初中生物“模型和建模”引導深度學習

福建省三明市沙縣區第六中學 鄭喜芳

模型的產出是學生將抽象內容轉變為具象化圖樣，并在明確其中包含的本質內涵的基礎上逐步對生物理論加以深化。此過程的完善，需要教師有意識地將學生組合成探究小組，通過給出模型構建的主題或者任務，適當給予幫助，進而引導學生打破知識間的壁壘，弄清楚理論間的聯系，并且可通過實物等加深對生物理論的認識深度，以此滿足深度學習的要求，提升課程開展的質量。

一、模型與建模概述

（一）模型與建模概念的闡釋

結合大量的研究資料可以看出，模型、建構、模型建構間的關系較為緊密。就模型而言，其指的是在特定目的的指引下，通過給定條件，將滿足觀察客體的外部形態、內部結構、功能特質等展示清楚，從而形成與客體本質相似且相符的思維、物質。這說明模型最終以實物或者思維可視化圖樣的形式存在。就建構而言，其源于建筑學，是指重新建造出一種結構，用于教育過程則是將原有的知識理論內涵拆分，運用全新的思維方式和認知特點，說明原有的內涵。此過程并非憑空而論，而是要從表象、內里相結合的方向尋找到適宜的拆分方法。就模型建構而言，其體現出了某一定論、物質等最為本質的功能和特性，通過更為直接易懂的形式說明其功能與特征，以此為理論的應用建立起橋梁，使得學生能夠對生物學本質有所認識，達到深度學習的效果。

（二）模型的分類

在初中階段，模型主要可分為三大類：物理模型、概念模型和數學模型。首先，物理模型是對生物和生物生理過程的還原，其通過按照一定比例縮小或者放大的辦法展示出相應的生物活動真實情況。比如細胞結構圖、受精過程、種子發育過程等等，均能夠符合物理模型建構的特征。物理模型一般要求學生親自動手制作，制作的過程鍛煉了學生的動手操作能力，其興趣得以激發，以此保證學生將基本結構準確記憶在腦海中，有助于其辨析不同結構的異同。其次，概念模型主要體現為思維導圖、樹狀圖、韋恩圖等，其通過對知識點加以連接說明二者存在的關系，可以是平級形式，也可是包含關系等，利用符號、數字、框架等建立起知識間的聯系。其中思維導圖的應用最為廣泛，其核心能夠體現出模型的主題，以此將與其相關的知識點布置為分支，能夠應用于階段性復習或者知識體系構建的環節中，體現出對重難點知識的解決。學生結合思維導圖中的內容和關系梳理出符合個人認知的理論框架，充分契合整體性思維的培養需求。最后，數學模型是展現出生物體或者生態環境的變化規律的工具，通過使用數學語言，結合圖形、函數圖像等直觀展示出數量變化的關系。由于初中階段是學生學習生物的初始過程，數學模型的抽象性過強，在教學中應用并不廣泛；但如若能夠完成數學模型的構建，則說明學生已經初步具備了將直觀轉變為抽象的能力，值得在后續的教學中予以探索。

二、模型構建對生物教學的意義

（一）有效激發學生的學習興趣

初中生物作為一門抽象性的學科，很多初中生在學習過程中難免會出現難以理解和掌握的情況。再加上受到傳統應試教學觀念的長期影響，很多教師依舊應用傳統單一的授課方式，導致學生處于被動學習的狀態，很難對生物學科提起學習興趣。而模型在生物教學中的應用，不但能為學生營造出活躍、有趣的氛圍，還能適當降低學生的學習難度，幫助其更好地理解和掌握知識內容。通過將抽象的知識變得更加生動、直觀，能夠有效提高學生的學習興趣。

（二）提高學生的自主學習能力

在傳統的授課方式中，教師更加重視學生對基礎知識的掌握，不夠重視強化學生自身的學習能力和思維能力。再加上很多學生都沒有形成自主學習的意識，在學習中不夠主動，導致教學的整體效果并不理想。而模型的應用則能夠充分突出學生在課堂當中的主體地位，能夠開發學生的思維，提高其對知識的探索欲望。同時，通過模型的構建還能促使學生在腦海中對生物知識形成一種映射，使其逐漸形成一種獨立思考的思維，有效提高其分析問題和解決問題的能力。

