基于模型建構的解題思維策略

崔敏霞

（江陰市教師發展中心 江蘇無錫 214400）

《普通高中生物學課程標準（2017版）》在學業水平考試和命題建議中指出，試題情境應圍繞現實問題展開，有一定的信息量和適當的復雜度，能夠成為學生運用學科知識分析和解決實際問題的載體。這要求學生在具有一定生物學知識的基礎上，對生物學問題的本質特征進行分析、應用和評價，對科學思維能力的要求較高。模型建構是將抽象復雜的生物學知識直觀呈現的過程，它既是處理問題的一種重要手段，也是一種思維方式。將模型建構的思維方式應用于解題過程，有利于學生在特定的復雜情境中提取核心信息，建立直觀、快速的解題思維，發展具有生命觀念的科學思維方式。

1 促進新舊知識的整合

學習是在原有認知結構基礎上產生的，是把新知識和原有知識聯系在一起，積極建構新知識的過程。教師通過模型建構來激活學生已有的知識，建模的過程既是一個對原有概念進行抽取和提煉的過程，也是邏輯思維運用和發展的過程。在此基礎上，教師引導學生比較、分析和綜合題中提供的新信息與原有模型中呈現的信息，尋找新舊知識之間的關聯點和結合點，并對原有模型進行調整，建立新模型；再運用新模型對問題進行分析、演替和推理。

【例1】神經遞質甲會與藍斑神經元上的受體G結合，引起K+通道開放，使K+順濃度梯度轉移，影響幼年大鼠藍斑神經元的興奮性。推測神經遞質甲的作用是什么？

模型建構：首先，教師引導學生提取已知的神經調節相關認知建構模型，如神經纖維的靜息電位模型（圖1）和動作電位模型（圖2）。學生明晰題中的新信息，把已知（靜息狀態下K+濃度膜內高于膜外）和新知（神經遞質甲使藍斑神經元K+順濃度梯度轉移）結合，拓展原有模型，建構新模型（圖3）；再根據新模型進行演繹推理，K+順濃度梯度轉移的結果是使神經元的細胞膜兩側電位差加大，維持靜息狀態。學生從而推測神經遞質甲的作用是抑制藍斑神經元的興奮，屬于抑制性神經遞質。

圖1 神經纖維的靜息電位模型

圖2 神經纖維的動作電位模型

圖3 學生拓展建構的新模型

在解決此類問題的過程中，教師先用模型激活和呈現原有知識，促進學生把零散的知識結構化、隱性的知識顯性化，使學生從生物學視角獲取相關信息，尋找到新知和舊知之間的關聯點，開展知識遷移，提高思維的靈活性。在已有知識的基礎上，學生再依據新證據得出新的結論，發展思維的創新性。

2 厘清多因子間的邏輯關系

生物學研究的對象復雜而多樣，某個特定的生物學現象往往是多因子互作的結果。基于高考評價體系的生物學科試題強調綜合性和應用性，既有學科內容的綜合性，也有問題情境的復雜性。而復雜的情境一般具有較長的邏輯鏈。教師先引導學生從生物學角度，提取相關的因子作為建構模型的各個要素；然后，基于事實與證據，引導學生分析各要素的本質屬性及相互之間的關系，并通過分析、抽象和概括，用特定的符號進行表達，構建各要素之間的邏輯關系；再引導學生運用模型分析和解決問題。

【例2】某研究小組發現，血液中含有一種名為“GDF11”的蛋白質，其含量減少可導致神經干細胞中端粒酶的活性下降。因端粒酶在細胞中可以將端粒修復延長，而讓端粒不因細胞分裂而有所損耗，使細胞分裂次數增加。據此設想治療癌癥的思路。

模型建構：試題中的情境設置以概念和文字的形式呈現，涉及多個因子。教師引導學生閱讀和獲取信息，提取相關的物質和概念——GDF11、端粒酶、端粒、細胞增殖，把這幾個因子作為模型的各要素；再使學生明析各要素之間的關系是建構該模型的關鍵。例如，針對端粒酶對端粒的作用是修復延長，對此進行抽象和概括，用箭頭和“+”或“-”的符號進行表達，建構出相關的模型（圖4）（“+”表示提高或促進作用；“-”表示降低或抑制作用）。

圖4 學生構建出的模型

此模型可以直觀、清晰地呈現各因子之間直接或間接的相互邏輯關系，使內容簡約化、思維顯性化，有助于厘清多因子之間的邏輯關系，從而實現思維的流暢性和整體性。學生根據此模型能迅速推測：CDF11含量減少，最終導致細胞分裂次數減少；若想抑制癌細胞的增殖，應該減少CDF11的含量。在建構此模型的過程中，學生需要對信息進行綜合、抽象和概況，并運用模型進行推理、評估和解釋，這是科學思維的重要表現形式和鍛煉途徑。

