重慶市綦江中學 張小平

北京市西城區(qū)教育研修學院 陳曉霞

重慶市綦江區(qū)教育科學研究所 肖廷忠

一、建模教學的指導思想與理論依據(jù)

模型既是對客觀事物或過程的一種表征方式，也是人們?yōu)榱藢崿F(xiàn)某種特定目的而對認識對象所作的一種簡化的概括性描述。建模教學是科學課程常用的一種教學方法，學生通過建構(gòu)模型、使用模型、評價模型和修正模型等系列活動，更能深刻理解科學概念的本質(zhì)?！镀胀ǜ咧猩飳W課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱課標）提出了生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任等四個方面的學科核心素養(yǎng)，其中科學思維素養(yǎng)包括：能夠基于生物學事實和證據(jù)運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學社會議題等。美國《K-12科學教育框架》中提出，學生學習和理解科學概念的過程實質(zhì)上就是心智模型建構(gòu)的過程，并將“證據(jù)、模型和解釋”作為“統(tǒng)一的科學概念與過程”。這些論述或要求為利用模型建構(gòu)發(fā)展學生生物學學科核心素養(yǎng)提供了理論依據(jù)和實踐指導。

二、基于核心素養(yǎng)的學習目標分析

“核心素養(yǎng)為宗旨”是課標提出的四個課程理念之一，也是生物學教師在課堂教學實踐中必須落實的基本要求，是預設學生學習目標需要首先考慮的因素。本文以北師大版高中生物學教材《必修1·分子與細胞》第4章第四節(jié)“光合作用的碳反應”一節(jié)內(nèi)容為例，利用教材中內(nèi)容豐富的科學史資料，基于核心素養(yǎng)的四個維度，通過探究光合作用碳反應過程的模型建構(gòu)，設計如表1所示的指向具體核心素養(yǎng)的教學目標。

三、突出模型建構(gòu)的任務式教學過程

（一）情境創(chuàng)設

通過視頻介紹超級雜交稻的優(yōu)勢：超級雜交稻在光反應過程中的光合量子傳遞速率高，能吸收更多的光能，飽和光合速率高；其葉片中葉綠素a與葉綠素b比值比普通水稻高22.90%和36.78%，并且其對光能吸收、傳遞及轉(zhuǎn)化的效率較高，將光能轉(zhuǎn)化為活躍的化學能的能力強。雜交水稻能夠固定更多的CO2；葉片光合作用的效率強，凈光合作用速率高，同時其光合功能期長，物質(zhì)積累量大。

提出問題：根據(jù)視頻資料思考哪些是雜交水稻通過增強光反應來提高產(chǎn)量的手段？哪些是不同于光反應提高產(chǎn)量的手段？引出“二氧化碳的固定過程屬于光合作用的碳反應過程”教學內(nèi)容。

設計意圖：通過視頻材料深入理解光合作用光反應概念的內(nèi)涵與外延，并且嘗試對光反應與碳反應的概念有初步辨析。同時，改變影響光合作用相關(guān)過程的因素可使水稻增產(chǎn)，也有助于培養(yǎng)學生運用生物學知識和方法造福人類的社會責任感。

（二）任務一：構(gòu)建碳反應過程物質(zhì)的轉(zhuǎn)變過程模型

引導過渡：碳反應過程吸收二氧化碳，合成糖類，這個過程是一步到位的嗎？里面還存在著哪些中間產(chǎn)物呢？

1.子任務1：設計實驗——探究碳反應過程的中間產(chǎn)物

循序漸進引導學生思考如下問題：①哪種實驗技術(shù)與方法可以來檢測物質(zhì)的生成？②僅僅利用同位素標記法就可以檢測碳反應過程中碳原子經(jīng)歷了哪些變化嗎？③如何操作才能得到不同時間的產(chǎn)物？

經(jīng)典科學實驗中蘊含了科學家豐富的創(chuàng)造性思維和實證思想，由于高一學生才進入高中，學生在思考與設計實驗中對于常見的科學技術(shù)與方法了解還并不全面，在科學探究能力、科學素養(yǎng)上略顯不足，所以需要教師引導學生，緊密結(jié)合已經(jīng)掌握的科學知識，逐步建立小球藻結(jié)構(gòu)與功能相適應的觀念，設計實驗確定碳反應中產(chǎn)生了哪些物質(zhì)及其先后順序，發(fā)展設計實驗、實施方案的科學探究能力。

實驗設計完畢，由教師展示科學家實驗思路資料：科學家以小球藻（Chlorella vulgaris）為主要研究對象，利用14CO2飼喂小球藻，經(jīng)過不同時間的光照后，用熱酒精將小球藻迅速殺死，利用紙層析法將不同時間得到的代謝產(chǎn)物分離，此時再對不同時間得到的代謝產(chǎn)物進行鑒定，即可探究出碳反應過程物質(zhì)的轉(zhuǎn)化順序，學生最終在科學家完整的實驗思路中完善自己的實驗思路。

