基于心智模型進階的高中生物學建模教學實踐

黃小斌

［摘 要］學生解答高考生物學試題時，會因畫不對能量流動示意圖而不得分，這一情況暴露出以下問題：教師教學設計的目標性弱，教學重點偏離教材的焦點內(nèi)容；缺乏真實情境的承載，學生難以吸納自身已有的經(jīng)驗，無法有效建構模型；學生死記硬背靜態(tài)模型，學習思維層次低。在進行建模教學時，教師可通過引發(fā)情感共鳴、搭建分析支架、提供循證機會、設計拓展活動，突破樸素模型的隱蔽性、實現(xiàn)建模教學的生成性、關注混合模型的變化性、凸顯科學模型的實用性，讓學生獲得“真素養(yǎng)”。

［關鍵詞］心智模型；建模教學；生態(tài)系統(tǒng)；能量流動

［中圖分類號］? ? G633.91? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）17-0077-04

一、問題提出

2020年高考全國Ⅲ卷生物學試題第31題第（2）問要求學生畫出湖泊生態(tài)系統(tǒng)能量流動的示意圖?？己蠊俜劫|(zhì)量分析數(shù)據(jù)顯示，全廣西考生該題的平均分為4.67分，得分率僅為52%。生態(tài)系統(tǒng)能量流動示意圖在高中生物學教材中就有，教師在課堂上也花了大量的時間進行講解，但學生還是畫不對、不得分。高考評價理念已由“知識立意”“能力立意”評價向“價值引領、素養(yǎng)導向、能力為重、知識為基”綜合評價轉(zhuǎn)變。這不得不引起反思：課堂上教師怎樣教、怎樣引導學生學才能讓學生在學習的過程中獲得“真素養(yǎng)”？

二、原因剖析

高考生物學試題要求學生畫出生態(tài)系統(tǒng)能量流動示意圖就是在考查學生在學習生態(tài)系統(tǒng)能量流動的相關知識時，是否習得建模技能，形成科學思維素養(yǎng)。學生畫不對能量流動示意圖而不得分，暴露出以下問題。

其一，教師教學設計的目標性弱，教學重點偏離教材的焦點內(nèi)容。教師沒有深入分析和領會教材的編寫意圖，被輔導書“牽著鼻子走”，輔導書中的習題考什么上課就講什么?！吧鷳B(tài)系統(tǒng)的能量流動”一節(jié)的練習中出現(xiàn)大量的能量計算題，因此部分教師在課堂上選用了很多繁雜的計算題，并花費了大量的時間對計算過程進行講解，弱化了對能量流動過程的梳理和歸納。殊不知，這些計算題本質(zhì)上還是在訓練和檢測學生對能量流動過程的理解。

其二，能量流動知識過于抽象，沒有真實情境的承載，學生難以吸納自身已有的經(jīng)驗，無法有效建構模型。能量是一種無形的存在，看不見也摸不著。人教版教材在敘述能量流動的過程時，并不是以學生熟知的生態(tài)系統(tǒng)或一條具體的食物鏈為例，而是以生產(chǎn)者、消費者和分解者等籠統(tǒng)地加以說明。這樣的能量流動知識對學生而言過于抽象，沒有真實情境的承載，學生難以吸納自身的已有經(jīng)驗，無法有效建構模型。

其三，學生死記硬背靜態(tài)模型，學習思維層次低。教師在教學中往往把教學重心放在能量流動示意圖中能量的來源、去路等原始模型內(nèi)容的分析上，把模型當作靜態(tài)科學事實直接傳授給學生。學生死記硬背靜態(tài)模型，缺少自主構建模型、應用模型、修正模型等的嘗試，而這恰恰是學生思維發(fā)生碰撞而提升的機會?？梢姡處煂＝虒W的了解僅限于理論層面，運用建模方法實施教學的實踐性差。

