基于科學思維素養的模型建構例析

廖中富

【摘要】在高中生物教學中運用模型建構，對培養科學思維素養具有重要意義。本文立足于科學思維素養的視域下，進行模型建構例析。

【關鍵詞】模型;模型建構;科學思維素養

在生物教學中發展學生學科核心素養是新時期教師的一個重要任務。國家核心素養研究專家指出，要重視發展學生理性思維等核心素養，在課堂教學中要培養學生科學思維。庫恩認為，思維是智力發展的終極目標，教育的核心是發展學生的科學思維。實踐證明，將模型建構應用于生物教學中，有利于發展學生科學思維。

一、科學思維素養的內涵

是指尊重事實和證據，崇尚嚴謹的求知態度，采用適當的科學思維方法去闡釋生命現象，揭示事物規律，解決實際問題的能力。在教學中，教師要重視在學習過程中逐步培養學生的科學思維。

二、生物模型概念及種類

模型是對認識對象的高度概要性描述;可通過實物或其他直觀手段，也可借助抽象形式進行表達。模型建構是指借助數學符號、公式、材料、文字等，把微觀的事物生動展示出來。生物模型主要包括三種類型：

（一）物理模型? 如真核細胞的三維結構模型、DNA雙螺旋結構模型。

（二）概念模型? 如用文字和箭頭表示的光合作用過程圖解。

（三）數學模型? 如酶活性變化曲線圖、種群數量變化曲線圖。

三、發展科學思維素養的模型建構例析

在教學中，教師恰當運用模型建構能較好地突破教學重難點，提升課堂教學質量，對發展學生科學思維素養有重要意義。

（一）建構物理模型，加深理解生物學概念

必修一教材中有個很重要的核心概念是：“細胞是組成生物體結構與功能的基本單位”。為了幫助學生理解好這一核心概念，在講完“細胞的基本結構”后，我就布置學生利用課余時間去制作真核細胞的三維結構模型，目的是讓學生通過制作物理模型，加深理解各個細胞器的結構和功能，不同細胞結構之間的分工與合作。學生在構建細胞模型時要自己挑選材料、自行設計方案。學生之間要密切分工合作，不同學生制作不同的配件，不同配件制作好后再進行組裝，從而形成一個完整的真核細胞結構模型。通過建構物理模型，可激發學生學習生物的興趣，鍛煉學生的動手能力，培養團隊合作精神，提高學生認知水平，促進學生科學思維素養的發展。

又如，在講授“DNA分子結構特點”時，我首先跟學生分享了科學家沃森、克里克如何利用前人研究成果，再結合自身研究發現成功構建了“DNA雙螺旋結構模型”的故事。這兩位科學家在創建“DNA雙螺旋結構模型”時運用了很多科學研究方法，他們充分尊重科學家已有事實，采用歸納、抽象、簡化的方法，大膽舍去非本質屬性的東西，構建了一個形象、直觀、具體的物理模型。在講完“DNA雙螺旋結構”內容后，我還安排了學生利用課余時間嘗試制作“DNA雙螺旋結構模型”。學生通過親身制作模型，不僅領悟了模型構建方法，還大大加深了對DNA分子結構特點的理解，培養了學生的科學思維，加深了對生物學概念的理解。

（二）建構概念模型，訓練科學思維方法

概念是一種重要的模型即概念模型，概念圖的形成也是建立模型的過程。例如，光合作用的概念是科學家在經歷一系列探索實驗的基礎上，經過分析與綜合形成的。

在教學時，我先讓學生回顧初中學過的光合作用知識，簡述光合作用的概念，嘗試用化學反應式表示。接著設問：CO2、H2O是如何生成有機物和O2的？光能是怎樣存儲在有機物中？關于O2的來源學生提出有3種可能：可能來自CO2，可能來自H2O，可能來自CO2和H2O。教師可讓學生閱讀教材第102“思考.討論”第一段內容，經過師生共同分析，學生初步判斷O2來源CO2的可能性較小，最可能來自H2O。事實與推測是否一致呢？教師接著讓學生閱讀教材第102“思考.討論”第二段內容——希爾實驗。通過分析希爾實驗，學生明白O2來自H2O。教師進一步設問，能否確定O2全部自H2O？若要證明O2全部自H2O可采用什么方法，實驗的基本思路是什么？師生分析魯賓和卡門實驗后知道O2原來是全部自H2O。教師再引導學生閱讀阿爾農實驗資料，基于上面幾個科學家實驗，學生就獲知，光反應的物質變化、能量變化、反應場所。關于（CH2O）等有機物的來源，教師可補充卡爾文實驗，讓學生知道C的轉移路徑和反應場所，再引導分析光反應和暗反應內在聯系。學生在教師引導下通過小組合作，自主構建了光合作用概念模型（見下圖）。

經過系統的分析與綜合而形成的概念圖，能夠很好地將繁瑣知識點簡單明了呈現出來，形成清晰的知識網絡，便于整體記憶知識。長期進行概念圖的建構訓練，不僅有利于學生梳理知識，還可訓練學生的科學思維方法。

（三）建構數學模型，促進探究性學習

建構數學模型是解決新問題、探索新規律的有效途徑之一。通過構建數學模型，有利于培養學生透過表觀現象揭示事物的本質特性，培養學生敏銳的洞察能力和嚴謹的思維能力，實現由具體到抽象的思維轉化。例如，在講授《種群數量的變化》時，我是利用“問題探討”提供的信息，要求學生完成課本第66頁的表格，以培養時間為橫坐標，細菌的數量為縱坐標繪制變化曲線（如下左圖）。學生通過曲線圖可以直觀感受生命現象的規律，這種規律也可用數學公式展現。講完“種群數量變化”，我將全班學生分為5組，設計實驗去完成“探究培養液中酵母菌種群數量的變化”，一周后由各組學生代表分享實驗結果，以培養時間為橫坐標，酵母細胞數量為縱坐標繪制變化曲線（如下右圖）：

學生在教師引導下分析發現種群增長規律如下：在理想條件下種群數量以“J”型方式增長，在有限資源條件下以“S”型方式增長。教師通過引導學生對實驗數據進行歸納和抽象，通過建構數學模型來解決種群數量增長問題，極大促進了探究性學習的開展，也有利于培養學生的科學思維素養。

實踐證明，在生物課堂教學中恰當運用模型建構方法，確實能夠有效解決生物學的問題，提高學生科學思維素養，更好地達成生物學課程的教育目標。

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（責任編輯：伍靜儀）