基于科學(xué)思維進(jìn)階的高中生物建模教學(xué)實(shí)施與思考

陳穎芳 張鋒

摘要借助科學(xué)思維進(jìn)階的統(tǒng)整作用將模型建構(gòu)、模型分析和模型應(yīng)用等各環(huán)節(jié)進(jìn)行整合，構(gòu)建逐級深化的思維方式，優(yōu)化建模路徑，能促使學(xué)生由淺入深、由表及里地從多維角度進(jìn)行探究，形成科學(xué)的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，最終完成概念的自主建構(gòu)。

關(guān)鍵詞 科學(xué)思維 思維進(jìn)階 生物建模

中圖分類號 G633.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

模型方法是以研究模型來揭示原型的形態(tài)、特征和本質(zhì)的方法，是邏輯方法的一種特有形式。建模是科學(xué)研究的核心實(shí)踐活動(dòng)之一，建模過程涉及模型的構(gòu)建、分析和應(yīng)用，可幫助學(xué)生深入理解知識形成的過程。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》將科學(xué)建模列為科學(xué)思維的關(guān)鍵要素，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)建模過程并實(shí)現(xiàn)模型進(jìn)階到思維發(fā)展的升華成為當(dāng)前課堂上促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，尤其是科學(xué)思維能力提升的重要教學(xué)策略之一。

1基于科學(xué)思維進(jìn)階的高中生物建模教學(xué)的流程

“興奮在神經(jīng)纖維上的傳導(dǎo)”是人教版《選擇性必修1·穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)》第二章第三節(jié)“神經(jīng)沖動(dòng)的產(chǎn)生和傳導(dǎo)”的教學(xué)難點(diǎn)之一，涉及靜息電位、動(dòng)作電位、電流表的偏轉(zhuǎn)方向等高中生較難理解的內(nèi)容，體現(xiàn)了物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)交叉融合的特點(diǎn)。建模教學(xué)策略鼓勵(lì)學(xué)生在尊重生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用科學(xué)思維方法，探討和闡釋有關(guān)生命現(xiàn)象及規(guī)律。建模教學(xué)要從建模的方法、能力的層級逐步轉(zhuǎn)移關(guān)注科學(xué)思維的層級。教師出示多種證據(jù)資料，逐步引導(dǎo)學(xué)生基于科學(xué)思維方法構(gòu)建分析相關(guān)的數(shù)學(xué)模型、物理模型，深入理解“神經(jīng)細(xì)胞膜內(nèi)外在靜息狀態(tài)具有電位差，受到外界刺激后形成動(dòng)作電位，并沿神經(jīng)纖維傳導(dǎo)”這一重要概念，關(guān)注生物電所蘊(yùn)含的生命活動(dòng)本質(zhì)，從而發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

科學(xué)思維是基于事實(shí)證據(jù)、運(yùn)用科學(xué)概念、通過科學(xué)推理和論證對客觀事物的本質(zhì)、規(guī)律及其相互關(guān)系作出判斷和解釋、對客觀事物的發(fā)展變化作出預(yù)測的認(rèn)識方式。生物建模是一個(gè)復(fù)雜的心理和思維過程，教師可以借助科學(xué)思維進(jìn)階理論的統(tǒng)整作用，將其各環(huán)節(jié)進(jìn)行整合，形成有效的教學(xué)序列和學(xué)習(xí)路徑。整合科學(xué)思維進(jìn)階理論、生物建模教學(xué)要素得到的科學(xué)思維進(jìn)階式高中生物建模流程如圖1所示。其中，歸納與概括屬于低階思維，演繹與推理、模型與建模屬于中階思維，批判性思維和創(chuàng)造性思維屬于高階思維。

2基于科學(xué)思維進(jìn)階的高中生物建模教學(xué)的實(shí)施

2.1設(shè)置問題，引發(fā)思考

教師展示蛙的坐骨神經(jīng)—腓腸肌興奮實(shí)驗(yàn)和蛙的坐骨神經(jīng)表面電位差兩個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)情境。學(xué)生聯(lián)系實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，回憶及科學(xué)表述初中生物學(xué)關(guān)于反射、反射弧和神經(jīng)元相關(guān)的知識，同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果形成推論：興奮在神經(jīng)纖維上以電信號的形式進(jìn)行傳導(dǎo)。教師引導(dǎo)學(xué)生從神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)這一微觀層面，提出關(guān)鍵問題：“反射發(fā)生的時(shí)候，神經(jīng)細(xì)胞發(fā)生了怎樣的變化導(dǎo)致感受器接受的刺激以電信號的形式進(jìn)行傳導(dǎo)？”

