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(xué)模型建構(gòu)教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、創(chuàng)新實(shí)踐能力、探究能力以及推動(dòng)學(xué)生深度學(xué)習(xí)具有重要意義。模型建構(gòu)有利于學(xué)生進(jìn)行空間認(rèn)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(shù)學(xué)模型為例，對(duì)比梳理模型的特點(diǎn)和建模過(guò)程，并選取相關(guān)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行模型建構(gòu)教學(xué)案例的設(shè)計(jì)與分析，對(duì)模型建構(gòu)教學(xué)實(shí)施過(guò)程中存在的誤區(qū)提出建議，以期通過(guò)模型建構(gòu)教學(xué)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)概念并培養(yǎng)學(xué)a生逐步形成學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：模型；模型建構(gòu)；高中生物學(xué)；數(shù)學(xué)模型；物理模型；概念模型

中圖分類號(hào)：G633.91? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2023）08-0111-04

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中要求學(xué)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(xué)習(xí)過(guò)程中逐步發(fā)展科學(xué)思維[1]。模型建構(gòu)教學(xué)可引導(dǎo)學(xué)生在建模任務(wù)和真實(shí)問(wèn)題的驅(qū)動(dòng)下自主建構(gòu)生物學(xué)模型[2]，使學(xué)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(xué)生梳理學(xué)科內(nèi)容、主動(dòng)建構(gòu)生物學(xué)知識(shí)體系；不斷提高學(xué)生的探究能力、創(chuàng)新實(shí)踐能力和培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維；促使學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題并增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任意識(shí)。

1 模型與模型建構(gòu)

人教版高中生物學(xué)教材中將“模型”定義為：“模型是人們?yōu)檫_(dá)成某特定目的而對(duì)認(rèn)識(shí)對(duì)象所做的一種簡(jiǎn)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(shí)物或其他形象化的手段，有的則通過(guò)抽象的形式來(lái)表達(dá)”[3]。因此，模型是將研究對(duì)象的本質(zhì)特征或核心要素進(jìn)行抽象概括后，以不同描述形式的原型類似物來(lái)表示對(duì)事物的認(rèn)識(shí)并再現(xiàn)思維過(guò)程的載體。如物理模型有助于提高學(xué)生在空間上對(duì)整體與部分聯(lián)系的認(rèn)知，并培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐和創(chuàng)新實(shí)踐能力；概念模型則關(guān)注學(xué)生邏輯思維、整合思維、發(fā)散思維能力的培養(yǎng)；數(shù)學(xué)模型對(duì)鍛煉學(xué)生的分析歸納、類比推理和利用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行推演驗(yàn)證的能力有重要作用[4]。

模型建構(gòu)是自然科學(xué)研究中運(yùn)用模型表達(dá)對(duì)事物的認(rèn)識(shí)、幫助解釋生命現(xiàn)象、預(yù)測(cè)發(fā)展結(jié)果、分析和解決問(wèn)題的認(rèn)識(shí)手段和思維方法，能夠獲取、拓展和深化對(duì)客體的認(rèn)識(shí)[5]，它包括具體模型的創(chuàng)建、模型的檢驗(yàn)和模型優(yōu)化，是學(xué)生快速獲取知識(shí)的一種有效途徑[6]。模型建構(gòu)有利于學(xué)生在合作學(xué)習(xí)中主動(dòng)建構(gòu)生物學(xué)重要概念、形成學(xué)科知識(shí)體系；發(fā)展科學(xué)思維并掌握建模學(xué)習(xí)方法；符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，對(duì)促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)有重要作用[7]。綜上，模型建構(gòu)教學(xué)符合“教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”的教學(xué)理念[8]，并能有效貫徹深度學(xué)習(xí)理念，對(duì)促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)模型建構(gòu)能力的提升具有重要意義[9]。

