聚焦建模教學，發展科學思維

李能國

筆者自2006年以來，與邰玉韋老師共同研究了多項江蘇省重點省級課題和工作室項目，如“促進學生科學素養提升的生物學科教學研究”“中學生科學探究能力的評價研究”“生物學科關鍵能力的培養與評價”等，這些研究均指向發展學生的核心素養和生物學科核心素養與關鍵能力。目前，邰老師所領銜的常州市名教師工作室跟進的研究項目“生物學模型建構能力的培養與評價實踐研究”的開展，正是對其教學主張的進一步有效落實和深度教學拓展。聚焦建模教學能夠更好地發展學生的科學思維，可以從四個方面來理解。

一、建模教學體現了課程理念

生物學模型建構能力是科學思維能力的重要組成部分，而科學思維能力又是生物學科關鍵能力之一。邰老師課堂建模教學中運用的一系列策略，如滲透建模思想、重視科學引導、搭建建模腳手架、經歷建模實踐、運用模型解決實際生活的問題等，充分體現了《普通高中生物學課程標準（2017年版）》所倡導的課程理念。一方面，生物學課程是科學領域中的一門以探索性和實踐性為突出特點的學科課程，它具有豐富的、獨特的生物學知識體系，邰老師重視從科學探究能力、科學思維能力和實踐能力等方面著眼發展學生的核心素養，體現了生物學課程的學科特點和育人價值;另一方面，建模教學關注了學生在學習過程中的實踐經歷，強調了學生的主動參與，重視了在科學探究活動中讓學生完成課程任務，滲透了學科學習的基本思想、研究過程和方法，有利于學生獲得解決現實社會中問題的能力和素養。邰老師特別注重對探究與實踐過程的評價，而模型作品本身常常自發地彰顯著學生的個體差異和發展需求，成為課程學習過程中的有效評價載體。此評價方式直觀有效，符合學生的年齡特點，更有利于幫助學生認識自我、完善學習、樹立自信，促進學生核心素養的達成。

二、建模教學滲透了學科思想

生物學學科思想是人們在認識自然界各種生物變化的實踐活動中建立起來的思維意識，如在生物學學科素養培養過程中，需要幫助學生形成關注結構和功能相適應的思想，需要強調研究問題的思路應從特殊到一般，需要重視獲得數據或證據的觀察、實驗、實踐的思想等。邰老師強調建模教學應該立足于學生，以學生的探索發現心路歷程為導向逐步實現構建模型，讓學生主動進行探索交流。同時，邰老師和她的工作室團隊善于挖掘生物科學史中蘊含的豐富的科學思想、科學方法、科學世界觀、科學精神和科學態度等內容，并充分發揮其教育價值。如“生物進化的學說”這節課開展了接近加拉帕戈斯群島地雀實際生活的深度模擬建模活動，并滲透了類比推理的思想和方法，借助昆蟲翅膀和地雀鳥喙的鮮明特征，將抽象思維和形象思維進行融合，建構了生物進化的歷程和預測物種進化的模型，引導學生逐漸走進了達爾文的生物進化的基本思想和觀點，進一步理解了自然選擇學說是達爾文《物種起源》的核心思想。高中生物新課標中明確指出，要讓學生了解建模的方法和在科學研究中的意義。從邰老師的多節課堂教學設計、方案實施、問題解決的過程上看，建模不僅僅讓學生獲得一種研究生物學的方法，在模型建構過程中，當這些重要概念被逐漸賦予結構化、系統化和意義化的同時，展現的更是一種學生思維發展的動態路徑或生態模式，突出了事物的發生發展過程，即模型所表征的內涵具有強大的解釋與預測功能。這樣的模型建構過程讓生物學學習充滿了意味和情趣。

三、建模教學指向了深度學習

深度學習強調學生對知識本質的理解和對學習內容的批評性利用，追求有效的學習遷移和真實問題的解決。深度學習需要基于更有意義的教學設計和創新實踐，才能真正地解決真實問題。“模型建構”幫助學生形成解決疑難問題的生物學思想和方法，是促進學生積極、深入參與深度學習的重要途徑。建模教學需要進行梯度教學，需要解決一系列的情境問題，因此圍繞核心問題解決的發展性活動任務幾乎貫穿整節課堂教學。科學、技術、工程學和數學等的發展是相互促進的，邰老師在帶領學生制作模型作品的過程中，常常運用這些學科的概念或思想，一定程度上進行了跨學科概念的設計。如在“設計并制作一個立體的現代溫室大棚模型”項目任務中，她首先要求學生依據生活經驗和自主學習回憶相關知識與溫室大棚真實場景，提出自己的想法或需求，在A4紙上初步繪制一個平面模式圖。其次，為了更直觀地表征生物學意義上的結構與功能的適應性，學生在取舍模型材料時，需要充分比較和考慮多種可用材料的材質和性能，比如，優先選擇透明塑料盒來模擬溫室大棚，而不選擇其他彩色的材料，是因為學生理解了光合作用的條件是光;選擇飲料管模擬水管，因為水是植物光合作用的原料等。學生選擇了材料后，還需要對所選材料進行一定的加工，然后按照一定順序或規律組裝，組裝的過程中已經進行了立體模型圖的構畫與設計。再次，對作品做進一步完善。因此，基于模型建構的充分的自主活動是學生獲得深度體驗的重要方式，這種具有復雜問題情境的跨學科綜合，也是實施主題深度學習的條件。

四、建模教學發展了科學思維

科學思維能力指能夠基于生物學事實和證據運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創造性思維等方法，探討、闡釋生命現象及規律，解決生物相關問題的能力。科學思維培養需要依托概念的形成和伴隨科學探究活動的進行。“人體與外界環境的氣體交換”一節中“呼吸運動的發生過程”這個概念是動態的，理解起來較為復雜和抽象，既是教學重點又是教學難點。邰老師通過課堂教學開展了模擬建模探究活動，小組可以選擇小氣球、醫用V形三通塑料管、乳膠手套、PP材料塑料杯、剪子、橡皮泥、橡皮筋或細線等材料，制作一個簡易呼吸運動模型。操作探究并回答：①膈肌收縮（下拉乳膠手套），胸廓體積增大還是減小？此時，肺吸氣還是呼氣？②膈肌舒張（松手回升），胸廓體積增大還是減小？此時，肺吸氣還是呼氣？③用手連續捏幾下塑料杯的壁，觀察“氣球”有什么變化。④進一步猜想：肋間肌收縮時，胸廓會怎樣運動？體積怎樣變化？肺吸氣還是呼氣？制作并運用模型解決系列問題的過程促進了學生深度思考，加深了學生對概念的直觀體驗和理性認識，增強了學生對呼吸運動發生過程和原理的理解能力，幫助學生形成了結構與功能適應觀，發展了學生的科學思維，激發學生開展科學探究的欲望和興趣。

（作者系江蘇省常州市教育科學研究院副院長，常州市生物教研員、正高級教師、江蘇省特級教師）

責任編輯：孫昕

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