基于“穩態與平衡觀”的高中生物學模型思維培養策略分析

吳丹

摘 要：高中生物學模型思維的培養一直備受關注，文章從“穩態與平衡觀”的視角出發，探討了相應的培養策略。通過分析考察教學實際，提出了以培養學生觀察、分析、解釋和預測能力為核心的培養策略。研究表明，通過“穩態與平衡觀”培養學生高中生物學模型思維，有助于提升學生綜合能力和科學素養。

關鍵詞：穩態與平衡觀；高中生物學；模型思維；培養

隨著科學技術的不斷進步，培養學生生物學模型思維成為教育的重要任務。模型思維能夠幫助學生理解和解釋生物現象，培養其科學探究和問題解決能力。在這一背景下，以“穩態與平衡觀”為基礎的培養策略備受關注。穩態與平衡觀關注生命系統在變化中維持相對穩定的狀態，這一概念有助于培養學生系統思維和動態分析能力。本文將探討如何通過該觀念培養學生生物學模型思維，以及其在教學中的應用。

一、“穩態與平衡觀”的內涵及對高中生物學教學的影響

“穩態與平衡觀”作為一種重要的生物學觀念，強調生命系統在變化中保持相對穩定的狀態，具有深刻的內涵，對高中生物學教學產生了積極的影響。這一觀念不僅有助于學生深入理解生物現象和機制，還能培養學生的系統思維、模型思維和科學探究能力[1]。

首先，穩態與平衡觀突出了生命系統的穩定性與動態性。生命系統內部存在著復雜的相互作用和調節機制，以維持相對穩定的內環境。這一觀念有助于學生理解生命系統的內部結構與功能之間的相互關系，以及生命系統在外界變化下的自我調節和適應能力。在教學中，通過生動的案例和實驗，引導學生觀察和分析生命系統的動態變化，幫助他們建立起穩態與平衡觀的意識。

其次，穩態與平衡觀促進了學生的系統思維能力的培養。生命系統是一個復雜的整體，其中各個組成部分相互聯系、相互作用。培養學生將生物現象放在更大的系統背景下進行分析和理解，有助于他們形成系統思維的能力。在教學中，可以引導學生探討生命系統中的反饋機制、調節過程等，培養他們將局部與整體相結合的思維方式。此外，穩態與平衡觀對于培養學生的模型思維和科學探究能力也具有重要意義。生命系統的穩態與平衡關系常常可以用數學模型或圖表來表示，培養學生將生物現象抽象為模型的能力。在教學中，可以引導學生構建生命系統的數學模型，進行定量分析和預測。同時，通過提出問題、設計實驗、進行數據收集與分析等科學探究活動，培養學生解決問題和探索未知的能力。

最后，穩態與平衡觀強調了生命系統的整體性和聯動性。生物現象往往是由多個組成部分協同作用產生的結果。教學中可以通過引導學生研究生物圈等復雜的生命系統，幫助他們理解生命系統的整體特點和相互關系，培養學生跨學科思維和綜合分析能力。綜上所述，穩態與平衡觀的內涵豐富而深刻，對高中生物學教學產生了重要影響。通過培養學生對生命系統穩態與平衡關系的理解，可以促進他們的系統思維、模型思維和科學探究能力的發展，為培養具有綜合素質的生物學人才奠定堅實基礎。

二、高中生物學模型思維的特征和培養價值

高中生物學模型思維是指學生通過建立和運用生物學模型來理解和解釋生物現象的能力，具有獨有的特征和重要的培養價值。這種思維方式不僅有助于學生深入探究生物學知識，還培養了他們的創新能力、批判性思維和實際應用能力。

首先，高中生物學模型思維的特征在于抽象與具體的結合。學生在學習生物現象時，將復雜的生命系統抽象為數學模型、圖表或圖像，更加直觀地展現生物過程的本質[2]。例如，在講解“基因遺傳規律”相關知識時，學生可以通過建立基因座位圖譜模型來描述基因在染色體上的分布情況，使抽象的遺傳原理變得具體可見。其次，高中生物學模型思維強調定量分析和預測能力的培養。學生通過構建數學模型，可以進行定量分析，預測不同因素對生命系統的影響。例如，通過建立食物鏈和食物網模型，學生可以定量分析食物鏈中不同物種的相對數量變化，預測環境變化對生態平衡的影響。再次，高中生物學模型思維注重系統性思考。生命系統內部存在著復雜的相互作用和調節機制，學生需要從整體的角度來思考問題。通過建立模型，學生可以更好地理解生命系統的結構和功能之間的相互關系，培養他們的系統思維能力。此外，高中生物學模型思維強調實際應用能力的培養。模型思維不僅僅停留在理論層面，還能夠幫助學生解決實際問題。例如，在疾病傳播的研究中，學生可以通過建立傳染病模型來預測疾病傳播的趨勢，為公共衛生決策提供科學依據。高中生物學模型思維的培養價值在于培養學生的綜合素質和創新能力。模型思維能夠幫助學生跳出傳統的思維模式，培養他們從不同角度思考問題、提出新的假設和解釋的能力。此外，模型思維也能夠為學生今后的科學研究和實際應用提供有力的支持，使他們能夠更好地運用生物學知識解決實際問題。