三、解決方案——以“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動第一學時”為例

（一）教材和課標分析

“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”是人教版高中生物學教材選擇性必修2第3章第2節(jié)的內(nèi)容?！镀胀ǜ咧猩飳W課程標準（2017年版2020年修訂）》的內(nèi)容要求為：分析生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)在生物群落與無機環(huán)境之間不斷循環(huán)、能量在生物群落中單向流動并逐級遞減的規(guī)律；舉例說明利用物質(zhì)循環(huán)和能量流動規(guī)律，人們能夠更加科學有效地利用生態(tài)系統(tǒng)中的資源；解釋生態(tài)金字塔表征了食物網(wǎng)各營養(yǎng)級之間在個體數(shù)量、生物量和能量方面的關系。《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》的學業(yè)要求為：能夠使用圖示等方式表征和說明生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)、能量流動和信息傳遞的過程和特征，并對相關的生態(tài)學實踐應用作出合理的分析和判斷。

（二）學情分析

學生在本節(jié)課之前就對生態(tài)系統(tǒng)的組成成分、食物鏈和食物網(wǎng)有了一定的認識，這為本節(jié)課生命觀念的形成奠定了基礎。同時，學生通過“血糖調(diào)節(jié)”“種群數(shù)量變化”等內(nèi)容的學習，初步掌握了建立概念模型和數(shù)學模型的步驟和方法，為本節(jié)課的探究活動打下良好的基礎。

（三）教學目標

（1）結(jié)合南湖生態(tài)系統(tǒng)的案例，探究并說出生態(tài)系統(tǒng)能量的輸出、傳遞、轉(zhuǎn)化和散失的途徑，形成結(jié)構與功能觀。

（2）通過繪制南湖生態(tài)系統(tǒng)能量流經(jīng)單一營養(yǎng)級的示意圖、繪制生態(tài)系統(tǒng)能量流動示意圖等探究活動，說出能量流動的特點及其原因，發(fā)展科學思維。

（3）根據(jù)能量流動的現(xiàn)象和特點，為保護南湖的生態(tài)系統(tǒng)提出可行性建議，形成社會責任意識。

（四）基于心智模型進階的建模教學

本節(jié)課以家鄉(xiāng)的南湖生態(tài)系統(tǒng)為載體“一境到底”，圍繞課程標準中的內(nèi)容要求和學業(yè)要求展開教學。在學生已有的建模水平的基礎上，引導學生依次進行動態(tài)的建?；顒樱M而實現(xiàn)心智模型的進階（見圖1）。

心智模型是長時記憶中的元素與外界環(huán)境或刺激物交互作用所產(chǎn)生的內(nèi)在表征，因此它會隨外在人、事、物等的變化而變化，具有動態(tài)變化特質(zhì)。根據(jù)該模型理論，教師在課堂上可以按照如圖1所示的步驟，讓學生先表征樸素模型，再構建混合模型，然后逐步完善修正混合模型，最終形成科學模型并應用科學模型，進而實現(xiàn)心智模型的進階。

1.調(diào)動生活經(jīng)驗，表征樸素模型

【多媒體展示】廣西南寧市南湖公園的宣傳視頻。

【教師講述】南湖公園綠樹成蔭，鳥語花香，是廣大市民休閑散步的好去處。公園里一切生命的活動都伴隨著能量的變化。南湖生態(tài)系統(tǒng)要保持相對穩(wěn)定，就必須實現(xiàn)能量收支平衡。

【教師提問】南湖生態(tài)系統(tǒng)的能量來源和去路有哪些？請用文字和箭頭表示出來。

【學生回答】能量的來源有光能，能量的去路有以熱能的形式散失和用于日常生命活動（見圖2）。

設計意圖：運用多媒體展示學生熟悉的南湖公園的景觀，給學生帶來視覺的沖擊，引起情感共鳴；引導學生說出自己對生態(tài)系統(tǒng)能量輸入和散失的看法，暴露學生關于能量流動的前概念，表征樸素模型。

