資源”，在這里指?jìng)愎恰ＹY源和目標(biāo)之間存在著相似或相同的屬性。將生活中比較通俗的實(shí)例通過(guò)類比方法構(gòu)建的物理模型可以讓學(xué)生利用自身熟知的事物和生活體驗(yàn)，進(jìn)行類比，建立適當(dāng)?shù)穆?lián)系。在通過(guò)類比構(gòu)建物理模型的教學(xué)中，學(xué)生主動(dòng)參與，動(dòng)手操作，通過(guò)體驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪\(yùn)作過(guò)程，進(jìn)而理解原型的屬性特點(diǎn)或某種機(jī)制。學(xué)生對(duì)教師提出的問(wèn)題進(jìn)行抽絲剝繭，理性地辨析，通過(guò)辯證的思維和想象力，在熟悉的內(nèi)容和陌生的問(wèn)題間實(shí)現(xiàn)有效的轉(zhuǎn)化和升華，促成思維的遷移和問(wèn)題的解決。它能改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，使學(xué)生真正融入教學(xué)過(guò)程中，充分理解概念，在通過(guò)分析、整合、抽象等向各種邏輯的證實(shí)外，還要激發(fā)想象力，內(nèi)化知識(shí)，從而提升了科學(xué)思維能力。

（三） 利用等效法建構(gòu)物理模型，簡(jiǎn)化和模擬，培養(yǎng)應(yīng)用概念，因果推斷的科學(xué)思維

在《動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)》一課中，骨骼肌如何牽動(dòng)著骨圍繞著關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)是教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。教師首先展示屈肘和伸肘的動(dòng)畫(huà)圖，讓學(xué)生仔細(xì)觀察骨骼肌收縮時(shí)變粗變短、舒張時(shí)變細(xì)變長(zhǎng)的形態(tài)變化，從而牽拉著骨圍繞著關(guān)節(jié)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。然后指導(dǎo)學(xué)生利用身邊常見(jiàn)的材料，依據(jù)等效性法來(lái)構(gòu)建屈肘和伸肘物理模型。

實(shí)驗(yàn)材料：硬紙板、橡皮筋、螺絲釘?shù)?/p>

實(shí)驗(yàn)步驟：

1. 參照?qǐng)D2，用硬紙板剪出“上臂骨”和“前臂骨”。

2. 兩塊硬紙板用螺絲釘連接，用皮筋代替骨骼肌，把皮筋穿過(guò)硬紙板打結(jié)固定，制作完成后如圖所示。

3. 分別拉動(dòng)代表“骨骼肌”的皮筋，觀察代表“骨骼”的硬紙板的位置的變化。

得出結(jié)論：骨骼肌牽引骨圍繞關(guān)節(jié)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。任何一個(gè)動(dòng)作，都需要兩組或兩組以上的肌肉協(xié)調(diào)配合才能完成。

等效法構(gòu)建物理模型就是用身邊常見(jiàn)的材料，抓住原型的本質(zhì)特征，抽象、純化和簡(jiǎn)化復(fù)雜的原型和過(guò)程，把握住原型的主要特征，再將這些特征形象化、具體化，來(lái)建構(gòu)一個(gè)能反映原型本質(zhì)特征的模型，然后通過(guò)對(duì)模型的研究獲取原型的信息的建模教學(xué)模式。學(xué)生通過(guò)構(gòu)建和使用模型，學(xué)習(xí)、體會(huì)并理解了骨骼和肌肉的協(xié)調(diào)配合完成運(yùn)動(dòng)，突破重難點(diǎn)的同時(shí)練習(xí)了應(yīng)用概念構(gòu)建模型，分析、抽象出生理過(guò)程的規(guī)律，培養(yǎng)了因果推斷的科學(xué)思維能力。

在人教版的初中教材中“模擬膈肌的運(yùn)動(dòng)”“制作動(dòng)物細(xì)胞模型”等都可以利用等效法構(gòu)建和使用物理模型來(lái)進(jìn)行教學(xué)。學(xué)生在老師的啟發(fā)下，通過(guò)合作探究，主動(dòng)參與模型的構(gòu)建和使用，體驗(yàn)建立模型的思維過(guò)程，在獲得并鞏固了生物學(xué)知識(shí)的同時(shí)培養(yǎng)了科學(xué)思維能力。

二、 構(gòu)建和使用數(shù)學(xué)模型，知識(shí)遷移，化繁為簡(jiǎn)，培養(yǎng)對(duì)比和比較，演繹和推理的科學(xué)思維

