基于模型構(gòu)建的高中生物學(xué)單元教學(xué)應(yīng)用研究

摘要：模型構(gòu)建是一種科學(xué)的教學(xué)方法，包含結(jié)構(gòu)模型、實驗?zāi)Ｐ汀⑻摂M模型、數(shù)學(xué)模型和概念模型等。將模型構(gòu)建應(yīng)用到高中生物學(xué)單元教學(xué)中，能夠?qū)⒊橄蟮闹R形象化、復(fù)雜的生物過程簡單化。結(jié)構(gòu)模型中能運(yùn)用具體的圖形去模擬生物分子，實驗?zāi)Ｐ椭心苓\(yùn)用實物的形式去模擬實驗過程，虛擬模型中能運(yùn)用軟件創(chuàng)建動畫來演示生物學(xué)過程，數(shù)學(xué)模型中能通過構(gòu)建公式、曲線圖等形式進(jìn)行知識的描述，概念模型中能從單元分析的角度對重要概念進(jìn)行歸納和整理，最大程度上降低學(xué)生的理解難度，最終促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：高中生物學(xué)；模型構(gòu)建；單元教學(xué)

文章編號：1003-7586（2024）03-0014-04 中圖分類號：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）將“科學(xué)思維”列為生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容，并強(qiáng)調(diào)在教學(xué)過程中落實“內(nèi)容聚焦大概念”的課程理念，這就需要進(jìn)行具有整體性、統(tǒng)一性的單元教學(xué)。基于《課程標(biāo)準(zhǔn)》和生物學(xué)科的特點(diǎn)，可以將模型構(gòu)建應(yīng)用到高中生物學(xué)單元教學(xué)中，將抽象、微觀、復(fù)雜的知識變得形象化、宏觀化和簡單化。在此過程中，逐漸發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，從而構(gòu)建高效課堂。

本文以上海科學(xué)技術(shù)出版社高中《生物學(xué)·必修2·遺傳與進(jìn)化》的第一章“遺傳的分子基礎(chǔ)”單元為例，探究模型構(gòu)建在高中生物學(xué)單元教學(xué)中的應(yīng)用。本單元從分子水平闡述遺傳信息編碼及其傳遞規(guī)律，教學(xué)內(nèi)容不僅“看不見、摸不著”，其生物學(xué)過程也非常復(fù)雜和抽象。因此需要利用模型構(gòu)建輔助單元教學(xué)，幫助學(xué)生更好地理解和掌握教學(xué)重難點(diǎn)，并能學(xué)以致用。

1 淺談生物模型

一般認(rèn)為“模型”是出于某一目的，對原型的本質(zhì)特征進(jìn)行概括性的、簡化性的描述。簡單來說，可以把模型看作一個道具，或者一座橋梁，幫助學(xué)生從復(fù)雜的問題中找到核心內(nèi)容。因此，構(gòu)建模型是一種科學(xué)的教學(xué)方法。

模型構(gòu)建的形式具有多樣性，包含結(jié)構(gòu)模型、實驗?zāi)Ｐ汀⑻摂M模型、數(shù)學(xué)模型和概念模型等。其中，結(jié)構(gòu)模型中能運(yùn)用具體的圖形去模擬生物分子，提高學(xué)生的空間想象能力；實驗?zāi)Ｐ椭心苓\(yùn)用實物的形式去模擬實驗過程，幫助學(xué)生理清生物之間的關(guān)系；虛擬模型中能運(yùn)用多媒體教學(xué)設(shè)備等，讓學(xué)生在虛擬的環(huán)境中感知抽象的生物學(xué)過程；數(shù)學(xué)模型中能根據(jù)具體的生物學(xué)現(xiàn)象，通過構(gòu)建公式、曲線圖等形式進(jìn)行知識的描述；概念模型中能從單元分析的角度對重要概念進(jìn)行歸納和整理，從而構(gòu)建出一個較為完整的知識體系圖。

2 模型構(gòu)建在高中生物學(xué)單元教學(xué)中的運(yùn)用策略

2.1 構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型，發(fā)展空間思維素養(yǎng)

在本單元學(xué)習(xí)“絕大多數(shù)生物的遺傳信息蘊(yùn)含在DNA結(jié)構(gòu)中”時，由于DNA的分子結(jié)構(gòu)具有微小、抽象且復(fù)雜等特征，學(xué)生在學(xué)習(xí)時常常難以掌握，可以將結(jié)構(gòu)模型應(yīng)用到生物學(xué)教學(xué)中。

