概念模型建構在高中生物學教學中的應用
——以“免疫調節”高三復習課為例

北京 林曉晨

《普通高中生物學課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱課標)表示教師需要了解并且熟悉模型建構等科學方法以及這些科學方法在科學研究中的應用。通過這些方法來培養學生的建模思維和建模能力，學生能夠不斷獲取生物學的基礎知識，包括生物概念、原理、規律、模型以及基本事實等。課標中提出學生要能夠從不同的生命現象中概括出生物學規律，對可能的結果或發展趨勢作出預測或解釋，并能夠運用文字、圖示或模型等方式進行表述并闡明其內涵。由此可見，無論是在科學研究中還是在學習科學的過程中，生物模型都起著非常重要的作用，因此教師要利用好課堂，將學生的學習過程轉變為積極構建知識體系的過程，通過文字、圖示以及模型等方式不斷地引導學生走向獨立自學，既要讓學生掌握知識，也要培養學生的學習興趣，激發學生的學習積極性和主動性，進而提高學生的學業質量水平和學科核心素養水平。

一、模型及其類型分析

人教版高中生物學新教材必修1《分子與細胞》中提到了建構模型這一科學方法，模型是人們為了某種特定的目的而對認識對象所做的一種簡化的概括性描述，主要包括物理模型、概念模型和數學模型等。物理模型是指以實物或圖畫形式直觀地表達認識對象特征的模型，如人工制作或繪制的DNA分子雙螺旋結構模型、真核細胞三維結構模型等；數學模型是指用來描述一個系統或它的性質的數學形式，如“J”形種群增長的數學模型Nt=N0λt；概念模型則是對生物學中的某個問題、概念或者事物進行描述，表達概念與概念之間的聯系、表現知識的網絡框架的模型，通常運用箭頭、符號等將文字或概念之間連接起來，對真實世界系統信息進行再加工和簡化，進而直觀、形象地表示概念之間的關系。因此作為一種可視化思維工具，概念模型既是一種科學方法，也是一種教學工具。本文以概念模型建構為例進行教學案例分析。

二、概念模型的建構及應用分析——以“免疫調節”為例

1.教材分析

《穩態與調節》這一模塊涉及的相關知識是學生健康生活和終身發展所必需的內容，這些內容以系統的視角，從個體層面分析了生物實現穩態與平衡的重要機制，進而深化學生對生命系統觀的認識，該模塊涉及的基本概念、基本過程、基本規律以及基本方法等內容多且細，包含著大量零碎且復雜的知識點，因此需要師生共同探討設計，化繁為簡，以構建概念模型的形式將分散的生物學知識搭建成體系化的知識框架，有利于知識體系構建和學科核心素養的養成。

“免疫調節”作為選擇性必修1第4章的重要內容，是人體內環境穩態維持的第3種調節方式。在本章的學習中，學生會理解免疫系統為內環境穩態所做的貢獻就是免疫系統的功能。其中，免疫防御功能既是本章的教學重點，也是教學難點。為了提高閱讀性、趣味性和互動性，教材在“問題探討”“相關信息”“思考·討論”“旁欄思考題”“練習與應用”“科學·技術·生活”“與生物學有關的職業”“本章小結”等欄目中，教材補充了大量信息，這些信息對學生構建完整的免疫調節概念模型有著不可替代的作用，這也在提醒教師和學生們，要多角度、深層次地回應教材的提問，在課前預習、課堂學習、課后復習三個環節中注重學科核心素養的培養。在習得相關內容后，學生能夠學以致用，結合日常生活中的情境，分析說明人體通過免疫系統的調節作用對內外環境變化作出的反應，以維持內環境穩態(生命觀念、科學思維)，同時能夠評價多種生活方案，認同并采納健康文明的生活方式，向他人宣傳傳染病的防控措施(科學思維、社會責任)。

2.“免疫調節”概念模型建構

選擇性必修1教師用書中本模塊的教學建議提示該模塊內容比較抽象，教學難度大。在教學中，教師既要讓學生理解穩態調節的機理，又要避免增加學生學習負擔，需要創設合適的問題情境，引導學生通過資料分析、模型建構、思考與討論等活動，完成知識的建構。高三復習課中，為建構符合學生認知規律和更加科學、全面的概念模型，筆者對本章內容進行了重構，如將第4節“免疫學的應用”中與移植排斥反應有關的蛋白質——組織相容性抗原HLA放在了“特異性免疫”這一節中學習，便于學生理解特異性免疫中免疫細胞的識別過程(圖1)。

