指向科學思維的生物學模型建構(gòu)教學初探

王景花

科學思維指尊重并基于事實和證據(jù)，崇尚嚴謹和務(wù)實的求知態(tài)度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。學生在生物學的學習中要通過基于事實的歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等方法逐步發(fā)展科學思維，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律、審視或論證生物學社會議題。

模型建構(gòu)是針對特定問題，對研究的原型問題進行客觀的抽象概括，保留原型的本質(zhì)屬性（結(jié)構(gòu)、功能、過程），以物質(zhì)或思維的形式模擬原型的新客體，它能將原型進行簡化和理想化。生物學是一門研究生命活動現(xiàn)象和活動規(guī)律的科學，在科學活動中常會借助三種模型：物理模型（借助實物或圖片直觀展示原型）、概念模型（借助圖示、文字、符號的形式描述、闡明生命活動的規(guī)律和原理，將隱形知識顯性化）、數(shù)學模型（運用數(shù)字公式、比例關(guān)系、曲線、表格、幾何圖等數(shù)學形式反映原型）建構(gòu)來認識研究對象。模型建構(gòu)是《普通高中生物學課程標準（2017年版）》對學生學科素養(yǎng)培養(yǎng)的要求。高中生物學教學中的模型建構(gòu)活動，可以讓學生了解模型建構(gòu)的思想，體驗?zāi)Ｐ徒?gòu)的過程，領(lǐng)悟模型建構(gòu)的方法以培養(yǎng)科學思維能力。

1 概念模型的建構(gòu)能夠?qū)⑾到y(tǒng)知識聯(lián)系交叉亮點突出

概念模型指以文字表述來抽象概括出事物本質(zhì)特征的模型。模型的建構(gòu)方式有很多種，若只從高中生物所涉及的概念模型來講，它和知識概念樹型流程圖有些相似，學生通過對所學知識核心內(nèi)容進行一定的分類描述，在初步分類的基礎(chǔ)上再分類，這樣一直不斷的分類，直到將所學內(nèi)容變得明確完整，這些分類所形成的體系就是一個知識的系統(tǒng)了。學生們只要熟識這樣的一套知識體系，就能明確相關(guān)知識的全貌了。

例如，人教版高中生物學《必修2.遺傳與變異》的“染色體變異”一節(jié)教學涉及的概念有：染色體結(jié)構(gòu)變異、染色體數(shù)目變異、染色體組、二倍體、單倍體、多倍體、單倍體育種、多倍體育種等。如此多的概念在一節(jié)課中密集地出現(xiàn)，如果教師處理不當，會導致課堂教學結(jié)構(gòu)零亂、教學環(huán)節(jié)過渡生硬、板書設(shè)計不合理、教學重點不突出、學生對概念內(nèi)涵的理解膚淺、解題錯誤率高等問題，影響教學目標的達成。教師可以染色體為核心概念，引導學生畫出樹型分類圖;以染色體組為核心概念，通過顯微鏡觀察減數(shù)分裂過程的變化，引導學生根據(jù)染色體的大小的形態(tài)差異對染色體進行分組和編號，從而進行染色體的識別和研究;以受精卵中有兩個染色體組的個體引出二倍體的概念，再以雄蜂、香蕉、小麥為例，讓學生模仿二倍體的定義，嘗試對單倍體和多倍體下定義;或以植物中常見多倍體，引導學生思考原因，從而建構(gòu)概念模型。

學生通過構(gòu)建概念圖及核心概念知識網(wǎng)，能理解客觀事物共同特點與本質(zhì)屬性。所有的知識內(nèi)容都圍繞核心內(nèi)容交叉輻射拓展延伸，那么無論之后碰到有關(guān)染色體的任何概念，學生都可以找準知識點詳細準確地解釋。概念模型的建構(gòu)是學生形成科學思維的基礎(chǔ)。

2 物理模型的建構(gòu)能夠?qū)⑾到y(tǒng)知識表述呈現(xiàn)形象直觀

物理模型指以實物或圖片形式直觀表達認識對象的特征。在學習高中生物學這門學科時，常常有很多學生感到困惑：生物學要學什么呀？雖然生物學就是對生命從微觀到宏觀進行的研究，研究生命存在的條件、生命的過程、繁殖的方法和規(guī)律、死亡的調(diào)控、死亡的條件、生命中物質(zhì)能量的轉(zhuǎn)化等過程，但是高中生物學所呈現(xiàn)出來的知識和初中生物學有著很大的不同。在初中階段，教師給學生展示的都是活生生的生物，學生通過一系列的觀察實驗很容易就了解到它們從出生到死亡的全過程。而在高中階段，無論是細胞還是DNA，學生都無法用肉眼直觀感受到，只能通過教科書上的圖表概念進行生命過程的學習。這樣的學習方式會讓學生產(chǎn)生困惑乏味。因此，物理模型的建構(gòu)是必然的，它能夠?qū)⑾到y(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能動態(tài)聯(lián)系起來進行生動的學習。

