淺議模型建構在高中生物教學中的教學價值及策略優化

丁志鋒

（蘇州市蘇州高新區第一中學 江蘇蘇州 215011）

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描述，這種描述可以是定性的，也可以是定量的。美國《國家科學教育標準》認為“模型是與真實物體、單一事件或一類事物對應的而且具有解釋力的試探性體系或結構”，并把模型和科學事實、概念、原理、定理及理論并列為科學知識的重點，并將構建、修改、分析、評價模型作為高中學生的基本科學探究能力。我國《普通高中生物學課程標準（2017年版）》也明確強調學生應“領悟建立模型等科學方法及其在科學研究中的應用”，并將模型方法規定為高中學生必須掌握的科學方法之一。模型方法是認識自然界的一種重要方式，也是理論思維發展的重要方式。

1 模型建構的教學價值

目前在高中生物教學中應用較為普遍的模型一般分為概念模型、物理模型和數學模型三種形式。在教學實踐中，教師引導學生自主建構模型，可以發展學生基于生物學事實和證據，運用模型與建模的方法對生命現象及規律進行正確的探索與歸納的能力，提升學生的生物學學科核心素養。

1.1 建構概念模型，促進科學本質理解

概念模型是指以圖示、文字、符號等組成的流程圖形式，對生命現象中所蘊含的規律、機理等進行描述、闡明，如對真核細胞結構共同特征的文字描述、生物進化理論的理解、穩態的維持和調節機理以及生態系統結構的表述等。建構概念模型可以使學生深入理解基礎知識、辨析知識點之間的聯系與區別，使知識結構化，同時有利于培養學生歸納、概括和語言表述能力，促進學生運用概念去認識生命現象，探索生命規律。

面對內在邏輯性較強、較為抽象的生物學概念時，構建概念圖是一種行之有效的教學策略。構建概念圖的過程是一種梳理概念層次關系、發現概念之間內在聯系的過程，可以在促進學生理解科學本質、形成生命觀念的同時，推動學生科學思維能力的發展。例如，在“現代生物進化理論的主要內容”部分教學中，種群基因頻率、可遺傳變異、自然選擇、隔離、新物種形成等概念繁雜且相互關系容易混淆，如何理解這些“自然選擇學說”的下位概念，如何理清這些概念之間的邏輯關系及其與生物進化的關系，如何將這些概念梳理整合形成現代生物進化理論的基本思路，是本節內容的教學難點。進行這部分內容教學時，教師可以引導學生在分組討論的基礎上嘗試構建現代生物進化理論的概念圖（圖1）。

圖1 磷脂分子在水—空氣界

1.2 建構物理模型，優化科學探究方式

建構物理模型是指利用實物或圖畫對原型客體的結構功能、特征和生理過程進行科學合理的再現。物理模型能夠將一些微觀的、抽象的內容具體化、形象化，如對細胞結構、生物膜流動鑲嵌模型、細胞分裂過程中染色體的變化、DNA分子結構、染色體變異等的直觀呈現。學生通過嘗試建構物理模型，既能克服對微觀結構、抽象過程的認知困難，又能充分體驗模型建構思維過程、領悟模型建構方法。物理模型建構活動是生物學研究的重要方式，能有效優化學生的科學思維習慣，引導學生從實踐層面探討、解決現實生活問題。

開展物理模型建構活動時，教師可以引導學生根據觀察到的現象和已有的知識，提出解釋某一生物學現象或事件的假說或模型，用觀察和實驗對假說或模型進行檢驗、修正和完善。在“生物膜流動鑲嵌模型”教學片段中，學生認知了磷脂分子的結構特點后，教師可創設以下研究情境：①根據磷脂分子的結構特點，分析判斷它在空氣—水界面上是如何排布的？嘗試構建相關模型（圖1）。②此時，如果充分攪動液面形成乳濁液，磷脂分子在乳濁液中是呈現球形還是一個平面呢？有可能會呈現怎樣的姿態呢？對已構建模型進行修正（圖2）。③結合1925年荷蘭科學家的實驗現象及細胞內外環境特點分析，最終生成生物膜中的磷脂分子的分布情況（圖3）。

圖2 水溶液中的磷脂（單層）面上展成單分子層模型分子團模型

圖3 水溶液中的磷脂（雙層）模型分子團模型

1.3 建構數學模型，深化理性思維培養

建構數學模型是指采用數學形式（函數、曲線、柱形圖等）描述一個系統或性質，如細胞分裂過程中染色體數目變化、種群數量變化、生長素的生理作用、生態系統能量流動等研究。隨著應用實踐的不斷深入和實驗技術的不斷發展，生物學部分領域的研究已不再僅僅局限于定性分析，而是通過實驗數據，充分使用數學方法來直觀、精確描述生命規律。

