模型建構在高中生物學教學中的應用

梁婧　趙洪杰　徐振軍　梁小航　張佳音　張華禎　張念楠　楊曉坡　莫顯紅

摘 要：生物學模型建構教學對培養(yǎng)學生的科學思維、創(chuàng)新實踐能力、探究能力以及推動學生深度學習具有重要意義。模型建構有利于學生進行空間認知、類比推理和歸納概括，本文分別以物理模型、概念模型和數學模型為例，對比梳理模型的特點和建模過程，并選取相關教學內容進行模型建構教學案例的設計與分析，對模型建構教學實施過程中存在的誤區(qū)提出建議，以期通過模型建構教學激發(fā)學生的學習興趣、引導學生學習生物學概念并培養(yǎng)學a生逐步形成學科核心素養(yǎng)。

關鍵詞：模型；模型建構；高中生物學；數學模型；物理模型；概念模型

中圖分類號：G633.91? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2023）08-0111-04

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》中要求學生能夠基于模型與建模等方法探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，在學習過程中逐步發(fā)展科學思維[1]。模型建構教學可引導學生在建模任務和真實問題的驅動下自主建構生物學模型[2]，使學生掌握建模方法和形成系統(tǒng)規(guī)范化的建模思維；有助于學生梳理學科內容、主動建構生物學知識體系；不斷提高學生的探究能力、創(chuàng)新實踐能力和培養(yǎng)學生的科學思維；促使學生解決實際問題并增強學生的社會責任意識。

1 模型與模型建構

人教版高中生物學教材中將“模型”定義為：“模型是人們?yōu)檫_成某特定目的而對認識對象所做的一種簡化的概括性描述；這種描述可以是定性的，也可以是定量的；有的借助于具體的實物或其他形象化的手段，有的則通過抽象的形式來表達”[3]。因此，模型是將研究對象的本質特征或核心要素進行抽象概括后，以不同描述形式的原型類似物來表示對事物的認識并再現(xiàn)思維過程的載體。如物理模型有助于提高學生在空間上對整體與部分聯(lián)系的認知，并培養(yǎng)學生的動手實踐和創(chuàng)新實踐能力；概念模型則關注學生邏輯思維、整合思維、發(fā)散思維能力的培養(yǎng)；數學模型對鍛煉學生的分析歸納、類比推理和利用數學方法進行推演驗證的能力有重要作用[4]。

模型建構是自然科學研究中運用模型表達對事物的認識、幫助解釋生命現(xiàn)象、預測發(fā)展結果、分析和解決問題的認識手段和思維方法，能夠獲取、拓展和深化對客體的認識[5]，它包括具體模型的創(chuàng)建、模型的檢驗和模型優(yōu)化，是學生快速獲取知識的一種有效途徑[6]。模型建構有利于學生在合作學習中主動建構生物學重要概念、形成學科知識體系；發(fā)展科學思維并掌握建模學習方法；符合學生的認知發(fā)展規(guī)律，對促進學生的深度學習有重要作用[7]。綜上，模型建構教學符合“教師為主導，學生為主體”的教學理念[8]，并能有效貫徹深度學習理念，對促進學生生物學模型建構能力的提升具有重要意義[9]。

2 高中生物學模型分類

人教版高中生物學教材中涵括了豐富的模型建構內容，對學生科學思維的養(yǎng)成有重要作用。由于不同類型的生物學模型培養(yǎng)學生能力的側重點不同，現(xiàn)將各類模型進行對比梳理以供教學參考，如表1所示。

3 模型建構教學案例及分析

通過對比梳理高中生物學各類模型的特點、建模過程，選取相關教學內容，設計模型建構教學案例，分析和探討模型與建模在教學中的應用，并對模型建構教學實施過程中存在的誤區(qū)提出相應的建議。