例如，教師提出問題：“DNA分子是如何由核苷酸組成的？”讓學(xué)生帶著疑問去構(gòu)建DNA分子的結(jié)構(gòu)模型。第一步，構(gòu)建4種脫氧核苷酸模型，將堿基和磷酸基團(tuán)分別連接在脫氧核糖的1＇和5＇碳上；第二步，將多種脫氧核苷酸連接形成DNA分子的一條單鏈。教師適時引導(dǎo)，相鄰的脫氧核糖通過5＇碳和3＇碳之間形成的磷酸二酯鍵相連，學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)DNA單鏈的基本骨架是由磷酸、脫氧核糖交替連接的，并學(xué)會如何辨別DNA單鏈的方向。第三步，以DNA分子的一條鏈為模板，合成另一條脫氧核苷酸鏈（見圖1）。

學(xué)生在建模的過程中可以直觀地去感受、去認(rèn)知DNA的分子結(jié)構(gòu)，并且為后期學(xué)習(xí)DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄等生物知識打下堅實的基礎(chǔ)。此外，建模過程也可以幫助學(xué)生建立“大分子化合物均是由小分子組建而成”的概念，有效地培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，落實學(xué)科核心素養(yǎng)中模型與建模的科學(xué)思維。

2.2 構(gòu)建實驗?zāi)Ｐ停l(fā)展演繹與推理素養(yǎng)

在本單元學(xué)習(xí)“DNA復(fù)制的方式”探究實驗時，由于同位素標(biāo)記、密度梯度離心等過程比較抽象，需要學(xué)生具備一定的空間想象能力、邏輯推理能力等。可以將實驗?zāi)Ｐ蛻?yīng)用到生物實驗教學(xué)中去，利用生物模型營造出一個相似的實驗環(huán)境，代替研究對象模擬實驗過程，最大程度上降低學(xué)生的理解難度。在此過程中，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，歸納與概括、演繹與推理、模型與建模等科學(xué)思維。

例如，首先讓學(xué)生在小白板上構(gòu)建生物模型，幫助推測、模擬DNA復(fù)制的方式，學(xué)生由此提出假說“全保留復(fù)制”和“半保留復(fù)制”。教師引導(dǎo)學(xué)生：可以利用同位素標(biāo)記法區(qū)分母鏈和新合成的子鏈。然后，學(xué)生利用實驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)一步“演繹推理”，根據(jù)兩種復(fù)制方式下DNA的標(biāo)記情況，推理親代、子一代、子二代DNA離心后在試管中的位置，得出預(yù)期實驗結(jié)果。最后，教師在屏幕上展示科學(xué)家梅塞爾森和斯塔爾的實驗結(jié)果（見圖2），學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)這與假說“半保留復(fù)制”的預(yù)測實驗結(jié)果相符，并得出結(jié)論：DNA復(fù)制遵循半保留的方式。

2.3 構(gòu)建虛擬模型，發(fā)展探究與分析素養(yǎng)

在本單元的學(xué)習(xí)中，如何理解并掌握“DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯”的過程是教學(xué)重難點(diǎn)，可嘗試?yán)枚嗝襟w動畫構(gòu)建虛擬模型來輔助教學(xué)，將“看不見、摸不著”的抽象生物學(xué)過程變得宏觀化、形象化和可視化。

以“DNA半保留復(fù)制”的教學(xué)過程為例，學(xué)生結(jié)合書本材料，小組合作構(gòu)建虛擬模型。教師在希沃平板上運(yùn)用軟件預(yù)先創(chuàng)建相關(guān)動畫，學(xué)生演示DNA復(fù)制的動態(tài)過程，過程中感受DNA聚合酶在模板鏈上的移動方向、子鏈的合成方向等（見圖3）。

在構(gòu)建模型時，不僅可以模擬DNA復(fù)制的動態(tài)過程，還可以將其應(yīng)用到轉(zhuǎn)錄和翻譯的動態(tài)過程中，一方面可以幫助學(xué)生將新舊知識聯(lián)系起來，構(gòu)建完整的知識體系，在動態(tài)中尋找不同，另一方面有利于學(xué)生從動態(tài)的角度理解并牢記知識點(diǎn)。培養(yǎng)學(xué)生逐漸形成較強(qiáng)的探究與分析素養(yǎng)、觀察與歸納素養(yǎng)，為發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)打下牢固的基礎(chǔ)。

2.4 構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，發(fā)展邏輯思維素養(yǎng)

在面對具有較強(qiáng)數(shù)學(xué)邏輯性、抽象性和條理性的生物學(xué)知識時，可以在教學(xué)中應(yīng)用數(shù)學(xué)模型，通過構(gòu)建公式、曲線圖等形式來進(jìn)行知識的描述。

以本單元中“探究DNA復(fù)制次數(shù)與DNA分子數(shù)、脫氧核苷酸鏈數(shù)的數(shù)量關(guān)系”教學(xué)為例，教師首先提出問題：一個親代DNA分子復(fù)制一次、兩次、三次后，產(chǎn)生的DNA分子數(shù)分別是多少？學(xué)生在紙上畫模式圖并得出答案。教師繼續(xù)引導(dǎo)：能嘗試用數(shù)學(xué)模型總結(jié)復(fù)制次數(shù)與DNA分子數(shù)之間的關(guān)系嗎？由此啟發(fā)學(xué)生尋找出其中潛藏的規(guī)律。學(xué)生通過分析發(fā)現(xiàn)，DNA分子數(shù)可以用公式“2”’表示，其中“n”代表復(fù)制次數(shù)。教師繼續(xù)追問：在此基礎(chǔ)上，嘗試推理并構(gòu)建以下問題的數(shù)學(xué)模型（見表1）。

