高中生物學(xué)建模教學(xué)中如何發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維

黃金秋

摘?要?根據(jù)模型的不同功能進(jìn)行高中生物學(xué)建模課堂教學(xué)的研究，以高中生物學(xué)實(shí)踐教學(xué)的相關(guān)案例為載體，采用了“直觀化建模的引導(dǎo)與推進(jìn)、探究化建模的實(shí)踐與使用、邏輯化建模的解釋與預(yù)測”三種生物學(xué)建模教學(xué)為基本策略，以期促進(jìn)高中生物學(xué)教學(xué)中科學(xué)思維素養(yǎng)的有效達(dá)成。

關(guān)鍵詞?科學(xué)思維素養(yǎng);高中生物學(xué);建模教學(xué);策略

中圖分類號：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-7661（2020）22-0075-02

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版）公布的科學(xué)思維這一學(xué)科核心素養(yǎng)，是指尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識事物、解決實(shí)際問題的思維習(xí)慣和能力。學(xué)生應(yīng)該在學(xué)習(xí)過程中逐步發(fā)展科學(xué)思維，如運(yùn)用模型與建模等方法闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學(xué)社會議題。具備科學(xué)思維素養(yǎng)的學(xué)生不僅有能力獲取足夠的知識和技能，也有能力解決科學(xué)及生活中的問題。教師要在自己的建模教學(xué)課堂中，鉆研模型和建模教學(xué)策略，將其應(yīng)用于課堂實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，充分達(dá)成高中生物學(xué)課程的教育目標(biāo)。筆者就高中生物學(xué)教學(xué)中如何發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)，嘗試基于模型的不同功能，采用建模教學(xué)策略進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)踐研究。

一、直觀化建模的引導(dǎo)與推進(jìn)

在科學(xué)研究中取得的科學(xué)結(jié)論，常常要通過建構(gòu)模型、研究模型來解釋、預(yù)測現(xiàn)象，從而掌握研究對象的形態(tài)結(jié)構(gòu)和本質(zhì)特征。研究表明學(xué)生參與建?；顒涌梢孕纬蓪χR內(nèi)容的深入理解，增加解決實(shí)際問題的能力。建?；顒舆€具有促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)理解的作用?；灸Ｐ徒橛诶碚撝R和系統(tǒng)概念之間的層次，使基本模型在科學(xué)思維的養(yǎng)成中發(fā)揮著重要功能。研究表明關(guān)注模型的功能進(jìn)行教學(xué)可以加深課堂上學(xué)生對知識及模型建構(gòu)的理解。模型具有簡化的作用，可以用簡單的模型理解復(fù)雜的現(xiàn)象。構(gòu)建簡單模型便于從復(fù)雜的系統(tǒng)中抽提重要的要素進(jìn)行構(gòu)建，在模型出現(xiàn)問題時，易于找出關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行修正。開展高中生物學(xué)建模教學(xué)很重要的一點(diǎn)是為了解決實(shí)際的構(gòu)建模型問題，真正幫助學(xué)生深入理解知識。教學(xué)過程中，利用實(shí)際模型，可以根據(jù)學(xué)生的思維因勢利導(dǎo)，幫助學(xué)生理解和掌握概念和規(guī)律，從而更好地運(yùn)用直觀化建模體驗各種錯綜復(fù)雜的生物學(xué)概念或生理過程，進(jìn)行科學(xué)思維并應(yīng)用于實(shí)踐。例如，人教版高中生物學(xué)必修1《分子與細(xì)胞》第3章“細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)”一直是教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，傳統(tǒng)的教學(xué)方式是利用教材插圖或者幻燈片展示，在顯微鏡下觀察到的也只是平面結(jié)構(gòu)。學(xué)生對這些抽象微觀世界的細(xì)胞結(jié)構(gòu)的認(rèn)知囿于教學(xué)方式的限制，往往無法形成細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀。學(xué)生在課堂活動中動手參與細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建，在操作過程中把細(xì)胞核以及各種細(xì)胞器的形態(tài)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出來，通過模型與建模方法質(zhì)疑細(xì)胞結(jié)構(gòu)如何與功能相適應(yīng)。在自制模型的過程中，激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知興趣，提高學(xué)生的建模能力，推進(jìn)學(xué)生的思維進(jìn)程。學(xué)生在建模過程中得到認(rèn)知體驗，通過直觀模型的展示，使抽象的問題具體化，有利于學(xué)生自己有意識地去獲取知識并進(jìn)行更深層次的思考。通過高中生物學(xué)課程的學(xué)習(xí)活動，學(xué)生應(yīng)該能運(yùn)用模型與建模等方法探討生命現(xiàn)象、審視或論證生物學(xué)社會性議題;能夠?qū)⒖茖W(xué)思維作為一種可以帶到每一節(jié)生物學(xué)課堂并可延伸到日常生活的習(xí)慣。