3.1 物理模型在高中生物學教學中的應用案例

案例：減數分裂過程染色體變化的物理模型建構。

教學目標：通過物理模型建構能幫助學生將抽象過程具象化，直觀深入地理解減數分裂中染色體數目和主要行為的變化，明確減數分裂產生多樣性配子的原因。

教學過程：（1）明確建構對象。通過減數分裂第一課時的學習，學生已知減數分裂過程能產生配子。結合“一母生九子，九子各不同，連母十個樣”的問題情境，讓學生思考“減數分裂是否會產生多樣性配子？”因而確定模型建構的對象為“減數分裂產生多樣性配子的過程”。（2）梳理基本要素的關系或確定位置分布，在模型建構前教師要向大家說明物理模型建構的方法和原則，提出需要重點關注的內容，包括模型建構的類型，所用材料工具，物理模型的規(guī)格參數，如每對同源染色體的大小形態(tài)和顏色、著絲粒的位置和表示方法等，為學生參與模擬減數分裂中染色體變化過程奠定基礎。（3）確定建構材料或工具，挖掘學生身邊的資源，讓學生利用現(xiàn)有的彩色卡紙和圓形磁鐵等材料工具思考和建構染色體模型。需要重點關注制作染色體的數量及原因，同源染色體和著絲粒的表示方式。（4）制作模型，學生以小組為單位展現(xiàn)減數分裂過程中染色體變化的物理模型并輔以詳細的描述，每組制作出兩對同源染色體，模擬減數分裂過程中各時期染色體的變化。在模型建構過程中，學生主要存在兩處建模難點，一是減數第一次分裂后期發(fā)生同源染色體分離和非同源染色體自由組合，二是四分體時期非姐妹染色單體間發(fā)生交叉互換，如圖1所示。（5）修正完善模型，由學生和教師共同對每組同學呈現(xiàn)的物理模型和模型闡述做出評價和反饋，有助于學生完善物理模型。

綜合分析：教學過程關注學生建模學習的主體性，鼓勵學生積極參與思考探討問題、動手動腦建構模型、闡釋應用模型活動。在學生建構模型的過程中，以問題驅動學生完成模型準備活動和模擬過程，能夠達成知識的完整建構；學生在合作討論、自主建構模型的過程中，通過自評和互評加深對減數分裂過程核心概念和染色體行為變化的理解并完善物理模型；在此基礎上進一步引導學生模擬交叉互換和非同源染色體自由組合的過程，從而明確多樣性配子產生的原因。因此，學生在學習中主動解決問題、概念轉變、理解和遷移，達成了對減數分裂過程的深度學習[10]。通過模型建構教學化抽象為具體，發(fā)揮學生的認知內驅力，讓學生主動融入課堂教學，提高課堂教學質量，培養(yǎng)學生的批判性思維、合作學習和科學探究能力。

3.2 概念模型在高中生物學教學中的應用案例

案例：可遺傳變異的概念模型建構。

教學目標：通過建構以“可遺傳變異”為核心的概念模型，學生能梳理清“可遺傳變異”的類型及其具體特點，便于辨析可遺傳變異的幾種類型。

教學過程：（1）確定核心內容。“可遺傳變異的概念模型建構”是基于基因突變及其他變異一章內容學習后的整體梳理，要達成模型的建構，應該在學習基因突變、基因重組、染色體變異時分別建構出各自的概念體系。（2）分析核心內容特點，梳理主要概念。依據每個中心內容的知識體系，確定各自相應的重要概念或要素，以此為中心梳理出其下重要生物學概念、生物學現(xiàn)象及要素間的聯(lián)系，如染色體變異分為“染色體數目變異”和“染色體結構變異”，“染色體變異”和“基因重組”以“基因突變”為基礎。（3）梳理和建立概念間的聯(lián)系，嘗試建構概念模型。教師引導學生將重要概念進行梳理，尋找概念間的聯(lián)系，并用符號和文字等形式建構概念模型。注意在建構“可遺傳變異的概念模型”時，將中心內容的關鍵要素進行類比分析和記憶，為便于理解每個重要概念，還應拓展補充典型生物學實例輔助理解，如圖2所示。（4）修正完善模型。學生在教師引導下自主完成概念模型的建構，通過討論交流不斷完善概念模型，進而便于后續(xù)的復習回顧。

綜合分析：在建構概念模型時，學生通過梳理核心內容及關鍵要素之間的聯(lián)系，實現(xiàn)對重要概念的掌握及科學思維的發(fā)展。因此概念模型的建構過程綜合了多種思維和能力，促使學生實現(xiàn)有意義學習[11]。