2 高中生物學(xué)模型分類

人教版高中生物學(xué)教材中涵括了豐富的模型建構(gòu)內(nèi)容，對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的養(yǎng)成有重要作用。由于不同類型的生物學(xué)模型培養(yǎng)學(xué)生能力的側(cè)重點(diǎn)不同，現(xiàn)將各類模型進(jìn)行對(duì)比梳理以供教學(xué)參考，如表1所示。

3 模型建構(gòu)教學(xué)案例及分析

通過(guò)對(duì)比梳理高中生物學(xué)各類模型的特點(diǎn)、建模過(guò)程，選取相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)模型建構(gòu)教學(xué)案例，分析和探討模型與建模在教學(xué)中的應(yīng)用，并對(duì)模型建構(gòu)教學(xué)實(shí)施過(guò)程中存在的誤區(qū)提出相應(yīng)的建議。

3.1 物理模型在高中生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用案例

案例：減數(shù)分裂過(guò)程染色體變化的物理模型建構(gòu)。

教學(xué)目標(biāo)：通過(guò)物理模型建構(gòu)能幫助學(xué)生將抽象過(guò)程具象化，直觀深入地理解減數(shù)分裂中染色體數(shù)目和主要行為的變化，明確減數(shù)分裂產(chǎn)生多樣性配子的原因。

教學(xué)過(guò)程：（1）明確建構(gòu)對(duì)象。通過(guò)減數(shù)分裂第一課時(shí)的學(xué)習(xí)，學(xué)生已知減數(shù)分裂過(guò)程能產(chǎn)生配子。結(jié)合“一母生九子，九子各不同，連母十個(gè)樣”的問(wèn)題情境，讓學(xué)生思考“減數(shù)分裂是否會(huì)產(chǎn)生多樣性配子？”因而確定模型建構(gòu)的對(duì)象為“減數(shù)分裂產(chǎn)生多樣性配子的過(guò)程”。（2）梳理基本要素的關(guān)系或確定位置分布，在模型建構(gòu)前教師要向大家說(shuō)明物理模型建構(gòu)的方法和原則，提出需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，包括模型建構(gòu)的類型，所用材料工具，物理模型的規(guī)格參數(shù)，如每對(duì)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(xué)生參與模擬減數(shù)分裂中染色體變化過(guò)程奠定基礎(chǔ)。（3）確定建構(gòu)材料或工具，挖掘?qū)W生身邊的資源，讓學(xué)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(gòu)染色體模型。需要重點(diǎn)關(guān)注制作染色體的數(shù)量及原因，同源染色體和著絲粒的表示方式。（4）制作模型，學(xué)生以小組為單位展現(xiàn)減數(shù)分裂過(guò)程中染色體變化的物理模型并輔以詳細(xì)的描述，每組制作出兩對(duì)同源染色體，模擬減數(shù)分裂過(guò)程中各時(shí)期染色體的變化。在模型建構(gòu)過(guò)程中，學(xué)生主要存在兩處建模難點(diǎn)，一是減數(shù)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(shí)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(xué)生和教師共同對(duì)每組同學(xué)呈現(xiàn)的物理模型和模型闡述做出評(píng)價(jià)和反饋，有助于學(xué)生完善物理模型。

綜合分析：教學(xué)過(guò)程關(guān)注學(xué)生建模學(xué)習(xí)的主體性，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與思考探討問(wèn)題、動(dòng)手動(dòng)腦建構(gòu)模型、闡釋應(yīng)用模型活動(dòng)。在學(xué)生建構(gòu)模型的過(guò)程中，以問(wèn)題驅(qū)動(dòng)學(xué)生完成模型準(zhǔn)備活動(dòng)和模擬過(guò)程，能夠達(dá)成知識(shí)的完整建構(gòu)；學(xué)生在合作討論、自主建構(gòu)模型的過(guò)程中，通過(guò)自評(píng)和互評(píng)加深對(duì)減數(shù)分裂過(guò)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(chǔ)上進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生模擬交叉互換和非同源染色體自由組合的過(guò)程，從而明確多樣性配子產(chǎn)生的原因。因此，學(xué)生在學(xué)習(xí)中主動(dòng)解決問(wèn)題、概念轉(zhuǎn)變、理解和遷移，達(dá)成了對(duì)減數(shù)分裂過(guò)程的深度學(xué)習(xí)[10]。通過(guò)模型建構(gòu)教學(xué)化抽象為具體，發(fā)揮學(xué)生的認(rèn)知內(nèi)驅(qū)力，讓學(xué)生主動(dòng)融入課堂教學(xué)，提高課堂教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維、合作學(xué)習(xí)和科學(xué)探究能力。

