姚國平

文件編號：1003-7586（2018）11-0012-03

模型與建模是科學發(fā)展的重要元素，也是科學學習中不可或缺的認知與能力。模型認知即指基于模型的認知，包含兩個基本層次：①基于科學模型的認知，即感受模型素材，識別組成要素及要素間的關系，通過模型理解事物及其變化的本質特征和規(guī)律，在使用模型過程中完成描述、解釋現(xiàn)象，預測性質與變化等功能;②建構認知模型，在認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系的基礎上，建立認知模型，為解決復雜問題提供思考框架，形成解決問題的思路與方法。在生物學教學中，教師應該幫助學生樹立模型意識、體會模型價值，以建?；顒訛檩d體提高學生的模型認知能力，提升學生的學科核心素養(yǎng)。

1建構思維模型，填補認知空白

建構思維模型是指通過分析與綜合、演繹與歸納、分類與比較等思維規(guī)則，把特定的研究對象或問題轉化為普遍的本質規(guī)律，從而用以解決該類實際問題的科學思維方法。如果學生的學習經(jīng)歷了思維模型的建構過程，形成對一類問題的結構化認識并構建解決模型。那么，他就會像科學家一樣用科學的方法去認識原型事物，有助于學生高級思維能力的形成。初中生物學學習內(nèi)容比較龐雜，涉及多個領域，囿于知識和經(jīng)驗的匱乏以及抽象思維能力的不成熟，學生在某些學習領域會存在思維的盲區(qū)和認知的空白，找不到解決問題的切入點。因此，在某一特定的學習領域，尤其是陌生的領域，教師應當幫助學生提煉出符合認知規(guī)律的思維模型結構，逐步建立起解決復雜問題的思維框架，讓教師的“教”真正引領學生的“學”，讓學生從“學會”徹底轉變?yōu)椤皶W”，以進一步促進學生學習力的發(fā)展。

例如，關于鳥類的飛行，教師首先引導學生從玩紙飛機的經(jīng)驗來交流飛機飛得高、飛得遠的因素，如折紙飛機的紙張要薄、紙飛機的頭部要尖、紙飛機的翼展要寬大、扔紙飛機要稍稍用力且要有一定的角度。然后，引導學生聯(lián)想自然界中鳥類飛行是通過翅膀靈活運動和羽毛共同作用產(chǎn)生升力和推力。升力以托舉鳥類重量，推力以克服身體各部分阻力，而體重相對較輕、身體呈流線型是鳥類有利飛行的充分條件，也就是說鳥類的高效飛行是諸多因素綜合作用的結果。由此，提煉、構建“家鴿適應空中飛行特征”的思維模型：減小阻力、減輕體重、增強推力、增加升力。建立思維模型，相當于在頭腦中繪就了一張思維的藍圖，學生會主動圍繞核心問題從不同角度尋找證據(jù)證實，改變了以往被問題串牽著鼻子走的被動局面。

又如，關于生命起源的條件，對于初中學生來說完全是陌生的學習領域。為了填補學生的認知空白，教師可以預先呈現(xiàn)以下材料：動物和植物都是有生命的，其基本結構和功能單位都是細胞?？茖W家發(fā)現(xiàn)，所有細胞，不論是動物細胞，還是植物細胞，都是由2種重要的物質構成的，這就是蛋白質和核酸，并且這些物質的產(chǎn)生需要大量的能量。據(jù)此科學事實，學生的頭腦中便形成了指向性非常明確的問題解決思路：生命的起源不是無中生有，而是類似于工廠制造產(chǎn)品的過程，需要物質、能量以及一定的場所。依據(jù)此思維模型，學生的自主學習便有章可循、層層推進。

2建構物理模型，跨越認知障礙

物理模型是指以實物或圖畫形式直觀地表達對象特征的模型，如人體結構模型、條件反射動態(tài)模型等。教師在教學中使用物理模型，可以將微觀現(xiàn)象宏觀化、抽象事物具體化、內(nèi)隱結構可視化，以簡單、清晰的形象表達出直觀、明確的含義，有利于學生跨越認知障礙，順利找到事物最主要的特征和功能，進而認識生命世界中的本質。

教師根據(jù)實際教學的需要，可以利用現(xiàn)成模型，也可以利用自制模型。其中，自制模型更能發(fā)揮教學的最大價值，促進學生多維認知發(fā)展。例如，“呼吸運動”是學習的難點，如何掃除認知障礙，幫助學生準確理解呼吸運動這一生理過程？教師通常用玻璃鐘罩模型來演示，為學生搭建認知的支架。但是，該模型在教學中存在一定的局限性：①是鐘罩模型是玻璃材質，只能演示膈肌的變化，不能演示整個胸廓的變化;②該模型數(shù)量有限，只能用于教師演示，不適合分組探究。秉承低成本實驗的理念，教師可以在課前布置學生用廢棄材料制作胸廓模型（剪除底部的軟塑料瓶代表胸廓，保鮮袋剪成的塑料薄膜代表膈，心形氣球代表兩個肺，在塑料瓶底部套上保鮮袋，將氣球箍緊瓶口后倒扣入瓶內(nèi)，這樣就制成一個簡易的胸廓模型），然后在課堂上分組模擬探究。上述案例中，學生自制模型的過程是深化知識理解的過程，也是實踐能力和創(chuàng)新精神提高的過程;課堂上的模擬探究過程是自主建構概念的過程，也是科學方法、探究能力和合作能力提升的過程。由此，學生關鍵能力的培養(yǎng)落到了實處。

