基于科學(xué)思維素養(yǎng)的模型建構(gòu)例析

廖中富

【摘要】在高中生物教學(xué)中運(yùn)用模型建構(gòu)，對(duì)培養(yǎng)科學(xué)思維素養(yǎng)具有重要意義。本文立足于科學(xué)思維素養(yǎng)的視域下，進(jìn)行模型建構(gòu)例析。

【關(guān)鍵詞】模型;模型建構(gòu);科學(xué)思維素養(yǎng)

在生物教學(xué)中發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)是新時(shí)期教師的一個(gè)重要任務(wù)。國(guó)家核心素養(yǎng)研究專家指出，要重視發(fā)展學(xué)生理性思維等核心素養(yǎng)，在課堂教學(xué)中要培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維。庫(kù)恩認(rèn)為，思維是智力發(fā)展的終極目標(biāo)，教育的核心是發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。實(shí)踐證明，將模型建構(gòu)應(yīng)用于生物教學(xué)中，有利于發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維。

一、科學(xué)思維素養(yǎng)的內(nèi)涵

是指尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那笾獞B(tài)度，采用適當(dāng)?shù)目茖W(xué)思維方法去闡釋生命現(xiàn)象，揭示事物規(guī)律，解決實(shí)際問(wèn)題的能力。在教學(xué)中，教師要重視在學(xué)習(xí)過(guò)程中逐步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

二、生物模型概念及種類

模型是對(duì)認(rèn)識(shí)對(duì)象的高度概要性描述;可通過(guò)實(shí)物或其他直觀手段，也可借助抽象形式進(jìn)行表達(dá)。模型建構(gòu)是指借助數(shù)學(xué)符號(hào)、公式、材料、文字等，把微觀的事物生動(dòng)展示出來(lái)。生物模型主要包括三種類型：

（一）物理模型? 如真核細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)模型、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。

（二）概念模型? 如用文字和箭頭表示的光合作用過(guò)程圖解。

（三）數(shù)學(xué)模型? 如酶活性變化曲線圖、種群數(shù)量變化曲線圖。

三、發(fā)展科學(xué)思維素養(yǎng)的模型建構(gòu)例析

在教學(xué)中，教師恰當(dāng)運(yùn)用模型建構(gòu)能較好地突破教學(xué)重難點(diǎn)，提升課堂教學(xué)質(zhì)量，對(duì)發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)有重要意義。

（一）建構(gòu)物理模型，加深理解生物學(xué)概念

必修一教材中有個(gè)很重要的核心概念是：“細(xì)胞是組成生物體結(jié)構(gòu)與功能的基本單位”。為了幫助學(xué)生理解好這一核心概念，在講完“細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)”后，我就布置學(xué)生利用課余時(shí)間去制作真核細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)模型，目的是讓學(xué)生通過(guò)制作物理模型，加深理解各個(gè)細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)和功能，不同細(xì)胞結(jié)構(gòu)之間的分工與合作。學(xué)生在構(gòu)建細(xì)胞模型時(shí)要自己挑選材料、自行設(shè)計(jì)方案。學(xué)生之間要密切分工合作，不同學(xué)生制作不同的配件，不同配件制作好后再進(jìn)行組裝，從而形成一個(gè)完整的真核細(xì)胞結(jié)構(gòu)模型。通過(guò)建構(gòu)物理模型，可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)生物的興趣，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神，提高學(xué)生認(rèn)知水平，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)的發(fā)展。

又如，在講授“DNA分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)”時(shí)，我首先跟學(xué)生分享了科學(xué)家沃森、克里克如何利用前人研究成果，再結(jié)合自身研究發(fā)現(xiàn)成功構(gòu)建了“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”的故事。這兩位科學(xué)家在創(chuàng)建“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”時(shí)運(yùn)用了很多科學(xué)研究方法，他們充分尊重科學(xué)家已有事實(shí)，采用歸納、抽象、簡(jiǎn)化的方法，大膽舍去非本質(zhì)屬性的東西，構(gòu)建了一個(gè)形象、直觀、具體的物理模型。在講完“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)”內(nèi)容后，我還安排了學(xué)生利用課余時(shí)間嘗試制作“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”。學(xué)生通過(guò)親身制作模型，不僅領(lǐng)悟了模型構(gòu)建方法，還大大加深了對(duì)DNA分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的理解，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維，加深了對(duì)生物學(xué)概念的理解。

（二）建構(gòu)概念模型，訓(xùn)練科學(xué)思維方法

概念是一種重要的模型即概念模型，概念圖的形成也是建立模型的過(guò)程。例如，光合作用的概念是科學(xué)家在經(jīng)歷一系列探索實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)分析與綜合形成的。