2.分析生命現(xiàn)象，構建混合模型

【教師講述】南湖生態(tài)系統(tǒng)中存在著不同的食物鏈，能量流動就是沿著這些路徑進行的。請寫出其中的一條食物鏈。

【學生活動】書寫食物鏈。

【實物投影】展示學生書寫的食物鏈：草→蟲→鳥→蛇→老鷹；草→蟲→青蛙→蛇→老鷹，等等。

【教師提問】以食物鏈“草→蟲→鳥→蛇→老鷹”為例，該食物鏈所需能量來自哪里？

【學生回答】來自草光合作用吸收的光能。

【教師追問】草吸收的光能通過光合作用發(fā)生了什么變化？

【學生回答】光能→ATP中的化學能→有機物中的化學能。

【教師追問】草的有機物中的化學能又會發(fā)生什么變化？

【學生回答】草的有機物中的化學能經(jīng)過細胞呼吸，一部分以熱能的形式散失，另一部分儲存在積累的有機物中。

【教師追問】儲存在積累的有機物中的能量用于草的生長、發(fā)育和繁殖。若干年后，草的命運可能是什么？能量又流向哪里？

【學生回答】草可能被蟲吃掉，能量流向蟲；草也可能自然死亡變成遺體殘骸，能量流向分解者。

【教師講述】通過上述途徑，草獲得的能量就可能傳遞到下一營養(yǎng)級。請同學們將上述過程用文字和箭頭表示出來（見圖3）。

設計意圖：從一條具體的食物鏈入手，以具有邏輯關聯(lián)的問題串為支架，引導學生分析能量輸入生態(tài)系統(tǒng)、經(jīng)由第一營養(yǎng)級的傳遞和散失過程。學生根據(jù)教師的提示初步構建出能量流經(jīng)第一營養(yǎng)級的模型。該模型是學生的“樸素模型”和新習得的知識混合形成的，故稱為“混合模型”。“混合模型”與實際情況并不完全相吻合，還需要修正才能稱為“科學模型”。

3.演繹推理驗證，修正混合模型

【教師提問】蟲獲得能量的方式與草相同嗎，為什么？鳥、蛇和老鷹等其他消費者呢？

【學生回答】不同。草通過光合作用把光能轉(zhuǎn)化為有機物中的化學能而獲得能量。蟲不能光合作用，只能通過捕食草攝取現(xiàn)成的有機物。其他消費者獲得能量的方式與蟲相同。

【教師追問】蟲捕食的草會被完全消化吸收嗎？還有什么去向？

【學生回答】不會。有部分未被吸收則形成糞便，最終被分解者分解。

【教師提問】蟲獲得的能量的去向與草相同嗎？

【學生回答】相同。都有呼吸散失熱能、被下一級捕食和自然死亡形成遺體殘骸流向分解者等三個去向。

【教師講述】消費者捕食的能量可以用“攝入量”表示，攝入量=同化量+未同化量（糞便）。以蟲為例，請同學們將消費者獲得能量的方式以及獲得的能量的去向用文字和箭頭表示出來（見圖4）。

設計意圖：教師引導學生運用混合模型1，演繹推理蟲等消費者獲取能量的方式和能量的去向，以驗證混合模型1的正確性。學生發(fā)現(xiàn)消費者獲取能量的方式和獲得的能量的去向與生產(chǎn)者并不完全相同，混合模型1不能直接套用到消費者身上。進而對混合模型1進行修正，形成了與消費者相符的混合模型2。

【教師提問】鳥、蛇和老鷹等營養(yǎng)級的能量去向都完全相同嗎？

【學生回答】老鷹是最高營養(yǎng)級，沒有流向下一級的去向。

【教師講述】除了最高營養(yǎng)級，其他消費者獲取能量的來源和獲得能量的去路與初級消費者完全相同，都可以套用上述的模型。

【教師提問】請將第一次建立的能量流動模型（見圖2）中的“南湖生態(tài)系統(tǒng)”拆分為五個營養(yǎng)級，每個營養(yǎng)級用一個矩形表示，并將每個營養(yǎng)級的能量來源和去路用文字和箭頭表示出來。

【學生活動】畫出南湖生態(tài)系統(tǒng)的能量流動示意圖（見圖5）。

設計意圖：經(jīng)過對草、蟲等消費者獲取能量的方式和獲得能量的去向進行逐一分析和比較，學生對生態(tài)系統(tǒng)的每一個營養(yǎng)級的能量的輸入、傳遞、轉(zhuǎn)化和散失有了清晰的認識。教師順勢回扣課堂之初學生建立的樸素模型，使學生由單一營養(yǎng)級轉(zhuǎn)向整個生態(tài)系統(tǒng)能量流動的分析。由部分到整體，對生態(tài)系統(tǒng)能量流動的過程有了宏觀的認識，建立了能量流動的科學模型。