在這一階段，學(xué)生主要通過自我體驗(yàn)、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，聯(lián)想相關(guān)科學(xué)概念，以激活先驗(yàn)知識。同時(shí)，學(xué)生通過發(fā)散性思維從多個(gè)視角針對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提出不同的問題，比較和區(qū)分所提問題的可行性，進(jìn)一步明確自己的研究問題，明晰學(xué)習(xí)目標(biāo)。

2.2歸納概括，建構(gòu)模型

教師展示烏賊巨大神經(jīng)纖維的膜電位測定實(shí)驗(yàn)，學(xué)生建構(gòu)膜電位變化的數(shù)學(xué)模型。

膜電位測定實(shí)驗(yàn)：用微電極、靈敏電流計(jì)測量烏賊巨大神經(jīng)纖維靜息狀態(tài)下膜內(nèi)外電位，電表上顯示的數(shù)值為-60mV;緊接著給予神經(jīng)纖維某個(gè)點(diǎn)一定強(qiáng)度的刺激，電表上顯示的數(shù)值由-60mV變?yōu)?，并出現(xiàn)+40mV的峰值，隨后又逐漸下降至0，最后恢復(fù)為靜息時(shí)的-60mV。

學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)，用橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示膜電位，構(gòu)建膜電位變化的數(shù)學(xué)模型（圖2）。

數(shù)學(xué)模型能真實(shí)、系統(tǒng)、完整、形象地反映客觀事物本質(zhì)，使知識更具有外顯性。在該環(huán)節(jié)，教師結(jié)合基礎(chǔ)物理學(xué)的電學(xué)內(nèi)容，為學(xué)生膜電位變化的數(shù)學(xué)模型建構(gòu)提供了保障，并借鑒數(shù)學(xué)中的描點(diǎn)作圖，勾畫出電位差變化的大致趨勢，有效訓(xùn)練學(xué)生比較、分析、綜合、抽象與概括能力，增強(qiáng)學(xué)生對刺激會(huì)轉(zhuǎn)化為電流的認(rèn)同。

2.3演繹推理，分析模型

2.3.1提供事實(shí)，運(yùn)用歸納推理，解釋靜息電位產(chǎn)生的機(jī)制

教師提供2個(gè)事實(shí)：

1槍烏賊巨大神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液中主要離子的濃度表（表1）。

2細(xì)胞處于靜息狀態(tài)時(shí)，細(xì)胞膜對K+通透性較大，對Na+等其他離子的通透性很小，而對A-幾乎沒有通透性。

學(xué)生結(jié)合物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)姆绞?、?nèi)環(huán)境的化學(xué)組成及理化性質(zhì)等知識基礎(chǔ)，分析上述兩個(gè)事實(shí)，對靜息電位的產(chǎn)生作出合乎邏輯的解釋：靜息狀態(tài)時(shí)，膜內(nèi)、外離子分布靜息時(shí)，由于膜對K+通透性大而對有機(jī)負(fù)離子A-無通透性，因此，K+可以順著濃度梯度經(jīng)離子通道蛋白由膜內(nèi)擴(kuò)散至膜外，A-不能透過膜而滯留在膜內(nèi)，使得膜外具有較多的正電荷、膜內(nèi)具有較多的負(fù)電荷，而使膜電子分布呈現(xiàn)內(nèi)負(fù)外正。

2.3.2運(yùn)用類比推理，解釋動(dòng)作電位產(chǎn)生的機(jī)制

教師繼續(xù)提供事實(shí)：3神經(jīng)纖維受到刺激時(shí)，細(xì)胞膜上接受刺激的點(diǎn)的通透性發(fā)生變化，Na+通道打開。教師引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)運(yùn)用事實(shí)1、事實(shí)3及靜息電位產(chǎn)生機(jī)制，類比推理出動(dòng)作電位產(chǎn)生的機(jī)制：受到刺激時(shí)，由于膜上的Na+通道打開，使得大量的Na+內(nèi)流，K+通道關(guān)閉，使得K+不能外流，而使膜電子分布由內(nèi)負(fù)外正轉(zhuǎn)變成內(nèi)正外負(fù)。學(xué)生培養(yǎng)了邏輯推理能力，并促進(jìn)了概念的同化和順應(yīng)。

2.3.3運(yùn)用演繹推理，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明膜電位產(chǎn)生的機(jī)制

上述膜電位產(chǎn)生的機(jī)制是基于邏輯推理得到的，其正確與否需要實(shí)驗(yàn)證據(jù)的支持。教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行演繹推理：若上述機(jī)制是正確的，則細(xì)胞外液中K+濃度會(huì)影響神經(jīng)纖維靜息電位的大小，而細(xì)胞外液中Na+濃度幾乎不影響;但細(xì)胞外液中Na+濃度會(huì)影響受刺激神經(jīng)膜電位的變化幅度。接著，提供以下材料和用具，請學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明。