總之，高中生物學模型思維具有抽象與具體結合、定量分析與預測、系統性思考和實際應用等特征。培養這種思維方式不僅能夠幫助學生更深入地理解生物現象，還能夠培養他們的創新能力和實際應用能力，為培養具有綜合素質的生物學人才提供重要支持。

三、基于“穩態與平衡觀”的高中生物學模型思維的培養策略

（一）模型構建，培養高中生的系統思維

教師要引導學生了解模型在生物學中的重要性，以及如何構建和使用模型來理解復雜的生物現象。教師可以分享一些經典的生物學模型，如DNA雙螺旋模型、細胞膜模型等，讓學生感受模型在科學研究中的應用。還應鼓勵學生根據所學知識構建自己的模型，解釋生物現象。例如，學生可以設計模型來說明生命系統中的食物鏈關系、細胞內信號傳導過程等，通過手工制作、計算機繪圖等方式，將抽象的概念形象地呈現出來。同時，引導學生思考模型的局限性和優化方向。讓學生評估所構建模型的準確性和適用性，思考如何根據實際情況進行改進，培養他們的批判性思維和創新能力。學生可以選擇一個生態現象，如能量流動和物質循環，利用紙板、彩紙等材料構建一個生命系統模型，通過模型展示不同生物之間的相互作用和平衡關系。在細胞生物學方面，學生可以使用軟件工具繪制細胞膜滲透調節的模型，展示細胞內外環境的動態平衡。

（二）問題驅動，培養高中生的探究精神

教師要鼓勵學生主動提出問題，并引導他們通過探究來解答問題。教師可以在教學中提出開放性問題，如“為什么一些生物能夠在極端環境中生存？”“細胞內外環境的平衡是如何調節的？”等，激發學生的好奇心和求知欲。還應組織學生參與課外科研項目，讓他們深入探討自己感興趣的生物學課題。學生可以選擇一個生態現象或細胞過程作為研究對象，進行實地調查、實驗設計和數據分析，培養他們的獨立探究能力。教師要重視引導學生將問題與現實應用聯系起來，培養他們解決實際問題的能力。

例如，“血糖平衡調節”是一個非常適合培養高中生探究精神和生物學模型思維的課題。教師首先向學生提出“為什么動物需要保持血糖水平的平衡？它是如何調節的？”鼓勵學生自主進行獨立研究，獲取相關信息。學生可以設計一些簡單的實驗來研究血糖平衡調節。例如，他們可以觀察在進食后血糖水平的變化，或者在進行體育活動后如何影響血糖。這有助于他們理解生物體內的調節機制。學生可以使用圖表、流程圖或三維模型來表示胰島素的作用、肝臟的參與以及血糖濃度的變化。這鍛煉了他們建模和圖像化思維的能力。

（三）培養穩態與平衡觀的意識

在教學中，教師可以通過生動的實例引導學生思考物種之間相互作用和資源利用的平衡關系，以及生物體內細胞內外環境的穩態調控。教師可以引導學生觀察自然界中的例子，如食物鏈、食物網、生態金字塔等，讓他們深入理解不同生物之間的相互依賴與平衡。同時，通過探討物種數量的波動和穩定狀態的特點，培養學生對于生態平衡的敏感性。在細胞生物學領域，可以通過細胞膜的滲透調節、體內酸堿平衡等案例，引導學生理解細胞內外環境的動態平衡以及細胞內穩態的重要性。例如，通過實驗演示細胞膜對不同溶液的滲透情況，讓學生觀察和思考細胞膜的滲透調節對細胞穩態的影響。在教學方面，教師可以選擇一個具體的生態環境，如森林、濕地等，讓學生分析其中的生物種類、數量變化以及相互關系，引導他們思考該生命系統如何保持穩態和平衡。在細胞生物學方面，可以進行模擬實驗，觀察細胞在不同滲透濃度溶液中的現象，讓學生體驗細胞膜調節穩態的過程[3]。

（四）建立更加系統的思維機制

在教學過程中，教師可以引導學生運用科學方法，通過實驗設計、數據收集與分析，來解答自己提出的問題，建立更加系統的思維機制。舉例來說，學生可以設計一個模擬實驗，觀察在不同環境條件下物種數量的變化，揭示環境因素對穩態的影響。又或者，學生可以進行細胞實驗，驗證細胞膜在不同滲透條件下的滲透調節能力，以此來理解細胞內外環境的平衡機制。更進一步，教師應引導學生深入探討問題背后的機制和原理。以“動物體溫平衡”相關知識為例，學生應該使用實際案例或模擬實驗來驗證他們的模型。他們可以通過研究不同氣溫下不同動物的體溫變化來驗證模型的準確性。教師引導學生討論他們的模型，分享他們的發現。學生可以提出問題、挑戰模型，并討論不同動物在不同環境中如何調節體溫。這種討論有助于培養批判性思維和系統思考。最后，教師可以引導學生思考體溫平衡對于動物生存的實際應用。如在寒冷的冬天或酷熱的夏天，動物如何適應環境。通過這樣的引導，學生將能夠逐步培養起自主提問、科學實驗、數據分析等一系列科學研究的能力。這種學習方式不僅能夠使學生具備更加系統的思維機制，還能夠鍛煉他們的邏輯思維，培養學生解決問題的能力。同時，學生在實際操作中能夠更好地理解抽象的生物學理論，使知識更具體、更有意義。通過這種方式，學生將更加主動地投入學習中，形成積極的學習態度和深刻的學習體驗。

