例談模型建構(gòu)法在初中生物復(fù)習(xí)課中的應(yīng)用
——以“植物的光合作用和呼吸作用”為例

張慧凱 吳佳林

（浙師大附屬蘆江書(shū)院 浙江寧波 315800）

2022年4月，《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《課程標(biāo)準(zhǔn)》）正式頒布，對(duì)當(dāng)前的生物學(xué)教學(xué)提出了新的要求。《課程標(biāo)準(zhǔn)》提出“教學(xué)過(guò)程重實(shí)踐”的課程理念，要求教師關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的實(shí)踐經(jīng)歷，通過(guò)實(shí)踐加深學(xué)生對(duì)生物學(xué)概念的理解，提升應(yīng)用知識(shí)的能力?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》在每部分課程內(nèi)容后配套了相應(yīng)的教學(xué)提示，強(qiáng)化了“怎么教”的具體指導(dǎo)，給教學(xué)帶來(lái)了便利。盡管新授課的指導(dǎo)更加清晰，但新形勢(shì)下如何更好地開(kāi)展生物學(xué)復(fù)習(xí)課教學(xué)，《課程標(biāo)準(zhǔn)》在教學(xué)指導(dǎo)中并未提及，很多教師也依然感到無(wú)從下手。

復(fù)習(xí)課是在學(xué)生學(xué)習(xí)到某一階段后進(jìn)行的，主要作用是加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和記憶，通過(guò)及時(shí)梳理來(lái)防止學(xué)生遺忘，其在教學(xué)中的地位不言而喻。但復(fù)習(xí)時(shí)，學(xué)生對(duì)概念已經(jīng)沒(méi)有新鮮感，課堂上很容易出現(xiàn)效率不高、思維含量不足、甚至大量堆砌習(xí)題等現(xiàn)象。為在復(fù)習(xí)課中落實(shí)教學(xué)實(shí)踐，響應(yīng)新課程理念，筆者提出了利用模型建構(gòu)的策略來(lái)助力生物學(xué)復(fù)習(xí)，旨在訓(xùn)練學(xué)生思維、滲透生物學(xué)學(xué)科思想，幫助學(xué)生建立學(xué)習(xí)方法，從而更高效地達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

1 模型建構(gòu)策略下的初中生物復(fù)習(xí)課路徑

《課程標(biāo)準(zhǔn)》明確將“建?！弊鳛榘l(fā)展科學(xué)思維的基本方法之一，在義務(wù)教育段生物教學(xué)中，一般將模型分為：物理模型、概念模型、數(shù)學(xué)模型3種。物理模型一般指能直觀地表達(dá)認(rèn)識(shí)對(duì)象的特征的實(shí)物或圖畫(huà)。概念模型指用文字或符號(hào)表達(dá)各類(lèi)對(duì)象的特征、關(guān)系的模型。數(shù)學(xué)模型指以數(shù)學(xué)形式描述一個(gè)系統(tǒng)或其性質(zhì)的模型。在復(fù)習(xí)課中，教師可巧妙利用這三種模型的特點(diǎn)，以學(xué)科知識(shí)內(nèi)在邏輯為主線(xiàn)，由現(xiàn)象到本質(zhì)，從定性到定量。筆者構(gòu)建了如圖1所示的復(fù)習(xí)課教學(xué)路徑。

圖1 模型建構(gòu)策略下的初中生物復(fù)習(xí)課路徑圖

植物的新陳代謝是初中生物的核心知識(shí)，主要包括光合作用、呼吸作用、蒸騰作用等內(nèi)容。下面以復(fù)習(xí)課“植物的光合作用和呼吸作用”為例。

2 基于模型建構(gòu)策略下的復(fù)習(xí)課教學(xué)案例

2.1 考情分析

光合作用和呼吸作用是初中生物學(xué)體系的核心內(nèi)容，也是中考命題的熱點(diǎn)。近年來(lái)，命題專(zhuān)家已不再僅僅滿(mǎn)足于考查兩大作用的場(chǎng)所、產(chǎn)物、單一影響因素等陳述性知識(shí)，更趨向于命制真實(shí)情境下涉及光合作用和呼吸作用的綜合性試題，旨在考查學(xué)生關(guān)鍵能力和生物學(xué)核心素養(yǎng)，常見(jiàn)題型有圖表題、說(shuō)理題等。因此，學(xué)生單靠淺層記憶很難在學(xué)業(yè)測(cè)評(píng)中取得優(yōu)勢(shì)，教師在平時(shí)需要培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析、建模、深度思考的能力。

