建模教學應用于生物學課堂促進學生科學思維發展

劉淑玲 （山東省威海市福泰中學 山東威海 264200）

科學思維是生物學學科核心素養的重要組成部分，是指尊重事實和依據，崇尚嚴謹和務實的求知態度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力?？茖W思維包含理性思維及直覺、想象、靈感、頓悟等非理性因素，體現在對實驗方法的運用、分析數據的能力及對科學知識的理解[1]。依據布魯姆目標分類法，思維能力包括記憶、低階思維（理解和運用）和高階思維（分析、評價與創造）[1]。以生物學課堂不同課型為例，引導學生運用模型構建的方法學習知識，培養學生的科學思維，尤其是高階思維。

1 新授課：物理模型與建模思維的培養

物理模型是人對所認知的事物的概括性描述，是抽象知識的具象化，而建模思維指的是借助特定材料或采用圖像等方式建立模型，將抽象化的或不可測的生物學事實，進行概括描述的一種思維活動。通過構建模型將抽象事物具象化和簡約化，將微觀事物以宏觀的形式呈現出，幫助學生理解抽象復雜的生物學知識，使得整個學習過程更加高效。培養學生的建模思維不僅可鍛煉學生的動手實踐能力，更為重要的是還可提高學生的認知能力。

新授課中，在充分利用實驗室原有模型的基礎上，教師發動學生制作更多的模型，例如，植物細胞模型、動物細胞模型、膈肌運動模型、腎單位模型、DNA 結構模型、模擬小型生態系統的生態瓶等。大量的生物學教學模型，為學生提供了豐富直觀的學習資源。學生親身參與模型的制作，既加深了對相關知識的理解，也發展了創造性思維。

例如，在學習初一上冊“觀察細胞結構”內容時，教師可布置“觀看微課，學習制作植物細胞模型和動物細胞模型”的實踐作業。為了完成作業，學生需要閱讀教材資料，了解動、植物細胞的結構特點；觀看微課，自主學習模型制作方法；并篩選細胞壁、細胞膜、細胞質、細胞核等細胞結構的制作材料，完成模型的設計。在模型的制作過程中，學生還要思考怎樣將細胞各結構進行科學擺放。

學生經歷了模型制作的整個過程。首先，在任務驅動下，學生的學習積極性提高，能主動學習教材中的相關知識點。其次，在選擇模型的表征形式時，要求學生篩選適宜制作模型的材料，考慮如何對材料進行加工和科學組裝。借助直觀的模型，幫助學生理解細胞的基本結構并能說出動、植物細胞的異同點。最后，通過展示評價，學生能及時發現問題并修改完善。在這樣的經歷中，學生不僅可加深對細胞基本結構的理解，還進一步明確了模型制作的過程和要點，提高模型制作和建模能力[2]（圖1～圖4）。

圖1 植物細胞結構圖

圖2 植物細胞模型圖

圖3 動物細胞結構圖

圖4 動物細胞模型圖

再如，對于染色體、DNA 和基因的關系，許多學生理解不夠透徹，難以構建“DNA 是主要的遺傳物質。基因是包含遺傳信息的DNA 片段，它們位于細胞的染色體上”這一重要概念。為了讓學生對此部分知識有更加詳細和直觀的理解，開展制作“DNA 雙螺旋結構模型”活動，學生按照自己的思路，自主動手，相互協作，設計制作DNA 模型（圖5、圖6）。

圖5 DNA 雙螺旋結構圖

圖6 DNA 雙螺旋模型圖

通過構建物理模型，不僅強化了學生對相關知識點的內化程度，還促使學生領悟模型構建的科學思維方式，習得模型構建的基本方法，增強利用模型解決問題的意愿和能力，并提升學生分析運用相關知識的能力。在日常教學活動中，教師讓學生有意地建立模型，進行更深層次的思考，有助于學生理解知識，更有利于提高學生的分析和綜合運用能力，培養學生的高階思維。

2 復習課：概念模型與分析綜合思維的培養

概念模型能清晰地呈現知識的整合過程和知識之間的關系。構建概念圖，可幫助學生整合知識，構建知識網絡，從整體上把握知識。學生制作完善概念圖的過程也是思維進行分析、綜合和創新的過程。分析與綜合是思維過程的基本環節，分析就是將研究對象分解成幾個部分，找出各部分的本質屬性和彼此之間的聯系。綜合就是在分析的基礎上，將研究對象的各個組成部分或要素在思維中重新整合為一個整體，從而在整體上把握事物的本質和規律。分析與綜合是一對互為辯證的思維方法，復習階段教師在分析的基礎上，引導學生通過概念圖加強知識間的聯系，進而培養學生的綜合能力。

