基于生物學模型構建的變式教學研究

文∣左開俊

教育部《關于進一步減輕義務教育階段學生作業負擔和校外培訓負擔的意見》(以下簡稱“‘雙減’政策”)中明確要求：要充分發揮學校主陣地的作用，堅持應教盡教，著力提升教學質量，竭力提升學生的課堂學習效率。在“雙減”政策的指導下，“如何發揚創新精神，擺脫題海戰術的禁錮，走出應試教育的怪圈”是當下每個教育工作者都應直面的重大課題。在此教育背景的感召下，筆者嘗試依托“模型構建異質性的開展變式教學”來拓展學生的思維，提高教學的質量，以期解放屬于學生鍛煉、休息和娛樂的時間。變式教學是一種利用變異維度幫助學生實現認知的教學手段，而模型構建作為生物學科核心素養中“科學思維”的重要方式，能簡化、抽象或是有形地表達世界中某些關系或過程。借助模型構建實施生物學變式教學旨在教學中用不同形式的模型(如物理模型、數學模型等)多元化地表征非本質屬性的層次、多角度地審辨本質屬性的外延，目的是以模型為工具，物態化、顯性化地構建新舊知識的關聯，并以一種有意義的探究方式培養學生獲得解決問題的能力。本文以《普通高中生物學課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱“新課標”)中的“教學建議”為綱，從形態、內容、方法三個維度探究基于生物學模型構建的變式教學模式。

一、形式變式：從表象之變析理念革新

當前的教育改革要求教師在教學方式上作重大改變，要將學生培養成能夠基于生物學事實和證據，科學合理地運用歸納與概括、模型與建模、批判性思維、創造性思維等方法。為此，在教學過程中，教師要采用多維化的表達形式，培養學生在擴展性研究中提升學科核心素養的能力。而形式變式作為一種多維化的表征形式，特指由同一原型出發，抽象出不同層級的多元表征，彰顯事物本質特征表現的多樣性。在形式變式教學中，以同一知識為載體，構建不同形式的模型，形成可逆聯想，引導學生主動探索、概括規律，能培養學生對生物學的興趣和創造性思想等。

例如，在種群數量的“J”形生長變式教學中，首先，繪制示意圖。課前制定好代表細菌的圓形磁性卡片，模擬在實驗室(資源充足，沒有敵害)條件下，細菌每20 min增殖一次的情境，請學生到黑板上繪制如圖1所示的示意圖。

圖1 細菌分裂示意圖

其次，構建“J”形增長的數學模型。以細菌數目為縱坐標，分裂時間為橫坐標，構建如圖2(a)所示的數學模型。再次，“J”形模型變式一。以細菌的增長率為縱坐標，分裂時間為橫坐標，構建如圖2(b)所示的數學模型。最后，“J”形模型變式二，即以細菌的增長速率為縱坐標，分裂時間為橫坐標，構建如圖2(c)所示的數學模型。

圖2 種群增長的“J”形數學模型及其變式

模型表達中，即使是同一個表征對象，基于不同的目的也可以表征出不同的模型。這種借助模型對知識的本質屬性進行多維度變換的形式，是一種引導有效學習的方法。這種方法能對知識進行深入剖析，能聚焦學生的統整思維，有利于激發學生對知識本質的深層思考與反思。生物學教學中應用形式變式教學，一方面能豐富學生多元化表征知識的能力，培養其多角度思考；另一方面將模型與變式有機整合，形成多樣化的內容呈現形式，幫助學生增加多元解決問題的靈活性。

二、內容變式：從演進之變達深度剖析

模型不僅可以描述那些抽象的結構、運動的行為，還可以解釋原理、預測趨勢，甚至表達個人觀點、參考依據及原因陳述等。新課標要求：對課程內容進行有機組織、巧妙呈現，可嘗試結合模型、圖文資料等各種資源或途徑，引導學生積極思維，主動探究，培養他們從不同的角度和高度認識生命世界，養成綜合、開放、創造性思維的習慣。為此，教學過程中，運用模型構建，沿著人類認知事物的規律，可視化地、循序漸進地展現內容梯度，將學習內容由淺層引入深層、由表象伸入本質，沿著事物演進的歷程，引領學生獲得深度學習的高峰體驗。

