齊曉慶

摘 要：模型是高中生物學(xué)課程內(nèi)容的重要組成部分，模型與建模是《高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中提到的學(xué)科核心素養(yǎng)中理性思維的重要組成部分，建模能力是學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題需要具備的重要能力。將物理模型構(gòu)建運(yùn)用于比較抽象的細(xì)胞結(jié)構(gòu)與代謝模塊的教學(xué)，能將生物學(xué)中抽象難懂的知識(shí)變得形象具體，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生在教學(xué)過(guò)程中的參與度。學(xué)生在合作交流與評(píng)價(jià)中學(xué)習(xí)，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，讓學(xué)生置身于探索科學(xué)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)科學(xué)規(guī)律的探究式學(xué)習(xí)活動(dòng)中，可培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力，形成良好的科學(xué)思維和正確的生命觀念，符合生物學(xué)核心素養(yǎng)的要求。

關(guān)鍵詞：物理模型;高中生物;細(xì)胞結(jié)構(gòu)與代謝;建模

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出：“學(xué)生應(yīng)該在學(xué)習(xí)過(guò)程中逐步發(fā)展理性思維，如能夠基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)運(yùn)用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學(xué)社會(huì)議題?！薄澳軌驈牟煌纳F(xiàn)象中，基于事實(shí)和證據(jù)，運(yùn)用歸納的方法概括出生物學(xué)規(guī)律，并在某一給定情境中，運(yùn)用生物學(xué)規(guī)律和原理，對(duì)可能的結(jié)果或發(fā)展趨勢(shì)做出預(yù)測(cè)或解釋，并能夠選擇文字、圖示或模型等方式進(jìn)行表達(dá)并闡明其內(nèi)涵?！绷私饨５瓤茖W(xué)方法及其在科學(xué)研究中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的建模思維和能力符合新標(biāo)準(zhǔn)的要求。中學(xué)生物學(xué)的教學(xué)應(yīng)努力將模型構(gòu)建應(yīng)用在教學(xué)之中，而物理模型構(gòu)建是模型構(gòu)建中較常用的方式，特別是在細(xì)胞結(jié)構(gòu)與代謝教學(xué)中對(duì)提高學(xué)生的科學(xué)探究能力和學(xué)科素養(yǎng)尤為重要。

一、物理模型構(gòu)建與應(yīng)用的重要性

戴爾經(jīng)驗(yàn)之塔表明，模型構(gòu)建貼合中學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，通過(guò)動(dòng)手操作，可以得到真切的經(jīng)驗(yàn)，還可以總結(jié)運(yùn)用上升到內(nèi)化的抽象經(jīng)驗(yàn)，并遷移運(yùn)用。物理模型是指以實(shí)物或圖畫形式直觀地表達(dá)認(rèn)識(shí)對(duì)象的特征，可使研究對(duì)象直觀化、簡(jiǎn)約化，便于研究;又可簡(jiǎn)略地描述研究成果，便于理解和傳播;還可用于推導(dǎo)，延伸觀察和實(shí)驗(yàn)結(jié)論等。因此，應(yīng)合理利用物理模型，使抽象的內(nèi)容具體化，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究，在教學(xué)上會(huì)讓真實(shí)對(duì)象更容易理解。戴爾經(jīng)驗(yàn)之塔也可以看出，塔最底層的經(jīng)驗(yàn)最具體，越往上升越抽象。教學(xué)就應(yīng)從具體經(jīng)驗(yàn)下手，逐步上升到抽象，有效的學(xué)習(xí)途徑就要有足夠的具體經(jīng)驗(yàn)。目前，在細(xì)胞結(jié)構(gòu)與代謝模塊教學(xué)中最常用的做法就是讓學(xué)生強(qiáng)記各種細(xì)胞結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與功能，沒(méi)有具體經(jīng)驗(yàn)作支撐，學(xué)生對(duì)這些文字、圖片概念的理解只能是抽象的，不具體的。因此，要充分理解細(xì)胞結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其與功能相適應(yīng)，要從做的經(jīng)驗(yàn)開(kāi)始。物理模型構(gòu)建是做的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)物理模型的構(gòu)建，再去理解概念、理解代謝場(chǎng)所與過(guò)程。

