基于核心素養的高中生物模型建構教學研究

郝琦蕾 姚燦

摘? ?要?生物模型建構教學對學生形成科學思維、培養創新能力與實踐能力具有重要意義。建構物理模型的教學有助于培養學生的空間認知能力;建構數學模型的教學有助于培養學生的類比推理能力;建構概念模型的教學有助于培養學生的系統思維與邏輯思維能力;圖示圖表模型建構教學有助于培養學生的形象思維能力。模型建構教學存在的問題有：教師對模型建構教學不重視，引導學生建模意識不強;輕易否定學生所建立的模型，沒有引導學生對建構的模型進行檢驗和完善;模型教學中以教師為中心，學生極少動腦動手建構模型。基于研究提出相應建議。

關鍵詞 核心素養? 高中生物? 模型建構教學

2017年頒布的《普通高中生物學課程標準（實驗）》[1]強調培養學生的學科核心素養，在模型建構過程中探討、闡釋生命現象及規律，逐步發展學生的科學思維，形成生命觀念。學科核心素養是學科育人價值的集中體現，主要通過教學來實現。生物模型建構教學對培養學生思維能力、創新能力與實踐能力具有重要意義。

一、模型的概念及分類

模型是由元素、關系、操作以及控制其相互作用的規則組成的概念系統，是由一些外部表征體系來呈現的[2]。模型作為一個工具或一種媒介，幫助科學家們描述、解釋或者預測現象。在教育領域中將模型引入，通過模型將困難的知識點簡化、具體化、形象化，有助于學生掌握并理解所學知識。哈里森（A.G.Harrison）和揣古斯特（D.F.Treagust）于2000年將模型分類為[3]尺度模型、類比模型、圖像和符號模型、數學模型、理論模型、示意圖、圖表和表格、概念—過程模型等等。

生物模型是將生物學研究原型的一些次要的、非本質聯系舍去，形象簡約地表現生物原型或突出反映原型的主要特征和聯系的一種理想物質、過程或假想結構[4]。對生物教學而言，物理模型、數學模型、概念模型、圖示圖表模型已成為生物課堂上的主要模型。物理模型：是一種實物模型，或者是一種裝置，也可以是按照比例大小制作的模型，如檢驗植物呼吸作用中是否存在CO2的實驗裝置，心臟的模型，人腦的模型等。數學模型：能夠表示事物之間的數學關系、性質的方程式，應用數學的圖表等。如種群增長“J”型曲線模型的構建是在推導數學公式的基礎上完成的。概念模型：對概念等進行歸納整理，以知識結構體系來呈現，常用的概念模型是概念圖和思維導圖，通常用于復習總結課中。圖示圖表模型：是一種將描述的概念用圖形或者圖表來表示，區別于數學模型，并沒有表示數學關系，如有絲分裂的過程用畫圖的方式清晰地展現出來，用表格的形式比較主動運輸和被動運輸的特點。

二、高中生物模型建構教學案例及分析

1.物理模型建構教學有利于培養學生的空間認知能力

【案例1】建構真核細胞三維立體結構模型（以動物細胞為例）

教學目標：嘗試制作真核細胞的三維立體結構模型，體驗建構模型的過程。

教學器材：各種顏色的橡皮泥和卡紙，大頭針。

教學過程：（1）教師在課堂上講授模型的概念、類型以及原則（科學性、準確性、美觀性）。（2）安排學生小組活動，確定使用的材料用具，討論細胞器之間如何連接以及規定各個細胞器的顏色，制作時注意突出各細胞器結構特點，以便于觀察。（3）分工制作各細胞器;將各細胞器組合在一起，完整地呈現真核細胞結構模型。（4）小組成員查漏補缺，完成之后集體展示模型，進行組內自評、組間互評、教師評價，并提出完善建議。

在這節課上教師對模型概念及建模方法進行了介紹，讓學生對模型建構有了初步認識，教師將學生分為幾組進行合作學習，隨后學生充分發揮自己的想象力和創造力建構物理模型。建模教學是以全體學生積極參與為前提，鼓勵所有學生都參與到建構、驗證和應用模型的過程中[5]。通過模型建構教學培養學生的思維能力、合作學習能力和科學探究能力。