3 聚焦問題的核心本質

生物和生命現象的復雜性和多樣性決定了在分析和研究問題時，需要透過現象尋找其本質屬性，才能了解紛繁現象背后的生物學規律。教師引導學生利用直觀感知獲取信息，并根據已有的生命觀念，判斷與該生命現象相關的生物學規律。然后，學生再根據規律對復雜事物作深刻剖析，并通過抽象的方法，把現象通過模型轉化為本質，把陌生的情境轉化成熟悉的場景，把復雜的問題簡單化，利用模型對問題進行分析和說明。

【例3】SOS1、SOS2、SOS3是擬南芥的三種高耐鹽基因，只有同時具有三種基因的個體才表現出高耐鹽性狀。某研究人員將這三種基因導入玉米細胞，成功篩選出了高耐鹽植株。由于導入的基因在染色體上隨機整合，出現了圖5所示的甲、乙兩種植株。若甲、乙自交，子一代中高耐鹽性狀的個體占比多少？（不考慮交叉互換）

圖5 導入基因的植株基因組成示意圖

模型建構：本案例中與高耐鹽性狀相關的基因有三種，且外源基因在導入過程中在染色體上是隨機整合的，因此導致了現象的發生是復雜且多樣的。根據已有的生命觀念判斷，該現象符合孟德爾遺傳定律。孟德爾遺傳定律指向的應是等位基因和非同源染色體上的非等位基因在親子代之間的遺傳規律。學生根據孟德爾遺傳定律對案例中的現象綜合分析后進行抽象，把模型簡單化、抽象化和符號化，SOS1、SOS2、SOS3三種基因合而為一，用常見的基因表示方法（如A/a、B/b）表示，進行圖6所示的模型轉化和建構。

圖6 學生構建及轉化的模型

在上述案例中，轉化后的模型能更好地體現該遺傳現象的本質，即分離定律和自由組合定律。在模型建構的過程中，學生需要對生物學現象運用科學的邏輯思維方法進行分析綜合、加工和改造，從而揭示事物的本質。這不僅僅完成了認識過程中由現象到本質的轉化，還能促進從不甚深刻的本質到更深刻的本質的轉化，因而有利于學生建立和發展具有深刻生命觀念的科學思維。

4 呈現科學表述的組織

科學的表達能力是衡量核心素養的一個重要指標。學生能否基于生物學觀點與原理，對生物學或生命現象作出合理的解釋和理性的判斷，多數情況下最終依賴于科學的表達反映出來。在原因解釋類表達中，把描述事實作為科學表達的第一步，根據題干信息和已知的生物學知識原理進行表述；然后，根據生物學觀點和原理分析事實或概念中的本質；再在事實和概念、知識之間建構橋梁，找出兩者是否存在差異，并根據差異判斷結論；最后用規范、簡潔的語言進行表述（圖7）。

圖7 科學表達的模型

【例4】DNA疫苗是直接將編碼保護性抗原的基因，通過體外重組與質粒結合，直接肌肉注射，從而使動物體獲得免疫力。若將來研發出豬瘟病毒的DNA疫苗，接種疫苗的豬是否可以稱為轉基因豬？原因是什么？

模型建構：根據模型建構的第一步，教師引導學生描述生物學事實：疫苗豬是通過肌肉注射重組質粒，從而獲得免疫力的動物（題干信息）；轉基因豬是將重組質粒導入受精卵并發育成個體的動物（已知原理）。學生再根據生物學觀點和原理，分析事實和概念的本質：疫苗豬是重組質粒進入體內后，保護性抗原基因刺激機體產生特異性免疫反應；轉移因豬是每個體細胞都有目的基因且在特定細胞中成功表達并可遺傳。然后，構建橋梁，差異推理：疫苗豬和轉基因豬的受體細胞不同，技術操作的不同，對機體產生的影響不同。規范表達為：接種疫苗的豬將部分體細胞作為受體細胞，因此不是所有細胞都有保護性抗原基因，且不能通過有性生殖遺傳，所以不是轉基因豬。

科學的表述能力是學生核心素養的綜合體現，它可以是科學探究的有機組成部分，也可以是生命觀念和科學思維的終端體現。無法科學有效地組織語言進行表述是學生目前存在的普遍問題。教師通過模型建構能把隱性的思維顯性化、模糊的概念清晰化、混亂的思維邏輯化，能幫助學生抓住事物的本質，并建立清晰嚴謹的邏輯關系，從而有利于科學表達。

科學思維就是具有意識的人腦對自然界中事物（包括對象、過程、現象、事實等）的本質屬性、內在規律及自然界中事物間的聯系和相互關系的間接的、概括的和能動的反映。學生利用模型建構解決生物學問題，能有助于抓住事物的本質、相互關系及內在規律，有效推動科學思維的發展，并由此領悟生物學研究特有的一般規律和思維方式，形成并發展具有生命觀念的科學思維。