例如，在“神經沖動的產生和傳導”的教學中，首先，引導學生觀察神經元的結構模型[如圖3(a)所示]，回答組成神經元各結構的名稱。其次,以神經纖維上的一小段為學習對象，引導學生構建如圖3(b)所示的神經纖維結構模型，并注明離子的種類及分布狀況(注：A-代表不能透過膜的有機陰離子，如一些氨基酸等)。再次，以神經纖維的一段膜為學習對象，引導學生構建如圖3(c)所示的神經纖維膜的流動鑲嵌模型，并注明神經沖動時，K+、Na+的跨膜運輸方式。最后，在以上內容的鋪墊下，通過構建“一個神經沖動產生過程”的物理模型(如圖4所示)，動態化的說明：(a)在靜息狀態時，鈉鉀通道關閉，此時膜電位為外正內負；(b)在去極化時，鈉離子通道打開，導致膜電位為外負內正；(c)在反極化時，鈉離子通道逐漸關閉，鉀離子通道逐漸打開，此時膜電位為外正內負；(d)在復極化時，鈉鉀通道關閉，鈉鉀泵打開，使膜兩側恢復至靜息狀態時，膜外高鈉、膜內高鉀呈初始狀態。這種直觀地借助模型的演進過程，有條理、按次序地分析歸納神經沖動實質的變式教學，能幫助學生達到深度學習的效果。

圖3 神經元結構及相關成分的模型構建

圖4 “一個神經沖動產生過程”的模型

模型并非是對表征對象1：1的還原。基于不同的表征目的，對對象的表征描述的重點是不相同的。在表征內容的目的時，不需要完全還原表征對象，否則會使模型復雜化。這種借助模型對學習內容進行梯度式展現的方式，是一種支架式的高效學習方法。這種方法從內容的呈現角度審視，能深入淺出、自下而上詮釋各個知識點，并逐步聯系和完善內容的整體性理解，最終幫助學生構建一個完整的知識體系。在生物學教學中應用內容變式教學，一方面能幫助學生形成深刻的理解和長久的記憶；另一方面也能讓學生在模型構建和體驗的實踐過程中，學會知識和技能的運用，達到學以致用的目的。

三、方法變式：從路徑之變看目標轉向

目前，生物學教材中很多實驗由于方法和步驟單一，導致實驗過程枯燥無趣。如果教師碰到此種情況，應當轉換觀念，從方法上開拓創新，提高教學效率。方法變式特指通過同類事物非本質特征的變換，換個角度或方式透析事物的屬性、突出事物的本質特征，讓學生在方法變式中轉換思維，依據事物發展的規律，獲得解決問題的路徑。[1]借助模型來表征方式的多樣性，一方面可以透過模型的輔助設計，促進學生推理技能的養成；另一方面也可以透過對模型的分析，獲取掌握科學探究的方法，學會如何思考。

例如，在高中生物實驗中，發揮學生再造性想象和積極性思維，科學、合理地利用注射器構建系列變式模型，輔助其領會基本原理和概念，獲取解決各種實際問題的能力。注射器一般由推桿、空筒及注射針組成，其顯著特點有：第一，從空筒上的刻度，可以推知反應物或生成物的體積數；第二，利用推桿與空筒的緊密連接，可以為化學反應創造一個封閉的環境。在“用過氧化氫酶探究pH對酶活性的影響”“比較過氧化氫在不同條件下的分解”等實驗中，都涉及化學反應的劇烈分解、生成氣體的快速釋放。利用注射器模型實施變式教學，可以解決因劇烈反應而導致的生成物隨意飛濺的風險，以及生成物難以收集的難題[如圖5(a)]。在“色素的提取和分離”的實驗中，利用注射器模型實施變式教學，能夠解決由揮發性物質石油醚、丙酮、苯混合而成的層析液，在實驗過程中容易造成污染環境問題[如圖5(b)]。在“制作泡菜并檢測亞硝酸鹽含量”“酵母細胞的固定化”等實驗中，利用注射器模型實施變式教學，可以利用空筒上的刻度來控制活塞推動的節奏，完成滴定實驗[如圖5(c)]。

圖5 利用注射器實施多種實驗的模型構建

模型是在某些情況下的另一種形式表征，從方法論的角度思辨，其以簡化和理想化的形式去再現原型的各種復雜結構、功能和聯系。這種借助某一模型對多重關聯性知識串聯的形式，呈現的是一種思維解放后的升華。其實，教材中的實驗方法、實驗步驟僅是一個常規的操作程序，它不是唯一的，也不一定是最好的。教師在教學中，應允許學生異想天開，允許學生犯“錯誤”，允許學生對學習路徑進行變式。學生“錯誤”可能成為一種可貴的再造資源，一種思維遷移的升華。基于模型構建的變式教學，能幫助學生依據具體的學習操作，融入科學化的想象，對學習形式進行變式和創造，最終實現遷移能力的提升。

本文系江蘇省教育科學“十二五”規劃課題“基于科學方法的中學生物模型教學策略的研究”(D/2015/02/173)、江蘇省教育科學“十三五”規劃重點資助課題“高中生物‘模型建構教學’的實踐研究”(JS/2019/ZX0211-08927)的研究成果