例談模型建構法在初中生物復習課中的應用
——以“植物的光合作用和呼吸作用”為例

張慧凱 吳佳林

（浙師大附屬蘆江書院 浙江寧波 315800）

2022年4月，《義務教育生物學課程標準（2022年版）》（以下簡稱《課程標準》）正式頒布，對當前的生物學教學提出了新的要求。《課程標準》提出“教學過程重實踐”的課程理念，要求教師關注學生學習過程中的實踐經歷，通過實踐加深學生對生物學概念的理解，提升應用知識的能力。《課程標準》在每部分課程內容后配套了相應的教學提示，強化了“怎么教”的具體指導，給教學帶來了便利。盡管新授課的指導更加清晰，但新形勢下如何更好地開展生物學復習課教學，《課程標準》在教學指導中并未提及，很多教師也依然感到無從下手。

復習課是在學生學習到某一階段后進行的，主要作用是加強學生對知識的理解和記憶，通過及時梳理來防止學生遺忘，其在教學中的地位不言而喻。但復習時，學生對概念已經沒有新鮮感，課堂上很容易出現效率不高、思維含量不足、甚至大量堆砌習題等現象。為在復習課中落實教學實踐，響應新課程理念，筆者提出了利用模型建構的策略來助力生物學復習，旨在訓練學生思維、滲透生物學學科思想，幫助學生建立學習方法，從而更高效地達成教學目標。

1 模型建構策略下的初中生物復習課路徑

《課程標準》明確將“建模”作為發展科學思維的基本方法之一，在義務教育段生物教學中，一般將模型分為：物理模型、概念模型、數學模型3種。物理模型一般指能直觀地表達認識對象的特征的實物或圖畫。概念模型指用文字或符號表達各類對象的特征、關系的模型。數學模型指以數學形式描述一個系統或其性質的模型。在復習課中，教師可巧妙利用這三種模型的特點，以學科知識內在邏輯為主線，由現象到本質，從定性到定量。筆者構建了如圖1所示的復習課教學路徑。

圖1 模型建構策略下的初中生物復習課路徑圖

植物的新陳代謝是初中生物的核心知識，主要包括光合作用、呼吸作用、蒸騰作用等內容。下面以復習課“植物的光合作用和呼吸作用”為例。

2 基于模型建構策略下的復習課教學案例

2.1 考情分析

光合作用和呼吸作用是初中生物學體系的核心內容，也是中考命題的熱點。近年來，命題專家已不再僅僅滿足于考查兩大作用的場所、產物、單一影響因素等陳述性知識，更趨向于命制真實情境下涉及光合作用和呼吸作用的綜合性試題，旨在考查學生關鍵能力和生物學核心素養，常見題型有圖表題、說理題等。因此，學生單靠淺層記憶很難在學業測評中取得優勢，教師在平時需要培養學生的綜合分析、建模、深度思考的能力。

2.2 學情分析

本節課的授課對象是中考二輪復習的初三學生，經過前面的新課教學和一輪復習，已經較好地掌握了光合作用和呼吸作用的基本知識。但是，大部分學生很難將所學知識與生產、生活實際聯系，面對復雜多變的坐標曲線類圖像題。更是無從下手。其原因是學生對光合作用和呼吸作用之間的內在本質關系理解不深，對真光合作用速率、凈光合作用速率和呼吸作用速率間的關系不能辨別。所以，在本節課上，教師采用逐步建模的方法，幫助學生深入理解光合作用和呼吸作用。

2.3 教學目標

①理解并掌握光合作用和呼吸作用強度之間的關系，理解凈光合作用的含義，理解圖像中某些點、線段所表示的意義。

②能夠運用呼吸作用和光合作用原理分析外界條件對植物生長影響，培養分析問題的能力。

③通過對光合作用和呼吸作用的理解，了解其在農業生產中的應用，體會科學來源于生活又服務于生活。

2.4 教學過程

2.4.1 創設情境，激活舊知

上課伊始，教師組織學生觀看夏天多地高溫紅色預警的視頻，從學生的親身體驗出發，提出問題：二氧化碳是一種最常見的溫室氣體。為應對氣候變化，我國提出2060年前實現“碳中和”，即通過一些措施使二氧化碳凈排放量降為零。請簡述能改變大氣中二氧化碳含量的例子。對于上述問題，學生很輕易就想到綠色植物的光合作用和呼吸作用。教師追問：綠色植物的新陳代謝與大氣中的二氧化碳含量的變化息息相關，請回憶：①植物光合作用、呼吸作用的發生分別需要什么條件？②它們在怎樣的場所中進行的？③它們對植物體的生長發育有怎樣的意義？④它們對人類的生產生活又會帶來怎樣的影響？在教師環環相扣的問題串中，學生完成對舊知的梳理，喚醒大腦中沉睡的知識。

設計意圖：復習課不同于新授課，需要在原有的知識基礎上進一步挖掘、拓展，以加深學生的理解。因此，教師首先要引導學生總結知識規律，在具體問題情境的刺激下激活學生頭腦中原有的知識。

2.4.2 漸構模型，厘清概念

學生在梳理了光合作用和呼吸作用基本知識后，總結歸納光合作用、呼吸作用、蒸騰作用的關系，初步形成概念模型A（圖2）。

圖2 植物“三大作用”概念模型圖A

教師引導學生思考：概念模型A通過簡單的連線將綠色植物的三大作用聯系起來。但是，該概念模型無法清晰表示出關鍵氣體的利用和流向。樟樹是寧波的市樹，被廣泛種植在寧波的道路兩旁。請將學案上“樟樹葉片”圖像補充完整，以“葉片”為載體進行繪制，要能展示出氣孔的開閉、CO2、O2氣體的吸收和排放等特點。學生小組討論，在學案中完成繪制，進一步形成概念模型B（圖3），并展示、介紹。

