構建生物模型 培養核心素養

摘 要：模型是物質的直觀體現，通常是依據相應的教學目標，強化學生認知結構的簡化性描述與概括，將難以理解且抽象的事物形象化，實現學生思維與能力培養。本文主要對生物3D模型及其構建原則進行分析，并提出高中生物3D模型的應用策略，促進學生的生物學科素養的提高。

關鍵詞：高中生物;3D模型;核心素養;構建;應用

《普通高中生物學課程標準》主要將核心素養作為宗旨，關注實踐能力以及創新精神培養，提倡以工程學任務進行教學。模型與建模是高效化的一種學習方式，其不僅有助于學生的生物學科素養培養，而且還能促進學生設計能力、思維能力的提高，是高中生物教學的重要部分。但是，高中生物的3D模型建構中，普遍存有注重具體的模型形成結果，輕視建模思維過程、教學資源相對缺乏的現象，這會影響生物課堂教學中模型建構。3D模型由于其具有多學科通用性以及模型建構靈活性，是實現模型建構、立德樹人教育任務落實以及培養核心素養的重要途徑。

一、3D模型概念及其建構原則

（一）3D模型概述

3D模型主要是指經過不同的細節處理以及層次渲染，通過特定的算法對物體空間結構進行構造，再現物體的真實結構。3D模型既能翔實、全面、逼真地重現出生物體實際結構特征，又能通過計算機進行放大縮小、自由旋轉[1]。部分3D模型還附帶了顯影動畫播放的效果，是生動形象的電子教具。同時，3D模型還能帶來良好的視覺體驗，并在各個學科教育中得到廣泛運用。

（二）3D模型建構的原則

依據生物模型與3D模型的建構特點，在進行3D生物模型的建構時，需遵循相應的原則，具體表現在以下幾點：

1.科學性原則

生物模型主要是立足于生物原型抓住主要特點進行簡化、抽象的模型，并反映出原型具備的基本特征，通常包含了大小、形狀、顏色、結構等[2]。不論建構哪種生物模型，最重要的是科學性。生物模型作為知識傳播的載體，模型錯誤通常會使學生對相關生物知識的結構與功能產生錯誤認知。因此，在生物模型的建構時，需保證模型建構沒有知識性錯誤。3D模型的建構模型需明確數據的精確性以及結構形態的良好呈現，使模型的建構更加科學、準確。

2.簡明性原則

模型通常是原型簡化，生物教師需依據教學需求，進一步刪減原型模型的具體結構，或將其復雜的結構進行簡化演示。例如，高中生物的課堂教學中，新課程對細胞的認識提出了更高的要求，尤其是細胞器的功能與結構相對統一，生物教師在建構3D模型的時候，需注重細胞器具備的結構特征，由于葉綠體與線粒體在細胞的呼吸以及光合作用對于生命活動具有重要影響，因此，教師需通過兩部分的結構進行單獨模型的建構。

3.相似性原則

模型通常是以生物原型進行建構的，需注重模型特征的體現，基本的形態結構需和原型相似。對于相似性原則而言，其主要是通過3D模型替代原型模型，不斷放大原型比例，將微觀化生物結構進行實物化展現[3]。

4.靈活性原則

不同生物模型具有不同建構法，面對相同生物模型依據不同的教學需求以及實際情況，也需采取不同建構法，建構模式并非唯一，需依據內容特點進行靈活建構。在3D模型設計時，需充分考慮到其實際應用范圍，增加3D模型的運用寬度，和模型結構有關的內容都能通過3D模型作為基礎進行延伸應用[4]。例如，DNA雙螺旋的結構模型建構時，不僅有DNA的分子結構能夠運用模型，而且還能在DNA復制、轉錄、翻譯的時候，促進DNA雙螺旋的結構模型拓展。積極運用3D模型，將模型運用于實際教學中，在進行3D建模時，需充分考慮到運用對象以及運用方式。模型建構的教學不能僅局限在靜態模型，需確保模型能夠“動起來”，引導學生深刻體會模型建構的全過程。若模型是教師在課堂教學中使用，模型體積與動態演示是其關鍵的問題，因此，生物教師需依據教學場景的不同，設計出可用的3D模型。

5.藝術性原則

在確保建構的生物模型準確性、科學性的基礎上，對模型實施優化，以呈現出模型的藝術性。建構精美的模型，能充分吸引學生在課堂學習的注意力，并促使學生充滿興趣地觀察與研究模型。3D模型建構時的模型組塊、角度搭建均會對成品觀感造成直接影響。因此，生物教師在建構3D模型的時候，需注重增加模型的美觀以及區分度，并對其實施上色處理。