三、初中生物模型建構的主要教學策略

模型的構建就是通過模型去抓住事物的最主要特征和功能。教師在初中生物模型建構的過程中，要注重為學生打造靈活多樣的建模教學模式，應用簡化的方式將復雜的知識結構為學生展現出來，引領其充分地認識客觀世界中最本質的東西；通過對模型建構的目的進行明確，選擇好模型的表征形式從而構建出適合建模教學的典型知識。同時，教師還需充分重視對模型進行檢驗和評價，以此不斷糾正和完善生物學模型的不足之處。

（一）物理模型建構

物理模型的構建在初中階段常出現在對DNA雙螺旋結構、動植物細胞結構等的制作中。通過選定學生較為感興趣的材料來表示生物體的基本特征，可以完成對微觀事物的放大，也可實現對宏觀事物的縮小，以此說明其具體的結構特征，并在結構特征的指引下，能夠清楚地認識到性質或者性狀的體現因哪些結構的作用而實現。物理模型的制作過程相對較為簡便，無需對工藝有過高的要求，只需要在保證各部分結構所在的位置和大小比例符合科學理論，保證材料易得且能夠激活學生興趣的前提下展開即可。具體的建構步驟如下：首先，引導學生一同觀察原型對象，說明其核心要素和功能的體現結構；其次，選擇相應的生活化材料，開展建構的學習活動。在初步建構完畢后，學生間相互討論，說明其所給出的模型與原型之間的差異，進而加以修正，并與其他小組分享，在課后予以優化。在初中階段，應用此種模型建構較為適合的包括花的結構、泌尿系統、動植物細胞結構等。如若能夠合理應用，將會在調動學生學習積極性的基礎上，加深其對理論知識的記憶以及內化程度。

以“植物細胞結構模型的構建”為例，在學習完相應的知識后，學生已經了解到在植物細胞中含有葉綠體、線粒體、液泡、細胞質、核、膜、壁。教師可要求學生以小組為單位，使用所提供的材料，設計本小組的植物細胞結構模型。教師可提供不同顏色的卡紙、不同顏色的豆子和谷物等，引導學生參與到模型的構建活動中。但是在觀察各小組的制作過程時，學生所形成的細胞核和液泡模型并不符合實際植物的結構特征，有些小組的液泡占比較低，無法說明其在植物成熟細胞中的微觀特征。面對此種情況，教師要耐心指導，先讓學生采取自查的方式，通過回憶成熟植物細胞結構的特點，查看所制作的模型是否存在有違科學實際的部分。一般通過自查學生便可清楚地知道液泡的體積占比約為整個植物細胞的，并且細胞核要在一旁，以此才能說明成熟植物細胞的特征。還有一部分學生只注重對細胞器大小位置的區分，使用紅豆作為葉綠體，綠豆作為線粒體，這與認知的內容不符。此時教師可采用幽默的方式啟發學生：原來在大家的眼里綠色的植物是紅色的啊！不然你們的葉綠體怎么是紅色呢？以此提醒學生關注細胞器與植物性狀之間的關系，連接了宏觀與微觀世界，達到深度學習的愿景。在完成模型制作后，教師可提出開放性問題：現在大家自己去生活中尋找材料，說一說你能用哪些材料完成模型的制作。此時大部分同學想到了用橡皮泥，利用不同顏色的橡皮泥能夠精準塑型，更為精準地表現出每個細胞器的特征。

（二）概念模型建構

教師在授課中，可以嘗試借助概念模型幫助初中生建構系統的生物知識體系。概念模型的構建是對某一關鍵性知識點的展現，利用從屬、并列、因果關系等說明理論間的內部聯系，以此保證對核心概念外延的拓展深度。同時，概念模型還能對各個生物知識進行總結與概括，能夠幫助初中生更好地掌握所學的知識結構。在處理概念模型的建構問題時，教師要教會學生運用思維導圖，借助動畫或者視頻展示思維導圖的制作過程，說明中心、分支和連接方式具體的表征意義，進而建立起核心概念和外延概念之間的聯系，引導學生完成對知識體系的建構。具體的建模過程如下：先帶領學生一起對概念間的關系進行梳理，確定關鍵點，畫出草圖后連接好各個概念間的關系，并在其他同學給出完善的意見后對思維導圖加以優化。在初中階段能夠應用概念模型的教學過程較多，除了在概念的理順中可以應用外，在解題思路分析和錯題整理的環節也能使用。可將題目作為中心點，題目解決的各個步驟都可作為分支，某一步驟中涉及的理論和思維方式可作為外延概念發揮出實際的效用。因此，教師要提升對此種模型建構的重視程度，將其應用于不同的教學活動中。