例如，在“探究不同濃度的NAA對垂柳插條生根的影響”實驗中，可以設置5×10-8～5×10-4mol·L-1的等梯度濃度NAA溶液，依據實驗結果，構建數學模型（圖4），形象地揭示了生長素對植物生根的作用規律。通過嘗試數學模型構建，學生在深入了解自然規律、掌握科學探究方法的同時，科學研究態度日趨嚴謹，并逐漸形成科學思維的習慣。

圖4 不同濃度NAA溶液對垂柳插條生根影響的曲線圖

2 模型建構的策略優化

在實施模型建構教學活動時，教師應結合學生認知規律、不同建模方式特點、學科核心素養發展要求等方面，對建模教學策略進行優化。

2.1 建構模式要遵循探究規律

模型建構模式一般為：觀察現象——提出假設——建構模型——實踐驗證——修正完善——得出結論等程序。這與科學探究的過程是極為吻合的。所以，模型的建立過程其實就是一個科學探究的過程，建構模式要遵循科學探究規律。為此，模型建構模式應具體包括以下環節：鉆研模型，即觀察研究生物學原型；模型假設，提出合理假設，去除原型內部非本質、次要的因素，探索原型內部的本質聯系；構建生物學模型；對模型進行檢驗和修正。

例如，在探究生物膜中磷脂、蛋白質的結構分布時，教師引導學生經歷科學史上的探究過程：羅伯特森根據電鏡實驗中觀察到的“暗-亮-暗”現象，結合“脂質折光性較強，在電鏡下觀察較亮；蛋白質折光性較弱，在電鏡下觀察顯得較暗”這一知識原理，提出“生物膜是由蛋白質—脂質—蛋白質構成的對稱靜態結構”的假設，并利用物理模型對細胞膜結構進行了初步構建。但其他科學家通過“綠色熒光蛋白的淬滅和修復”實驗以及“生物膜中的膜蛋白有的很容易分離，有的則很難”的實驗現象，否定了假設中的細胞膜“靜態”和“對稱分布”，并通過冰凍蝕刻電鏡技術對細胞膜進行了解剖觀察，從而對膜的三層靜態對稱物理模型進行了修正，最終構建出了“膜的流動鑲嵌”模型。學生在模型建構過程中，能初步掌握科學探究的一般方法，有效提升探究能力和科學思維。

2.2 建構過程要整合教學策略

開展模型建構活動時，教師應充分利用生物學事實和現象，創設合理的教學情境，激發學生探究熱情。在模型修正完善環節，教師可以設計問題串，補充科學事實和證據，以進行整合優化。對于一節內容的核心概念，教師可以運用概念圖策略將概念以及概念之間的意義關系進行重組和優化，促進知識的體系化構建。

例如，在探究生態系統生物成分類型時，教師可先播放一段森林生態系統的視頻，并將視頻中出現的幾種典型生物列舉出來，請學生根據生物獲取營養方式的差異對出現的生物種群進行分類，并講述分類的依據。學生在嘗試分類和闡述理由時，很容易通過生產者、消費者、分解者的營養特點歸納出各自的代謝本質，從而從本質上掌握了各生物成分的分類依據，最終構建出了生態系統生物成分的概念模型。在課堂設計時，教師如果能將教學情境創設、問題設置、類比推理等教學策略與模型建構過程進行整合優化，將對學生學科素養提升大有益處。

2.3 建構方式要接軌科技發展。

在構建物理模型時，教師不要在拘泥于塑料、橡皮泥等簡單的手工制作，可以關注并運用一些新興的科學技術制作物理模型，如3D打印技術和虛擬現實（VR）技術。在構建數學模型時，可以借助于數碼傳感技術獲取實驗數據，讓定量分析更精準、更有說服力。例如，在“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗中，可以利用氧氣傳感器實時監測氧氣的釋放速率，更加直觀呈現因變量。這樣的模型更能直觀模擬生命現象，解釋生命規律，揭示生命奧秘。

總之，模型建構方法是把研究對象（原型）的一些次要的細節、非本質的聯系舍去，以簡化和特征化的形式再現原型的各種復雜結構、功能和聯系的一種科學研究方法，因而能夠更加簡明扼要地突出原型的本質特征。模型建構在生物學教學中具獨特作用，特別是對學生的生物學學科核心素養的發展有重要作用。在教學實踐中，教師如果在模型構建過程中一味地機械墨守，可能會錯失很多“美妙”之景。課程標準目標的不斷提升要求教師關注細節處理，敢于創新，不斷優化，師生方能共享模型構建的美妙！