通過分析，有助于發展學生深刻性思維品質；通過綜合，加強生物學知識的聯系，形成對事物的整體認識，可有效培養學生的高階思維。雖然這樣會占用課堂時間，但概念圖支持下的復習課教學能促使學生在理解的基礎上使知識結構化、系統化，形成清晰的知識脈絡。

例如，在復習初三上冊“動物的運動和行為”這一章時，涉及到很多概念，例如，動物的運動、動物的行為、先天性行為、學習行為、社會行為、運動系統等。為了幫助學生更好地理解概念，教師安排學生構建概念圖的自學環節，讓學生通過梳理知識點并繪制概念圖，進行自評和小組互評。在展示環節，請學生到講臺進行講解或提問，其他學生進行補充質疑并將板書補充完整（圖7）。

圖7 動物的運動和行為概念圖

借助概念圖評價量表（表1），對概念圖評價修正。采用自我評價、小組評價、班級評價等多種評價方式。首先，對照評價量表，圍繞科學性、完整性、關聯性等方面，對概念圖進行自評，并說出評價理由。然后，對照評價量表進行自我完善，標識出自己的疑惑點，以便在小組或班級交流時提出。小組評價方式主要是組內成員之間交換評價或輪換評價。被評價人要向評價人介紹構建思維導圖的思路，并詳細闡述各知識點間的關系等。評價人要指出被評價人概念圖中的亮點、不足及修改建議。進行班級評價時，1 個或多個小組展示，其余小組觀看、質疑并提出建議。在展示過程中，要進行互動交流，要求有疑問及時提出，展示者要給予明確的回答。

表1 概念圖評價量表（自我評價）

通過交流評價，學生對生成性信息進行分析和處理，逐步加深對知識的理解。學生在自評和互評的過程中發展批判性思維，創造性地整合已有知識和技能，并增強對信息的選擇和評價能力，進而培養高階思維。

3 實驗課：數學模型與抽象概括思維的培養

數學模型就是為了一個特定的目標，根據一個特定事物特有的內在規律，做出一些必要的簡化假設，運用適當的數學工具，得到的一個數學結構，可以是數學公式、算法、表格、圖示等。初中生物學教學可運用數學模型，促使學生更快、更好地理解相關生物學知識[3]。

例如，初二下冊“探究細菌和真菌的分布”實驗課，要求學生設計實驗檢測不同環境中的細菌和真菌的數量。通過探究活動，了解到細菌繁殖速度快、分布廣泛、無處不在。教師可對學生提問：“假如你的手上有100 個細菌，細菌的繁殖速度按每30 min 繁殖1 代計算，在沒有洗手的情況下，4 h 后你手上的細菌數目是多少？”。學生經過獨立思考，給出理論上的預測值是25 600 個。教師可趁熱打鐵，提出“若是初始數量為M，經過n代分裂后細菌的數量N是多少？請用數學模型進行表示”。學生的好奇心被有效激發，開始構建數學模型。學生往往會建立3 種不同的數學模型，分別是表格式數學模型（表2）、曲線圖式數學模型（圖8）、方程式數學模型N=M×2n。實際測量值是多少？學生設計實驗進行探究，發現4 h 之前實驗結果與預測值幾乎一致，而4 h 后出現很大差異（表2）。這時，需要教師用專業的知識作出解釋。細菌的生長繁殖需要經過4 個時期：遲緩期、生長期、穩定期、衰亡期，計算預測值時，沒有劃分4 個時期，只是一種理想狀態。教師組織開展數學模型的構建互評、修正環節，引導學生對曲線圖式數學模型、表格式數學模型、方程式數學模型的特點進行分析，使學生初步認知不同類型數學模型的特點。表格式數學模型可通過數據呈現預測值和測量值的不同，而曲線圖式數學模型可直觀呈現預測試和測量值的變化，2 種數學模型構建小組在討論過程中，吸收、消化了對方的思維成果，并逐步完善自身的思維，該過程有效地培養了學生的抽象概括思維。在該過程中，學生積極踴躍發表觀點，教師記錄并進行適當的補充，在充分尊重學生主體地位的同時，有效培養了學生的歸納與演繹能力。

表2 細菌繁殖數量變化（互評修正后）

圖8 細菌繁殖數量變化曲線圖

綜上所述，生物學科學思維的培養貫穿于不同課型生物學課堂中，運用模型教學培養學生科學思維的教學策略具有必要性、有效性與可行性。通過“構建模型展示、創設問題情境、系統分析內容、提供互動條件”等行之有效的教學方式，培養學生的科學思維，從而構建有效的學習課堂。