圖3 植物“三大作用”概念模型圖B

教師總結：從上述模型可以看出，綠色植物的葉片既會吸收CO2，又會產生CO2，因此單純考慮光合作用或呼吸作用中的一種沒有意義，必須將兩種作用結合起來考慮。而兩種作用對CO2的吸放情況是相反的。因此，教師自然而然地提出問題：概念模型B能否幫助搞清楚綠色植物對大氣中CO2含量的影響這一問題？當現有模型無法解決問題時，學生自發地進行思考并明確，模型必須能反映出光合作用和呼吸作用的強度。教師布置任務：請以CO2為中間橋梁，從“葉片”模型中抽離出單個葉肉細胞模型，以線粒體作為呼吸作用主場所，以葉綠體作為光合作用主場所，繪制CO2、O2的氣體流動方向，從而羅列出CO2的吸放情況。學生比較呼吸作用和光合作用的強度，分類討論后完成葉肉細胞CO2流動模型圖的繪制，形成概念模型圖C（圖4）。

圖4 葉肉細胞CO2流動概念模型圖C

設計意圖：CO2的含量變化涉及到植物的兩種生理作用，對絕大多數學生而言較抽象。因此，教師基于最近發展區理論，在學生的原有的認知水平上，引導學生逐步建構概念模型，循序漸進，由表及里，根據生物學模型的科學性和簡明性，去粗取精，較好地反映出植物生理作用的本質特征和內部規律，有效解決問題，達成教學目標。

2.4.3 深化模型，提升思維

在學生展示概念模型C后，教師進一步提問：在生物學研究中，除了用圖像之外，還可用數學關系表示作用關系的強弱。基于上述四幅圖，請用公式表示光合作用與呼吸作用中所對應CO2的關系。學生思考后，利用公式對單個葉肉細胞建構數學模型：

①葉綠體固定的CO2量=從外界吸收的CO2量+線粒體釋放的CO2量。

③釋放至外界的CO2量=線粒體釋放的CO2量-葉綠體固定的CO2量。

根據學生的模型，教師聯系農業生產實際，進行解釋：日常所測定的光合作用速率是根據釋放到外界的CO2量測定的，其已經受到了呼吸作用的影響，并非植物真正進行光合作用的速率，被稱為凈光合速率。至此，學生對課堂之初“碳中和”中的解釋——“CO2的凈排放量”中的“凈”字有了更深層次的體會。隨后，教師進一步深化數學模型，以整株植物體為研究對象，要求學生繪制出夏季晴朗的一天中，樟樹的CO2吸收量的變化示意圖，并對圖中曲線的各段變化情況進行解釋（圖5）。

圖5 樟樹CO2吸收量變化示意圖

設計意圖：數學模型可表達的內容可以是定量的，如公式中的等量關系，也可以是定性的，如折線圖中的升降變化情況。在經歷建構概念模型、繪制物理模型后，教師抽離出數學模型，引導學生解釋曲線的起點、折點、交點等特殊點的生物學含義，理解整個曲線變化趨勢的內在原因。這時，學生對植物體生命活動三大作用的理解已經有了質的提升，也為后面的解決問題打下了良好的鋪墊。

2.4.4 運用模型，解決問題

通過模型的建構，學生根據植物一天中CO2吸收量變化示意圖，提出增加綠色植物進行“碳中和”能力的措施。在學生提出單個因素后，教師再度追問：溫度會同時影響植物的光合作用、呼吸作用和蒸騰作用，請觀察三種生理作用與溫度的關系圖，選出植物“碳中和”的最適宜的溫度。教師利用復雜的影響情況圖，培養學生多角度、多方面考慮問題的能力，提升學生的高階思維。

設計意圖：通過數學模型中折線圖的分析，學生很輕易就能講出增加光照時間、適當增強光照強度（利用清潔能源中所含能量轉化成光能）、找到光合作用和呼吸作用的最適溫度等手段。教師創設真實的情境，引導學生利用所建構的模型去解釋、解決實際問題，達到知識的遷移與應用。另外，教師還可以和學生分享前沿科技知識，講述中國科學家通過基因工程從而控制植物午間氣孔的開閉情況增強光合作用的事例，激發學生的愛國熱情和學習生物的積極性。

2.5 教學反思

建構主義學習理論認為，真正的學習應是主動建構的，而采用模型建構的復習方法能較好地實現這種教學主張。在課堂中，學生對原有的知識信息進行再加工、處理，建構出能解決問題的模型，并借助模型，使得頭腦中的生物學概念更形象化、簡約化和直觀化。本節課上，教師基于學生的認知規律，設計了真實情境下的探究問題，使學生體驗到了模型建立對解決問題帶來的幫助，并經歷了從粗糙到精細、從形象到抽象、從定性到定量的建模過程，從而深層理解知識。由于學生建模時，筆者多采用啟發式教學來鼓勵繪制，留給學生自發交流、討論、展示的時間較長，因此課堂最后留給問題解決的時間不是很多，對于基礎較差的學生可能訓練不夠充分。另外，由于時間有限，最后筆者沒有引導學生總結、強化模型和建模的重要性，即“是獲得知識的重要途徑和方法”。本節課主要采用了概念模型和數學模型，教師若有時間，可在結課時補充物理模型的介紹，以此讓學生對模型形成完整的認識。