高中生物模型構建活動的優化設計實踐研究

吳丹

摘 ?要：模型建構活動能充分發揮學生的主觀能動性，進一步發展學生模型思維、提升知識遷移和解決問題的能力。文章基于核心素養的理念，立足高中生物課堂教學，在對高中生物模型教學界定的基礎上，圍繞模型構建活動的有效開展進行優化設計，提出相關的策略，設計了模型構建的一般流程圖，并在生物教學中積極實踐，以期為科學思維的發展和核心素養的培養提供一定思路和參考。

關鍵詞：高中生物;模型構建;教學活動

目前，高中生物課堂中經常會用到模型建構教學，由于學校的重視程度不足、課堂時間有限、模型建構空間和材料的缺乏、教師理論和相應教學經驗的缺乏、學生的參與度不高等因素的限制，學生模型建構能力的培養和模型思維的發展也受到制約。

一、高中生物模型教學概念界定

人教版必修1《分子與細胞》中提出“模型是人們為了某種特定的目的而對認識對象所做的一種簡化的概括性描述，這種描述可以是定性的，也可以是定量的;有的借助于具體的實物或其他形象化的手段，有的則通過抽象的方式來表現”。生物模型主要包括物理模型、概念模型和數學模型等多種形式。這些模型的應用能有效解決學生生物知識學習中存在的知識壁壘問題，突破重點和難點。

模型的應用主要通過模型教學來實現，包括運用現成模型的教學和構建模型過程中的探究式教學。許多現成的模型具有直觀化、簡約化的特點，被廣泛運用于生物學教學中。模型構建教學基于模型的建構性探究性學習活動，是一個不斷形成、運用和修正的過程，通過模型構建活動途徑來實現。模型構建在高中生物教學中的應用，就是將模型的構建與生物學習內容有效地結合起來，通過模型構建活動讓學生主動參與到構建模型的過程，利用已學過的知識進行假設，將復雜的問題簡化，將抽象的問題具體化，使原型更加形象化，能表現出其本質屬性，不斷發現問題，在教師的引導和學生的合作中不斷解決問題，提升認知水平，建構完整的知識結構和體系，實現在模型建構活動中思維與行為的相統一。在模型教學中應更注重模型建構的過程和應用模型去解決問題，形成模型思維。在高中生物模型構建活動中，教學不能脫離實際，需要給學生提供相關素材背景，引導學生運用模型去解決實踐中的問題。如在大社會背景下，人們所面臨的生活問題、科技前沿、依托社會熱點（如新冠肺炎）等實踐問題，需要運用生所儲備的知識和形成模型思維通過搭建生物模型去解決問題。

二、高中生物模型構建策略

（一）轉變觀念，改變教學方式和學習方式

高中生物模型構建和運用，通過小組合作，能夠激發學生的學習興趣，提升學習效率，促進學生從淺層的學習深入到深度學習，打破傳統的接收式學習模式，提高學生對知識的遷移應用能力。

讓模型教學法滲透到課堂教學中，首先教師要轉變觀念，重視模型教學。在實施模型教學之前，主動深入學習模型教學理念和核心素養等相關理論，研究物理模型、數學模型和概念模型等生物模型，結合教學和學生的實際，將生物模型、學生素養培養和課堂教學進行深度融合，對教學設計進行優化，促進課堂教學的方式改變。模型的構建過程，要以人為本，充分發揮學生的主觀能動性，教師不是獨立于學生之外的，要起引導和橋梁作用，促進小組之間的相互合作;要搭建好的模型，要設計相應的評價體系，進行針對性評價，讓學生在獲得成就感的同時發現不足。

學生對模型不夠重視，認知不夠系統，需要教師引導學生正確理解生物模型、明確構建模型的意義，清楚搭建模型對知識的生成和知識體系構建、知識遷移和運用模型去解決問題的重要性，強化模型思想、形成模型思維。

（二）根據實際，搭建有效模型

依據模型的特征，建模活動需要遵循科學性、直觀性、可視化、可行性、及時性、相關性、靈活性、美觀性等原則，結合具體的問題情境、實際條件等因素綜合考慮有效構建生物模型。高中生物課堂主要分為新授課、講評課、實驗課、復習課等，不同的課型有不同的特點，進行模型構建活動有共性，但也要依據不同課型實施不同的模型構建策略，同時要引導學生充分發揮自己的主觀能動性，通過模型的構建促進學生知識的生成和模型思維的發展。

（三）拓展構建模型活動的途徑

通過提供生物模型的傳統教學，在一定程度上促進學生模型思維的形成，但這遠遠滿足不了學生的求知欲。信息技術的革新可以促進教育的變革，要充分發揮信息技術在教育領域的積極作用，彌補傳統手段教學的不足。隨著中小學硬件配套設施的建設，教室配備了便于操作、交互性強、可視化程度高的多媒體工具，如交互式一體機，輔助軟件“希沃授課助手”“希沃白板”“互動課堂的移動講臺”“心意答微課寶”“數字化信息系統實驗室”等，這些多媒體為構建生物模型搭建了平臺，為實現學生模型思維發展提供了可能。多媒體技術能夠輔助模型建構教學，更直觀地展示微觀知識，使建構的模型更準確，對學生核心素養的培養提供了一種新的思路。在高中生物教學實踐中，考慮學生的實際能力和水平，運用傳統的方法、信息技術與高中生物模型教學深度融合，充分調動學生的積極性，讓學生成為學習的主體，主動參與知識的構建，利用搭建的模型去解決問題。