3.2 概念模型在高中生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用案例

案例：可遺傳變異的概念模型建構(gòu)。

教學(xué)目標(biāo)：通過(guò)建構(gòu)以“可遺傳變異”為核心的概念模型，學(xué)生能梳理清“可遺傳變異”的類型及其具體特點(diǎn)，便于辨析可遺傳變異的幾種類型。

教學(xué)過(guò)程：（1）確定核心內(nèi)容?！翱蛇z傳變異的概念模型建構(gòu)”是基于基因突變及其他變異一章內(nèi)容學(xué)習(xí)后的整體梳理，要達(dá)成模型的建構(gòu)，應(yīng)該在學(xué)習(xí)基因突變、基因重組、染色體變異時(shí)分別建構(gòu)出各自的概念體系。（2）分析核心內(nèi)容特點(diǎn)，梳理主要概念。依據(jù)每個(gè)中心內(nèi)容的知識(shí)體系，確定各自相應(yīng)的重要概念或要素，以此為中心梳理出其下重要生物學(xué)概念、生物學(xué)現(xiàn)象及要素間的聯(lián)系，如染色體變異分為“染色體數(shù)目變異”和“染色體結(jié)構(gòu)變異”，“染色體變異”和“基因重組”以“基因突變”為基礎(chǔ)。（3）梳理和建立概念間的聯(lián)系，嘗試建構(gòu)概念模型。教師引導(dǎo)學(xué)生將重要概念進(jìn)行梳理，尋找概念間的聯(lián)系，并用符號(hào)和文字等形式建構(gòu)概念模型。注意在建構(gòu)“可遺傳變異的概念模型”時(shí)，將中心內(nèi)容的關(guān)鍵要素進(jìn)行類比分析和記憶，為便于理解每個(gè)重要概念，還應(yīng)拓展補(bǔ)充典型生物學(xué)實(shí)例輔助理解，如圖2所示。（4）修正完善模型。學(xué)生在教師引導(dǎo)下自主完成概念模型的建構(gòu)，通過(guò)討論交流不斷完善概念模型，進(jìn)而便于后續(xù)的復(fù)習(xí)回顧。

綜合分析：在建構(gòu)概念模型時(shí)，學(xué)生通過(guò)梳理核心內(nèi)容及關(guān)鍵要素之間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)重要概念的掌握及科學(xué)思維的發(fā)展。因此概念模型的建構(gòu)過(guò)程綜合了多種思維和能力，促使學(xué)生實(shí)現(xiàn)有意義學(xué)習(xí)[11]。

3.3 數(shù)學(xué)模型在高中生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用案例

案例：蛋白質(zhì)中氨基酸間脫水縮合的數(shù)學(xué)模型建構(gòu)。

教學(xué)目標(biāo)：明確蛋白質(zhì)中氨基酸間脫水縮合形成肽鏈后，肽鍵數(shù)、氨基酸數(shù)、脫去水分子數(shù)和肽鏈數(shù)的關(guān)系，進(jìn)一步加深對(duì)氨基酸結(jié)構(gòu)式特點(diǎn)和脫水縮合方式的理解。