二、構(gòu)建物理模型在細(xì)胞結(jié)構(gòu)與代謝教學(xué)中的應(yīng)用

（一）細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)教學(xué)中物理模型的構(gòu)建與應(yīng)用

細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)是人教版高中生物學(xué)教材必修一第三章《細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)》中的內(nèi)容。此內(nèi)容是學(xué)生認(rèn)知細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)與功能的重要組成部分。學(xué)生在真正掌握細(xì)胞膜流動(dòng)鑲嵌模型的具體內(nèi)容才能深入理解細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念，為以后學(xué)習(xí)細(xì)胞的物質(zhì)輸入和輸出打下基礎(chǔ)。

在本內(nèi)容的學(xué)習(xí)中，在各小組自主探究學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，讓組內(nèi)學(xué)生合作模擬探究流動(dòng)鑲嵌模型的科學(xué)探究史，并強(qiáng)調(diào)在構(gòu)建模型過(guò)程中要注意理解結(jié)構(gòu)與功能功能相適應(yīng)的生命觀念。

通過(guò)觀察課本插圖，以及學(xué)生構(gòu)建相應(yīng)的物理模型，使抽象問(wèn)題具體化，將微觀的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)形象化，讓學(xué)生更容易理解生物膜的基本結(jié)構(gòu)。

（二）動(dòng)物細(xì)胞和植物細(xì)胞的亞顯微結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建

翟中和院士曾說(shuō)：“我確信哪怕是一個(gè)最簡(jiǎn)單的細(xì)胞，也比迄今為止設(shè)計(jì)出的任何智能電腦更精巧！”筆者所執(zhí)教的學(xué)校是體藝特色學(xué)校，學(xué)生文化科基礎(chǔ)較薄弱，但他們?cè)诶L畫等方面比較投入。所以在細(xì)胞結(jié)構(gòu)與代謝模塊的學(xué)習(xí)中，在完成理論知識(shí)學(xué)習(xí)后，馬上開(kāi)展了細(xì)胞結(jié)構(gòu)模型的建模比賽。構(gòu)建模型時(shí)，科學(xué)性和準(zhǔn)確性應(yīng)是第一要素，所以在模型構(gòu)建活動(dòng)之前再次引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)及其功能相關(guān)知識(shí)。激發(fā)學(xué)生繪制動(dòng)植物細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)模式圖的興趣。

細(xì)胞的亞顯微結(jié)構(gòu)復(fù)雜，學(xué)生在識(shí)圖、對(duì)比、記憶方面都比較困難，教學(xué)中就以激發(fā)學(xué)生的興趣和繪畫潛能為情境，創(chuàng)設(shè)突破口，有序開(kāi)展教學(xué)，讓學(xué)生把死記硬背的生物學(xué)知識(shí)活化起來(lái)。引導(dǎo)學(xué)生討論以下問(wèn)題：

動(dòng)植物細(xì)胞在結(jié)構(gòu)上有什么主要區(qū)別？動(dòng)植物細(xì)胞共有的細(xì)胞器，特有的細(xì)胞器。每種細(xì)胞器的形態(tài)與分布特點(diǎn)。

離開(kāi)課本原圖，描繪或制作出動(dòng)植物細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)模式圖或模型。

經(jīng)過(guò)學(xué)生脫離課本描繪或制作動(dòng)植物細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)模式圖、模型，以及學(xué)生的合作、交流、討論，培養(yǎng)了學(xué)生動(dòng)手、思維、協(xié)作和表達(dá)能力，科學(xué)探究能力，形成科學(xué)思維與正確的生命觀念。