2.2 學(xué)情分析

本節(jié)課的授課對(duì)象是中考二輪復(fù)習(xí)的初三學(xué)生，經(jīng)過(guò)前面的新課教學(xué)和一輪復(fù)習(xí)，已經(jīng)較好地掌握了光合作用和呼吸作用的基本知識(shí)。但是，大部分學(xué)生很難將所學(xué)知識(shí)與生產(chǎn)、生活實(shí)際聯(lián)系，面對(duì)復(fù)雜多變的坐標(biāo)曲線(xiàn)類(lèi)圖像題。更是無(wú)從下手。其原因是學(xué)生對(duì)光合作用和呼吸作用之間的內(nèi)在本質(zhì)關(guān)系理解不深，對(duì)真光合作用速率、凈光合作用速率和呼吸作用速率間的關(guān)系不能辨別。所以，在本節(jié)課上，教師采用逐步建模的方法，幫助學(xué)生深入理解光合作用和呼吸作用。

2.3 教學(xué)目標(biāo)

①理解并掌握光合作用和呼吸作用強(qiáng)度之間的關(guān)系，理解凈光合作用的含義，理解圖像中某些點(diǎn)、線(xiàn)段所表示的意義。

②能夠運(yùn)用呼吸作用和光合作用原理分析外界條件對(duì)植物生長(zhǎng)影響，培養(yǎng)分析問(wèn)題的能力。

③通過(guò)對(duì)光合作用和呼吸作用的理解，了解其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，體會(huì)科學(xué)來(lái)源于生活又服務(wù)于生活。

2.4 教學(xué)過(guò)程

2.4.1 創(chuàng)設(shè)情境，激活舊知

上課伊始，教師組織學(xué)生觀看夏天多地高溫紅色預(yù)警的視頻，從學(xué)生的親身體驗(yàn)出發(fā)，提出問(wèn)題：二氧化碳是一種最常見(jiàn)的溫室氣體。為應(yīng)對(duì)氣候變化，我國(guó)提出2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”，即通過(guò)一些措施使二氧化碳凈排放量降為零。請(qǐng)簡(jiǎn)述能改變大氣中二氧化碳含量的例子。對(duì)于上述問(wèn)題，學(xué)生很輕易就想到綠色植物的光合作用和呼吸作用。教師追問(wèn)：綠色植物的新陳代謝與大氣中的二氧化碳含量的變化息息相關(guān)，請(qǐng)回憶：①植物光合作用、呼吸作用的發(fā)生分別需要什么條件？②它們?cè)谠鯓拥膱?chǎng)所中進(jìn)行的？③它們對(duì)植物體的生長(zhǎng)發(fā)育有怎樣的意義？④它們對(duì)人類(lèi)的生產(chǎn)生活又會(huì)帶來(lái)怎樣的影響？在教師環(huán)環(huán)相扣的問(wèn)題串中，學(xué)生完成對(duì)舊知的梳理，喚醒大腦中沉睡的知識(shí)。

設(shè)計(jì)意圖：復(fù)習(xí)課不同于新授課，需要在原有的知識(shí)基礎(chǔ)上進(jìn)一步挖掘、拓展，以加深學(xué)生的理解。因此，教師首先要引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)知識(shí)規(guī)律，在具體問(wèn)題情境的刺激下激活學(xué)生頭腦中原有的知識(shí)。

2.4.2 漸構(gòu)模型，厘清概念

學(xué)生在梳理了光合作用和呼吸作用基本知識(shí)后，總結(jié)歸納光合作用、呼吸作用、蒸騰作用的關(guān)系，初步形成概念模型A（圖2）。

圖2 植物“三大作用”概念模型圖A

教師引導(dǎo)學(xué)生思考：概念模型A通過(guò)簡(jiǎn)單的連線(xiàn)將綠色植物的三大作用聯(lián)系起來(lái)。但是，該概念模型無(wú)法清晰表示出關(guān)鍵氣體的利用和流向。樟樹(shù)是寧波的市樹(shù)，被廣泛種植在寧波的道路兩旁。請(qǐng)將學(xué)案上“樟樹(shù)葉片”圖像補(bǔ)充完整，以“葉片”為載體進(jìn)行繪制，要能展示出氣孔的開(kāi)閉、CO2、O2氣體的吸收和排放等特點(diǎn)。學(xué)生小組討論，在學(xué)案中完成繪制，進(jìn)一步形成概念模型B（圖3），并展示、介紹。

