跨學(xué)科視角下初中生物學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生建模能力的實踐探究
——以“眼和視覺”為例

錢子心 劉 嫻

(1.昆明市第八中學(xué)長城新城校區(qū) 云南昆明 650231)

(2.云南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 云南昆明 650500)

0 前言

教育是國家發(fā)展的根本基石,是民族未來的指向標(biāo)。義務(wù)教育承載著我國人才培養(yǎng)的責(zé)重山岳,唯有不斷革新,才能順應(yīng)時世需求,達(dá)成教育的終極目標(biāo)。最新頒布的《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》(以下簡稱“新課標(biāo)”),在課程理念、目標(biāo)及內(nèi)容上較之前出現(xiàn)大量修訂。“核心素養(yǎng)為宗旨”占據(jù)新課標(biāo)課程六大理念的第一位,一定程度上彰顯了發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)在生物學(xué)培養(yǎng)中的重要性。基于新課標(biāo)的價值取向,生物學(xué)教學(xué)應(yīng)該充分挖掘和展示學(xué)科本身內(nèi)涵,并將學(xué)科教學(xué)與學(xué)生生活有機融合,從而推進(jìn)核心素養(yǎng)的形成。其中,模型建構(gòu)作為一種行之有效的教學(xué)手段,本身就具備一定跨學(xué)科背景,能夠在學(xué)生實際學(xué)習(xí)活動中較好地促進(jìn)科學(xué)探究和跨學(xué)科實踐,在學(xué)生核心素養(yǎng)的形成與發(fā)展方面具有較為關(guān)鍵的作用。

同時,新《課標(biāo)》新增“課程設(shè)計重銜接”的課程理念,旨在引導(dǎo)教師從“專一學(xué)段”“專一課程”轉(zhuǎn)變?yōu)椤斑B續(xù)學(xué)段”“連續(xù)課程”,更加重視教師對學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)“支架”的搭建。普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試(以下簡稱“高考”)是初中學(xué)業(yè)水平考試和高中階段學(xué)校招生考試(以下簡稱“中考”)的導(dǎo)向。近年來高考命題也有“以能力為先、素養(yǎng)導(dǎo)向”的趨勢。因此從學(xué)業(yè)評價的角度,初中生物學(xué)教師在學(xué)生相應(yīng)技能的培養(yǎng)上需要下足功夫。此外,跨學(xué)科整合也屬于“重銜接”的范疇。學(xué)會利用跨學(xué)科視角解決和回答生物學(xué)問題,將多個學(xué)科內(nèi)容和思想串聯(lián)起來,對學(xué)生的能力素質(zhì)培養(yǎng)有較大的積極影響。此前提下,若在義務(wù)教育階段,生物學(xué)教師能在一定程度上側(cè)重學(xué)生跨學(xué)科、實踐建模能力的塑造,將有助于激發(fā)學(xué)生該時期形成的素養(yǎng)轉(zhuǎn)化為其未來創(chuàng)造成長的沃土。

據(jù)查證,跨學(xué)科視角多集中于高中乃至大學(xué)學(xué)段,學(xué)生建模能力的培養(yǎng)多集中于數(shù)學(xué)物理等學(xué)科。筆者將從跨學(xué)科視角探討初中生物學(xué)融入學(xué)生建模能力的培養(yǎng),以期在新修訂的生物學(xué)課標(biāo)引領(lǐng)下探索初中生物教學(xué)發(fā)展的更多可能性。

1 跨學(xué)科視角下學(xué)生建模能力的培養(yǎng)——以“眼和視覺”為例

前人有言,生物學(xué)建模是將抽象的知識具象化,復(fù)雜的知識簡單化。在此基礎(chǔ)上融入跨學(xué)科思維,能使學(xué)生結(jié)合多種視角深化對知識的加工。從教師建模“教”學(xué)生“學(xué)”,到學(xué)生有建模“能力”學(xué),教師由行為發(fā)起者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生為行為發(fā)起者,仍然需要廣大研究者的探索。換句話說,如何從教師建模學(xué)生被動學(xué)習(xí)到學(xué)生建模主動學(xué)習(xí),是學(xué)生建模能力培養(yǎng)的關(guān)鍵。課堂是初中生物學(xué)教學(xué)的第一陣地,也是培養(yǎng)學(xué)生建模能力的主戰(zhàn)場。下文以人教版初中生物學(xué)“眼和視覺”課堂教學(xué)為例,探討跨學(xué)科視角下在初中生物學(xué)中學(xué)生建模能力的培養(yǎng)。

