模型建構在初中生物學概念教學中的應用

鄭雪萍

[摘要]在“神經調節的基本方式”的教學中，引導學生自制物理模型，掌握反射弧的結構和原理，使概念直觀化、具體化，有助于學生理解;應用圖式模型，使概念清晰化、簡明化;構建概念模型，使知識結構化、邏輯化;運用數學模型，使概念深度化、外顯化。

[關鍵詞]模型建構;生物學概念;物理模型;圖式模型;概念模型;數學模型

[中圖分類號]

G633.91

[文獻標識碼] A

[文章編號] 1674-6058（ 2020）23-0089-03

模型是人們為了某種特定目的而對認識對象所做的一種簡化的概括性的描述。在生物學中，模型的類型主要包括物理模型、概念模型和數學模型。模型建構是人類認知和科學探究的基礎，簡稱“建?！?。生物學學科核心素養包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任，模型建構是“科學思維”核心素養中的方法之一，是學生學習、認識事物的重要思維方法和能力。模型建構有助于人們研究和理解難以直接觀察或過于龐雜的事物，有助于人們形成和修正對概念的理解。《義務教育生物學課程標準》中提到要凸顯重要概念的教學，模型建構有利于學生對概念的學習和科學思維的培養。本文以人教版生物學七年級下冊《神經調節的基本方式》一節為例，闡述模型建構在初中生物學概念教學中的應用。

一、自制物理模型，使概念直觀化、具體化

物理模型是以實物或者圖畫形式直觀表達認識對象的特征。通過建構物理模型能夠將肉眼難以直接觀察的結構或過程簡單化、具體化和形象化。在《神經調節的基本方式》一節中涉及的生物概念比較多，且復雜、抽象，學生難以理解。教學時，教師可引導學生自制物理模型，從而直觀理解概念。例如，關于“反射的結構基礎——反射弧”，教材雖然結合生活情境以縮手反應為例，并以圖文的方式闡述反射弧的結構和完成縮手反射的過程，但是對于七年級的學生來說還是很抽象，他們難以用肉眼觀察到反射的過程。對此，在教學中可讓學生通過動手建構物理模型，直觀觀察反射的過程，理解反射弧的結構和反射過程中為什么會先縮手后感覺到痛的問題，從而建構起反射弧的概念。圖1為反射弧動態物理模型的制作材料，有表示反射弧的各部分卡片、一次性塑料注射器（不帶頭）、塑料管或輸液管（大、?。?、防水膠帶、長尾夾、藍色的液體（玻璃水）、紅色橡皮泥。藍色液體模擬信號，塑料管模擬神經，注射器模擬感受器。圖2是反射弧的動態物理模型，當推動注射器時（感受器接受刺激），就能看到藍色液體（信號）隨塑料管先傳導到效應器，再看到信號傳達到腦部，從而讓學生知道反射的過程和先縮手后感到疼的機理——完成縮手反射的路徑比感受到疼痛的反射短。

在模擬反射是如何進行的過程中，可激發學生思考：“如果神經沖動傳導途徑的某一環節出現障礙，反射還會發生嗎？反射弧完整，反射就一定會產生嗎？”這時可以提供長尾夾給學生，讓不同的小組模擬不同的環節出現障礙，然后分析出現障礙的原因。例如，有的小組模擬傳人神經出現故障時，把傳入神經用長尾夾夾著，這時學生可以看到信號無法傳遞到效應器和大腦，故手不會縮，也不會感覺到疼痛。通過思考問題和動手操作，學生逐漸樹立生物結構與功能相適應的觀點，充分理解了反射弧這一抽象概念。同時學生在操作過程中還提出了改進模型的想法。有的學生提出可以用透明小氣球模擬大腦、效應器，這樣就能看到模擬大腦、效應器的小氣球會鼓起來，表示看到了它們的反應。有的學生提出用電路代替液體的流動，用小燈泡變亮表示受到刺激的反應等。通過動態物理模型的建構，不但深化了學生對概念的理解，而且激發了學生的創造力，提高了學生的思維能力和動手能力。

二、應用圖式模型，使概念清晰化、簡明化

圖式模型是通過簡化的圖文表示特征的一種物理模型。前面通過動態物理模型理解了反射弧的結構和反射的過程，學生有足夠的感性認識，這時可借助圖式模型進一步使概念清晰化和簡明化。例如.眨眼反射、膝跳反射、縮手反射等反射都是通過反射弧完成的，反射弧是完成反射的結構基礎，不同的反射弧有著共同的結構模式（如圖3、圖4）。