學生最主要的學習素材是教材，但些遠遠滿足不了學生素養發展的需求。教師充分挖掘教材中顯性和隱性的模型素材資源和課外生活實踐素材構建資源庫，并對素材資源進行歸類和利用，在保證教學進度的前提下進行模型教學，探討交流，提升模型教學認知應用。模型構建不受時間和空間的限制，在課堂外也可以進行模型構建，利于問題的解決。教無定法，模型教學可以與其他的教學方法和模式結合使用，提升課堂效果。

三、高中生物模型構建活動的優化設計實踐

新課標要求學生除了掌握必要的基礎知識，更要注重思維能力的培養和發展，掌握處理實際問題的方法。模型建立的過程就是一個科學探究的過程，在這一過程中需要根據已知的條件確定對象，設置未知并運用科學規律，選擇研究方法，再檢驗模型是否與實際一致，這對該建構活動的優化具有重要的意義。

（一）建立生物模型

模型構建活動設計流程（如圖1）。

1. 模型準備

首先讓學生對生物現象或生物概念有一個大致了解，明確所要研究的問題，通過設置情境、回顧相關的舊知識和學習的新知識，使學生在已有知識基礎上搭建模型總體框架。模型構建活動的準備除了有知識準備外，還需要構建模型的相關材料的準備，材料可以是實物素材、多媒體輔助素材等。此外，還要引導學生開拓思維，發揮團隊潛能，讓學生選擇準備更多的素材進行模型搭建。

2. 建立模型

在模型建構活動中，首先要選取適當的模型類型，思考物質和事物之間的關系和異同，分析和總結事物的基本特征，利用所提供的材料提出假說，然后學生通過自主合作動手實踐構建模型。教師在此過程中要關注好學生構建的過程和細節，把握動向，發現問題，適當引導解決。

3. 模型檢驗修正

對模型進行檢驗，檢驗初始模型的適用性和連貫性，修正誤差。在模型構建活動中學生可以在小組中展示他們構建的模型，并表達他們構建模型的想法，對學生展示的模型完成情況進行多角度的評價，生生互評，發現問題并解決問題，最后建立正確的模型。

4. 應用模型

模型構建是形成模型思維的重要過程，幫助學生掌握知識并形成知識體系。模型方法不能脫離具體的實際，在建立正確的模型后需要運用有效模型去解決實踐問題，在解決問題的過程中不斷修正模型，使得模型應用更加廣泛，在此過程中會逐漸提升模型思維，從而到達質的飛躍。在生物課堂實踐教學中，要結合具體的實踐問題，搭建模型去解決，潛移默化地滲透模型思維，讓學生學會運用模型方法解決問題。

構建模型要考慮在相似情境下的適應性問題，通過模型調試對新問題進行求解并對模型進行改進，同時對其結構和功能進行修改、加強和擴展，使建模在連續循環過程中趨于科學。

（二）高中生物模型構建設計的方法舉例

以“生態系統物質循環—碳循環”為例，通過構建物質循環的概念模型，解決相關的生態問題。

1. 模型準備

介紹和理解“生態系統物質循環”的概念，引入實例碳循環，回顧生態系統的結構、光合作用、化能合成作用和呼吸作用等相關知識，不同層次的生命系統是個輸入輸出開放的系統;通過交互式白板課件提供關鍵詞（生產者、消費者、分解者、呼吸作用、光合作用等）和相關聯系符號作為概念模型的搭建素材，并輔以適當的文字表述。

2. 建構模型

教師先引導性提問：（1）碳循環的在自然界和生物群落的存在形式？（2）碳循環是發生在哪里的循環？循環形式是什么？（3）碳進入生物群落的途徑？碳出生物群落的途徑？學生根據教師提問進行假設并做出預判，然后搭建模型。（如圖2）。

3. 模型檢驗修正

完成碳循環的概念模型后，生生互評、教師點評的方式對模型進行檢驗：碳進入生態系統和出生態系統的途徑不全，需要進一步修正和檢驗，最后得到正確的模型（如圖3）。

4. 模型應用。“溫室效應”是目前有待解決的生態學問題，實質上是生態系統中“碳平衡”被打破了。為維持“碳平衡”減少溫室效應，需在搭建好的碳循環模型的基礎上，從產生溫室效應的氣體來源和去向分析，聯系生活實際，通過減少化石燃料的燃燒、植樹造林和開發新能源等途徑減少溫室效應。

生態學方面的問題除了溫室效應的問題外，還有瀕危物種的保護、害蟲的監測和預防、漁業的捕撈量、草原動物的承載量等諸多問題，可以通過構建概念模型、數學模型輔助分析解決相關問題，從而使生態系統的結構和功能保持穩定。生物模型不僅僅局限于解決生態學方面的問題，在遺傳學、細胞代謝、細胞增殖、生命活動調節等問題上也具有廣泛的應用，針對不同的問題情境和對象，需要搭建相應的模型去解決問題。

運用模型建構法和高中生物教學有效融合，對模型構建活動教學設計進行優化，在模型構建活動中引導學生搭建模型、運用模型解決問題，這有利于提高學生形成基于模型思維解決問題的意識和方法。在實踐中遇到具體問題時，能夠用模型思維解決，突破障礙，增強探索新知的能力和解決實際問題的能力，最終形成運用科學方法解決問題，有益于終身發展的能力。高考的變革側重對學生核心素養的考查，運用模型建構的教學實踐，突破重點和難點、抽象點，利于學生的高考，能提高學業成績。

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（責任編輯：莫唯然）