圖1

在教學中，筆者收集了學生們關于“特異性免疫”這一章節的相關疑問：

(1)抗原呈遞細胞中包括了B細胞、樹突狀細胞和巨噬細胞，它們對病原體的攝取、處理和呈遞功能是否完全一致？

(2)B細胞的活化需要兩個信號的刺激，機體如何確保這兩個信號來自于同一個病原體？

(3)激活B細胞的第二個信號來自輔助性T細胞表面的特定分子發生變化并與B細胞結合過程，該過程和“呈遞”有什么區別？

(4)細胞毒性T細胞對靶細胞的裂解也具有特異性，它如何識別不同類型的靶細胞？

(5)細胞免疫是在病原體進入宿主細胞后再啟動的嗎？

在分析學生的疑問時，筆者欣喜地發現，這是學生在認真閱讀完教材后，經過深思熟慮后提出的問題，說明教師和學生們強調的“用好一本書，學好生物學”的觀點已深入人心。為更好地理解免疫調節的全過程，解釋學生的疑問，筆者以新型冠狀病毒為例，分析機體產生免疫的過程，建構特異性免疫過程的模型，進而引導學生從社會中來，再到社會中去，從政策認同、社會關愛、現代科技自信等方面，引導學生健康安全地生活。

筆者以教材中圖4-6體液免疫基本過程示意圖為設計“底稿”，結合學生的相關疑問，將體液免疫過程進行擴充，指導學生繪制了體液免疫概念模型圖(圖2)：

圖2

結合圖2的概念模型圖，學生了解到輔助性T細胞的完全活化需要兩類抗原呈遞細胞的呈遞，第一步呈遞多由樹突狀細胞完成；第二步由B細胞來完成，但是B細胞必須識別同一抗原才能將抗原呈遞給輔助性T細胞，至此抗原呈遞工作才徹底完成，輔助性T細胞徹底活化，同時產生細胞因子。另一方面，B細胞的活化也需要兩個過程：①B細胞對抗原體的攝取、處理和呈遞，此時B細胞被初步活化；②徹底活化的輔助性T細胞與第一步中的B細胞相互作用，B細胞被徹底活化，并且表達出細胞因子受體。在細胞因子的誘導下，活化的B細胞發生細胞分化，產生漿細胞和記憶B細胞。

綜合上述分析，B細胞分化為漿細胞是一個復雜的過程，依賴于樹突狀細胞、T細胞、B細胞三者之間復雜的相互作用，為了確保B細胞和T細胞的特異性，它們必須接受到來自同一種抗原傳達的第一信號和第二信號，如果只有第一信號沒有第二信號，B細胞和T細胞不僅不能活化，反而會進入失能的耐受狀態。這樣“謹小慎微”的機制，確保了免疫調節功能的正常進行，既不可功能過弱，亦不可功能過強，這正是批判性思維的訓練素材，借此可以加強學生們對于穩態的理解。

針對學生的第4個疑問，筆者補充了組織相容性抗原的相關知識：人體中的有核細胞均會合成MHCⅠ類分子，當細胞被病毒等寄生病原體感染后，細胞內產生的抗原會與MHCⅠ類分子結合，而后被呈遞到靶細胞的細胞膜表面(圖3)；同時抗原呈遞細胞會將病原體的身份信息呈遞給細胞毒性T細胞(圖4)。

圖3

圖4

有了圖3和圖4的信息補充，再以教材中圖4-7細胞免疫基本過程示意圖為設計“底稿”，筆者指導學生繪制了細胞免疫概念模型圖(圖5)。

圖5

結合圖5的概念模型圖，學生再次明確細胞免疫的啟動要遠遠早于細胞被感染，即在靶細胞尚未出現之前就已經有可以識別靶細胞的細胞毒性T細胞了，這可以確保細胞免疫的及時性和高效性。另外，在細胞免疫和體液免疫中，都有抗原呈遞細胞對病原體的攝取、處理和呈遞過程，不同的呈遞對象對應著不同的免疫路徑；同時，輔助性T細胞釋放的細胞因子能促進B細胞和細胞毒性T細胞的增殖和分化，通過以上三個信息，學生更加確定人體的特異性免疫從感應階段、反應階段到效應階段，均是相互協調配合的整體，是不可分割、不可獨立的。

3.概念模型建構在“免疫調節”教學中的應用

3.1概念模型在復習課中的應用

“免疫調節”涉及的基本概念、過程、規律和方法等知識點和考點多且細，多為高頻考點。教師在教學和備考過程中要引導學生關注和強化基礎知識和核心概念，特別要注重概念的主次、延伸、區別與聯系的學習。對于本章的復習，筆者采用概念模型建構的方式帶領學生復習鞏固，打破課與課之間的界限，按照一定的邏輯順序重新整理知識點，在這個過程中學生不斷讓知識重現和內化，學生們在重新審視、梳理、綜合、重組后，一步步重建知識網絡，形成自我知識體系。