2.數學模型建構教學有利于培養學生的類比推理能力，形成科學思維

【案例2】教師引導學生回憶“大腸桿菌數量變化”，使用多媒體展示“澳大利亞野兔成倍數增長”數量變化，提出澳大利亞野兔數量增長的原因是什么，大致的數量增長曲線又當如何，學生討論分析澳大利亞野兔增長規律，確定與“大腸桿菌增長”曲線類似（假設在營養物質和生存空間沒有限制的情況下），幾次分裂之后發現大腸桿菌種群數量的公式為N=2n，呈“J”型。接著教師提出，若最初野兔的數量為10個，那么野兔的數量增長公式又是怎樣的呢？隨后教師帶領學生推理出Nt=No×λt這個數學模型。

教師將此節課堂分為兩部分，第一部分通過實例來計算并推導出數學公式，讓學生產生初步的建模意識;第二部分教師通過建構數學模型引出新知識的學習，讓學生意識到模型的重要性，隨后教師帶領學生由特殊到一般，從大腸桿菌種群數量N=2n推導出Nt=No×λt。此過程中學生探索數據背后的規律，培養了類比推理能力;借助數學模型學生更加容易理解生物學知識，促進科學思維的形成;同時幫助學生探索生命活動規律，形成生命觀念，嘗試將所學知識用于解決實際問題。

3.概念模型建構教學有助于培養學生的系統思維與邏輯思維能力

【案例3】教室里正在進行“走進細胞”的復習總結課的講授。課堂上，教師首先陳述生命結構和功能的基本單位是細胞，并將其作為概念圖中心，隨后引導學生依次從細胞的類型、作為結構基礎的原因、生命系統的結構層次等方面回憶知識，然后教師繪制概念圖，并讓學生抄到筆記本上。

由于概念圖直觀形象、簡明扼要，是學生進行有意義學習的重要工具，故被用在復習時查漏補缺，鞏固知識。一般來說，學生自己發現、建構的知識要比教師灌輸、學生記憶獲得的知識更為牢固。在這節課中，學生只是回憶知識，概念圖的構建基本是由教師完成，學生沒有動手繪制概念圖，可見，教師培養學生建模的意識不強。建模應以學生為中心，鼓勵學生搜集相關信息并自主建構知識概念圖，便于學生整體把握知識框架，更好地理解并記憶知識。學生自主歸納總結構思，有助于形成科學思維，而且學生自主繪制概念圖模型，強化和深化了原有的認知，提高了學習效率。

【案例4】在“人類遺傳病”這一節復習課上，教師引導學生回顧本章的知識要點，包括染色體異常遺傳病、多基因遺傳病、單基因遺傳病等，然后系統地講述思維導圖的制作方法，讓學生建立整體認識，形成人類遺傳病的知識結構。（第一步提煉“主題”和“次主題”。第二步按照思維導圖繪制的一般步驟，完成思維導圖。第三步師生共同進行補充、完善。）“主題”即是人類遺傳病，“次主題”是與人類遺傳病有關的知識要點，涉及的內容比較多。

思維導圖可以直觀地表達抽象的生物學概念和規律，簡潔明了地表現復雜的知識結構，幫助學生在宏觀上把握生物學知識體系，促進學生有意義學習，形成生命觀念。

4.圖示圖表模型建構教學能增強直觀性，培養學生的形象思維能力

【案例5】“有絲分裂”教學片段

活動過程：安靜的教室里正播放著“一個細胞經有絲分裂增殖為兩個細胞”的視頻，學生們聚精會神地觀看。教師帶領學生觀察有絲分裂前期內容，要求學生簡要描述主要變化。學生迅速地瀏覽，爭先恐后地回答：有“染色質絲”“縮短變粗”“并列”“一個著絲點”“核膜解體”“核膜消失”“紡錘體”。接著教師讓小組成員發揮自己的想象繪制前期的圖式模型，并在組內和組間討論比較展示，課堂氣氛非常活躍。教師對前期進行總結概括并畫出科學的“前期”圖，學生認真比較老師和自己的圖，修改完善。同樣的方式，教師帶著學生一起繼續發現，繪制分裂期其他階段的圖。