圖3 植物“三大作用”概念模型圖B

教師總結(jié)：從上述模型可以看出，綠色植物的葉片既會(huì)吸收CO2，又會(huì)產(chǎn)生CO2，因此單純考慮光合作用或呼吸作用中的一種沒(méi)有意義，必須將兩種作用結(jié)合起來(lái)考慮。而兩種作用對(duì)CO2的吸放情況是相反的。因此，教師自然而然地提出問(wèn)題：概念模型B能否幫助搞清楚綠色植物對(duì)大氣中CO2含量的影響這一問(wèn)題？當(dāng)現(xiàn)有模型無(wú)法解決問(wèn)題時(shí)，學(xué)生自發(fā)地進(jìn)行思考并明確，模型必須能反映出光合作用和呼吸作用的強(qiáng)度。教師布置任務(wù)：請(qǐng)以CO2為中間橋梁，從“葉片”模型中抽離出單個(gè)葉肉細(xì)胞模型，以線(xiàn)粒體作為呼吸作用主場(chǎng)所，以葉綠體作為光合作用主場(chǎng)所，繪制CO2、O2的氣體流動(dòng)方向，從而羅列出CO2的吸放情況。學(xué)生比較呼吸作用和光合作用的強(qiáng)度，分類(lèi)討論后完成葉肉細(xì)胞CO2流動(dòng)模型圖的繪制，形成概念模型圖C（圖4）。

圖4 葉肉細(xì)胞CO2流動(dòng)概念模型圖C

設(shè)計(jì)意圖：CO2的含量變化涉及到植物的兩種生理作用，對(duì)絕大多數(shù)學(xué)生而言較抽象。因此，教師基于最近發(fā)展區(qū)理論，在學(xué)生的原有的認(rèn)知水平上，引導(dǎo)學(xué)生逐步建構(gòu)概念模型，循序漸進(jìn)，由表及里，根據(jù)生物學(xué)模型的科學(xué)性和簡(jiǎn)明性，去粗取精，較好地反映出植物生理作用的本質(zhì)特征和內(nèi)部規(guī)律，有效解決問(wèn)題，達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

2.4.3 深化模型，提升思維

在學(xué)生展示概念模型C后，教師進(jìn)一步提問(wèn)：在生物學(xué)研究中，除了用圖像之外，還可用數(shù)學(xué)關(guān)系表示作用關(guān)系的強(qiáng)弱。基于上述四幅圖，請(qǐng)用公式表示光合作用與呼吸作用中所對(duì)應(yīng)CO2的關(guān)系。學(xué)生思考后，利用公式對(duì)單個(gè)葉肉細(xì)胞建構(gòu)數(shù)學(xué)模型：

①葉綠體固定的CO2量=從外界吸收的CO2量+線(xiàn)粒體釋放的CO2量。

③釋放至外界的CO2量=線(xiàn)粒體釋放的CO2量-葉綠體固定的CO2量。

根據(jù)學(xué)生的模型，教師聯(lián)系農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，進(jìn)行解釋?zhuān)喝粘Ｋ鶞y(cè)定的光合作用速率是根據(jù)釋放到外界的CO2量測(cè)定的，其已經(jīng)受到了呼吸作用的影響，并非植物真正進(jìn)行光合作用的速率，被稱(chēng)為凈光合速率。至此，學(xué)生對(duì)課堂之初“碳中和”中的解釋——“CO2的凈排放量”中的“凈”字有了更深層次的體會(huì)。隨后，教師進(jìn)一步深化數(shù)學(xué)模型，以整株植物體為研究對(duì)象，要求學(xué)生繪制出夏季晴朗的一天中，樟樹(shù)的CO2吸收量的變化示意圖，并對(duì)圖中曲線(xiàn)的各段變化情況進(jìn)行解釋?zhuān)▓D5）。