在教學(xué)時(shí)，我先讓學(xué)生回顧初中學(xué)過(guò)的光合作用知識(shí)，簡(jiǎn)述光合作用的概念，嘗試用化學(xué)反應(yīng)式表示。接著設(shè)問(wèn)：CO2、H2O是如何生成有機(jī)物和O2的？光能是怎樣存儲(chǔ)在有機(jī)物中？關(guān)于O2的來(lái)源學(xué)生提出有3種可能：可能來(lái)自CO2，可能來(lái)自H2O，可能來(lái)自CO2和H2O。教師可讓學(xué)生閱讀教材第102“思考.討論”第一段內(nèi)容，經(jīng)過(guò)師生共同分析，學(xué)生初步判斷O2來(lái)源CO2的可能性較小，最可能來(lái)自H2O。事實(shí)與推測(cè)是否一致呢？教師接著讓學(xué)生閱讀教材第102“思考.討論”第二段內(nèi)容——希爾實(shí)驗(yàn)。通過(guò)分析希爾實(shí)驗(yàn)，學(xué)生明白O2來(lái)自H2O。教師進(jìn)一步設(shè)問(wèn)，能否確定O2全部自H2O？若要證明O2全部自H2O可采用什么方法，實(shí)驗(yàn)的基本思路是什么？師生分析魯賓和卡門(mén)實(shí)驗(yàn)后知道O2原來(lái)是全部自H2O。教師再引導(dǎo)學(xué)生閱讀阿爾農(nóng)實(shí)驗(yàn)資料，基于上面幾個(gè)科學(xué)家實(shí)驗(yàn)，學(xué)生就獲知，光反應(yīng)的物質(zhì)變化、能量變化、反應(yīng)場(chǎng)所。關(guān)于（CH2O）等有機(jī)物的來(lái)源，教師可補(bǔ)充卡爾文實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生知道C的轉(zhuǎn)移路徑和反應(yīng)場(chǎng)所，再引導(dǎo)分析光反應(yīng)和暗反應(yīng)內(nèi)在聯(lián)系。學(xué)生在教師引導(dǎo)下通過(guò)小組合作，自主構(gòu)建了光合作用概念模型（見(jiàn)下圖）。

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的分析與綜合而形成的概念圖，能夠很好地將繁瑣知識(shí)點(diǎn)簡(jiǎn)單明了呈現(xiàn)出來(lái)，形成清晰的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，便于整體記憶知識(shí)。長(zhǎng)期進(jìn)行概念圖的建構(gòu)訓(xùn)練，不僅有利于學(xué)生梳理知識(shí)，還可訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維方法。

（三）建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，促進(jìn)探究性學(xué)習(xí)

建構(gòu)數(shù)學(xué)模型是解決新問(wèn)題、探索新規(guī)律的有效途徑之一。通過(guò)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，有利于培養(yǎng)學(xué)生透過(guò)表觀現(xiàn)象揭示事物的本質(zhì)特性，培養(yǎng)學(xué)生敏銳的洞察能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S能力，實(shí)現(xiàn)由具體到抽象的思維轉(zhuǎn)化。例如，在講授《種群數(shù)量的變化》時(shí)，我是利用“問(wèn)題探討”提供的信息，要求學(xué)生完成課本第66頁(yè)的表格，以培養(yǎng)時(shí)間為橫坐標(biāo)，細(xì)菌的數(shù)量為縱坐標(biāo)繪制變化曲線（如下左圖）。學(xué)生通過(guò)曲線圖可以直觀感受生命現(xiàn)象的規(guī)律，這種規(guī)律也可用數(shù)學(xué)公式展現(xiàn)。講完“種群數(shù)量變化”，我將全班學(xué)生分為5組，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)去完成“探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化”，一周后由各組學(xué)生代表分享實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以培養(yǎng)時(shí)間為橫坐標(biāo)，酵母細(xì)胞數(shù)量為縱坐標(biāo)繪制變化曲線（如下右圖）：

學(xué)生在教師引導(dǎo)下分析發(fā)現(xiàn)種群增長(zhǎng)規(guī)律如下：在理想條件下種群數(shù)量以“J”型方式增長(zhǎng)，在有限資源條件下以“S”型方式增長(zhǎng)。教師通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納和抽象，通過(guò)建構(gòu)數(shù)學(xué)模型來(lái)解決種群數(shù)量增長(zhǎng)問(wèn)題，極大促進(jìn)了探究性學(xué)習(xí)的開(kāi)展，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)。

實(shí)踐證明，在生物課堂教學(xué)中恰當(dāng)運(yùn)用模型建構(gòu)方法，確實(shí)能夠有效解決生物學(xué)的問(wèn)題，提高學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)，更好地達(dá)成生物學(xué)課程的教育目標(biāo)。

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（責(zé)任編輯：伍靜儀）