二、探究化建模的實(shí)踐與使用

高中生物學(xué)教學(xué)中，模型在探究一個個新的生命現(xiàn)象過程發(fā)揮重要的作用。建模能力是一種探究能力，也是引導(dǎo)學(xué)生走向科學(xué)思維的途徑之一。在課堂上，教師引導(dǎo)學(xué)生利用儲備的科學(xué)知識，通過分析討論構(gòu)建出最具有說服力的模型。例如，在學(xué)習(xí)人教版高中生物學(xué)必修1《分子與細(xì)胞》第四章第一節(jié)“物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)膶?shí)例”時，雖然用肉眼無法直接觀察的微觀結(jié)構(gòu)可以利用光學(xué)顯微鏡來觀察，但是教師引導(dǎo)學(xué)生在課堂上進(jìn)行模型建構(gòu)活動探究動植物細(xì)胞的吸水和失水，希望通過學(xué)生科學(xué)思維獲取更好的結(jié)論。在課堂上教師展示兩根相同的白蘿卜條分別置于等量的清水和濃鹽水燒杯中，出現(xiàn)鹽水燒杯中的白蘿卜條變軟，清水燒杯中的白蘿卜條硬挺的現(xiàn)象。通過觀察現(xiàn)象提出問題：植物細(xì)胞發(fā)生滲透作用吸水和失水？設(shè)計課題模型之前，筆者首先引導(dǎo)學(xué)生對細(xì)胞結(jié)構(gòu)模型展開分析，討論出實(shí)驗現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是什么，引入原生質(zhì)層的概念和植物細(xì)胞發(fā)生滲透作用的條件。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生的科學(xué)思維轉(zhuǎn)入如何驗證植物細(xì)胞的吸水和失水，如何建構(gòu)“半透膜導(dǎo)致滲透作用”的模型。通過這樣的探究化教學(xué)激發(fā)起學(xué)生的建模興趣，再用構(gòu)建的模型解釋蘿卜條的生命現(xiàn)象，學(xué)生充分體驗建模過程，基于蘿卜條吸水和失水的事實(shí)通過邏輯論證說明植物細(xì)胞的滲透作用。通過探究化建模過程，利用科學(xué)思維途徑使學(xué)生真正理解滲透作用原理，學(xué)會運(yùn)用模型與建模等方法探討生命現(xiàn)象解決科學(xué)問題。探究化建模教學(xué)既有利于學(xué)生理解生物學(xué)概念，又能促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維能力的發(fā)展，真正落實(shí)新課程理念。

三、邏輯化建模的解釋與預(yù)測

“只見知識本位，不見知識本質(zhì)”是中學(xué)一線教學(xué)的典型瓶頸現(xiàn)象，教師在生物學(xué)教學(xué)的過程中更為重視知識表層的了解、識記與理解過程，而常常容易忽視知識背后的學(xué)科本質(zhì)、邏輯方法與思維體系等。教師可以在教學(xué)中采用邏輯化建模的教學(xué)策略展示思維邏輯、架構(gòu)知識體系，用模型解釋和預(yù)測現(xiàn)象，從而讓學(xué)生掌握高中生物學(xué)知識中更深層次的本質(zhì)特征與內(nèi)在聯(lián)系。筆者對人教版高中生物學(xué)必修3《穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》中第五章第二節(jié)“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”內(nèi)容進(jìn)行建模教學(xué)的嘗試。課前，教師給出生產(chǎn)者、初級消費(fèi)者、次級消費(fèi)者、分解者等模型構(gòu)成組分。學(xué)生根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)知識，得出能量簡單模型（圖1），并明確各組分占據(jù)的生物類群。教師提出問題：能量是如何輸入食物鏈的？又是如何在食物鏈中傳遞、轉(zhuǎn)化、散失的？首先，教師引導(dǎo)學(xué)生辨析生產(chǎn)者固定能量的來源，解釋消費(fèi)者在其中扮演的角色，說明分解者承擔(dān)的功能，進(jìn)一步修正能量流經(jīng)生產(chǎn)者的基本模型細(xì)節(jié)。接著，教師提出能量流入初級消費(fèi)者，請學(xué)生討論能量攝入、傳遞以及轉(zhuǎn)化過程，完善能量流經(jīng)第二營養(yǎng)級的能量轉(zhuǎn)化概念模型。經(jīng)過課堂建模過程，學(xué)生不但能用模型解釋“能量流動過程”的現(xiàn)象，也能用模型預(yù)測總結(jié)（圖2）。邏輯化建模教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生通過嚴(yán)密邏輯分析把握核心概念，學(xué)會如何邏輯思維清晰的使用知識解決問題。

在高中生物學(xué)教學(xué)中，重視模型和建模的理解，教師有目的地應(yīng)用建模教學(xué)策略在課堂中開展建?；顒?，引導(dǎo)學(xué)生掌握模型和建模知識，能使抽象問題直觀化、探究生命現(xiàn)象解決復(fù)雜問題、展示思維邏輯解釋和預(yù)測現(xiàn)象、說明生物本質(zhì)特征與內(nèi)在聯(lián)系。學(xué)生在觀察實(shí)踐的基礎(chǔ)上，有效開展各種模型建構(gòu)活動，養(yǎng)成科學(xué)思維，并最終利用建模思想探討生命現(xiàn)象、解決各種社會實(shí)際問題性。

基金項目：2018年度福建省基礎(chǔ)教育課程教學(xué)研究課題“應(yīng)用建模教學(xué)策略?提升學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)的研究”，課題編號：MJYKT2018-120;福建省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2019年度常規(guī)課題“學(xué)科核心素養(yǎng)導(dǎo)向的高中課堂教學(xué)預(yù)設(shè)與生成策略的研究”，課題編號：2019XB1194。

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