二、高中生物3D模型的構建與應用的現存問題

（一）教師立足點不高

大部分生物教師在開展3D模型的教學中，通常只是依據具體內容進展講解，缺乏立足于動態和立體的角度來看待模型。如對細胞結構的模型進行建構時，生物教師通常會將重點置于動植物的細胞亞顯微結構圖講解，并將細胞膜、細胞壁、細胞核、細胞質、各種細胞器的功能以及結構進行清楚講解，甚至會引導學生將動植物細胞的亞顯微細胞的結構模式圖親自畫出來。通過這種方法雖然有利于學生理解以及掌握相關新知識，但是，大部分教師僅是停留于該步驟，忽略了模式圖僅僅為平面結構，但真實細胞通常是立體的。若生物教師沒有引導學生親自制作細胞的三維結構的動畫或者模型，學生通常很難有效地理解中心體是動物細胞中心，而非細胞核為細胞中心;無法理解在顯微鏡下沒有進行質壁分離的洋蔥的鱗莖外表皮的細胞是紫色的，不清楚原生質層具體位于哪里;無法有效理解分泌蛋白在實際形成中囊泡為何有規律地朝著高爾基體移動，然后向著細胞膜移動，而不是隨機移動以及隨機分散。由此可知，教師建模時的立足點通常會對學生理解知識的情況造成直接影響。

（二）模型建模的精準度欠缺

目前，高中生物的課堂教學中，模型建構的標準缺乏相應的依據以及參照，大部分狀況下，模型制作都與生物本身結構的大小存在巨大的差距，且生物教師在應用模型的時候，也沒有對其實施相應的強調與解釋，這會使學生對于生物知識的學習與理解產生誤解。除此之外，生物結構通常是運動變化或者靜止狀態的，但在高中生物的具體教學當中，更多是靜止的狀態，這使學生對于生物模型所揭示的具體狀況理解缺乏準確性。

（三）能力的培養欠缺

高中生物的建模教學中，部分生物教師都喜歡講解法，該方法更加直截了當且便于操作，雖然講解的知識嚴謹、系統，但是不利于學生理解和消化。實際上，模型建構的過程通常是學生通過自主思考而實現知識建構的過程，該過程相較于結果通常更加重要。例如，在對概念模型開展教學時，生物教師習慣于通過板書或者投影的方式，將其繪制的概念圖直接呈現給學生，而學生也認為教師做出的歸納更具條理性，也更加全面，會直接應用。這種狀況下，學生會形成思維惰性，凡事都習慣于依賴教師，影響學生自己的理解、比較、分析與概括等相關思維能力的鍛煉以及發展。

三、高中生物3D模型的構建與應用的策略

（一）立足于教學內容，提高建構模型的思維能力

高中生物的3D模型建構過程通常是行為與思維的統一過程，依據生物知識以及學生無法理解的重難點實施深化與拓展，不僅有助于學生的觀察力、分析力、探究力提高，而且還能促進學生的學科思維提升。依據課堂教學的具體進程，以及學生的實際學情，教學需深入研究，準確地把握好時機，運用生物建模法，深化學生對相關生物知識的理解，并促使學生積極主動地參與到生物課堂的教學活動中，對生命的活動規律進行探索，以促使學生形成相應的生物觀念。就高中生來說，生物教學需注重培養學生解決生物問題的能力，以實現科學、完善、高效的知識體系構建。例如，在對“分子與細胞”中的“走進細胞”開展教學時，生物教師可依據相關知識點實施綜合設計，建構概念圖的3D模型，利用模型直觀形象、簡明的優勢，為學生的學習提供充足的理論支持。同時，生物教師可調動學生已具備的生物知識進行模型建構，與灌輸式教學不同，其更有助于學生進行知識記憶。在對3D模型進行建構中，需依據細胞結構的具體內容、細胞的分類與組成實施歸類教學，深化學生對生物知識的認識，促進學生的學習效率提高。

（二）立足于概念模型建構，完善學生學習能力

在高中生物教學中建構3D模型，生物教師需與實際教學內容相結合，突出3D模型的建構方法，并突出其中的具體環節，注重學生自身的學習能力培養。例如，在對“細胞器——系統的分工合作”相關內容開展教學時，生物教師可對學生課下所制作的細胞模型進行完善與評價，以增強學生對細胞結構的功能認識以及掌握。本節課教學的能力目標是引導學生建構真核細胞的3D模型，在藝術性、科學性各方面進行模型建構，并給予相應的評價。同時，生物教師可引導學生經自主學習進行概念圖建構，依據高等動植物的細胞模式圖，對動植物的細胞器具體種類進行概括，并形成相應的3D模型，以促使學生充分掌握其細胞器種類的相同點與不同點，引導學生完善其模型建構以及評價的能力，使學生自身的學習能力得到全面提高。

