高中生物物理模型建構(gòu)活動(dòng)的“圖紙”

張富生

摘 要：模型設(shè)計(jì)是高中生物物理模型建構(gòu)的關(guān)鍵步驟，設(shè)計(jì)過(guò)程能很好地體現(xiàn)生物的核心素養(yǎng)，以小組為單位討論物理模型建構(gòu)的總體設(shè)想，進(jìn)一步設(shè)計(jì)構(gòu)成原件、連接和組裝或者動(dòng)態(tài)過(guò)程的設(shè)計(jì)圖，最后制作模型，設(shè)計(jì)過(guò)程有合作和探究，重在科學(xué)思維的訓(xùn)練，提高對(duì)生物學(xué)概念的生成理解，制作過(guò)程側(cè)重動(dòng)手實(shí)踐、提高技能和培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任感，是抽象思維在實(shí)踐中的具體化，物理模型建構(gòu)活動(dòng)是思維和行為的統(tǒng)一。

關(guān)鍵詞：物理模型建構(gòu);設(shè)計(jì)方案;內(nèi)容

物理模型建構(gòu)活動(dòng)是有目的、有步驟地在教師指導(dǎo)下的學(xué)生自主建構(gòu)活動(dòng)，尤其能體現(xiàn)學(xué)生主動(dòng)性和主體地位，普通高中教科書生物學(xué)在課外制作欄目安排了“利用廢棄物品制作生物膜模型”，在探究實(shí)踐欄目安排了“嘗試制作真核細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)模型”“建立減數(shù)分裂中染色體變化的模型”和“制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”物理模型的建構(gòu)活動(dòng)，通過(guò)建構(gòu)活動(dòng)發(fā)展學(xué)生的模型和建模思維，深刻理解生物學(xué)的相關(guān)概念，提高動(dòng)手實(shí)踐的技能，模型的教育意義需要通過(guò)“建構(gòu)”來(lái)實(shí)現(xiàn)，模型方法的精髓體現(xiàn)在建立模型的探索和發(fā)現(xiàn)中。但是在教學(xué)實(shí)踐中，對(duì)于物理模型建構(gòu)活動(dòng)的實(shí)施缺乏設(shè)計(jì)，變成了手工制作和游戲，難以達(dá)到教學(xué)目的，有的直接以“知識(shí)點(diǎn)”的形式講解和演示給學(xué)生，與生物學(xué)核心素養(yǎng)的理念相去甚遠(yuǎn)，筆者通過(guò)讓學(xué)生先設(shè)計(jì)物理模型的“圖紙”，然后按圖紙進(jìn)行物理模型的制作，取得了良好的效果。

一、物理模型設(shè)計(jì)方案的內(nèi)容

物理模型建構(gòu)活動(dòng)的第一步就是模型設(shè)計(jì)，模型設(shè)計(jì)是對(duì)原型的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行加工、整理、設(shè)計(jì)和構(gòu)思而做出的設(shè)計(jì)方案，是要把學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)作為新知識(shí)的生長(zhǎng)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生從原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)中“生長(zhǎng)”出新的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，物理模型設(shè)計(jì)方案是引導(dǎo)學(xué)習(xí)小組完成模型設(shè)計(jì)的路線，以教師為主導(dǎo)完成框架設(shè)計(jì)，由學(xué)生通過(guò)小組討論、填寫和繪制，下面以制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型為例介紹物理模型設(shè)計(jì)方案的組成。

制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)方案

1.模型建構(gòu)的總體設(shè)想

基于對(duì)DNA原型的知識(shí)學(xué)習(xí)和生活經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)學(xué)習(xí)小組的討論交流，大致確定制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模

