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姚國平

文件編號：1003-7586（2018）11-0012-03

模型與建模是科學發展的重要元素，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律，在使用模型過程中完成描述、解釋現象，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。

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則，把特定的研究對象或問題轉化為普遍的本質規律，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。初中生物學學習內容比較龐雜，涉及多個領域，囿于知識和經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”徹底轉變為“會學”，以進一步促進學生學習力的發展。

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家發現，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，并且這些物質的產生需要大量的能量。據此科學事實，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品的過程，需要物質、能量以及一定的場所。依據此思維模型，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、條件反射動態模型等。教師在教學中使用物理模型，可以將微觀現象宏觀化、抽象事物具體化、內隱結構可視化，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。

教師根據實際教學的需要，可以利用現成模型，也可以利用自制模型。其中，自制模型更能發揮教學的最大價值，促進學生多維認知發展。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，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落到了實處。

3建構數學模型，挑戰認知高度

數學方法的運用是學科發展、成熟的重要標志?！耙婚T科學只有成功地動用數學時，才算達到了完善的地步”。數學模型是指對現實原型作抽象、簡化后，采用形式化的數學符號和語言所表述出來的數學結構，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律的計算公式、函數式、曲線圖，以及由實驗數據繪制成的柱形圖、餅狀圖等都屬于數學模型。由于數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展特點，在初中階段對數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，讓學生在經歷建立數學模型、運用數學模型的過程中，體會如何通過數學的“語言”來描述、分析和解決問題，在挑戰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），嘗試發現其中的規律。

學生以計算公式的形式構造細胞表面積和體積比的數學模型，由該模型分析發現，隨著細胞長大，表面積和體積比越來越小。教師進而啟發：如果表面積和吸收營養物質有關，體積和消耗營養物質有關，那么隨著細胞的不斷長大會出現什么情況？這樣把數學和生物學聯系起來，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物質不能滿足細胞的消耗，就像一個人一樣缺乏營養，自然就長不大了。最后，教師呈現科學解釋：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，教師借助數學模型，引導學生從現象中揭示本質和規律，把看似復雜的生物學現象解釋得清晰明了。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。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”涉及的名詞概念多、易混淆，循環途徑抽象復雜，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”的認知規律，第一步是理清血液循環的途徑，即解決結構的問題;第二步是理解血液循環的本質，即解決功能的問題。關于血液循環途徑的學習，教師可以在學生觀察小魚尾鰭血液流動現象，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，體循環和肺循環的起止點都是心臟，在心臟處匯合組成一條完整的循環路線。此外，建?；顒咏o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，學生發現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、條理化狀態發展，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，從而夯實整個知識結構，提升認知水平。