模型建構培養高中生物科學思維核心素養的研究

摘 要：基于高中生物新課程改革的要求，高中生物教師在開展課堂教學時，必須從“教書型”轉向“研究型”教學，大膽創新教學形式和方法，旨在引領學生獲得思維的發展，真正落實生物核心素養下的教學目標。在這一背景下，將生物建模教學法融入生物課堂教學中能夠最大限度地提高課堂教學質量，并促進學生科學思維核心素養的發展。基于此，本論文分析了新課程改革下高中生物課堂教學現狀，并結合具體的課堂教學實踐，針對模型建構在生物課堂教學中的具體運用進行了詳細的研究，僅供參考。

關鍵詞：高中生物;模型建構;思維;核心素養;教學模式

中圖分類號：G63? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1673-9132（2022）16-0060-03

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2022.16.020

隨著新課程改革的不斷深入，高中生物教師不僅要關注理論知識的教學，還應培養和發展學生的科學思維，使學生逐漸形成建立模型、演繹推理的能力，最終提升學生的生物綜合素養。在這一背景下，構建生物模型得到了應有的重視。與傳統的課堂教學模式相比，利用生物建模這一教學手段開展教學活動，可使學生在觀察、分析、歸納的過程中深刻理解生物知識，并運用所學的知識解決實際生活中常見的問題，最終促使學生在學習中形成科學的思維能力。基于此，筆者結合課堂教學實踐，針對模型建構在生物課堂教學中的具體運用進行了詳細的研究。

一、新課程視域下高中生物課堂教學現狀

在調查和研究中發現，高中生物課堂教學現狀與生物核心素養的要求相差甚遠，依然存在諸多問題，集中體現在以下五個方面。

（一）應試教育理念依然存在影響

目前新課程改革已經進入深水區，同時新的教學觀念應運而生。但就高中生物教學現狀來說，多數教師依然束縛在應試教學理念中，以提高學生的考試成績為首要目標，獨霸生物課堂，沒有給學生提供思考和交流的時間、空間。在這種教學理念下，高中生物教師常常圍繞高考重點大講特講，沒有充分凸顯學生的主體地位，嚴重制約了生物課堂教學質量的提高，阻礙了學生科學思維的發展。

（二）教師的綜合素質有待提升

新課程改革不僅僅是對課堂教學的改革，也對教師提出了更高的要求，要求教師不僅要具備先進的、科學的教學觀念，還應具備極強的專業素養、教學能力。只有這樣才能更好地滿足新課程背景下的生物教學要求。但在調查中發現，當前高中生物教師自身的綜合素質尚且不能滿足新課程改革的教學要求，教師的理念比較陳舊，教學能力有限，不能靈活使用多樣化的教學手段，無法實現教學內容的拓展和延伸，常常局限于教材中，在很大程度上制約了生物課堂教學質量的提升。

（三）課堂教學方法單一

高中生物學科知識點繁雜，在高中生物教學中只有將知識點變得更加系統有序，才能促使學生在系統化的學習中加深知識點的理解、內化，最終實現生物知識的高效學習。但在調查中發現，當前生物教師在開展課堂教學時選擇的教學手段比較單一，基本上都是按照教材上的內容開展教學，只是將知識原封不動地傳授給學生。這種教學模式單一、滯后，導致生物課堂枯燥乏味，嚴重制約了學生的積極性，無法有效提高高中生物課堂教學質量。

（四）忽視學生的主體地位

在現代化教育理念下，只有尊重學生在課堂上的主體地位，引導學生以課堂主人的身份積極參與到知識的探究學習中，才能促使學生在探究中逐漸形成科學的思維。但在調查中發現，高中生物教師在開展課堂教學時深受應試教學理念的束縛，往往忽視學生的課堂主體地位，沒有在課堂上給學生留有足夠的探究時間和空間。甚至是原本需要學生積極探究的問題，教師也是采用灌輸和講解的方式解決問題，直接忽略了學生的思考和探究過程，嚴重制約了學生科學思維素養的發展。

（五）生物實驗的機會比較少

基于生物學科的特點，生物實驗是課堂教學最重要的組成部分。通過有效的生物實驗，學生在實驗操作、觀察的過程中可對生物理論知識形成深刻的理解，提高自己的觀察、思維、探究能力。而在調查中發現，在高中生物課堂教學過程中，受到多種因素的制約，教師預留給學生實驗探究的機會比較少，基本上都是通過演示實驗、講實驗的方式進行的。如此，嚴重束縛了生物實驗的教育價值，制約了學生科學思維的培養[1]。