（三）立足于3D模型呈現，落實核心素養培養目的

生物3D模型的顯著優勢是將抽象化生物概念與原理形象地展示給學生，以便于學生更容易理解生物概念和規律，引導學生建構生物學的知識體系，并形成相應的生命觀念，以此為學生形成形象思維以及核心素養做足準備與鋪墊。同時，生物教師需依據3D模型建構的實際價值，融入生物教學的整個過程，調動學生的建模意識，并依據學生的學習興趣給予科學引導。教師還需引導學生自主建構模型，凸顯出以生為本的課堂教學優勢，提升學生的模型建構能力。例如，在對“有絲分裂”的相關知識開展教學時，生物教師可通過圖表模型、實物模型的3D模型建構，促進課堂教學的直觀性和豐富性，使學生形成核心素養以及形象思維力。生物教師還能通過視頻演示，將“細胞分裂成兩個細胞的全過程”展示給學生，在集中學生學習注意力的同時，為學生的后續學習奠定基礎。依據有絲分裂的特征，通過信息技術軟件，引導學生建構3D模型，明確結構與功能之間的聯系節點，以促進學生的創造性思維以及想象能力發展。

（四）立足于3D模型建構，提高問題解決能力

學生充分掌握3D模型的建構方法，可以有效解決學生在實際學習活動中的問題。減數分裂屬于高中生物實際教學的主要內容，學生可以經過3D模型建構完成相關內容的學習。在進行“減數分裂”的教學中：第一，生物教師可通過多媒體將減數分裂的3D模型播放給學生，引導學生直觀、形象地理解與掌握減數分裂的全過程，以促使學生形成感性認識;第二，引導學生對生物教材中的減數分裂過程圖進行簡要分析，與同源染色體、聯會、姐妹染色體、染色體的交叉互換等有關概念相結合，繪制出減數分裂的3D模型圖，對各個時期的染色單體、染色體及DNA數量等相關特征實施分析，并找出增加或者減少的具體原因，以實現DNA、染色體的數量變化的3D模型建構。學生經過減數分裂的3D模型建構，不僅能充分理解與掌握減數分裂的關鍵點，而且還能掌握分裂的整個過程，實現學生的生物思維拓展，通過3D模型建構，實現問題解決能力的提高。

（五）參與3D模型建構，培養學生綜合素養

模型是學生研究生物知識的一種科學有效的方法，通過信息技術輔助學生進行3D模型的構建，更能夠幫助學生深刻地認識生物本質，也能夠促使學生學科核心素養的形成。在教材中的生物知識幾乎都是以平面的形式呈現，不容易讓學生想象出所研究對象的真實樣子，通過模型構建的方法對生物對象的主要特征進行概括和總結，然后構建立體的3D模型，通過學生的參與、構建和觀察，能夠感受到生命的奧妙，清晰、具體地觀察生物的空間構型，提高學生的生命意識，認同生命是復雜的。例如，在進行“基因指導蛋白質合成”教學時，通過3D模型的構建，往往能夠取得良好的效果。在構建3D模型前，教師收集有關的3D素材，給學生展示模型需要的基本3D單位。諸如：脫氧核苷酸、核糖、脫氧核糖、堿基（A、G、C、T/U）、核糖體等。接下來，學生開始構建3D模型，學生運用素材構建mRNA、tRNA、氨基酸的3D圖形，然后通過核糖體對mRNA的堿基序列進行翻譯，肽鏈也不斷地延伸，肽鏈合成后，脫離了信使RNA，最終形成具有一定氨基酸順序和功能的蛋白質分子，3D模型構建完成。通過構建模型，能夠使學生更好地認識到遺傳信息從DNA到蛋白質的過程中，理解細胞中發生的復雜過程，感嘆生命的奇跡，提高學生的學習動力，培養學生綜合素養。

結束語

綜上所述，高中生物的課堂教學中建構3D模型通常具有顯著優勢，其不僅有助于教學質量的轉變與提升，而且還能促進學生的課堂學習效率的提升，對學生的綜合能力進行培養，促進學生的主觀能動性發揮，將生動、直觀的生物知識呈現給學生，使高中生物的課堂教學質量與效果得到顯著提高。

參考文獻

[1]陳清靜.高中生物模型建構教學的理論和實踐研究[J].高考，2017（30）：1.

[2]榮娜于.模型建構在高中生物教學中的應用研究[J].教學方法創新與實踐，2021（4）：8，50.

[3]沈錫顏.核心素養下模型構建在“生態系統的結構”教學中的應用[J].科學與財富，2020（2）：384.

[4]張亞瓊.模型構建在探究式生物教學中的實踐與研究[J].發明與創新·職業教育，2021（8）：189，191.

作者簡介：凌燕（1987— ），女，漢族，江蘇姜堰人，江蘇省揚州市第一中學，中學一級，本科。研究方向：高中生物教學。