淺談基于模型與建模的高中生物學教學

摘要：本文旨在理清模型與建模的概念，梳理不同版本高中生物學教材中關于模型與建模的表述，針對生物學教學中模型與建模的教學提出建議，以期通過實施科學的建模教學幫助學生深入理解知識的形成過程，實現核心素養的落地。

關鍵詞：模型與建模；高中生物學；教學策略

文章編號：1003-7586（2024）04-0090-03 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

科學建模是新一輪國際科學課程改革關注的熱點，在《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）被列為物理、化學、生物等多個學科核心素養中科學思維的關鍵要素。《課程標準》和教材中都非常重視模型與建模教學，在新課程理念的引領下，高中生物學教師也都意識到了建模教學的重要性，但在建模教學實踐過程中，往往會出現以下問題。首先片面地認為模型就是指物理模型，忽視了概念、數學等其他模型的建構。其次不了解建模教學簡化、抽象出本質的要旨，而糾結于細節像與不像，材料好不好等問題。最后弱化了建模活動中學習、發現、修正等思維過程，以追求正確的模型成品為最終目的。本文旨在理清模型與建模的概念，梳理不同版本高中生物學教材中模型與建模教學素材，針對生物學教學中模型與建模教學策略提出一些建議，以期通過建模教學幫助學生深入理解知識的形成過程，實現核心素養的落地。

1 “模型與建模”概念的界定

模型是人們為了認識某種對象所作的一種簡單的概括性的描述。這種描述可以是定量的或者是定性的，有的模型借助具體的實物或者圖像等形象化的手段表達出來，有的則通過理論或者文字等抽象的形式表達出來。模型是一種現代科學認識手段和思維方法，是科學認識過程中抽象化與具體化的辯證統一。

建模是模型產生的過程，也是思想和行為融為一體的過程，是為了理解事物而對事物做出的一種抽象的過程，也可以說是解決問題的過程。基于模型的學習方式包括模型展示、模型制作、模型建構等。模型展示主要是觀察、辨認、理解現成已知的模型，以此獲得對生物學現象、概念和原理的理解；模型制作是通過模仿、轉換、制作已知但不現成的模型，以加深對生物學現象、概念和原理的理解，同時提升操作技能和動手能力；模型建構則是文中所述的“建模”，是指通過觀察、實驗、想象、推理、論證，逐步建構未知的模型，促進學生主動建構生物學概念，從而提升科學思維能力和創新能力。建模教學的宗旨是幫助學生通過模仿科學家利用模型認識科學現象的過程與方法來學習新知識、構建新概念，利用模型來解釋現象、解決問題，進而有效提高科學思維水平。

2 高中生物學教材中的“模型與建模”

高中階段不同版本的生物學教材中，模型主要呈現為物理模型、概念模型、數學模型等，此外，北師大版教材中提出了尺度模型，滬科版教材提出了計算機模型。梳理六個版本的《生物學·必修1·分子與細胞》（以下簡稱《必修1》）教材中模型與建模的相關表述（見表1），可見每個版本的教材都注重模型與建模思維的滲透。

2.1 高中生物學教材中常見的三類模型

物理模型是指人們對原型進行加工、抽象、簡化，以實物的形式構建的模型，主要反映原型的形態、結構等，如制作生物膜的流動鑲嵌模型、真核細胞結構模型、DNA雙螺旋結構模型等。

數學模型是指對研究對象的生命本質和運動規律進行具體地分析和綜合，運用合適的數學表達式，如關系式、數學方程式、曲線圖或者表格等來表達。可以通過數學模型對現象進行后續的判斷和預測，如種群數量增長的“J”型曲線和“S”型曲線、有絲分裂和減數分裂過程中染色體數目、DNA數目的變化曲線等。

概念模型是指通過分析大量的具體形象，分類并揭示其共同本質，將其本質凝結在概念中，把各類對象的關系用概念和概念之間的聯系來描述，用文字和符號突出表達對象的主要特征和聯系，如各種概念圖、光合作用和細胞呼吸的生理過程圖解、血糖調節過程圖解等。

2.2 不同版本高中生物學教材中的模型與建模

不同版本高中生物學教材都注重模型與建模的教學。以“制作真核細胞的三維結構模型”為例，人教版教材作出了詳細的關于建模步驟的指導，包含了從簡化客觀事實到完善修正模型的完整建模過程；蘇教版教材給出了許多具體的建議，如關注模型的大小和比例，給出了不同細胞器的平均直徑；北師大版教材在思考與討論中提出：如果要制作“胰腺腺泡細胞分泌消化酶”的結構模型，需要重點呈現哪些細胞結構？通過將靜態模型動態化，啟發學生在模型中呈現生理過程，滲透生命觀念；滬科版教材有建模專欄，建模思維貫穿《必修1》教材始末。