型的材料和方法，最終呈現(xiàn)的是DNA的平面結(jié)構(gòu)還是立體結(jié)構(gòu)，是僅僅簡(jiǎn)化概括雙螺旋的特征，還是精細(xì)到堿基之間的氫鍵和磷酸與脫氧核糖之間的磷酸二酯鍵，選用的材料是否容易獲得，是否經(jīng)濟(jì)環(huán)保，小組內(nèi)可以充分討論，不同的觀點(diǎn)相互碰撞、相互啟發(fā)，最終確定本小組的總體方案，形成文字填在表格內(nèi)。例1：用兩條平行的鐵絲作為支架，用不同形狀的塑料片或者不同形狀的卡紙代表脫氧核糖、磷酸和堿基，再用鐵絲固定在支架上，制作平面的DNA結(jié)構(gòu)模型。例2：用鐵絲彎成螺旋平行的DNA骨架，用一定形狀的泡沫模擬堿基，放到DNA骨架內(nèi)，制作DNA立體模型。例3：取一張大硬紙作為背景支架，分別用不同顏色、不同形狀的卡紙代表磷酸、脫氧核糖和堿基，在硬紙上擺出DNA的形狀并粘到硬紙上，用不同顏色的筆連線代表不同的化學(xué)鍵。書面的準(zhǔn)確表達(dá)是對(duì)學(xué)生更高的要求，應(yīng)該給學(xué)生更多的機(jī)會(huì)去訓(xùn)練。

2.基本原件的設(shè)計(jì)

基本原件是制作物理模型的“小零件”，在模型建構(gòu)時(shí)，不僅要知道這些基本原件是什么、怎么做，更重要的是清楚為什么，如圖中的脫氧核糖，在知識(shí)一欄填寫脫氧核糖是單糖，有五個(gè)碳原子、分子式等，材料對(duì)應(yīng)總體設(shè)計(jì)，填寫卡紙、統(tǒng)一為紅色、數(shù)量為20個(gè)，設(shè)計(jì)圖可以由學(xué)生用鉛筆繪出五邊形，在具體制作中，并不是每一個(gè)小組設(shè)計(jì)的基本原件都相同，有的就可以把磷酸和脫氧核糖交替相接的DNA基本骨架直接用彎曲平行的鐵絲代替，有的三種基本原件不夠用，可能還要增加，在填寫設(shè)計(jì)表時(shí)可以說(shuō)明或者備注。

3.連接與組裝設(shè)計(jì)

物理模型建構(gòu)的難點(diǎn)基本原件的連接和組裝，有的連接沒(méi)有意義，僅是起固定作用，有的連接代表了一定的意義，要清楚背后的知識(shí)，在制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型中磷酸-脫氧核糖、脫氧核糖-堿基、堿基-另一條脫氧核苷酸鏈的堿基都是通過(guò)化學(xué)鍵作用連接的，這些化學(xué)鍵的相關(guān)知識(shí)有哪些，在制作時(shí)用什么材料模擬這些化學(xué)鍵，在脫氧核糖的哪個(gè)位置與磷酸和堿基連接，連接后是什么形狀，生物分子或者結(jié)構(gòu)之所以有一定的空間結(jié)構(gòu)，都是有原因的，在利用廢棄物品制作生物膜模型，為什么磷脂分子的頭部朝外，尾部相對(duì)，蛋白質(zhì)分子-磷脂分子怎么連接，在建立減數(shù)分裂中染色體變化的模型中，分裂后期的染色體為什么成V狀等，最后的設(shè)計(jì)平面圖或者立體圖讓學(xué)生繪制是有難度的，特別是立體圖，在具體模型制作中可以調(diào)整。

在不同的物理模型構(gòu)建中設(shè)計(jì)方案的組成不同，同一物理模型，設(shè)計(jì)方案的組成也可以不同，有的可以增加動(dòng)態(tài)過(guò)程設(shè)計(jì)，比如建立減數(shù)分裂中染色體變化的模型，有的可以去掉立體圖的繪制，有的可以增加備注欄，增加學(xué)生的發(fā)揮空間，具體情況以學(xué)生情況和教師的教學(xué)目的而定，設(shè)計(jì)方案無(wú)論怎么改變，形式可以多樣，但必須得有，沒(méi)有設(shè)計(jì)方案的模型建構(gòu)不僅不能落實(shí)核心素養(yǎng)，還很容易讓物理模型建構(gòu)活動(dòng)變成搭積木的游戲。

二、物理模型設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用

1.模型建構(gòu)的“圖紙”

物理模型的設(shè)計(jì)方案是設(shè)計(jì)者意圖和設(shè)計(jì)結(jié)果的表達(dá)，是制作物理模型的依據(jù)，是設(shè)計(jì)和制作之間的橋梁，能有效減少材料和人工的浪費(fèi)，避免制作過(guò)程中的盲目性，便于精細(xì)化制作，按照設(shè)計(jì)方案中定好的材料、數(shù)量、顏色和設(shè)計(jì)圖做基本原件，再把這些基本原件依據(jù)設(shè)計(jì)方案中的連接方式進(jìn)行拼接組裝，一切按圖行