例如，在人教版高中生物《必修1.分子與細胞》的“細胞結(jié)構(gòu)”教學中，學生在構(gòu)建不同類型細胞的物理模型時，很容易發(fā)現(xiàn)原來細胞這個生命體和普通的生物差不多，它有生存條件、生存方式、繁殖方式，也有相應(yīng)的死亡方式?？v觀一個細胞的生存狀態(tài)，它不是一個孤零零的狀態(tài)，是生物體結(jié)構(gòu)的基本單位，也有細胞是能獨立生存的最小生命，無法用肉眼觀察到。此時，教師就可以把看不到的細胞轉(zhuǎn)化為可以看到的模型，如制作展示分子在不同濃度的溶液中跨細胞膜移動的模型觀察，以解釋水分子的跨膜運動;制作細胞分裂過程的物理模型，用于觀察細胞核內(nèi)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)和細胞分裂時核內(nèi)染色體的形態(tài)變化;制作不同動植物高度分化的細胞，用于觀察細胞質(zhì)中各種細胞器的形態(tài)結(jié)構(gòu)。這些物理模型都可以給學生以更感性直觀的視覺呈現(xiàn)，仿佛活生生的細胞就在眼前展現(xiàn)它的生命過程之美，引導學生去發(fā)現(xiàn)生命的內(nèi)部結(jié)構(gòu)規(guī)律，培養(yǎng)物質(zhì)與能量觀、結(jié)構(gòu)與功能觀、進化與適應(yīng)觀等生命觀念。

當對細胞的生命過程有了最直觀本質(zhì)的了解時，學生會發(fā)現(xiàn)其實高中生物學科根本不像想象中那么枯燥難學。高中生物學不過是拓寬了學習的領(lǐng)域，其內(nèi)涵和本質(zhì)都是一樣的。在學習時，學生需要化抽象為形象，化微觀為直觀，化繁為簡，多思考生命內(nèi)部活動的規(guī)律。物理模型的建構(gòu)有利于學生形成科學思維的方法。

3 數(shù)學模型的建構(gòu)能夠?qū)⑾到y(tǒng)知識本質(zhì)特性抽提把握

數(shù)學模型是用來描述一個系統(tǒng)或它的性質(zhì)的數(shù)學形式。高中生物學知識點多而雜亂，內(nèi)部關(guān)系紛繁復雜，物質(zhì)形態(tài)變化多端。要分清楚實屬不易，學生如果不通過一定的形式來描述系統(tǒng)的性質(zhì)而是按部就班地學習，效率肯定是很低的。而用數(shù)學公式、圖表的模型建構(gòu)能夠很準確地把事物之間最本質(zhì)的變化和性質(zhì)呈現(xiàn)出來，既直觀又精確還具體。數(shù)學模型能夠用轉(zhuǎn)化的方式將兩個概念之間的關(guān)系理順，將事物變化的可能方向呈現(xiàn)。通過不斷地對模型進行檢驗和修正，就可以對事物的性質(zhì)進行準確地表述。

例如，人教版高中生物《必修3.穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》中“酵母菌種群數(shù)量的變化”的教學目標是：完成系列探究實驗基礎(chǔ)上，統(tǒng)計數(shù)據(jù)，尋找酵母菌數(shù)量變化規(guī)律，建構(gòu)數(shù)學模型繪制變化曲線。本節(jié)課開始，教師提出的問題：培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量怎樣隨時間變化？培養(yǎng)條件是變量，只有控制好這個變量才能進行合理的假設(shè)（如加糖與否，量的多少，通氧或CO2等）。教師可以鼓勵學生提出問題;在實驗探究時，引導學生探究實驗操作技能與方法（如移液槍的使用、微生物培養(yǎng)法、血細胞計數(shù)板對酵母細胞的計數(shù)，推導酵母細胞總數(shù)的公式、數(shù)碼顯微鏡的使用等）。學生通過親自研究一個真實的種群數(shù)量變化，收集、分析并整理數(shù)據(jù)，自主建構(gòu)數(shù)學模型。教師引導學生對所建模型進行討論與分析，從而使學生修正和完善模型，使學生完成對知識的自主構(gòu)建和深化，并根據(jù)構(gòu)建的模型解決生活實際問題。數(shù)學形式能將種群數(shù)量的變化規(guī)律和本質(zhì)抽提出來，同時還能預(yù)測和控制生命變化的現(xiàn)象和過程。數(shù)學模型的建構(gòu)有利于提高科學思維的品質(zhì)。

一個成功的數(shù)學模型實際是對實驗與觀察的一種歸納，它將對理論的發(fā)展起到路標和檢驗的作用。馬克思曾說，一門科學只有成功地運用數(shù)學時，才算達到了完善的地步，生命科學一旦找到了反映它的數(shù)學模型就可以進入系統(tǒng)的嚴密研究階段了。

總之，模型建構(gòu)的方法是人們認識世界的一種重要方法，也是理論思維發(fā)展過程中的重要方式。在進行一些具體的教學課題研究的時候，模型方法能夠幫助研究者更好地發(fā)現(xiàn)事物的聯(lián)系，理解事物的本質(zhì)，探索未知的規(guī)律。高中生物學的模型建構(gòu)活動不僅能夠讓學生認識到模型方法的重要的作用，促使學生在日后的學習生活中靈活地運用模型方法，而且能讓學生通過探究規(guī)律，訓練思維，培養(yǎng)生物學學科核心素養(yǎng)。

參考文獻：

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