在建模教學中落實生物學學科核心素養

李子音 謝群

摘要 分別從建模教學目標、教學活動、教學評價三個方面探討了建模教學中生物學學科核心素養的落實。

關鍵詞：生物學學科核心素養，高中生物學，建模

中圖分類號G633.91文獻標志碼 B

諾貝爾獎獲得者勞厄說過：“重要的不是獲得知識，而是發展思維能力。教育無非是一切己學過的東西都遺忘掉的時候，所剩下來的東西。”教育的終極追求并不僅僅是知識，還在于學習過程中積淀下來的東西，即人的核心素養。在新一輪高中生物學課程改革中，核心素養成為改革的“靈魂”。如何把生物學學科核心素養落實到課堂教學中，實現課堂教學轉型，已經成為高中生物學教師必須思考的課題。

模型與建模思維是生物學核心素養重要要素之一。因為，學生在模型建構過程中往往需要進行觀察或實驗、歸納和演繹，需要運用已有知識進行假設、模擬，將復雜的事物進行簡化，抽象出其本質屬性。在模型建構結束后，需要針對實際問題進行反饋性批判，還需要質疑和創新等要素的參與。因此，高中生物建模教學是培養學生生物學學科核心素養的重要途徑。

1基于學科核心素養的建模教學目標

教學內容是學生在一堂課中要學習的課程內容，也是學生達成學習目標的載體。學生通過對教學內容的學習，可以達成教學目標。每一節課的教學目標的實現，綜合為生物學學科核心素養的形成。

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》中給出了“生態系統的穩定性”的教學目標案例，具體內容如下：

目標1：通過對案例的分析討論，能用物質能量的輸入和輸出平衡觀點，認識具體生態系統的穩定性。

目標2：通過對生態系統各種成分功能和營養結構關系的討論，以及運用反饋調節的原理，能初步判斷不同生態系統維持其穩定性的相對能力。

目標3：能夠根據生態系統各種成分、結構以及數量關系構建穩定性生態系統模型，并制作簡易生態瓶。

目標4：能夠為常見生態系統的合理利用和維持可持續發展提出有價值的建議。

案例中的教學目標是依據內容標準、學業要求和學業質量標準制定的。目標1～4分別指向生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任。這四個目標之間相互有交叉，每個目標中可能還含有對其他素養的要求。這表明任何一個教學內容都包含核心素養的四個要素。但是，不同的教學內容對核心素養的不同要素的要求是有側重的，并不是每一個教學內容都必須幫助學生全面養成核心素養四個要素的。對于模型建構教學內容，對學生核心素養多個要素的發展都有幫助，但主要是對科學思維和生命觀念核心素養的發展更有幫助。核心素養幾個要素的協調發展是制訂教學目標的出發點和課堂教學活動實施的落腳點。

2 基于學科核心素養的建模教學活動

2.1 基于學科核心素養的物理建模教學

構建物理模型就是基于生物學對象的特征，將抽象的生物知識以實物或圖畫等直觀具體的形式展現出來，促進對生物學本質的理解。例如，開展“生物膜的流動鑲嵌模型”這一教學內容時，先將微觀的結構簡化，把握其主要特征，再將這些特征形象化、具體化重現是該活動的思維要點。所重現的重要結構準確，能體現有關結構的主要特點，所模擬的過程符合己知科學事實，所建立的模型實物既簡單又準確科學是該教學活動的關鍵。

在教學過程中，教師先播放白細胞吞噬病菌的動畫，使學生直觀地認識到生物膜具有流動性，幫助學生理解生物膜特點，進而使學生逐漸形成生命觀念中的結構與功能觀。接著，可以給學生分發相關材料，讓學生制作模型并展示、交流與評價，使學生能夠基于生物學事實分析生物膜的流動鑲嵌模型，培養學生科學思維，樹立創新意識與創新精神。學生通過“羅伯特森的電鏡實驗”與“Larry Frye等進行的人鼠細胞融合實驗”等科學史的學習，意識到要理性分析解釋科學現象，養成勇敢質疑的科學精神，形成投身科學、積極探索生命奧秘的社會責任與擔當。