（三）構(gòu)建物理模型在細(xì)胞代謝教學(xué)中的應(yīng)用

各具結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)的葉綠體和線粒體是真核細(xì)胞中十分重要的兩種細(xì)胞器，并與對(duì)生命活動(dòng)起關(guān)鍵性作用的兩大生理反應(yīng)——光合作用和細(xì)胞呼吸有著緊密的聯(lián)系，這些都是高考考查的重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容。兩者在結(jié)構(gòu)與功能上存在著異同和聯(lián)系，充分、準(zhǔn)確地把握上述兩種細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)與功能，才能更好地理解光合作用與細(xì)胞呼吸兩大代謝活動(dòng)的具體過(guò)程。

1. 引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建葉綠體和線粒體的物理模型

首先，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)對(duì)比，總結(jié)歸納等方式把葉綠體和線粒體的結(jié)構(gòu)做詳細(xì)比較，如表1所示。

然后，讓學(xué)生根據(jù)比較內(nèi)容，再去繪畫葉綠體、線粒體的亞顯微結(jié)構(gòu)模式圖。學(xué)生通過(guò)對(duì)比、畫圖等過(guò)程，可以容易把葉綠體和線粒體的結(jié)構(gòu)差異理清，透徹理解。為接下來(lái)學(xué)習(xí)的光合作用和細(xì)胞呼吸打下良好基礎(chǔ)。

2. 構(gòu)建光合作用與細(xì)胞呼吸關(guān)系物理模型

光合作用與呼吸作用作為地球上生命物質(zhì)最重要的兩大作用，其在自然界的重要意義和本身復(fù)雜的生理過(guò)程，很大程度上會(huì)引起學(xué)生的求知欲。但同時(shí)由于內(nèi)容非常抽象，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中也會(huì)因遇到困難而產(chǎn)生厭煩、畏懼。傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，比較偏重于知識(shí)的傳授而忽略知識(shí)的過(guò)程性生成和聯(lián)系，習(xí)慣教師講，學(xué)生聽(tīng)，較少考慮學(xué)生的主動(dòng)參與，調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)構(gòu)建、積極思維、自主生成。由于之前學(xué)生已經(jīng)有了細(xì)胞膜、葉綠體與線粒體等細(xì)胞結(jié)構(gòu)物理模型構(gòu)建的經(jīng)驗(yàn)，所以在這兩大代謝的教學(xué)中，同樣可以用引導(dǎo)學(xué)生自主探究與合作建模的方式來(lái)主動(dòng)學(xué)習(xí)。經(jīng)過(guò)自主探究—合作建?！?dú)w納總結(jié)—遷移活用等學(xué)習(xí)活動(dòng)，直觀地把抽象內(nèi)容形象化，最終加以內(nèi)化。

要求學(xué)生比較分析光合作用和細(xì)胞呼吸過(guò)程中原料和產(chǎn)物中各物質(zhì)的變化，并將其變化過(guò)程繪制在一張圖上，研究?jī)蓚€(gè)生理過(guò)程之間的變化關(guān)系，結(jié)果如下。

光合作用總反應(yīng)式：6CO2+12H2O→C6H12O6+6O2+6H2O

有氧呼吸總反應(yīng)式：C6H12O6+6H2O+6O2→6CO2+12H2O+能量

通過(guò)兩個(gè)生理過(guò)程的結(jié)合建模，學(xué)生更加容易理解教學(xué)、考試的重難點(diǎn)問(wèn)題“凈光合作用=總光合作用-呼吸作用”。

三、結(jié)束語(yǔ)

學(xué)生通過(guò)物理模型與建模等學(xué)習(xí)活動(dòng)，對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能的生命現(xiàn)象以及生命活動(dòng)的規(guī)律從感性認(rèn)識(shí)，通過(guò)抽象、概括等理性思維，進(jìn)行提煉和升華，形成生物學(xué)概念。最終，將多個(gè)概念進(jìn)一步加工，構(gòu)建物理模型形成自己的知識(shí)體系，建立對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)與代謝的整體認(rèn)識(shí)，即為生命觀念中的“結(jié)構(gòu)與功能觀”。在后續(xù)新的生物學(xué)學(xué)習(xí)中，學(xué)生可以根據(jù)已掌握的科學(xué)方法進(jìn)行觀察、解釋、抽象和建模，從而不斷發(fā)展生物學(xué)核心素養(yǎng)。

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