以“細胞分裂的概念模型制作過程”為例，引導學生觀察課件上的洋蔥根尖細胞分裂不同階段的顯微照片，提出問題：不同階段的洋蔥細胞，其染色體的形態相同嗎？學生很明顯可看出其根據階段的不同，存在著相應的差異。教師繼續提問：形態上有哪些差別？學生深入觀察，發現其在不同的分裂階段都具備相應的特點。由此，可設置制作有絲分裂思維導圖的活動，要求學生以小組為單位，探究在有絲分裂的不同階段的概念圖。引導學生將細胞有絲分裂作為中心點，分支設定為間期、前期、中期、后期和末期。其中，間期的特點是完成了DNA復制和合成有關蛋白質的活動，前期的特征是染色體散亂分布，中期的特征是染色體的著絲點排列在赤道板上，后期完成著絲點分裂，末期染色體平均分配到兩個子細胞中。有些同學以細胞質、細胞核、DNA、植物動物區別作為分支，值得表揚，體現出在現有的作用結果下能夠刺激學生創新意識的產生。在學習“物質跨膜運輸的方式”這部分知識時，教師也可以在課程結束時為大家構建一個概念模型，讓學生能夠根據模型舉出跨膜運輸方式的實例，從而有效提升其對該知識點的理解和掌握。

（三）數學模型建構

數學模型的應用數量不多，因其主要是利用數學語言說明生物間的邏輯關系，也就是應用簡單的數學符號或者一些公式來對生物知識的相關規律展開分析和梳理。這與學生主要的直觀思維間有著一定的差別，因此建立此種抽象關系難度較大，但并非不可實現，往往通過使用柱狀圖、函數曲線等能打破知識間的壁壘，使得學生可借助數學思維處理生物問題。教師可以利用數學模型帶領學生發現生物現象的本質特征，使其能夠逐漸在腦海中形成完整的知識框架。具體的建構過程如下：先確定好研究的對象，提出探究的主題，針對現有的知識和理論提出假設，假定其符合哪種數學模型，而后利用生物實驗探究的形式說明所選定的數學模型的可信程度和匹配度，從而繼續完善數學模型的相關內容。

以“被子植物的一生”這一單元為例，在學習完這一部分的知識后，教師可設計實踐探究活動，依據對被子植物的認識在生活中選定一種合適的植物，就其在不同發育時期的需水量生成數學模型。這一模型的構建相對較為簡單，主要是鍛煉學生查閱資料和分析數據的能力。經過資料查閱的過程，學生一般以小麥、西瓜等較為常見的材料作為研究對象，下文以小麥為例簡要說明。結合大量資料，發現小麥的發育時期可分為返青期、拔節期、抽穗期和灌漿期，分別持續29天、23天、20天、31天，所需的水量分別為635、876、956、1192（單位：立方米/公頃）。結合這些數據，可利用柱狀圖將發育時期作為橫軸，需水量作為縱軸，直觀說明小麥在不同發育時期需水量的差異。有的學生利用折線圖展示，此時教師可提問：連接不同時期時所出現的上升或者下降趨勢代表什么？此時學生發現，利用折線圖所體現的數量變化情況并不具備相應的規律，所以利用折線圖不能準確說明生物發育與需水量之間的關系。或者，以“生命活動的主要承擔者”這一課為例，該課需要學生掌握氨基酸的結構特點以及氨基酸形成蛋白質的過程，需要了解蛋白質的結構和功能。為了幫助學生更好地理解和掌握，教師就可以通過構建數學模型幫助學生進行理解，引導學生通過動手實踐的過程掌握知識原理。

綜上所述，初中生物教學中教師要重點培養學生應用知識的能力，通過引入物理、數學和概念模型，建立起不同理論、生物結構、變化特性等之間的關系，從而達到引導學生深度學習的效果。