2.2 基于核心素養的數學建模教學

在高中生物教學過程中，教師可以結合具體教學內容引入數學思維，以生物學科知識為主，培養學生數學建模思維，幫助其更高效地掌握生物學科知識。例如，針對“建立種群增長的數學模型”這一教學內容，從具體案例中推演出建構數學模型的基本規律是該教學活動的關鍵，根據具體情景抽象出數學規律，并用公式或圖表的形式表達是該活動的思維要點。

教師可以用瀕危動物華南虎數量驟減這一實例導入，引發學生對種群數量變化的關注，進而引導學生利用數學方法揭示生命現象的規律。教師借助生活實例、數學模型建構、小組探究等教學環節，使學生學會建立數學模型，讓學生理解生態系統通過自我調節保持相對穩定的狀態，進而形成穩態與平衡的生命觀念。并借助探討“J”型曲線、“S”型增長曲線之間陰影面積的生物學意義，提高學生探究能力，促進學生用學到的知識解釋相關社會問題，增強學生的社會責任感，從而達到培養學生生物學學科核心素養的目的。

2.3 基于核心素養的概念建模教學

構建概念模型時.教師可以引導學生基于生物學現象挖掘出其內在本質，并用概念的形式將這些關系加以表述。例如，在學習“建立血糖調節的模型”時容，教師先將難以直接觀察到的過程形象化，再在此基礎上抽象出該過程的關鍵特點是該活動的思維要點。模擬過程簡明扼要，分析抽象出調節過程的規律，即獲得概念模型的過程是該教學活動的關鍵.

該教學內容可以小組合作的形式開展，每位學生都有明確的學習任務，從而提高學生的探究能力。教師可引導學生小組合作構建血糖調節的過程，并歸納總結出馬拉松運動員運動時血糖調節模式圖。教師要及時捕捉，并挑選學生在探究過程中產生的新的核心問題在課堂上解答。學生構建完概念模型后，教師可以借助黑板、多媒體、圖片、道具等方式讓學生進行多樣化的交流展示。學生回顧血糖調節的過程，掌握本節課的核心概念——反饋調節并且能類比推理體內其他激素調節過程，從而促進結構與功能、穩態與平衡的生命觀念形成，并發展演繹與推理、批判性思維。最后，學生嘗試舉例說明生活中反饋調節的實例，在了解預防日常疾病知識的過程中，形成健康生活、關愛生命理念，發展社會責任素養。

3 基于核心素養的建模教學評價

在完整的教學體系中，教學評價是一個重要的組成部分。新課改背景下，教師要將學生核心素養的形成放在首位，而非單純片面的強調知識的掌握情況。關于模型和建模，Justi和Gilbert提出了科學教育的三個主要目標：①學習主要的科學模型;②了解模型和建模的性質;③學習使用模型。教師要多關注學生對模型的理解和學生建模能力的評估，應該增加模型的生成、評估和修改之間的系統循環，而不是只流于學生表面的動手操作，以此促進學生對生物模型和建模的更復雜的理解，從而促進學生對生物學本質的更深入的理解。

此外，加拿大學者Saari和Viiri發現，接受了一系列建模指導的七年級學生對模型的概念比沒有接受任何模型指導的九年級實驗組學生更加先進。因此，在建模活動前，教師應講授模型的建構方法，引導學生主動建構模型。在學生建模活動過程中，教師要積極關注學生的課堂表現，仔細觀察學生對模型的的構建、使用、修改和評價情況，對學生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，教師還要引導學生回顧建模過程，鼓勵學生對模型持懷疑批判態度，找出存在的問題并進行查漏補缺。學生通過教師的評價指導有針對性地對模型進行優化改進，積極探究、闡釋生命現象及規律，體驗建立模型的思維過程，發展科學思維，形成生命觀念。

模型建構能夠讓學生親歷從現象到本質的過程，學生既可以獲得基礎的生物學知識，又能領悟生物學家在研究過程中所持有的觀點以及解決問題的思路和方法。在某種意義上，理解模型和進行模型建構活動是學生理解生物學的一把鑰匙。教師真正要做的就是讓學生使用好這把鑰匙，以此促進生物學學科核心素養的形成，真正發揮生物學教學對發展學生核心素養的作用。