在《動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)》教學(xué)中，教師播放“學(xué)生運(yùn)動(dòng)”視頻，讓學(xué)生回憶運(yùn)動(dòng)時(shí)呼吸、心跳加快，運(yùn)動(dòng)后氣喘吁吁的情景，同時(shí)展示平靜和運(yùn)動(dòng)時(shí)呼吸頻率，心跳次數(shù)和血壓值。利用直觀羅列數(shù)據(jù)的數(shù)字模型，通過(guò)對(duì)比得出結(jié)論：運(yùn)動(dòng)不僅靠運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)完成，還需要神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)等系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，從而形成“人體是一個(gè)統(tǒng)一的整體，人體各個(gè)系統(tǒng)相互聯(lián)系、相互協(xié)調(diào)，共同完成生命活動(dòng)”的系統(tǒng)觀，養(yǎng)成健康生活的習(xí)慣。

數(shù)學(xué)模型是指用來(lái)表達(dá)生命活動(dòng)規(guī)律的計(jì)算公式、函數(shù)式、曲線圖以及由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成的柱形圖、餅狀圖等。數(shù)學(xué)模型是把生物問(wèn)題轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)問(wèn)題，利用數(shù)學(xué)方式表示出來(lái)，同時(shí)配以曲線圖和表格等加以說(shuō)明。構(gòu)建一個(gè)數(shù)學(xué)模型，我們首先要了解要明確建模的目的，并收集必需的各種資料和信息。在這一數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建中，研究的對(duì)象是“人體”，其特征是“平靜時(shí)呼吸、心跳和血壓都處于較低水平，而運(yùn)動(dòng)時(shí)呼吸、心跳和血壓都加快、升高”。建模的目的是探究運(yùn)動(dòng)時(shí)呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)等都在協(xié)調(diào)配合，進(jìn)一步建立生物是一個(gè)統(tǒng)一的整體這一生物學(xué)觀點(diǎn)，從而揭示生命活動(dòng)的規(guī)律。在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，學(xué)生進(jìn)行了知識(shí)遷移，用數(shù)學(xué)手段解決生物問(wèn)題，化繁為簡(jiǎn)，培養(yǎng)了對(duì)比和比較，演繹和推理的科學(xué)思維。在人教版的初中生物課本中“小麥生長(zhǎng)不同時(shí)期的需水量的比較”以及“消化曲線”，“人口增長(zhǎng)曲線”都可以通過(guò)構(gòu)建和使用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行教學(xué)。

三、 利用和構(gòu)建概念模型，促進(jìn)概念的深入理解，提高歸納和概括能力

學(xué)生在《動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)》這節(jié)課后用概念圖的模式建構(gòu)了運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的概念模型。

概念是用某一標(biāo)準(zhǔn)區(qū)分開(kāi)來(lái)的對(duì)象、事件或過(guò)程屬性的有序集合，概念模型是以圖示、文字和符號(hào)等組成的流程圖的形式來(lái)描述事物的生命活動(dòng)規(guī)律和機(jī)理。概念模型的圖解形象直觀生動(dòng)，有助于學(xué)生建立正確的概念體系。讓學(xué)生獨(dú)立繪制，有利于夯實(shí)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)。學(xué)生學(xué)會(huì)從概念和知識(shí)間的聯(lián)系去探究新概念之間，以及新概念和已有的概念之間的聯(lián)系重新構(gòu)建新知識(shí)結(jié)構(gòu)，這是對(duì)知識(shí)進(jìn)行同化、順化和平衡的過(guò)程。經(jīng)過(guò)這樣的訓(xùn)練，使學(xué)生習(xí)慣于去分析概念之間的關(guān)系，并加以理解和記憶，這比通過(guò)死記硬背的方式學(xué)習(xí)新概念的效果好得多，讓學(xué)生在樂(lè)學(xué)的過(guò)程中培養(yǎng)了自身的演繹推理，歸納與概括的科學(xué)思維能力。

培養(yǎng)生物模型思想是落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要體現(xiàn)，在實(shí)際教學(xué)中開(kāi)展生物模型教學(xué)，通過(guò)科學(xué)探究活動(dòng)，能夠幫助教師高效地突破教學(xué)中的重難點(diǎn)的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。在日常教學(xué)中充分重視學(xué)生模型建構(gòu)思維的培養(yǎng)，才能讓廣大的學(xué)生在解決具體問(wèn)題時(shí)，自覺(jué)地利用模型解決問(wèn)題，學(xué)著像科學(xué)家一樣思考問(wèn)題，以便更加快速地找到解決問(wèn)題的有效途徑，進(jìn)而促進(jìn)科學(xué)思維的發(fā)展。構(gòu)建模型還有助于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣和能力，培養(yǎng)學(xué)生樂(lè)學(xué)情感、主體精神、探索意識(shí)，是一種能夠充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性的教學(xué)方法和學(xué)習(xí)方式。

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作者簡(jiǎn)介：

溫萍，福建省福州市，福州第二十五中學(xué)。