1.1 眼球的基本結(jié)構(gòu)和功能

能夠描述眼球的基本結(jié)構(gòu)和功能是本節(jié)課的重點之一,同時是學(xué)生概述視覺形成過程的基礎(chǔ)。學(xué)生對“眼睛和視覺”有豐富的生活經(jīng)驗,但缺乏生物學(xué)上的專業(yè)認(rèn)知。同時該學(xué)段的學(xué)生尚未接觸物理中光學(xué)相關(guān)概念,對類雙凸透鏡的晶狀體的結(jié)構(gòu)及功能存在盲區(qū)。基于此背景,教師可提供部分物理模型素材供學(xué)生挑選,鼓勵學(xué)生通過材料探索,感知并構(gòu)建眼球結(jié)構(gòu)模型,掌握眼球各結(jié)構(gòu)的功能。

教師提供解剖工具、牛眼球?qū)嵨铩⒔馄恃矍蛞曨l激光筆、雙凸透鏡、透明膠質(zhì)果凍等實驗器材,學(xué)生利用解剖工具和激光筆通過物理模型和實物模型探究眼球的結(jié)構(gòu)和功能。

學(xué)生分組合作通過解剖工具觀察解剖牛眼球?qū)嵨?感知眼球不同結(jié)構(gòu)的特點,由結(jié)構(gòu)再激發(fā)對其功能的認(rèn)知。本著以生為本和弱化感官刺激的原則,可同時播放解剖操作視頻,方便學(xué)生了解感受解剖過程。學(xué)生在觀察實物時會發(fā)現(xiàn)鞏膜、角膜的堅韌程度不同,角膜輕薄容易破壞,能在一定程度上讓學(xué)生形成保護(hù)眼睛的意識。學(xué)生動手解剖或觀看視頻后能認(rèn)識到晶狀體是一個類似雙凸透鏡的結(jié)構(gòu),而玻璃體體積較大,為透明膠質(zhì)物。

學(xué)生利用激光筆照射模擬晶狀體的雙凸透鏡和模擬玻璃體的透明膠質(zhì)果凍可直觀感知到光線通過這兩個結(jié)構(gòu)時的變化,從而得出晶狀體和玻璃體能折射光線的生物學(xué)知識。通過對眼球不同結(jié)構(gòu)和相應(yīng)功能的直接認(rèn)識,能幫助學(xué)生理解生物體結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)功能觀。同時也為學(xué)生以后學(xué)習(xí)物理學(xué)“光的折射”相關(guān)知識建立了一定認(rèn)知基礎(chǔ)。

1.2 視覺形成的過程

視覺形成的過程即為外界光線經(jīng)過眼球中相關(guān)結(jié)構(gòu)后通過晶狀體折射在視網(wǎng)膜上形成物像,視網(wǎng)膜感光細(xì)胞感知物像刺激后將信息通過視神經(jīng)傳遞到大腦的過程。利用先前已經(jīng)構(gòu)建好的眼球結(jié)構(gòu)模型,學(xué)生可以自主歸納出光線進(jìn)入眼球的路徑,說出視覺形成過程中各部分結(jié)構(gòu)和功能。教師可適當(dāng)引入部分模型素材,如蠟燭、凸透鏡、光屏、不同遮光度的遮光板、光具座等供學(xué)生使用,引導(dǎo)學(xué)生動手制作探究晶狀體作用模擬實驗的物理模型,為后續(xù)“近視及其矯正”的教學(xué)做準(zhǔn)備。