3建構數(shù)學模型，挑戰(zhàn)認知高度

數(shù)學方法的運用是學科發(fā)展、成熟的重要標志?！耙婚T科學只有成功地動用數(shù)學時，才算達到了完善的地步”。數(shù)學模型是指對現(xiàn)實原型作抽象、簡化后，采用形式化的數(shù)學符號和語言所表述出來的數(shù)學結構，屬于學科交叉的通用概念。在生物學中，用于表達生命活動規(guī)律的計算公式、函數(shù)式、曲線圖，以及由實驗數(shù)據(jù)繪制成的柱形圖、餅狀圖等都屬于數(shù)學模型。由于數(shù)學模型是對真實世界或實物抽象程度最高的模型，考慮到不同學段學生抽象思維水平的發(fā)展特點，在初中階段對數(shù)學建模并沒有明確的要求。但是，這并不影響教師在教學中相機而行、適當滲透，讓學生在經(jīng)歷建立數(shù)學模型、運用數(shù)學模型的過程中，體會如何通過數(shù)學的“語言”來描述、分析和解決問題，在挑戰(zhàn)認知高度的過程中促進學生認知能力進階。

例如，關于“細胞為什么不能無限長大”的討論，教師可以布置以下學習任務：假設細胞為正方體，以邊長分別為1、2、3、4μm，計算細胞的表面積和體積比（表1），嘗試發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律。

學生以計算公式的形式構造細胞表面積和體積比的數(shù)學模型，由該模型分析發(fā)現(xiàn)，隨著細胞長大，表面積和體積比越來越小。教師進而啟發(fā)：如果表面積和吸收營養(yǎng)物質有關，體積和消耗營養(yǎng)物質有關，那么隨著細胞的不斷長大會出現(xiàn)什么情況？這樣把數(shù)學和生物學聯(lián)系起來，能夠將問題引入更深層的本質問題。在教師的引導下，學生茅塞頓開，作出如下解釋：隨著細胞長大，表面積與體積比減小，說明細胞吸收的營養(yǎng)物質不能滿足細胞的消耗，就像一個人一樣缺乏營養(yǎng)，自然就長不大了。最后，教師呈現(xiàn)科學解釋：①細胞太大則表面積與體積比變小，細胞與外界物質交換速率降低，影響營養(yǎng)物質的供應和吸收，也影響代謝廢物的排出;②細胞體積過大，細胞核控制生命活動的能力受到限制。這樣，教師借助數(shù)學模型，引導學生從現(xiàn)象中揭示本質和規(guī)律，把看似復雜的生物學現(xiàn)象解釋得清晰明了。學生在初中階段進行這種較高要求思維能力的訓練，為升入高中階段學習數(shù)學模型奠定了良好的基礎。

4建構概念模型，摒棄認知無序

概念模型是指以文字表述來抽象概括出事物本質特征的模型，在生物教材中主要以概念圖、示意圖的形式來呈現(xiàn)。學生的認知是一個從混沌到清晰，從無序到有序的螺旋上升過程。凌亂、繁雜的知識無法有效納入知識結構、形成整體的認知。只有結構化的知識才有助于學生記憶、理解和遷移。而概念模型是對事物的抽象提煉，能讓知識有序編碼，以系統(tǒng)化和結構化的形式與學生原有的認知結構對接、整合，從而極大地提高學習效率。因此，概念模型是學生學習重要概念的工具。幫助學生構建概念模型是解決認知無序性的關鍵。在教學實踐中，教師充分利用教材蘊含的豐富素材，發(fā)揮概念模型的作用，可有效提高學生的認知能力。

例如，“人體血液循環(huán)”涉及的名詞概念多、易混淆，循環(huán)途徑抽象復雜，是初中學生學習的難點。因此教學時，教師應遵循從“結構”到“功能”的認知規(guī)律，第一步是理清血液循環(huán)的途徑，即解決結構的問題;第二步是理解血液循環(huán)的本質，即解決功能的問題。關于血液循環(huán)途徑的學習，教師可以在學生觀察小魚尾鰭血液流動現(xiàn)象，獲取初步感知的基礎上，要求學生對照、研讀教材“人體血液循環(huán)示意圖”，以剪、貼的方式在A4紙上合作建構相應的概念模型，然后進行展示和交流。

該概念模型舍去了次要的、非本質的信息，用箭頭、文字、圖框等元素簡約、清晰地揭示出血液循環(huán)這一生理過程的主要特征。學生在操作過程中能領悟出，體循環(huán)和肺循環(huán)的起止點都是心臟，在心臟處匯合組成一條完整的循環(huán)路線。此外，建模活動給學生提供了自主探究與交流的平臺，為概念模型的深入擴展提供了契機。由于提供的即時貼箭頭有紅、藍兩種，在展示交流過程中，學生發(fā)現(xiàn)這代表不同類型的血液，是不能隨意擺放的。那么，怎樣才算科學、合理呢？隨后，學生對原有概念模型進行反思、修正，同時在“肺部毛細血管”和“全身毛細血管”2個節(jié)點處添加“肺泡”“組織細胞”，表示在此進行物質交換。由此，學生對動脈血、靜脈血以及血液循環(huán)有了本質的認識。這樣，教師通過引導學生建構概念模型，學生的認知朝著有序化、條理化狀態(tài)發(fā)展，有利于他們把先前學習的血管、心臟、血液等概念逐步連成線、織成網(wǎng)，從而夯實整個知識結構，提升認知水平。