二、模型建構培養高中生物科學思維核心素養的具體運用

（一）構建結構模型，強化觀察和分析能力

在高中生物教學中，由于知識點繁雜且知識點具備一定的難度，學生在學習的過程中常常面臨較大困難，這不僅制約了學生的學習效果，甚至還會打擊學生的學習熱情。基于此，為了促使抽象知識形象化，加深學生對所學知識的理解，高中生物教師在優化課堂教學時就可通過構建生物模型的方式將抽象的知識具體化，以便于學生更加直觀地學習生物知識，提升學習的效果，進而為促進科學思維發展奠定堅實的基礎。例如，在“生物細胞知識”的教學中，由于這一部分的內容比較抽象，學生在學習中很難對其進行深刻的理解。面對這一狀況，高中生物教師在優化課堂教學時就可以借助生物模型的方式將抽象的知識形象化。具體來說，教師可以給學生提供一段生物知識內容：“一個成人大約擁有100萬億個細胞，而這些細胞都源于一個細胞。”同時，教師可以結合教學內容，為學生提出問題：“人類為什么會擁有如此多的細胞，為什么細胞會這么小？”這個問題和情境的設計，喚醒了學生的求知欲望。接著，教師引導學生開展建模，將細胞假設為立方體，并將立方體的邊長設置為2cm、4cm、3cm、5cm，引導學生對立方體的表面積和體積進行計算。待到學生看到計算結果之后，就會對細胞大小產生清晰的概念。如此一來，生物結構模型的應用，使得原本抽象的生物知識變得更加具體化、直觀化、形象化，不僅降低了學生的學習難度，促使學生更好地掌握相關知識，也促使學生在學習的過程中發展了自身的科學思維能力[2]。

（二）構建概念模型，明確知識內在聯系

在高中生物課堂教學中，生物知識繁多且復雜，其中包含的概念性知識非常多。以往學生在對這些生物概念知識進行學習的時候，基本上都是通過死記硬背的方式進行的。在這種學習模式下，即便是學生在死記硬背中掌握了這些概念知識，但學生常常不知道這些概念的相通性，無法實現知識的融會貫通。基于此，為了提升高中生物課堂教學效果，促進學生的科學思維素養發展，教師就可以靈活借助概念模型的方式進行教學，將概念生物模型融入課堂教學中，并將不同層次的生物概念內涵、概念外延等進行清晰的闡述，以便于學生更好地掌握生物概念。例如，在教學“有氧呼吸過程”相關概念時，教師可以遵循以下流程構建生物概念模型：首先，對課本中文字表述進行分析，嘗試將有氧呼吸三個階段的反應式進行總結和書寫;其次，依據歸納的知識，寫出與構建對象相關的元素，即：有氧呼吸過程中涉及的反應物、產物等;再次，對建模中各個組成的要素進行合理安排，并添加與其相關的文字信息，包括：酶、能量、反應階段、反應場所等，使得概念模型更加精準、完善;最后，對生物概念模型進行完善、校對和繪制，并添加相關的圖注[3]。如此一來，通過生物概念模型的構建并對生物概念之間的內在聯系進行清晰的表述，學生可以在概念模型的幫助下深層次地理解概念。同時，學生在生物模型的建構中也逐漸形成了生物學大概念，提高了歸納能力、概括能力，奠定了科學思維發展的基礎。

（三）建構實物模型，強化學生的空間想象素養

實物模型是高中生物建模中常見的一種形式，主要是借助實物的形式，對生物知識發生過程、結構特征進行更加直觀的表達。尤其是在高中生物課堂教學中，通過簡單的實物模型將復雜的生物知識轉化為簡單的知識，以便于學生在學習中實現科學思維的培養。尤其是在現行高中生物教材中給出的圖形基本上都是平面圖，給學生的生物學習、科學思維能力培養等帶來了較大的難度。面對這一現狀，為了促進學生科學思維能力的培養，教師在構建生物模型時就可借助實物模型，引導學生在直觀感知下對生物知識的空間結構形成深刻的認識，最終強化生物知識學習效果。例如，在教學“生物膜流動鑲嵌模型”相關知識時，學生通過教材上理論知識的學習，可初步掌握本章節中的理論知識，并形成基本的歸納、總結等思維能力。為了引導學生對本章節內容形成更加深刻的理解，強化學生的歸納能力、總結能力，教師就借助了實物模型，引導學生以紅色的黏土代表磷脂分子的頭部，以火柴棒代表磷脂分子的尾部，以白色黏土代表蛋白質，綠色黏土代表糖類等，將“蛋白質、磷脂、糖類”這三大有機物質的形態特征直觀地展示出來，最終建立細胞膜的流動鑲嵌模型。如此一來，應用實物模型將抽象的知識直觀、形象地呈現出來，也促使學生在學習中發展了自身的觀察、空間想象素養等，為科學思維發展奠定了堅實的基礎[4]。