(1)學(xué)生用激光筆照射眼球結(jié)構(gòu)模型,總結(jié)光線進(jìn)入眼球的路徑。

學(xué)生通過觀察發(fā)現(xiàn)角膜和瞳孔能讓光線進(jìn)入眼球內(nèi)部,同時已經(jīng)掌握晶狀體和玻璃體能夠折射光線。根據(jù)視網(wǎng)膜“含有許多對光線敏感的細(xì)胞,能感受光線刺激”概念能夠得出折射后的光線將落到視網(wǎng)膜上。此時,教師引導(dǎo)學(xué)生書寫出“外界光線→角膜→瞳孔→晶狀體→玻璃體→視網(wǎng)膜”概念模型(圖1)。通過對實物信息的提取轉(zhuǎn)化,促使學(xué)生對“光線進(jìn)入眼球路徑”概念的形成,加強學(xué)生對眼球結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)知記憶,鍛煉學(xué)生的總結(jié)概況能力。

圖1 概念模型示意圖

(2)學(xué)生根據(jù)概念模型選取不同材料,在光具座上構(gòu)建出凸透鏡成像作用的物理模型,探索晶狀體成像規(guī)律。

通過合作和回顧,學(xué)生應(yīng)將材料按“蠟燭—遮光板—凸透鏡—光屏”(圖2)的順序搭建模型。此過程中學(xué)生對模型設(shè)計要有一定能力,能夠通過不同材料的組合搭配實現(xiàn)技術(shù)與材料的融合。在選取遮光板時,學(xué)生通過遮光度越低、落在光屏上的物像越亮能聯(lián)想到光線通道大小對視物的影響。教師可展示貓瞳孔大小變化與環(huán)境光線的關(guān)系,肯定學(xué)生的知識發(fā)現(xiàn)。同時倡導(dǎo)學(xué)生不要在過亮或過暗的環(huán)境看書,增加學(xué)生的健康意識。該物理模型的構(gòu)建需要學(xué)生依據(jù)已學(xué)知識選取合適的材料,一方面能夠強化其對知識的理解,如遮光板和虹膜的功能、光屏和視網(wǎng)膜的功能相似等,另一方面強調(diào)在情境中解決實際問題的能力,潛移默化中激發(fā)學(xué)生探究實踐的核心素養(yǎng)。

圖2 探索凸透鏡成像規(guī)律的物理模型示意圖

1.3 近視及其矯正

在搭建凸透鏡成像作用的物理模型中,學(xué)生能夠驗證光線通過晶狀體折射落到視網(wǎng)膜上的猜想,可以對晶狀體與眼球成像的密切聯(lián)系產(chǎn)生較為樸素的認(rèn)識。但對生活中常見現(xiàn)象“近視和遠(yuǎn)視”的成因和矯正并不清楚。教師可先指導(dǎo)學(xué)生利用數(shù)學(xué)模型總結(jié)分析凸透鏡的成像規(guī)律,再通過物理模型進(jìn)一步內(nèi)化學(xué)生的生物學(xué)知識。

(1)教師提供多種曲度的凸透鏡,并固定凸透鏡到光屏之間的距離,學(xué)生嘗試更換透鏡并調(diào)節(jié)蠟燭和凸透鏡之間的距離,利用表格、曲線圖等手段建立數(shù)學(xué)模型。

更換不同曲度凸透鏡后,學(xué)生需多次調(diào)節(jié)物距,直至能在光屏上形成清晰物像(圖3)。教師此時應(yīng)注意引導(dǎo),并提醒學(xué)生及時記錄數(shù)據(jù)。隨著數(shù)據(jù)不斷積累,學(xué)生可以總結(jié)出曲度越大的透鏡,想要在光屏上形成清晰物像所需要的物距越短。教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生嘗試?yán)L制當(dāng)所觀察物體由遠(yuǎn)及近時人眼晶狀體曲度變化曲線圖,促使學(xué)生自主總結(jié)生成晶狀體與所視物距離關(guān)系(圖4)。從而得出結(jié)論:當(dāng)人看的物體越近,晶狀體曲度越大,反之亦然。通過上述步驟,學(xué)生能夠自行闡釋凸透鏡成像相關(guān)原理和處理所收集的數(shù)據(jù)。教師隨后提問:什么結(jié)構(gòu)能夠調(diào)節(jié)晶狀體曲度? 如何調(diào)節(jié)? 引出睫狀體可以調(diào)節(jié)晶狀體曲度,睫狀體舒張使晶狀體曲度變小。因此同學(xué)近距離用眼后要適當(dāng)遠(yuǎn)眺放松眼睛,養(yǎng)成良好生活習(xí)慣。