“免疫調節”專題復習教學設計

續表

本章復習課通過引導學生主動參與“免疫調節”概念建構，對抽象、零散的知識進行重新梳理與整合，進而理順各部分知識之間的內在聯系和規律，通過學生自主建構知識網絡，形成完整的知識體系，化繁為簡，達到靈活運用知識的目的。同時通過小組合作，學生之間的相互協作可以做到查缺補漏、互相反饋、相互督促、共同進步。這節復習課做到了以學生為主體，教師起到主導與評價作用，整體把握課堂進度與氛圍。

3.2概念模型在生物學習題課中的應用

生物習題是狹義的生物問題，是將反映生物現象、規律的生物問題經過一定程度的具體化之后的練習。因此，習題課是在學生已經掌握生物知識的基礎上，把知識遷移到不同的問題情境下加以應用、找出解決生物習題的規律方法的課堂。通過習題課學生可以深化對知識的理解，鞏固并熟練地應用知識，提升學科核心素養。

概念模型可以幫助學生整理清楚題目中重要的信息、次要的信息以及無關的干擾信息，厘清題干中信息與信息之間的關系，弄清楚它們之間的邏輯關系、因果關系等。利用概念模型解決生物習題的方式有兩種：一種是由模型重現概念模型；一種是由陳述性知識建構概念模型。下面筆者分別通過不同的習題進行展示：

類型1：圖6為人體體液免疫示意圖，下列有關敘述正確的是

圖6

( )

A.具有增殖分化能力的是細胞②、細胞③、細胞④和細胞⑤

B.過程Ⅱ、Ⅲ都需要細胞膜糖被的參與，過程Ⅶ主要發生在靶細胞內

C.機體再次受到同種抗原刺激時，人體消滅該抗原主要依靠細胞⑤的增殖、分化

D.細胞③的增殖、分化大多數需要細胞②產生的淋巴因子及抗原共同作用

本題考查了免疫調節的相關知識，重點考查學生對體液免疫要點知識的理解。學生需要將在課內所學的概念模型在該題中進行匹配和重現，梳理出細胞①至⑤的類別及過程Ⅰ至Ⅵ的名稱，本題就可以迎刃而解。個別學生錯選，主要是因為其對體液免疫調節的過程以及相關特點不熟悉，出現了“張冠李戴”的問題。

類型2：研究發現調節性T細胞具有抑制免疫反應的功能，防止免疫反應過度而損傷自身，調節性T細胞的數量由Mcl-l蛋白和Bim蛋白兩種功能相反的蛋白質決定，如圖7所示。下列疾病或應用中可能與Mcl-1蛋白的活性被抑制有關的是

圖7

( )

A.提高器官移植成活率

B.先天性胸腺發育不全

C.類風濕性關節炎

D.獲得性免疫缺陷綜合征

本題結合圖解，考查人體免疫系統在維持穩態中的作用，要求考生識記人體免疫系統的組成，解題關鍵在于掌握免疫失調引起的疾病的類型及原理，能結合圖中信息做出準確的判斷。分析可知，調節性T細胞數量由Mcl-1蛋白和Bim蛋白兩種功能相反的蛋白質決定，其中Mcl-1蛋白可使調節性T細胞數量增加，這可能會導致免疫反應過度而損傷自身，進而引發自身免疫病。而Bim蛋白會使調節性T細胞數量減少。

學生根據自己建構和完善補充的概念模型進行習題分析，總結出自己失誤的原因，再應用概念模型實現知識的遷移，同時實現自我評價分析與解答習題。經過反復訓練，學生慢慢實現了對概念模型的靈活應用，從而達到對概念模型的深化的目的。

三、概念模型構建在高中教學中的應用反思

教師通過創造性地運用教材、整合教材知識、靈活合理地運用各種教學素材，設計出適合當前教學內容和學生認知的概念模型教學設計，進而將其應用于課堂教學中，在教學中應該最大限度地發揮概念模型的作用，突出學生的主體作用，要做到教與學同步、教與學統一。在概念模型建構的過程中，學生可以通過小組討論以及教師和學生的互動相互交流概念模型建構的經驗。這些良好的互動關系可以充分發揮學生的主體地位，營造積極熱烈的課堂氛圍，培養學生的學習動機，激發學生的學習熱情，讓學生把大部分的注意力都集中在課堂上，減少了與課堂學習無關行為的出現，提高了學生課堂學習的注意力。