材料和用具：測量電位變化的測量儀器、刺激器、生理狀態(tài)一致的槍烏賊離體神經(jīng)纖維若干、正常海水、低K+海水、高K+海水、低Na+海水、高Na+海水等（注：不同海水的滲透壓相等但K+或Na+濃度不同）。

演繹推理對學(xué)生保持思維的嚴(yán)密性有重要的校正作用，可以幫助學(xué)生形成完整的知識體系。

2.4發(fā)展批判性思維，實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型到物理模型的轉(zhuǎn)變

學(xué)生將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟Ｐ停瑯?gòu)建“興奮在神經(jīng)纖維上傳導(dǎo)”的物理模型，并借助模型清晰描述膜內(nèi)外電位情況、電流方向;同時(shí)，討論“在體神經(jīng)纖維上興奮的傳導(dǎo)是雙向還是單向”。

學(xué)生實(shí)現(xiàn)從數(shù)學(xué)模型到物理模型的轉(zhuǎn)變，直觀呈現(xiàn)興奮在神經(jīng)纖維上的雙向傳導(dǎo)、興奮傳導(dǎo)方式與膜內(nèi)電流方向的關(guān)系，有助于真正地理解和運(yùn)用知識。學(xué)生的討論則側(cè)重發(fā)展學(xué)生的批判性思維，幫助學(xué)生跳出“興奮在離體神經(jīng)纖維上雙向傳導(dǎo)”的思維定勢。

3基于科學(xué)思維進(jìn)階的高中生物建模教學(xué)的思考

3.1利用SOLO

評價(jià)理念衡量學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展水平SOLO分類評價(jià)法可以用于形成性的學(xué)生學(xué)業(yè)評價(jià)。教學(xué)實(shí)施的“設(shè)置問題，引發(fā)思考”和“歸納概括，建構(gòu)模型”環(huán)節(jié)屬于單點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平，學(xué)生可直接根據(jù)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，確定對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。通過學(xué)生在這一環(huán)節(jié)的表現(xiàn)，可判斷其是否具備將信息歸納概括，簡單的模型與建模能力。教學(xué)實(shí)施的“提供事實(shí)，運(yùn)用歸納推理，解釋靜息電位產(chǎn)生的機(jī)制”和“運(yùn)用類比推理，解釋動(dòng)作電位產(chǎn)生的機(jī)制”環(huán)節(jié)屬于多點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平，側(cè)重學(xué)生儲(chǔ)備與“物質(zhì)跨膜運(yùn)輸”相關(guān)的知識及對多個(gè)生物事實(shí)的分析能力，但互不關(guān)聯(lián)。教師可通過考查學(xué)生能否正確分析膜電位變化的數(shù)學(xué)模型，科學(xué)解釋膜電位變化的機(jī)制，進(jìn)而評估學(xué)生是否具備一定的歸納與概括能力、類比推理能力。教學(xué)實(shí)施的“運(yùn)用演繹推理，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明膜電位產(chǎn)生的機(jī)制”環(huán)節(jié)屬于關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平，學(xué)生需要在掌握膜電位變化的機(jī)制的基礎(chǔ)上進(jìn)一步演繹推理其正確性。教師可觀察學(xué)生能否在新情境下明晰探究目的，合理確定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的自變量、因變量并通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，預(yù)測并論述實(shí)驗(yàn)結(jié)果等，考查學(xué)生在較復(fù)雜情境中是否具有更高科學(xué)思維水平。教學(xué)實(shí)施的“發(fā)展批判性思維，實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型到物理模型的轉(zhuǎn)變”環(huán)節(jié)屬于抽象拓展結(jié)構(gòu)水平，要求學(xué)生將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟Ｐ筒⒈嫖鲈隗w神經(jīng)纖維上興奮的傳導(dǎo)的方向。該環(huán)節(jié)主要涉及程序性知識和反省性知識，需要學(xué)生在高度歸納概括生物學(xué)規(guī)律與原理基礎(chǔ)上充分運(yùn)用高階思維解決未知情境中的問題，具備一定的開放性。

3.2通過科學(xué)建模實(shí)現(xiàn)模型進(jìn)階到思維發(fā)展的升華

建模的目的是為了實(shí)現(xiàn)思維的發(fā)展。教學(xué)中，教師首先基于生物學(xué)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，通過歸納概括建構(gòu)起某種生物模型;其次，通過分析綜合、演繹推理等科學(xué)思維方法，內(nèi)化概念的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系進(jìn)而分析模型;最后，還要鼓勵(lì)學(xué)生基于事實(shí)證據(jù)對不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判，進(jìn)而應(yīng)用模型。教學(xué)過程應(yīng)遵循“以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)、以思維為中心”，構(gòu)建逐級深化的思維方式，優(yōu)化建模路徑，促使學(xué)生由淺入深、由表及里地從多維角度進(jìn)行探究，形成科學(xué)的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，最終完成知識的自主建構(gòu)。

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