圖3 晶狀體曲度與成像物距關(guān)系圖

圖4 所視物距離與晶狀體曲度關(guān)系圖

(2)教師提供凹透鏡和凸透鏡,引導(dǎo)學(xué)生探究近視如何矯正。

根據(jù)之前的物理模型學(xué)生能夠感知,當(dāng)透鏡到達(dá)光屏的距離固定時,凸透鏡曲度過大不易恢復(fù)導(dǎo)致焦距過短而無法滿足成像所需像距,想要得到清晰物像,必須縮短物體與凸透鏡的距離。由物理學(xué)現(xiàn)象遷移生物學(xué)概念則為,若晶狀體曲度過大,物像將落在視網(wǎng)膜前方視物不清,即“近視”。此時需要借助光學(xué)原理幫助矯正。利用激光筆學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)凹透鏡能發(fā)散光線,而凸透鏡使光線會聚,其根本原因是凹凸透鏡成像方向相反。根據(jù)相關(guān)物理原理,學(xué)生將凹透鏡放置在曲度過大的凸透鏡前,切身體驗到佩戴凹透鏡可以矯正近視(圖5)。該模型搭建后,學(xué)生可選取不同曲度的凹透鏡和凸透鏡組合,并對所搭配的透鏡曲度、焦距等數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理,進(jìn)一步探索聚光成像之間的關(guān)系(表1)。之后再反向推理遠(yuǎn)視的成因及矯正,實現(xiàn)知識點的遷移和生活實際問題的解決。此時,學(xué)生通過多個模型的綜合應(yīng)用,能夠自然地關(guān)注到跨學(xué)科實踐在解決問題中的必要性,在合作建模中也切身體會到多角度綜合分析思考的科學(xué)需要。過程中對學(xué)生建模能力的提升,不僅從跨學(xué)科角度拓寬了學(xué)生的視角,也內(nèi)化了學(xué)生對生物學(xué)課程的理解,從而完成生物學(xué)核心素養(yǎng)的顯化。

表1 不同曲度凸透鏡和凹透鏡組合與成像的關(guān)系

表2 眼和視覺評價要求表

圖5 利用凹透鏡矯正近視物理模型示意圖

2 總結(jié)

生物學(xué)作為自然科學(xué)的一部分,天然擁有與其他學(xué)科合作互通的優(yōu)勢。在生物學(xué)教學(xué)中設(shè)計多種有建模需求的環(huán)節(jié),能促使學(xué)生主動、積極地通過課堂完成含跨學(xué)科融合元素模型的構(gòu)建,從而通過模型解決學(xué)習(xí)中遇到的實際問題。以本節(jié)課“眼和視覺”的教學(xué)為例,學(xué)生通過設(shè)計、制作、抽象化等方式構(gòu)建生物學(xué)與物理、數(shù)學(xué)的跨學(xué)科模型,能夠促成對眼球結(jié)構(gòu)功能、近視成因及矯正的理解,形成一定的“生命觀念”。同時學(xué)生建模時發(fā)現(xiàn)如瞳孔變化大小的作用、晶狀體曲度與所視物遠(yuǎn)近的關(guān)系等知識點,一定程度上能幫助其建立健康生活、關(guān)愛生命的意識,以實現(xiàn)“態(tài)度責(zé)任”的核心素養(yǎng)。在實際動手過程中學(xué)生也能意識到跨學(xué)科模型在生物學(xué)上學(xué)習(xí)的不可替代性,有利轉(zhuǎn)變“生物課只談生物”的局限思維,向“科學(xué)思維”“探究實踐”生物學(xué)核心素養(yǎng)發(fā)展。

綜上,跨學(xué)科視角下在初中生物學(xué)中培養(yǎng)的學(xué)生建模能力,是一件可行且必行的任務(wù)。生物教師在教學(xué)中要以新課標(biāo)理念為核心,以培養(yǎng)學(xué)生能力為主旨,以教育對象為主角,設(shè)計和規(guī)劃有實用性的、符合課程標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)內(nèi)容。提質(zhì)提優(yōu),共同助力初中生物學(xué)發(fā)展,達(dá)成“核心素養(yǎng)”育人的教學(xué)目標(biāo)。