（五）跨學科融合，拓寬學生的視野

教師在培養學生穩態與平衡觀念和模型思維時，應積極鼓勵學生將這些概念應用到不同學科領域，促進跨學科融合。這樣的跨學科方法不僅能夠豐富學生的知識，還能夠培養他們的綜合素養和解決問題的能力。首先，教師可以通過設計有趣的跨學科課題，引導學生探索生命系統與化學、物理等領域的關聯。教師可以要求學生研究細胞內的化學反應，了解細胞內各種物質的平衡濃度是如何維持的，以及不同反應如何相互影響[4]。通過這樣的案例，學生能夠深入理解穩態與平衡的重要性，并將生物學知識與化學知識有機地結合起來。其次，教師可以組織學科間的合作與討論，鼓勵學生從多個角度思考穩態與平衡問題。在團隊合作中，學生可以共同探討物種平衡如何與環境中的物理因素相互作用。通過與物理學或地理學等領域的知識結合，學生能夠從更廣闊的視角去理解問題，形成更為全面的認識。此外，教師可以通過實際案例分析，讓學生認識穩態與平衡在現實問題中的應用價值。舉例來說，教師可以引導學生探討城市生態系統中的穩態調控，讓他們思考人類活動對城市生態平衡的影響，培養他們的環境意識和社會責任感。通過這樣的案例，學生能夠將抽象的概念與實際問題相結合，加深對穩態與平衡原理的理解。教師應該充分利用跨學科的方法，引導學生將穩態與平衡的觀念和模型思維運用到不同學科領域中。通過設計跨學科課題、促進學科間的合作與討論，以及通過實際案例分析，可以培養學生的綜合能力，使他們更好地理解和應用穩態與平衡的概念。這種綜合性的學習方式將有助于學生更全面地認識生命系統的復雜性和多樣性。

（六）情境模擬，培養學生的決策能力

設計情境，讓學生在虛擬環境中體驗穩態與平衡的調節過程。例如，通過計算機模擬軟件，讓學生調整不同因素的數值，觀察物種數量的變化，培養他們在不同條件下制定決策的能力。引導學生分析決策對系統穩態的影響，培養他們預測結果的能力。學生可以通過情境模擬，觀察不同決策對生態平衡的影響，分析其背后的原因，進一步理解穩態與平衡的關系。組織角色扮演活動，讓學生扮演生態環境管理者或細胞內穩態調節者的角色，制定決策并進行討論。通過模擬真實場景，培養學生在保持穩態與平衡方面的決策能力。學生可以使用生態模擬軟件，調整不同物種的數量和相互關系，觀察其穩態變化，并討論如何通過調節因素來維持平衡。在細胞內穩態方面，學生可以扮演細胞內環境調節者的角色，模擬不同條件下細胞內外環境的變化，制定相應的調節策略[5]。

結束語

穩態與平衡觀作為培養高中生物學模型思維的策略，在實踐中展現出良好的效果。通過培養學生觀察、分析、解釋和預測能力，學生能夠更好地理解生命系統的運作機制。然而，培養高中生生物學模型思維需要多方面的支持，包括教師培訓、教材改革等。我們需要進一步深化穩態與平衡觀的應用，探索更多有效的培養策略，為高中生物學教育的改革和發展提供有力支持。

參考文獻

[1]孫琦，卜慶梅.基于“穩態與平衡觀”的高中生物學模型思維的培養：以“血糖平衡的調節”為例[J].中小學教材教學，2020（2）：38-41.

[2]吳守娣.基于“穩態與平衡觀”的模型思維的培養：以“血糖平衡的調節”為例[J].新課程，2022（20）：138-139.

[3]王穎.人教版高中生物學教材選擇性必修2生物與環境介紹[J].生物學教學，2020，45（11）：6-10.

[4]吳宇清.模型思維可視化在高中生物學教學中的應用[J].中小學數字化教學，2023（7）：13-17.

[5]房穎，柳忠烈，田樹青.基于發展科學思維的模型構建在高中生物學教學中的應用：以“細胞的增殖”為例[J].生物學通報，2022，57（9）：28-31.

本文系贛州市級課題“高中生物教學中發展學生模型思維解決問題的實踐研究”（課題編號：GZSW2022-7）的研究成果。