通過圖式模型，讓學生分析歸納得出反射弧的結構模式都包含感受器、傳人神經、傳出神經、神經中樞和效應器五個結構，同時讓學生思考膝跳反射和縮手反射的神經中樞在什么地方。由此讓學生知道有些反射的神經中樞在脊髓，有些反射的神經中樞在大腦，從而為后面學習簡單反射和復雜反射做好鋪墊。通過圖式模型，使學生的感性認識上升到理性認識，鍛煉了學生的抽象思維，使學生對反射弧的概念有更加清晰的認識。

三、建構概念模型，使知識結構化、邏輯化

概念圖是思維工具，也是知識管理工具，是建構概念模型的有效工具。教師可以利用概念圖讓學生梳理本節課的知識體系，建構概念模型（如圖5）。在本節課中通過膝跳反射實驗、生活實例建構了反射的概念，通過縮手反射等實例、物理模型建構起反射弧的概念，通過實例理解反射的類型。由此可以讓學生回顧并寫出本節課的關鍵知識和概念，建構概念模型。不同學生建構出來的概念模型是不一樣的，讓學生完成概念模型之后進行展示和交流，不斷修正和完善自己的概念模型，進一步加深學生對知識的理解。

通過列表的方式進行概念模型建構（如表1），有助于學生深刻理解概念。列表的方式能呈現概念之間的異同，幫助學生解決易錯點。通過列表舉例分析，學生知道不是所有的反射都必須經大腦的參與，人和其他動物一樣，可以對具體的刺激，例如食物、光、聲音等建立起復雜的反射，但是人和動物是有區別的，人類還有特有的復雜反射，即能對抽象的語言、文字等信息發生反應。人類之所以能夠對抽象的語言、文字等信息發生反應，主要是人類的大腦皮層有語言中樞。

建構概念模型的過程能夠將學生的思維過程具體化，是對外部模型的建構和檢驗。通過概念圖、列表等方式建構概念模型，可幫助學生理解復雜概念和抽象概念，以及概念與概念之間的關系。同時通過學生建構的概念模型，可了解學生對知識掌握的程度，發現學生學習存在的問題，進而及時幫助學生修正和完善對概念與概念之間關系的理解，并幫助學生完成對知識的結構化和邏輯化的整理，有利于促進概念的轉變。建構概念模型是對學生思維更高要求的一種體現，不是一節課就能完成的，需要長期堅持對每一節、每一章、每一個單元的知識進行建模，促進新舊知識以及新知識之間聯系的建立，從而形成對生物學知識更系統的認識。

四、運用數學模型，使概念深度化、外顯化

數學模型是關于部分現實世界和為一種特殊目的而做的一個抽象的、簡化的結構，也就是現實世界中的客觀事物及其聯系在數據世界中是通過數學模型來描述的。本節課最后，學生小組合作設計探究“測定反應速度”的實驗，由學生提出問題、討論設計完整的探究方案，并實施方案。在實驗設計環節中，要求學生設計表格以記錄實驗數據。用表格數據來表示實體本身以及相互之間的聯系，是建立在數學理論上的，所以設計數據記錄就是在建構和運用數學模型，學生需要考慮二維表格中的關系。在這種情況下，教師可引導學生通過對探究問題進行分析，設置對照實驗，確定實驗變量。

例如，研究的問題是“同一個人注意力集中和注意力不集中時的反應速度是否相同”，那么設計數據表格時，學生要記錄的是人注意力集中時的反應速度和注意力不集中時的反應速度，這個反應速度是通過什么方法來獲得呢？也需要學生考慮，課本提示尺子刻度值的大小可以反映實驗者的反應速度。如圖6是探究實驗“測定反應速度”中A學生拇指和食指在開始和結束時的位置。能夠反映A學生反應速度的刻度值（單位：cm）是5 cm。然后考慮實驗的重復原則，需要多次獲取數據，并取得平均值，因此數據表格中應該還有測量的次數，從而建構實驗數據記錄表（如表2）。

最后讓學生分析數據，得出結論。還可以通過把幾個小組的數據進行整合分析，得出更有說服力的結論。

數學模型能夠把復雜關系簡單化、外顯化，讓學生能抓住事物本質進行分析，有助于學生理解能力和探究能力的發展。

模型的優點是呈現了復雜生命現象中的本質，有利于學生對復雜事物和概念的理解。然而，模型只是具體事物和過程的一種近似的表示方法，不可能完全代表實際事物和過程。因此，在模型建構教學中，要注意不要用模型把事物和過程太簡單化和固化，這不利于學生對事物和過程的全面認識。應讓學生明白模型只是認識世界的一種方法，而不是萬能的。我們在模型建構的過程中，現有的模型并非是一直不變的，再好的科學模型也只是某個階段認識上的反映，它是可以不斷去改進和修正的。在這一過程中，可讓學生不斷地去建構、應用和檢驗模型，更好地掌握模型建構的方法，促進學生生物學學科核心素養的發展。

[參考文獻]

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（責任編輯 黃春香）