2.子任務2：構(gòu)建碳反應的基本物質(zhì)轉(zhuǎn)變過程模型

展示資料一：向反應體系中充入一定量的14CO2，以時間為自變量，探究不同時間檢測到放射性的物質(zhì)，如表2。

學生根據(jù)上述資料，通過構(gòu)建碳反應過程中的物質(zhì)轉(zhuǎn)變過程，發(fā)展了建模以及創(chuàng)造性思維等科學思維，并構(gòu)建碳反應過程物質(zhì)轉(zhuǎn)變順序：由CO2到三碳化合物（C3），再轉(zhuǎn)變?yōu)槲逄蓟衔铮–5）和六碳糖（糖類化學式CH2O，包含六碳糖，下文統(tǒng)一用CH2O指代六碳糖），即：CO2→C3→C5+CH2O。

（三）任務二：完善碳反應的物質(zhì)轉(zhuǎn)變過程模型

引導學生思考：CO2轉(zhuǎn)變?yōu)镃3的過程不是一步到位的，它首先要在酶、能量的作用下與哪種物質(zhì)結(jié)合，學生初步推測是C2類似化合物，教師指出卡爾文也如此認為，于是通過請教化學家進行多次層析實驗，但漫長實驗都以失敗告終！引導學生思考，如何轉(zhuǎn)變思路？學生在獨立思考與小組討論后請幾個小組代表發(fā)言（根據(jù)具體情況展示問題支架：改變CO2濃度，研究哪些物質(zhì)的含量發(fā)生變化，這個思路可行嗎？），最后教師展示卡爾文的實驗資料與數(shù)據(jù)圖并簡單介紹圖中物質(zhì)：增加或減少CO2供應發(fā)現(xiàn)C3和C5的濃度變化如圖1。

圖1 增加或減少CO2供應C3和C5的濃度變化

學生根據(jù)上述資料，完善之前構(gòu)建的碳反應過程中物質(zhì)轉(zhuǎn)變的模型。此環(huán)節(jié)為模型構(gòu)建的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，學生利用模型建構(gòu)等科學方法分析資料，經(jīng)歷分析—構(gòu)建—修正—再構(gòu)建的過程。任務二與任務三學生構(gòu)建模型過程思路見圖2。

圖2 教學思路及構(gòu)建碳反應的物質(zhì)轉(zhuǎn)變過程模型思路

（四）任務三：構(gòu)建光反應與碳反應的物質(zhì)和能量聯(lián)系

光合作用包含光反應與碳反應過程，光反應與碳反應過程之間存在著什么樣的聯(lián)系呢？

展示資料三：阿爾農(nóng)（DL.）用離體的葉綠體做實驗，在黑暗條件下，只要給分離的葉綠體提供ATP和［H］（NADPH，還原型輔酶Ⅱ），葉綠體就能將CO2轉(zhuǎn)化為糖類等有機物，同時ATP和［H］含量急劇下降。學生根據(jù)上述資料，構(gòu)建光反應與碳反應之間物質(zhì)和能量的聯(lián)系，完善光反應與碳反應模型。

學生通過構(gòu)建本節(jié)課知識與上一節(jié)課的聯(lián)系，形成整體觀、結(jié)構(gòu)與功能觀，物質(zhì)與能量觀。根據(jù)資料得出光反應為碳反應提供ATP和［H］，進而根據(jù)已學習知識推測碳反應為光反應提供ADP和NADP+，完善光反應與碳反應的聯(lián)系，建立起光反應、碳反應是統(tǒng)一的整體的觀念。任務三學生構(gòu)建的模型如圖3。

圖3 光反應與碳反應的物質(zhì)與能量聯(lián)系模型

（五）總結(jié)和評價

一節(jié)完整的課離不開總結(jié)，本節(jié)課需要對重點部分碳反應的具體過程，光反應與碳反應的區(qū)別和聯(lián)系等次位概念進行總結(jié)，學生在探究中聚焦的是光合作用的小概念，也真正落實了生命觀念，實現(xiàn)了對生物學大概念可以“吃得透，記得住，用得上”。

評價過程實際貫穿課堂教學的所有環(huán)節(jié)，包括了過程性評價、終結(jié)性評價，學生互評和教師點評。本次評價涉及模型構(gòu)建思路及團隊合作、其他小組對構(gòu)建思路的合理評價、模型構(gòu)建結(jié)果及教師過程與終結(jié)性評價三個方面，可以較為全面地反映小組構(gòu)建模型的情況。

四、基于學生學習效果的教學反思

本節(jié)課基于模型構(gòu)建，設計三個模型構(gòu)建任務，前面一個任務是后一個任務完成的保障，互有聯(lián)系，逐個深入，教師精心設計問題支架來引導學生建模，從而逐步修正學生原有的心智模型，最終建構(gòu)并完善碳反應模型。

教學實踐中，提供給學生在碳反應模型構(gòu)建和完善環(huán)節(jié)的探究時間較長，主要為了發(fā)展學生基于對科學史資料的分析，提高分析實驗過程和結(jié)果的能力、建模能力。在實際教學中，想在每一節(jié)課都落實生物學核心素養(yǎng)的四個維度是很難做到的。所以，根據(jù)教學內(nèi)容特點，重點對其中的一兩個維度進行培養(yǎng)更為現(xiàn)實并且能夠取得更好的教學效果。