圖5 樟樹(shù)CO2吸收量變化示意圖

設(shè)計(jì)意圖：數(shù)學(xué)模型可表達(dá)的內(nèi)容可以是定量的，如公式中的等量關(guān)系，也可以是定性的，如折線(xiàn)圖中的升降變化情況。在經(jīng)歷建構(gòu)概念模型、繪制物理模型后，教師抽離出數(shù)學(xué)模型，引導(dǎo)學(xué)生解釋曲線(xiàn)的起點(diǎn)、折點(diǎn)、交點(diǎn)等特殊點(diǎn)的生物學(xué)含義，理解整個(gè)曲線(xiàn)變化趨勢(shì)的內(nèi)在原因。這時(shí)，學(xué)生對(duì)植物體生命活動(dòng)三大作用的理解已經(jīng)有了質(zhì)的提升，也為后面的解決問(wèn)題打下了良好的鋪墊。

2.4.4 運(yùn)用模型，解決問(wèn)題

通過(guò)模型的建構(gòu)，學(xué)生根據(jù)植物一天中CO2吸收量變化示意圖，提出增加綠色植物進(jìn)行“碳中和”能力的措施。在學(xué)生提出單個(gè)因素后，教師再度追問(wèn)：溫度會(huì)同時(shí)影響植物的光合作用、呼吸作用和蒸騰作用，請(qǐng)觀察三種生理作用與溫度的關(guān)系圖，選出植物“碳中和”的最適宜的溫度。教師利用復(fù)雜的影響情況圖，培養(yǎng)學(xué)生多角度、多方面考慮問(wèn)題的能力，提升學(xué)生的高階思維。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)數(shù)學(xué)模型中折線(xiàn)圖的分析，學(xué)生很輕易就能講出增加光照時(shí)間、適當(dāng)增強(qiáng)光照強(qiáng)度（利用清潔能源中所含能量轉(zhuǎn)化成光能）、找到光合作用和呼吸作用的最適溫度等手段。教師創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，引導(dǎo)學(xué)生利用所建構(gòu)的模型去解釋、解決實(shí)際問(wèn)題，達(dá)到知識(shí)的遷移與應(yīng)用。另外，教師還可以和學(xué)生分享前沿科技知識(shí)，講述中國(guó)科學(xué)家通過(guò)基因工程從而控制植物午間氣孔的開(kāi)閉情況增強(qiáng)光合作用的事例，激發(fā)學(xué)生的愛(ài)國(guó)熱情和學(xué)習(xí)生物的積極性。

2.5 教學(xué)反思

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，真正的學(xué)習(xí)應(yīng)是主動(dòng)建構(gòu)的，而采用模型建構(gòu)的復(fù)習(xí)方法能較好地實(shí)現(xiàn)這種教學(xué)主張。在課堂中，學(xué)生對(duì)原有的知識(shí)信息進(jìn)行再加工、處理，建構(gòu)出能解決問(wèn)題的模型，并借助模型，使得頭腦中的生物學(xué)概念更形象化、簡(jiǎn)約化和直觀化。本節(jié)課上，教師基于學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，設(shè)計(jì)了真實(shí)情境下的探究問(wèn)題，使學(xué)生體驗(yàn)到了模型建立對(duì)解決問(wèn)題帶來(lái)的幫助，并經(jīng)歷了從粗糙到精細(xì)、從形象到抽象、從定性到定量的建模過(guò)程，從而深層理解知識(shí)。由于學(xué)生建模時(shí)，筆者多采用啟發(fā)式教學(xué)來(lái)鼓勵(lì)繪制，留給學(xué)生自發(fā)交流、討論、展示的時(shí)間較長(zhǎng)，因此課堂最后留給問(wèn)題解決的時(shí)間不是很多，對(duì)于基礎(chǔ)較差的學(xué)生可能訓(xùn)練不夠充分。另外，由于時(shí)間有限，最后筆者沒(méi)有引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)、強(qiáng)化模型和建模的重要性，即“是獲得知識(shí)的重要途徑和方法”。本節(jié)課主要采用了概念模型和數(shù)學(xué)模型，教師若有時(shí)間，可在結(jié)課時(shí)補(bǔ)充物理模型的介紹，以此讓學(xué)生對(duì)模型形成完整的認(rèn)識(shí)。