教學(xué)過(guò)程：（1）基于生物學(xué)知識(shí)和資料，明確研究對(duì)象。學(xué)生已知蛋白質(zhì)的重要功能及氨基酸的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)后，學(xué)生利用卡片表示氨基酸分子的構(gòu)成，并演示兩個(gè)甚至多個(gè)氨基酸間脫水縮合的過(guò)程，在演示推理過(guò)程中思考“氨基酸脫水縮合形成肽鏈的過(guò)程，氨基酸數(shù)與肽鍵數(shù)、脫去水分子數(shù)、肽鏈條數(shù)之間的關(guān)系”等問(wèn)題，并用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示其規(guī)律，學(xué)生即可明確數(shù)學(xué)模型建構(gòu)的研究對(duì)象為“蛋白質(zhì)中氨基酸間脫水縮合的規(guī)律”。（2）厘清本質(zhì)規(guī)律，做出模型假設(shè)。學(xué)生明確研究對(duì)象后，根據(jù)1條肽鏈中2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)……n個(gè)氨基酸間脫水縮合的過(guò)程，推寫出氨基酸脫水縮合過(guò)程中肽鏈條數(shù)、氨基酸數(shù)、肽鍵數(shù)、脫去水分子數(shù)。教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步探尋形成2條、3條……m條肽鏈或環(huán)肽時(shí)，氨基酸數(shù)與肽鍵數(shù)、脫去水分子數(shù)、肽鏈條數(shù)之間的關(guān)系。（3）嘗試初步建構(gòu)數(shù)學(xué)模型。學(xué)生厘清本質(zhì)規(guī)律后，以數(shù)學(xué)表達(dá)式的形式概括出“蛋白質(zhì)中氨基酸間脫水縮合”的一般性規(guī)律。（4）模型檢驗(yàn)與完善。用數(shù)據(jù)驗(yàn)證并進(jìn)一步修正數(shù)學(xué)模型，需要根據(jù)不同的事實(shí)情況輔以檢驗(yàn)，并進(jìn)行參數(shù)修正，最終得到正確的數(shù)學(xué)模型，如表2所示。（5）模型應(yīng)用。學(xué)生在理解生物學(xué)規(guī)律的基礎(chǔ)上，將數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于實(shí)際生物學(xué)問(wèn)題，在新情境中遷移和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)[12]，如人的血紅蛋白由四條（α、α、β、β）多肽鏈構(gòu)成的，分別含有141、141、146、146個(gè)氨基酸，要求得血紅蛋白所含的肽鍵數(shù)。

綜合分析：數(shù)學(xué)模型是解決生物學(xué)實(shí)際問(wèn)題與數(shù)學(xué)理論的媒介[13]，其關(guān)鍵在于歸納概括認(rèn)識(shí)對(duì)象的本質(zhì)或規(guī)律，運(yùn)用數(shù)學(xué)邏輯思維進(jìn)行推演，最終將規(guī)律轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)表達(dá)式和圖表等形式，描述生物學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律。此外，“種群數(shù)量變化曲線”能體現(xiàn)在生產(chǎn)中應(yīng)用數(shù)學(xué)模型推算概率從而預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)的價(jià)值[14]，“植物光合作用的曲線圖”體現(xiàn)了用數(shù)學(xué)模型對(duì)生物學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行解釋的重要功能。因此，在數(shù)學(xué)模型建構(gòu)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)類比推理，歸納概括出生物學(xué)規(guī)律并解決問(wèn)題，逐步形成嚴(yán)密的數(shù)學(xué)邏輯思維，深入理解生物學(xué)規(guī)律并獲得解決問(wèn)題的能力，體現(xiàn)了“建模-析模-用?！睌?shù)學(xué)模型建構(gòu)教學(xué)的重要意義[15]。

4 模型建構(gòu)教學(xué)的實(shí)施建議

4.1 注重培養(yǎng)學(xué)生的建模意識(shí)