課堂上教師帶領學生找關鍵詞，并根據關鍵詞發揮想象，用示意圖直觀地表示出來，發現結構與功能相適應的規律，形成認識生命的基本觀念。

示意圖是一種清晰、簡單、明了的模型，學生獲得了直觀認識更易理解知識，加深對知識點的記憶，有利于培養學生的想象力和創造力以及形象思維能力。

三、高中生物模型建構教學的實施建議

模型建構教學存在的問題及建議：（1）學生在生物學學習過程中并沒有形成建模意識，說明教師引導學生建模的意識不強，重視不夠。在初中階段教師就應當培養學生的學習興趣，引導學生認識科學規律，探究模型建構的過程，在日常教學活動中滲透建模思想，為高中學習夯實基礎[8]。另外，在建模教學課開始之前教師要介紹模型的定義、類型、建構模型的方法與原則，在課中教師要引導學生主動建構模型，要求學生獨立完成模型的制作，并在下節課展示評價。（2）在模型完成后，教師不應該輕易地否定學生所建立的模型。在課堂上教師面向全體學生，讓每個學生都能參與到建模中，對做得不好的地方進行啟發點撥，對做得好的學生給予表揚鼓勵。模型完成后引導對模型持有懷疑態度以及模型建構存有缺漏的學生，回顧建模過程，找出存在的問題并進行查漏補缺。（3）有的教師直接對照模具講授新課，沒有引導學生主動建構模型，這種課堂仍然是以教師為中心，學生處于被動地位。教師應講授模型的建構方法，引導學生自己動手構建模型，教師點撥指導，發揮學生的主體作用，培養學生的建模能力。（4）建模教學由于圍繞模型展開教學，會打亂原有的教材順序，并減少內容覆蓋，這些會令教師感到不適應，且學生一開始需要花費時間來深入理解和訓練發展模型的技能[9]。因此，在預定某節課進行模型建構教學時，需提前對整節課做好時間安排。

建模實際就是學生根據知識內容，在大腦中將理想的模型構建出來，再動手實踐，并根據實際情況加以修改完善的過程。教師注重將建模思想和方法貫穿在教學中，引導學生積極主動建構模型，并適時給予針對性的點撥和幫助，培養學生發現問題、提出問題、分析與解決問題的能力。由于生物學與生活密切關聯，課堂上通過建構模型有助于學生深刻地認識生命現象及規律，形成生命觀念，并將所學知識應用于解決生活中的問題，增強學生的社會責任意識。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中生物課程標準：實驗[S].北京：人民教育出版社，2017.

[2] 陳凱，陳博，周宏.基于Netlogo的化學建模教學案例評析及反思[J].中國電化教育，2010（01）.

[3] Allan G.Harrison，David F.Treagust.A typology of school science models[J].International Journal of Science Education，2000，22（09）.

[4] 周玲，李其柱.開發與利用生物模型資源釋放學生潛能的教學原則和實施策略[J].中學生物教學，2017（21）.

[5] 張蕾.基于建構物理模型的學生評價初探[J].中學生物教學，2018（Z1）.

[6] 王韜.高考生物復習中概念圖的應用——以《生物·必修1.分子與細胞》為例構建知識網絡[J].中學生物教學，2018（1-2）.

[7] 趙卓，湯婷婷.思維導圖在高中生物教學中的應用[J].教學與管理，2016（30）.

[8] 王晶瑩，張躍，張洋.中學物理教師對科學模型教育認識的實證研究[J].全球教育展望，2016，45（02）.

[9]張靜，郭玉英.物理建模教學的理論與實踐簡介[J].大學物理，2013，32（02）.

[作者：郝琦蕾（1968-），女，山西臨汾人，山西師范大學教師教育學院教授，博士，碩士生導師;姚燦（1995-），女，湖北武漢人，山西師范大學教師教育學院在讀碩士研究生。]

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