事，水到渠成，好的模型設(shè)計(jì)方案應(yīng)該是讓其他小組或者其他班級(jí)的學(xué)生能夠看懂，并且按照設(shè)計(jì)方案制作出對(duì)應(yīng)的物理模型，設(shè)計(jì)方案是物理模型制作的“圖紙”，是物理模型建構(gòu)活動(dòng)的關(guān)鍵。

2.模型評(píng)價(jià)的依據(jù)

評(píng)價(jià)是物理模型建構(gòu)活動(dòng)的重要環(huán)節(jié)，以往只能評(píng)價(jià)結(jié)果，從材料的環(huán)保性、外觀的美觀性、建構(gòu)的科學(xué)性等去評(píng)價(jià)，忽略了建構(gòu)過(guò)程的評(píng)價(jià)，物理模型的設(shè)計(jì)方案是一個(gè)非常好的過(guò)程評(píng)價(jià)對(duì)象，可評(píng)價(jià)的內(nèi)容包括知識(shí)是否有錯(cuò)誤、語(yǔ)言表達(dá)是否準(zhǔn)確流暢、設(shè)計(jì)是否嚴(yán)密完整可行、繪圖有無(wú)錯(cuò)誤、材料選擇是否恰當(dāng)、數(shù)量比例是否合適等，這些內(nèi)容可以判斷學(xué)生對(duì)生物學(xué)概念的理解水平，也能體現(xiàn)學(xué)生探究和思維的過(guò)程，物理模型建構(gòu)活動(dòng)的設(shè)計(jì)方案完成后就應(yīng)對(duì)其及時(shí)評(píng)價(jià)、反饋和完善，然后再進(jìn)行物理模型的制作。

3.學(xué)習(xí)交流的載體

可以對(duì)物理模型設(shè)計(jì)方案單獨(dú)評(píng)價(jià)，在班內(nèi)小組之間或者班級(jí)之間有效地開展互評(píng)，選出優(yōu)秀作品進(jìn)行展覽和巡講，讓學(xué)生在互評(píng)與交流中體驗(yàn)和感受，以評(píng)促學(xué)、以展促學(xué)，在學(xué)習(xí)交流的過(guò)程中，基于學(xué)生自己經(jīng)驗(yàn)事實(shí)和推理對(duì)優(yōu)秀設(shè)計(jì)方案提出質(zhì)疑和批判，進(jìn)行檢驗(yàn)和求證，提出建議，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維品質(zhì)。

三、物理模型設(shè)計(jì)方案的誤區(qū)

在物理模型建構(gòu)活動(dòng)中，很容易把全部精力放在物理模型制作上，以具體化的物理模型為唯一目的，忽視或者弱化了模型構(gòu)建過(guò)程中的思維和設(shè)計(jì)過(guò)程，有些教師認(rèn)識(shí)到了模型設(shè)計(jì)的重要性，也容易出現(xiàn)以下幾個(gè)問(wèn)題：第一，沒(méi)有具體的設(shè)計(jì)方案，僅僅是停留在教師的口頭強(qiáng)調(diào);第二，由一位學(xué)生完成設(shè)計(jì)方案，不注重小組合作交流;第三，設(shè)計(jì)方案完成后，沒(méi)有評(píng)價(jià)，沒(méi)有后續(xù)的模型制作;第四，過(guò)分依賴設(shè)計(jì)方案，在物理模型制作過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題不能能動(dòng)地解決并反思設(shè)計(jì)方案的不足。

參考文獻(xiàn)：

[1]譚永平.高中生物學(xué)新課程中的模型、模型方法及模型建構(gòu)[J].生物學(xué)教學(xué)，2009，34（1）：10-12.

[2]陶麗萍.中學(xué)生物教學(xué)物理模型設(shè)計(jì)[D].山東師范大學(xué)，2013.

注：本文系2019年度河南省基礎(chǔ)教育教學(xué)研究項(xiàng)目

《高中生物模型建構(gòu)活動(dòng)的實(shí)踐研究》（JCJYC19080911）研究成果。

編輯 溫雪蓮