多數版本高中生物學教材為模型與建模教學提供了一定的素材，但并不系統和深入。教材側重于介紹物理模型，而對數學模型和概念模型涉獵較少。教材是《課程標準》和核心素養的載體，其篇幅有限，不可能面面俱到，教師在教學過程中可以深入挖掘教材，選擇其中合適的素材或者適當補充素材，有效開展不同類型的模型與建模教學。

3 生物學教學中運用模型與建模方法的策略

3.1 明晰高中生物學教學中模型與建模的目的

高中生物學教學中模型與建模活動的主要目的是讓學生通過嘗試建立模型，體驗建立模型中的思維過程，領悟模型方法，以獲得、鞏固有關生物學概念。高中生物學教學中的模型建構活動與真實科學研究中建立模型有一定的區別。以“制作DNA雙螺旋結構模型”為例，沃森和克里克在建構模型時并不清楚DNA分子結構，他們綜合各種研究數據逐步建構模型、修正模型，最終揭示了DNA分子的結構。但高中生物學教學中的“制作DNA雙螺旋結構模型”并不是為了揭示DNA分子的結構，而是通過制作物理模型來再現難以直接觀察到的DNA分子的結構，以加深學生對DNA分子結構特點的認識和理解。

模型是用來幫助提高課堂效率的工具之一，建模教學并不以追求正確的模型成品為最終目的，因此不需要過分糾結于細節像與不像、材料好不好等問題，而應綜合考慮教學內容的難易程度、主次層級、學生的實際情況、接受程度等來設計教學。只有依據教學目標將建模、生物學概念和學生的學情適當結合起來，更加關注學生建模的過程，重視素材的選擇和呈現資料的契機，幫助學生在建模活動中學習、發現、修正模型，通過重走建模之路來鍛煉學生的思維品質，才能真正發揮建模教學的作用。

3.2 重視高中生物學教學中師生建模意識的培養

教師應提高自身的建模意識。例如，區分模型與原型。在教學實踐中，教師可能會指著真核細胞模式圖講“這就是真核細胞”，指著黑板上自己畫的染色體模式圖說“這就是細胞中的染色體”，這樣會導致學生誤把模型當原型，看到真實圖像的時候不知所措。再如，凸顯教材中各類模型。高中生物學教材中涉及的模型主要包括物理模型、數學模型和概念模型，除了物理模型大家比較熟悉之外，數學模型和概念模型并不常被提起。

教師還需重視學生建模思維的培養。首先要充分利用好教材中的素材，特別是運用生物科學史素材，展示科學家建構生物模型的過程，讓學生體會模型建構的思路和方法。其次，倡導探究式學習和發現式學習，讓學生體驗模型建構的過程。以“生物膜系統的結構和功能”這節課為例，如果僅僅是根據教材，先介紹實驗，再看圖總結生物膜系統的概念，就無法發生模型建構行為。應當改變教學順序，從細胞器的結構和功能人手，先讓學生合理推測分泌蛋白合成、加工的過程進而建構模型，再根據實驗數據、文字、圖片資料等發現不同生物膜在結構和功能上的關聯，逐步修正模型。在模型建構中發現問題、解決問題，最終實現生物膜系統概念的建構。課后還可以引導學生繼續建模，結合真核細胞模型建構活動將分泌蛋白的合成加工過程滲透其中，將靜態的模型動態化，激發學生的學習興趣和動手操作的熱情。

3.3 充分挖掘教材中的建模素材，使用模型進行概念教學

不同版本高中生物學教材中有豐富的科學史、圖片、文字資料等素材，許多素材都可為建模教學充當腳手架，這就需要教師自身首先具備一定的元建模知識，能在教學中將內隱的元建模知識內容挖掘出來，將它們置于顯性的地位。同時，可以參考其他版本的教材，選擇恰當的素材來設計教學。概念教學是當前新課標背景下生物學教學的重中之重，生命觀念的建立以概念性知識的學習為基礎。教師通過梳理、整合各版本教科書中所含的概念、圖像模型，充分使用模型與建模內容進行概念教學。使用模型，尤其是生物學教科書上的模型進行教學，可以有效提高概念教學效率，促進學生的深度學習。

生物學是鉆研生命現象和生命活動規律的一門科學，其研究領域廣泛，研究對象復雜多樣。生物建模實際是通過模型構建將抽象復雜的生物知識直觀呈現的過程，它既是一種思維方式，也是處理生物學問題的一種重要手段。對于學生來說，參與生物建模的過程，有利于學生拓展思維，將抽象的生物知識與直觀的模型聯系起來，從而養成理論聯系實際的嚴謹思維。

基金項目：南京市教育科學“十四五”規劃2022年度課題“基于自身認知理論的中學生物學主題學習實踐研究”（L/2022/026）。