運(yùn)用數(shù)學(xué)模型輔助學(xué)生尋找生物知識的內(nèi)在規(guī)律，降低學(xué)習(xí)要點(diǎn)的理解難度，讓抽象的知識有跡可循，以清晰的思維有序解題，逐漸提升學(xué)生的邏輯推理、分析歸納等科學(xué)思維，提高課堂教學(xué)效率。

2.5 構(gòu)建概念模型，發(fā)展歸納與概括素養(yǎng)

高中生物學(xué)的特點(diǎn)是大部分的知識過于零碎化，學(xué)生找不到它們之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系，難以掌握并整合應(yīng)用。這就需要從單元模塊的角度去構(gòu)建生物概念模型，把碎片化的知識拼接起來，讓學(xué)生能夠系統(tǒng)化地理解生物概念，形成具有整體性、清晰性、有序性的知識體系。

例如在完成“遺傳的分子基礎(chǔ)”單元教學(xué)后，教師首先引導(dǎo)學(xué)生圍繞本單元的3節(jié)內(nèi)容進(jìn)行歸納總結(jié)，初步繪制出一個網(wǎng)絡(luò)狀的知識框架。接著，再將模型中各個部分的要點(diǎn)補(bǔ)充完整，最終構(gòu)建出一個較為完整的生物概念知識體系圖（見圖4、表2）。

在概念模型的指引下，學(xué)生不僅提升了理解能力、記憶能力，更重要的是鍛煉了解決問題的能力、知識應(yīng)用的能力，促進(jìn)了思維能力的發(fā)展。

3 生物模型在單元教學(xué)中的應(yīng)用價值

3.1 提高學(xué)生對生物學(xué)科的學(xué)習(xí)積極性

高中生物學(xué)知識具有一定的抽象性和復(fù)雜性，因而導(dǎo)致學(xué)生很難理解和應(yīng)用。在教學(xué)中建模可以弱化繁雜、微觀的理論知識，讓其生動立體地展現(xiàn)在學(xué)生面前，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、探究欲望，并以此為橋梁達(dá)到理解生物概念、掌握知識重難點(diǎn)和遷移應(yīng)用的目的。

3.2 創(chuàng)造良好的學(xué)習(xí)氛圍，體現(xiàn)學(xué)生的主體性

傳統(tǒng)的教學(xué)模式是在嚴(yán)肅、安靜的課堂氛圍下，教師通過不斷地講授從而讓學(xué)生獲取知識。“雙新”背景下的教學(xué)模式是要將課堂還給學(xué)生，可以開展模型構(gòu)建式教學(xué)，指導(dǎo)學(xué)生在此過程中進(jìn)行分析與推理、歸納與總結(jié)，從而在輕松有趣的氛圍中解決疑問，理解并掌握教學(xué)重難點(diǎn)，逐漸培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。

3.3 培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力

高中生物學(xué)中許多概念比較晦澀難懂，可以引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用具體的實物、虛擬的圖像、箭頭連接關(guān)鍵詞等形式去構(gòu)建生物模型，并在此過程中自然而然地建立出生物概念，充分發(fā)展學(xué)生的空間思維能力、邏輯推理能力、理解與表達(dá)能力，形成科學(xué)的思維方式和科學(xué)的探究方法。

4 總結(jié)

在生物教學(xué)設(shè)計中，應(yīng)用單元建模比單一課時的建模更加完整和系統(tǒng)。根據(jù)單元模塊的教學(xué)目標(biāo)和生物大概念，設(shè)計具有針對性的學(xué)習(xí)任務(wù)清單，學(xué)生借助不同形式的模型構(gòu)建，最終完成學(xué)習(xí)任務(wù)并獲取知識。在單元建模的過程中，幫助學(xué)生梳理章節(jié)之間、生物概念之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而構(gòu)建出一個具有整體性、清晰性、系統(tǒng)性的知識體系，真正做到內(nèi)化知識本質(zhì)，實現(xiàn)學(xué)以致用。

“雙新”背景下，將多種形式的生物模型應(yīng)用到高中生物學(xué)教學(xué)中去，用以活化抽象、微觀、復(fù)雜的知識，改善傳統(tǒng)教學(xué)模式下枯燥乏味的授課形式，激發(fā)學(xué)生的求知欲從而變被動學(xué)習(xí)為主動探究，在促進(jìn)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)發(fā)展的同時逐步提高其學(xué)科成績。