4.綜合活動延伸，應用科學模型

【教師提問】

（1）指向每個營養(yǎng)級的箭頭表示的是該營養(yǎng)級的“攝入量”還是“同化量”？

（2）每個營養(yǎng)級指向分解者的箭頭有什么含義？

（3）一個營養(yǎng)級獲得的能量能否百分之百地流向下一營養(yǎng)級，為什么？

（4）能量能沿著與圖中箭頭相反的方向流動嗎？為什么？

【課件展示】能量流動的特點：逐級遞減、單向流動。

【布置作業(yè)】根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)能量流動的過程和特點，請對南湖公園的園林植物種植、南湖中魚類投放等方面提出建議，并說明其中蘊含的生物學原理。

設計意圖：引導學生應用所建立的科學模型解釋生態(tài)系統(tǒng)能量的輸入和散失過程，并歸納能量流動的特點，逐步發(fā)展科學思維。通過課后作業(yè)，讓學生運用所學知識解決生產(chǎn)實踐中的問題，為家鄉(xiāng)的湖泊生態(tài)系統(tǒng)提出可行性建議，形成社會責任意識。

四、教學反思

前面所述的種種問題在建模教學中屢見不鮮，為了解決這些問題，提高建模教學的效率，使學生獲得“真素養(yǎng)”，教師可通過模型建構的“調(diào)·析·證·動”四重表征，引導學生建構模型（見圖6）。

（一）引發(fā)情感共鳴，突破樸素模型的隱蔽性

通過創(chuàng)設符合學生發(fā)展需要的環(huán)境，引發(fā)學生的情感共鳴，促使學生在現(xiàn)實環(huán)境和主體活動的交互作用中獲得發(fā)展。認知心理學認為，人在認識客觀事物時總是以自己的經(jīng)驗為基礎的。如學生在課前對南湖生態(tài)系統(tǒng)的能量輸入和輸出已經(jīng)有了自己的看法，即樸素模型。樸素模型是個體認識世界的一種內(nèi)在表征，具有一定的隱蔽性，但對學生學習新知識有很大的影響。熟悉的情境更容易引發(fā)學生的情感共鳴，激活學生的生活經(jīng)驗，暴露樸素模型；便于教師了解學情，幫助學生實現(xiàn)心智模型的進階。

（二）搭建分析支架，實現(xiàn)建模教學的生成性

支架式教學是指為學生提供適當?shù)膶W習線索或提示（即支架），讓學生通過這些支架逐步攀升，逐漸發(fā)現(xiàn)和解決問題。模型與建模是人類認識世界的重要工具。建模教學不應只是關注模型本體、把靜態(tài)的模型直接傳授給學生，而應讓學生體驗建構模型的過程，學會建構模型的方法。教師可通過問題等支架，引發(fā)學生思考、探究、討論，讓學生在學習過程中不斷地產(chǎn)生新問題、建立新模型，有效實現(xiàn)建模教學的生成性。

（三）提供循證機會，關注混合模型的變化性

循證的過程，是師生之間基于證據(jù)進行研討和質(zhì)疑的過程，也是促進學生深度學習的過程?？茖W發(fā)展的過程是一個不斷創(chuàng)建模型、檢驗模型和修正模型的過程。建模教學中，教師應讓學生像科學家那樣去經(jīng)歷類似的過程。如教師引導學生運用生產(chǎn)者能量輸入和輸出混合模型去解釋初級消費者的能量輸入和輸出，學生發(fā)現(xiàn)原有的混合模型與新研究對象不符。教師再鼓勵學生改變自己的認知，建構新的混合模型。提供循證機會，能讓學生根據(jù)研究對象的變化來調(diào)整混合模型，逐步建構科學模型。

（四）設計拓展活動，凸顯科學模型的實用性

課堂的時間是有限的，但學生的求知欲卻是無限的。學生在課堂上經(jīng)過建模學習已經(jīng)初步感受了科學探究的過程。教師在課后應針對性地設計一些與教學情境相關的拓展活動，使學生感受到知識最原始的狀態(tài)，讓學生在新情境中遷移運用科學模型，體會科學學習的價值，凸顯科學模型的實用性。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

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