3.3 數學模型在高中生物學教學中的應用案例

案例：蛋白質中氨基酸間脫水縮合的數學模型建構。

教學目標：明確蛋白質中氨基酸間脫水縮合形成肽鏈后，肽鍵數、氨基酸數、脫去水分子數和肽鏈數的關系，進一步加深對氨基酸結構式特點和脫水縮合方式的理解。

教學過程：（1）基于生物學知識和資料，明確研究對象。學生已知蛋白質的重要功能及氨基酸的基本結構特點后，學生利用卡片表示氨基酸分子的構成，并演示兩個甚至多個氨基酸間脫水縮合的過程，在演示推理過程中思考“氨基酸脫水縮合形成肽鏈的過程，氨基酸數與肽鍵數、脫去水分子數、肽鏈條數之間的關系”等問題，并用數學表達式表示其規(guī)律，學生即可明確數學模型建構的研究對象為“蛋白質中氨基酸間脫水縮合的規(guī)律”。（2）厘清本質規(guī)律，做出模型假設。學生明確研究對象后，根據1條肽鏈中2個、3個、4個……n個氨基酸間脫水縮合的過程，推寫出氨基酸脫水縮合過程中肽鏈條數、氨基酸數、肽鍵數、脫去水分子數。教師引導學生進一步探尋形成2條、3條……m條肽鏈或環(huán)肽時，氨基酸數與肽鍵數、脫去水分子數、肽鏈條數之間的關系。（3）嘗試初步建構數學模型。學生厘清本質規(guī)律后，以數學表達式的形式概括出“蛋白質中氨基酸間脫水縮合”的一般性規(guī)律。（4）模型檢驗與完善。用數據驗證并進一步修正數學模型，需要根據不同的事實情況輔以檢驗，并進行參數修正，最終得到正確的數學模型，如表2所示。（5）模型應用。學生在理解生物學規(guī)律的基礎上，將數學模型應用于實際生物學問題，在新情境中遷移和應用，實現(xiàn)深度學習[12]，如人的血紅蛋白由四條（α、α、β、β）多肽鏈構成的，分別含有141、141、146、146個氨基酸，要求得血紅蛋白所含的肽鍵數。

綜合分析：數學模型是解決生物學實際問題與數學理論的媒介[13]，其關鍵在于歸納概括認識對象的本質或規(guī)律，運用數學邏輯思維進行推演，最終將規(guī)律轉化為數學表達式和圖表等形式，描述生物學現(xiàn)象和規(guī)律。此外，“種群數量變化曲線”能體現(xiàn)在生產中應用數學模型推算概率從而預測發(fā)展趨勢的價值[14]，“植物光合作用的曲線圖”體現(xiàn)了用數學模型對生物學現(xiàn)象進行解釋的重要功能。因此，在數學模型建構過程中，學生通過類比推理，歸納概括出生物學規(guī)律并解決問題，逐步形成嚴密的數學邏輯思維，深入理解生物學規(guī)律并獲得解決問題的能力，體現(xiàn)了“建模-析模-用?！睌祵W模型建構教學的重要意義[15]。

4 模型建構教學的實施建議

4.1 注重培養(yǎng)學生的建模意識

教師要充分挖掘教材中蘊含模型與建模方法的教學內容，遵循以學生為中心的原則設計模型建構教學活動。學生應用生物學知識進行合作探究、主動參與建模過程，并運用模型闡釋生物學問題和深度理解生物學現(xiàn)象和規(guī)律，逐步養(yǎng)成建模意識。在教師的引導下學生積極思考并主動參與模型建構，體會建模學習下知識的生成過程，令其探究實踐、科學思維等能力得到提升。

4.2 及時開展豐富的模型建構活動

教學中應落實一定數量的模型建構活動，引導學生嘗試建構不同類型的模型，體會數學模型抽象化、物理模型具象化等多種思維方式。培養(yǎng)學生模型建構的科學思維并讓學生熟練掌握建模方法，需要教師在教學過程中潛移默化地多次引導，即量變引起質變。多次進行模型建構才能將模型建構的方法內化成為學生認識事物、培養(yǎng)思維的手段，從而提高認知水平和發(fā)展科學思維。

4.3 規(guī)劃模型建構教學的時間安排

合理規(guī)劃模型建構教學在生物學教學過程中的時間分配，尤其是教師引導學生初次參與模型建構活動時，應規(guī)劃好相應課時教學內容的安排，結合實際學情布置合理的預習或復習任務，以便于模型建構教學的順利開展。在學生積極主動建構模型的過程中，應適時給予學生針對性的引導和幫助，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析與解決問題的能力。

4.4 重視在模型建構中培養(yǎng)批判性思維

評價模型建構和檢驗模型的過程中，教師應引導學生認真傾聽、發(fā)現(xiàn)問題并主動查漏補缺，通過啟發(fā)學生的思維推動教學過程順利開展。在自主探究和模型建構過程中，重視培養(yǎng)學生的批判性思維，引導學生應用生物學知識檢驗和完善模型，并在建模完成后及時開展評價反饋、反思總結和實際應用。

4.5 實現(xiàn)模型建構中行為與思維的統(tǒng)一

在模型建構過程中既不能忽視模型細節(jié)性問題的處理，也不能為尋求具象化的結果而弱化必要的思維過程。因此，要基于對研究對象本質的理解，進行創(chuàng)造性的模型建構，科學合理地表達對對象的認識，體現(xiàn)事物的本質或內在聯(lián)系。總之，模型建構的過程是學生在主動體驗、思考和創(chuàng)造實踐中深度認識事物的過程。

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