教師要充分挖掘教材中蘊(yùn)含模型與建模方法的教學(xué)內(nèi)容，遵循以學(xué)生為中心的原則設(shè)計(jì)模型建構(gòu)教學(xué)活動(dòng)。學(xué)生應(yīng)用生物學(xué)知識(shí)進(jìn)行合作探究、主動(dòng)參與建模過(guò)程，并運(yùn)用模型闡釋生物學(xué)問(wèn)題和深度理解生物學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律，逐步養(yǎng)成建模意識(shí)。在教師的引導(dǎo)下學(xué)生積極思考并主動(dòng)參與模型建構(gòu)，體會(huì)建模學(xué)習(xí)下知識(shí)的生成過(guò)程，令其探究實(shí)踐、科學(xué)思維等能力得到提升。

4.2 及時(shí)開展豐富的模型建構(gòu)活動(dòng)

教學(xué)中應(yīng)落實(shí)一定數(shù)量的模型建構(gòu)活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生嘗試建構(gòu)不同類型的模型，體會(huì)數(shù)學(xué)模型抽象化、物理模型具象化等多種思維方式。培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)的科學(xué)思維并讓學(xué)生熟練掌握建模方法，需要教師在教學(xué)過(guò)程中潛移默化地多次引導(dǎo)，即量變引起質(zhì)變。多次進(jìn)行模型建構(gòu)才能將模型建構(gòu)的方法內(nèi)化成為學(xué)生認(rèn)識(shí)事物、培養(yǎng)思維的手段，從而提高認(rèn)知水平和發(fā)展科學(xué)思維。

4.3 規(guī)劃模型建構(gòu)教學(xué)的時(shí)間安排

合理規(guī)劃模型建構(gòu)教學(xué)在生物學(xué)教學(xué)過(guò)程中的時(shí)間分配，尤其是教師引導(dǎo)學(xué)生初次參與模型建構(gòu)活動(dòng)時(shí)，應(yīng)規(guī)劃好相應(yīng)課時(shí)教學(xué)內(nèi)容的安排，結(jié)合實(shí)際學(xué)情布置合理的預(yù)習(xí)或復(fù)習(xí)任務(wù)，以便于模型建構(gòu)教學(xué)的順利開展。在學(xué)生積極主動(dòng)建構(gòu)模型的過(guò)程中，應(yīng)適時(shí)給予學(xué)生針對(duì)性的引導(dǎo)和幫助，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、分析與解決問(wèn)題的能力。

4.4 重視在模型建構(gòu)中培養(yǎng)批判性思維

評(píng)價(jià)模型建構(gòu)和檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪^(guò)程中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真傾聽(tīng)、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并主動(dòng)查漏補(bǔ)缺，通過(guò)啟發(fā)學(xué)生的思維推動(dòng)教學(xué)過(guò)程順利開展。在自主探究和模型建構(gòu)過(guò)程中，重視培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用生物學(xué)知識(shí)檢驗(yàn)和完善模型，并在建模完成后及時(shí)開展評(píng)價(jià)反饋、反思總結(jié)和實(shí)際應(yīng)用。

4.5 實(shí)現(xiàn)模型建構(gòu)中行為與思維的統(tǒng)一

在模型建構(gòu)過(guò)程中既不能忽視模型細(xì)節(jié)性問(wèn)題的處理，也不能為尋求具象化的結(jié)果而弱化必要的思維過(guò)程。因此，要基于對(duì)研究對(duì)象本質(zhì)的理解，進(jìn)行創(chuàng)造性的模型建構(gòu)，科學(xué)合理地表達(dá)對(duì)對(duì)象的認(rèn)識(shí)，體現(xiàn)事物的本質(zhì)或內(nèi)在聯(lián)系?？傊Ｐ徒?gòu)的過(guò)程是學(xué)生在主動(dòng)體驗(yàn)、思考和創(chuàng)造實(shí)踐中深度認(rèn)識(shí)事物的過(guò)程。

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