（四）建構過程模型，提高學生的學習效率

高中生物知識常常涉及生物活動規律的探究、能量流動機理的闡述等內容。這些內容伴隨著能量或是生物數量的動態變化過程，比較抽象難懂，導致學生無法深入理解其中的生物原理。基于此，教師可以構建過程模型的形式開展教學活動，通過流程圖的形式將生命活動規律或者生物現象機理直觀地展示給學生，幫助學生更好地理解生物現象的動態過程，把握生物知識的內在規律。例如，在教學“能量流動”相關知識時，教師可以通過問題的形式引導學生構建食物鏈中能量流動的過程模型，幫助學生深入理解生物鏈的本質和能量流動規律。如在草（生產者）、兔子（第二營養級）、狐貍（第三營養級）、老虎（最高營養級）組成的食物鏈中，能量是單向流動的，除了流向下一營養級以外，能量會以呼吸、排泄等方式散失。因此，可以構建能量流動的過程模型“草（生產者）—兔子（第二營養級）—狐貍（第三營養級）—老虎（最高營養級）”，然后表明能量流向下一營養級的數量。這樣就能夠直觀地計算出能量的傳遞效率，理解在生物系統中能量的流動方向、效率和方式，提高學生的學習效率，培養學生生物核心素養。

（五）構建數學模型，探究本質規律

在高中生物建模教學中，數學模型是其中最重要的一種。數學模型在高中生物知識的應用可充分發揮數學知識的服務價值，以便于學生在學習的過程中一目了然地學習生物知識，并運用數學思維方法培養學生的科學思維素養。因此，高中生物教師在引導學生構建生物模型時可結合所學的內容，以表格、曲線、公式等數學模型將其呈現出來，進而促使學生在數學模型的輔助下加深生物知識的理解。例如，在“酵母菌種群數量變化規律”的教學中，為了培養學生的科學思維素養，就融入了數學模型。首先，教師可以結合本章節的內容以及生活中利用酵母菌發酵制作視頻的現象創設情境，并隨之提出問題“培養液中的酵母菌種群數量是如何變化的？”接著，教師結合教學內容提出合理的假設，并將具體的假設內容列舉出來，即對酵母菌種群數量的外界影響因素進行探究;再接著，引導學生開展實驗，得出實驗數據，并依據實驗數據構建坐標圖，以X軸作為時間軸，以Y軸代表種群數量，最終繪制出種群數量的變化曲線圖。如此一來，通過數學模型的應用，學生可在直觀、形象的曲線、數學公式中精準把握酵母菌種群數量的變化規律，提高了自身的學習質量和效率。同時，學生在現象觀察、數據處理的過程中，也最大限度地提高了自身的演繹推理能力、歸納推理能力等，真正提升了科學思維素養。

三、模型建構培養高中生物科學思維核心素養的應用誤區

在高中生物教學中，為了提升生物模型應用價值，更好地促進科學思維素養培養，教師還應注意以下兩個應用誤區：（1）避免構建過多的生物模型。在實際生物教學中，過度使用生物模型，反而會使得生物學科更加煩瑣，無形中增加了學生的生物學習壓力。因此，教師在構建模型時必須堅持具體問題具體分析的原則，科學應用生物模型。（2）避免傳授模型。為了促進學生的科學思維素養，教師在指導學生進行生物建模的時候，還應堅持“授之以魚不如授之以漁”的原則，引導學生自主建構，避免傳授模型，引導學生在自建模型的過程中全面促進思維能力的發展。

四、結語

綜上所述，將生物建模融入課堂教學中，降低了學生的學習難度，也促使學生在生物建模的過程中提高了思維能力，推動了自身科學思維的發展。基于此，高中生物教師必須從傳統教學模式中解放出來，結合教學內容靈活開展生物建模，促使學生在多種模型的學習中循序漸進地提升自身的科學思維素養。

參考文獻：

[1] 沈慧文.建模教學法在高中生物學教學中的應用研究——以《分子與細胞》為例[D].閩南師范大學，2021.

[2] 徐建忠，周麗婷.科學思維視閾下的高中生物建模教學實踐研究[J].中學生物學，2021（4）：16.

[3] 李金桃.基于生物課型教學培養高中生科學思維的實踐研究[D].廣州大學，2020.

[4] 鮮璐鍰.建模教學策略在重慶市高中生物教學中的應用研究[D].西南大學，2020.

[責任編輯 郭麗杰]

作者簡介：蔡海山（1981.10— ），男，漢族，甘肅武威人，中級教師，研究方向：高中生物教育教學。